Автомобильные навигационные системы

современные автомобильные навигационные системы предназначены
для эффективного планирования-

Современные автомобильные навигационные системы предназначены
для эффективного планирования и выполнения поездок. Навигационная
система определяет и выдает водителю текущие координаты
автомобиля на карте местности, выбирает оптимальный маршрут к
заданной цели, помогает водителю следовать этим маршрутом.

Общие сведения механические прототипы навигационных систем
появились в сша в 1910 году, когда автомобили начали
производиться в больших количествах, а дороги еще не были
размечены. Например, в навигационной системе chadwick road guide
металлический диск с отверстиями вращался синхрон-но с пройденным
путем.

Отверстия отмечали перекрестки на маршруте. К дорожкам на
диске пружинами прижимались специальные молоточки. При попадании
молоточка в отверстие устройство издавало звонок, и специальный
рычажок с кодированным символом указывал водителю, какое
необходимо выполнить действие. Однако точность и надежность таких
навигационных систем были низкими, их перестали использовать
после стандартизации дорожных знаков в 20-х годах и разметки
дорог.

В 60-е годы автомобильные компании вновь начали проявлять
интерес к навигационным системам. В 1987 году toyota начала их
устанавливать на серийные модели как опцию. В 1994 году в сша,
европе, японии уже было продано более 500 тысяч устройств.

Первые навигационные системы применялись только для индикации
расчетного времени прибытия в пункт назначения и расстояния до
него и использовали датчики азимута и скорости вращения колес.
Позднее начали использоваться базы данных с картографической
информацией, появилась возможность определять текущие координаты
автомобиля на карте местности. Для этого есть несколько методов.

Функции и структура навигационной системы система может
осуществлять навигационное счисление, определять положение
автомобиля на карте местности по конфигурации пройденного пути,
определять абсолютные координаты с помощью спутниковой системы
gps (global positioning system – “глобальная позиционирующая
система”). С помощью навигационного счисления определяют
относительное положение автомобиля и направление движения по
информации, полученной с датчиков скорости вращения колес и
азимута.

Конфигурация участка пройденного пути, полученная с помощью
навигационного счисления, сравнивается с конфигурацией дорог,
нанесенных на карту. Определив дорогу, по которой движется
автомобиль, система находит и его текущие координаты. Более
точное определение координат автомобиля на карте производится с
помощью gps по широте и долготе. Считается, что для практических
целей достаточно знать координаты автомобиля с точностью до
размера половины квартала, то есть 100 метров.

Автомобильная навигационная система должна иметь в своем
составе датчики пройденного пути и направления движения. 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:

– разница в диаметрах новой и изношенной покрышки дает
погрешность в определении пройденной дистанции до 3%;

– за счет увеличения диаметра покрышки от центробежной силы на
каждые 40 км/ч скорости автомобиля погрешность в определении
пройденной дистанции увеличивается на 0,1-0,7%;

– изменение давления в шинах на 10 psi (689 кпа) увеличивает
погрешность на 0,25-1,1%.

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

Датчик азимута использует магнитное поле земли и представляет
собой кольцевой сердечник из ферромагнетика, на который намотаны
обмотка возбуждения и перпендикулярно друг другу две выходные
обмотки. 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 напряженностью н (магнитное поле земли)
происходит искажение синусоидальной формы магнитного потока в
сердечнике за счет наложения постоянной составляющей и напряжений
выходных обмоток.

Если внешнее магнитное поле направлено под углом q к обмотке
х, то средние значения напряжений в выходных обмотках определятся
так:

vx = khcosq, vy = khsinq, где k – коэффициент
пропорциональности.

Отсюда q=arctg(vy/vx), то есть направление движения автомобиля
определено. Современные датчики азимута выпускаются в
интегральном исполнении. Для определения направления движения
автомобиля используются датчики скорости вращения передних колес,
применяемые и для абс. Угол поворота автомобиля определяется по
разности путей, проходимых при повороте левым и правым колесами.

При использовании гироскопа определяется угловая скорость
автомобиля на повороте и интегрируется для определения угла
поворота. В навигационных системах используются различные типы
гироскопов, например газовый.

Навигационное счисление навигационное счисление – это метод
определения координат движущегося объекта (автомобиля, самолета,
судна и т. Д.) По отношению к стартовой точке. Используется сумма
векторов пройденных расстояний, информация о направлениях
поступает с датчика азимута или датчика скорости вращения колес.

