Навигационные системы автомобилей

Реферат

Реферат

Навигационные системы автомобилей

Минск-2017

Навигационные системы

определение нахождения автомобиля в текущий момент

ввод пункта назначения с определением оптимального маршрута

При выборе маршрута предлагается 3 варианта — быстрый, нормальный и короткий. Кроме этого указывается где находятся платные дороги и особенности движения по каждому маршруту.

Для того чтобы пользоваться GPS-навигацией, нужен как минимум GPS-приемник. Но само по себе он не более чем спутниковый компас, знающий свои точные координаты. Чтобы связать эти координаты с конкретной цифровой картой местности, нужно более сложное устройство, например, GPS-навигатор со встроенным GPS-приемником.

Рис. Навигатор

GPS-навигаторы — устройства со сравнительно простой программной оболочкой, ориен­тированные преимущественно на решение навигационных задач и способные работать только с одним предусмотрен­ным производителем типом карт.

Вычисление положения GPS-приемника осуществляется на основе заранее известных координат спутников системы. Физически это выражается в том, что исходными данными для решения задачи позиционирования являются расстояния от объекта до всех видимых им в данный момент спутников. Для упрощения допустим, что все видимые спутники находятся на своих орбитах в неподвижном со­стоянии.

Несмотря на распространение коммуникаторов со встроенным GPS, рынок автомобильных навигаторов продолжает расти. Пользователи предпочитают иметь и то, и другое, а не два устройства в одном. Помимо популяризации пятидюймовых экранов, чипсета Sirf Atlas V и беспроводных интерфейсов наметилась и еще одна тенденция — появление навигаторов на базе Android.

Рис. GPS-навигатор GARMIN

Общие принципы определения координат с помощью GPS

Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе).

В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией.

Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находится в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника).

Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится где-то на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близи от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.

8 стр., 3855 слов

Системы GPS-мониторинга транспорта

... сегмент (орбитальная группировка) системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер ... для корректного определения координат необходим четвертый спутник. После построения трех сфер приемник начинает манипулировать с временной ... примерное расположение спутников (рис. 3). Рис. 3. Расположение спутников на информационном экране навигатора Как видно из ...

Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.).

Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.

Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.

Кроме перечисленных, существует еще масса специальных систем, увеличивающих точность навигации, — например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным, например, от зданий).

Мы не будем углубляться в особенности функционирования этих устройств, чтобы излишне не осложнять текст.

После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров).

Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).

Качественно уменьшить ошибку (до нескольких сантиметров) в измерении координат позволяет режим так называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS).

Дифференциальный режим состоит в использовании двух приемников — один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется «базовым», а второй, как и раньше, является мобильным. Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации, собранной передвижным аппаратом. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «оффлайновой» обработке данных, например, на компьютере.

10 стр., 4827 слов

Безопасность на воздушном транспорте

... кислородное оборудование Аварийно-спасательное оборудование Бытовое оборудование Обеспечение безопасности при полетах самолета - одна из важнейших ... в зависимости от классификационной скорости (скорость, в 1,3 раза превышающая скорость сваливания в посадочной конфигурации ... реестра гражданских воздушных судов Российской Федерации (например, при списании гражданского воздушного судна, снятии его ...

Обычно в качестве базового используется профессиональный приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Например, в феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания «НавГеоКом» установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции — 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании.

Следует заметить, что основными заказчиками дифференциальной коррекции являются геодезические и топографические службы — для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости (пакет услуг OmniStar на территории Европы стоит более 1500 долларов в год) и громоздкости оборудования. Да и вряд ли в повседневной жизни возникают ситуации, когда надо знать свои абсолютные географические координаты с погрешностью 10-30 см.

В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система).

Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы.

Датчик пройденного пути

Датчик пройденного пути — это та или иная конструкция электронного одо­метра, информация в который поступает с датчиков скорости вращения колес ABS. Одометрам присущ ряд систематических погрешностей, которые необходимо корректировать. К ним относятся:

1. Разница в диаметрах новой и изношенной покрышки дает погрешность в определении пройденной дистанции до 3%.

2. За счет увеличения диаметра покрышки от центробежной силы на каждые 40 км/час скорости автомобиля погрешность в определении пройденной дистан­ции увеличивается на 0,1…0,7%.

3. Изменение давления в шинах на 689 кПа увеличивает погрешность на 0,25…1,1%.

Для определения направления движения автомобиля обычно используются датчик азимута, датчики скорости вращения колес, гироскопы.

Рис. Структура навигационной системы

Датчики скорости вращения колес

В системах GPS используются датчики скорости вращения передних колес, применяемые для ABS. Угол поворота автомобиля определяется по разности путей, проходимых при повороте левым и правым колесом.

Датчик азимута

Датчик азимута (компас) использует магнитное поле Земли и представляет собой коль­цевой сердечник 2 из ферромагнетика, на который намотаны обмотка возбуждения 1и перпендикулярно друг другу две выходные обмотки 3 и 4. К обмотке возбуждения приложено синусои­дальное напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля в выходных обмотках наводит­ся ЭДС взаимоиндукции, также синусоидальная, с нулевым средним значением. При наличии постоянного внешнего магнитного поля (магнитного поля Земли) происхо­дит искажение синусоидальной формы магнит­ного потока в сердечнике за счет наложения постоянной составляющей и напряжений вы­ходных обмоток.

5 стр., 2270 слов

Информационные системы и технологии на водном транспорте

... эксплуатации систем отображения электронных навигационных карт и информации на внутренних водных путях, утвержденным Министерством транспорта Российской ... система для передачи информации по безопасности мореплавания на удаленные районы моря. 1) Электронная картографическая навигационная информационная. Электронная картографическая навигационная информационная система предназначена для установки на ...

Рис. Геомагнитный датчик азимута:

1 — обмотка возбуждения; 2 — коль­цевой сердечник из ферромагнетика; 3 — выходная обмотка с координатой X; 4 — выходная обмотка с координатой Y

Электронные карты

В некоторых навигационных системах картографическая информация хранится централизованно и передается на автомобиль по радиоканалу, но в большинстве случаев навигационная система предполагает наличие необходимой базы данных на борту автомобиля.

CD-ROM используется для хранения картографической и дорожной информации с целью сравнения конфигураций дорог и пройденного пути, поиска оптима­льного маршрута, вывода карты местности на дисплей.

В матричном формате каждому элементу карты (пикселю) соответствуют свои значения декартовых координат X-Y. Матричные карты требуют много места в памяти компьютера или па носителе информации и неудобны для математических операций при прокладке и слежении за маршрутом.

В векторном формате дороги, улицы представляются последовательностями от­резков прямых, описанных аналитически, пересечения — узлами. Узлы идентифицируют координатами — долготой и широтой. Если дорога (улица) не прямая, в точке излома также помещается узел. Таким образом, дороги (улицы) любой конфигурации аппроксимируются набором векторов и узлов.

Рис. Улицы и узлы на векторной карте

Имеющиеся карты или изображения местности, полученные с самолетов и спутников, сканируются. Затем специальное программное обеспечение трансформирует изображение сначала в матричный, а затем в векторный формат.

Электронная карта несет такую информацию, как номера дорог, названия улиц, номера домов между перекрестками, одностороннее или двухстороннее движение на улице, названия отелей, ресторанов и т. д.

Сенсорный переключатель на экране позволяет менять режим вывода изображения, выбирая раздельный или полный экран со стрелочными указателями поворотов, список поворотов или информацию о съездах с автострады.

Рис. Указатели поворотов

Устройство автомобильной навигационной системы

По своей сути автомобильная навигационная система является персональным компьютером со всеми его атрибутами: материнской платой, центральным процессором, оперативной памятью, постоянной памятью, жестким диском, устройствами ввода и вывода информации, приводами для подключения внешних источников данных.

навигационного процессора

Прием сигналов от навигационных спутников обеспечивает антенна. В штатной навигационной системе используется внешняя антенна, которая устанавливается на крыше автомобиля. Мобильный навигатор, как и смартфон, оснащен встроенной антенной.

Для ввода и вывода информации применяется сенсорный дисплей, который отличается быстродействием, многофункциональностью и низким энергопотреблением. В штатной навигационной системе для вывода информации может использоваться проекционный дисплей.

6 стр., 2867 слов

Информационная система управления водным транспортом

... Системы отображения электронных навигационных карт и информации 7) Видеопрокладчики 8) Тактические дисплеи 9) Модули погоды 2. Практическая часть 2.1 Информационная система управления водным транспортом 2.1.1 Система управления водным транспортом ... становится обеспечение непрерывности управляемых процессов в узловых точках, где осуществляется прохождение грузов между сетями различных транспортных ...

Питание штатной навигационной системы осуществляется от бортовой сети автомобиля. Мобильный навигатор запитан от собственного аккумулятора. Зарядка аккумулятора производится также от бортовой сети.

Программное обеспечение автомобильной навигационной системы включает операционную систему, навигационную программу, другие прикладные программы (офисные приложения, мультимедиа проигрыватель, игры, программы для чтения электронных книг и др.).

Операционная система соединяет аппаратную часть навигатора («железо») с прикладной программой. В качестве операционной системы используются программы Windows CE, Windows Mobile, Android, iOS и др.

навигационная программа

Для мобильных навигаторов, КПК и смартфонов созданы отечественные навигационные программы Навител, Автоспутник, CityGuide, ПроГород и ряд других. Из зарубежных программ необходимо отметить популярную программу iGo. Программа iGo также используется в штатных навигационных системах корейских автомобилей Hyundai, Kia, SsangYong. В мобильных навигаторах, КПК, смартфонах может быть установлено несколько навигационных программ, что значительно расширяет возможности навигационной системы.

электронной карте

Если в планах перемещение на автомобиле по бездорожью, то вам необходима навигационная программа с растровой картой. В отличие от векторной растровая карта представляет собой изображение местности (перенесенная бумажная карта или спутниковая фотография), привязанное к географическим координатам.

Ведущими мировыми разработчиками электронных карт являются компании TeleAtlas и Navteq, но карты от этих производителей пока имеют недостаточное покрытие территории России. По этой причине многие российские разработчики навигационных программ (Навител, ПроГород, СитиГид) используют собственные электронные карты.