Направление движения автомобиля обычно определяется по
геомагнитному датчику азимута (компасу). Корпус автомобиля
выполнен из металла и других магнитных материалов и способен
намагничиваться внешними полями (например, в магнитном поле,
создаваемом электродвигателями электровоза на железнодорожном
переезде, и т. Д.). В Этом случае возникает систематическая
погрешность в определении направления движения автомобиля.
Паразитное погрешность в определении направления движения
автомобиля. Паразитное магнитное поле компенсируется
дополнительными магнитами вблизи компаса.

Магнитное поле также искажается в тоннелях, на металлических
мостах, при движении вдоль автопоездов. Применение датчиков
скорости вращения колес наряду с компасом часто решает эту
проблему. Датчики скорости вращения колес нечувствительны к таким
искажениям, на практике датчики азимута и скорости вращения колес
дополняют друг друга при определении направления движения
автомобиля.

Навигационное счисление дает низкую точность определения
текущих координат объекта. Для автомобиля приходится
корректировать координаты, определенные методом навигационного
счисления каждые 10-15 километров. К счастью, автомобили обычно
передвигаются по дорогам, которые нанесены на карту.

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 для сравнения конфигураций дорог и пройденного пути,
поиска оптимального маршрута, вывода карты местности на дисплей.
Значительная емкость cd (до 600 мб) позволяет это делать.

Картографическая информация или электронные карты существуют в
двух основных форматах: матричном и векторном. В матричном
формате каждому элементу карты (пикселю) соответствуют свои
значения декартовых координат x-y. Матричные карты требуют много
места в памяти компьютера или на 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.

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 так далее.

В россии широкое применение автомобильных навигационных систем
до последнего времени сдерживалось отсутствием электронных карт.

Ориентирование на карте местности по конфигурации пройденного
пути этот метод позволяет определить или уточнить текущие
координаты автомобиля сравнением конфигурации пройденного пути
(его участка), полученной навигационным счислением, с
конфигурацией дороги, по которой движется автомобиль.

Навигационная система определяет, какие из близлежащих дорог
могут соответствовать координатам автомобиля, определенным
навигационным счислениям. 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. Картографическая информация хранится на
cd как для демонстрации карты и текущего положения водителю, так
и для определения конфигурации выбираемых дорог.

Глобальная позиционирующая система gps gps может
использоваться для определения абсолютных координат автомобиля.
Система состоит из 18 основных и 3 запасных спутников на
околоземных орбитах (радиус – 20 183 км, период обращения – 12
часов), запущенных министерством обороны сша в период с 1980 по
1992 год (программа navstar), и предназначена поставлять
информацию об абсолютных координатах различным объектам:
автомобилям, морским судам, самолетам, ракетам, воинским
подразделениям и так далее. На спутниках установлены атомные
часы, периодически на землю посылаются сигналы с информацией о
системном времени и параметрах орбиты на частоте 1.57542 ггц.

Пользователи обслуживаются системой gps по двум категориям:
точное определение координат (precise position service – pps) для
военных и стандартная точность определения координат (standard
position service – sps) для остальных категорий пользователей,
что достаточно для автомобильной навигации. Теоретически
достижима точность определения координат с ошибкой до 100 м, на
практике координаты определяются с точностью до 30 м.

Координаты приемника (x, y, z) и спутника (ui, vi, wi) связаны
соотношением:

pi=+r, где pi – расстояние между спутником и приемником, r -
временная ошибка, возникающая из-за невозможности точно
синхронизировать атомные часы спутника и кварцевый генератор
приемника. Таким образом, при известных координатах четырех
спутников и расстоянии от спутников до приемника pi из
решения четырехмерного нелинейного уравнения кеплера определяются
координаты приемника.

Расстояние pi между спутником и приемником определяется по
времени задержки ti прихода синхронизирующего сигнала со спутника
из-за конечной скорости распространения радиоволн.

По-видимому, навигация с помощью gps является наиболее
перспективной. Есть и недостатки:

– при первом обращении начальные координаты определяются
относительно долго – 2-3 минуты. В дальнейшем информация
обновляется гораздо быстрее, в течение нескольких секунд;

– система работает в условиях прямой видимости с четырьмя
спутниками. Горы и высокие здания могут служить препятствием. Вот
почему даже в новейших автомобильных навигационных системах
помимо приемников gps используют другие датчики пройденного пути
и направления.