Ориентирование на карте местности по конфигурации пройденного пути

Сначала навигационная система определяет, какие из близлежащих дорог могут соответствовать координатам автомобиля, определенным навигационным счислением. Затем делается сравнение, выбирается наиболее подходящая дорога и корректируются координаты автомобиля по карте. Когда автомобиль достигает перекрестка, выбор дороги определяется направлением движения. Если дороги на перекрестке выглядят примерно одинаково, навигационный компьютер прослеживает их по карте вперед и определяет коэффициент корре­ляции для каждой из дорог по отношению к требуемому маршруту. Выбирается дорога с наибольшим коэффициентом корреляции.

Навигационные системы позволяют получать информацию голосовым управлением, что позволяет получать необходимые сведения не отрываясь от дороги. В общей сложности современные системы распознают до 1500 слов.

Для подробного рассмотрения выбранного участка можно его приблизить или удалить для охвата более обширной зоны. На дисплей можно одновременно выводить две карты, одна из которых показывает более детальный ряд, а другая дает более широкий охват. В случае необходимости имеется возможность найти ближайший отель, ресторан, заправку, СТО, место парковки и т.д.

Рис. Разделение экрана

навигационный автомобильный маршрут координата

Для изучения маршрута следования водитель может выполнить предварительный просмотр маршрута.

40 стр., 19579 слов

Система обеспечения безопасности движения поездов

... задачи, непосредственно разработка системы обеспечения безопасности движения поездов 1. Система обеспечения безопасности движения поездов 1.1 Нормативное правовое и техническое регулирование в области обеспечения безопасности движения поездов Система обеспечения безопасности на железнодорожном транспорте включает как систему технического регулирования, так ...

За 500 метров до приближающегося перекрестка на экран автоматически выводится увеличенная схема развязок. По мере приближения к перекрестку будет звучать голосовое сообщение, напоминающее водителю о предстоящих действиях. Если водитель пропустил нужный поворот, система сама скорректирует маршрут.В случае недостаточной информации о местонахождении пункта назначения система навигации может производить поиск по адресу, почтовому индексу, по географической широте и долготе, по карте, по перекресткам и въездам-съездам с автострады. В память системы может вводится информация о местах, которые водитель желает посетить снова.

При возникновении автомобильных пробок или затрудненном дорожном движении на пути следования выбранного маршрута, система рассчитывает и предлагает альтернативный маршрут.

Выбор оптимального маршрута

Кроме определения текущих координат автомобиля, навигационная система также может выдавать информацию, облегчающую выбор оптимального пути сле­дования к месту назначения. Для этого навигационный компьютер рассматривает дорожную сеть между исходным пунктом и пунктом назначения и выбирает крат­чайший маршрут. Примером метода определения кратчайшего пути по карте яв­ляется алгоритм Дейкстра (Dijkstra algorithm).

В алгоритме Дейкстра производится определение всех пересечений дорог от стартовой точки и вычисляются кратчайшие пути до каждой точки пересечения. Например, если имеется дорожная сеть, как на рисунке, поиск пересечений начнется от начальной точки А. Сначала будут рас­смотрены пересечения В и С. Расстояния от точки А до каждого из пересечений указаны внутри кружочков. Затем рассматриваются пересечения Е и F, соединяю­щиеся с точкой С, для этих пересечений указано расстояние от стартовой точки А. В-третьих, рассматриваются пересечения D и Е, соединенные с точкой В, на рисунке б указаны расстояния от стартовой точки А до D и Е. При этом расстояние до точки Е указано через точку С, т. к. оно меньше, чем че­рез D (было бы 8).

Точка D связана с точкой Е, и маршрут через Е оказывается короче. Кратчайшим путем до D оказывается маршрут A-C-E-D.Использование этого алгоритма позволяет определить кратчайший маршрут к месту назначения. Располагая современной навигационной системой, водитель может не опасаться сбиться с пути.

Рис. Алгоритм Дейкстра

Дальнейшее развитие GPS получило в развитии интеллектуальных транспортных систем (ITS — Intelligent Transportation Systems).

Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD) представила компания BMW.

Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC Park и было призвано продемонстрировать возможности системы. Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие данные и рассылают их обратно другим участникам движения.

4 стр., 1607 слов

Классификация маршрутов грузовых перевозок. Себестоимость перевозок

... авиа перевозок. Данный вид перевозки грузов используется при международных транспортировках и необходимости прохождения нескольких географических препятствий. Классификация маршрутов производится в зависимости от протяженности пути и способу движения. По способу движения автомобильные перевозки ...

Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как «данные с движущегося автомобиля». Уже сегодня с помощью FCD автомобили посылают свои данные о местонахождении в определенный момент времени на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор «Авто-Авто» предупреждать другие автомобили в зоне действия передатчика.

XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом современном автомобиле система получает доступ и совмещение с множеством других информационных блоков управления. Это ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система, сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные мелочи. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.

Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль, в зависимости от ситуации, выполняет роль или отправителя, или получателя, или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия и не требует создания специальной инфраструктуры.