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, используя специальные
детерминированные или стохастические алгоритмы.

Навигационная информация сообщается водителю различными
способами: от указания символом положения на карте местности до
команд голосом через синтезатор речи о необходимости повернуть
налево или направо.

Примеры автомобильных навигационных систем одни из первых (в
современном понимании) навигационных систем – etak navigator и
bosch travepilot. etak navigator Был выпущен в середине 80-х
годов, это была первая автомобильная навигационная система,
производимая серийно. В ней использовались электронные векторные
карты дорог на кассетах емкостью 3,5 мб, навигационное счисление,
алгоритм ориентирования на карте по конфигурации пройденного
пути, дисплей. В качестве датчиков использовались
дифференциальный одометр и компас.

travepilot – Второе поколение navigator – был выпущен
совместно etak inc. И bosch gmbh в 1989 году. Картографическая
информация хранится на cd-rom, его емкость позволяет иметь на
одном диске карты нескольких стран. На рисунке 4 показан дисплей
travepilot. Положение и направление движения автомобиля по
отношению к карте показано стрелкой внизу дисплея в центре. При
движении автомобиля меняется ориентация карты на дисплее, так
водителю легче увязывать то, что он видит через ветровое стекло,
с картой.

В правой части карты указан масштаб. Он может быть от 1/8 мили
для просмотра деталей улиц до 30 миль, когда видны только крупные
дороги. Во время парковки водитель использует программируемые
кнопки, чтобы вводить и получать от travepiot различную
информацию. Например, можно ввести данные о цели поездки в виде
названия улицы, номера дома и так далее. travepilot Выделяет
такую цель мерцающими звездочками на дисплее, указывает
расстояние до цели и направление на нее от текущего положения
автомобиля в верхней строке дисплея. Например, на рисунке 4
выделен участок улицы, где находится дом с заданным номером.

Подменю позволяет водителю производить вручную корректировку
положения автомобиля на карте. Это происходит не чаще одного раза
на 1000 миль пути из-за ошибок в картах и алгоритма определения
положения автомобиля по конфигурации пройденного пути.

В системах travepilot на 400 пожарных автомобилях и “скорой
помощи” лос-анджелеса диспетчеры по рации вводили экипажам
координаты пунктов назначения.

zexel navmate. ПРототипы этой навигационной системы
испытывались еще в 1990 году. Ориентирование производилось по
пройденному пути, по навигационному счислению и электронным
картам. В 1994 году в navmate встроили приемник gps.
Комбинированное использование навигационного счисления
электронной карты, ориентирования по конфигурации пройденного
пути обеспечивают точность определения позиции автомобиля 10 м
(только gps дает точность 100 м).

Система navmate под другими названиями (tetrastar, neverlost,
guidestar) выпускалась различными производителями (gm, ford,
siemens automotive) и устанавливалась в качестве опции как на
автомобили от производителя, так и в автопарках фирм,
предоставляющих автомобили в аренду (avis rent а car, hertz).

Картографическая информация (по сша) для navmate хранится на
девяти рс-картах и включает сведения о дорогах, улицах, номерах
домов, интересных местах, магазинах, больницах и так далее.

Цель поездки задается как адрес на улице, перекресток, объект
интереса. Может быть введено условие для прокладки маршрута -
например, избегать скоростных трасс. Информация водителю выдается
на 4-дюймовый цветной жидкокристаллический дисплей в виде карты и
указывающих стрелок. Имеется подсказка голосом при приближении к
повороту.

В 1998 году zexel выпустил модернизированный вариант navmate.
Цена составляла 1000-1500 долларов. Картографическая информация
хранится на трех cd-rom. Пользователь может вносить нужные ему
объекты в персональную адресную книгу.

nissan birdview. ФИрма nissan motor со. Разработала
дружественной интерфейс навигационной системы. В режиме по
умолчанию на мониторе изображена местность, какой она видится
наблюдателю, расположенному в 300 м над автомобилем и 400 м
позади него. Водитель видит местность около и перед автомобилем с
высоты птичьего полета (отсюда и birdview) под углом 26 градусов
к горизонту, что оптимально для человека. Ширина переднего плана
- 500 м, задний план на горизонте находится примерно в 7
километрах и имеет ширину 12 километров. Возможен просмотр
изображения с высоты 600, 1200, 2400 и 4800 метров.

Ю. Яковлев (“12 вольт”).

26 Июнь 2013

Ваш отзыв