【文章內(nèi)容簡介】 接 GPS接收機與PC機間的接口電路 GPS Garmin GPS25 OEM對外具有輸入輸出接口，擁有并行12個通道，能夠同時跟蹤12顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，具有2個兼容RS232的雙向數(shù)字通道，能同時傳輸標(biāo)準的NMEA0183數(shù)據(jù)，因此可供二次開發(fā)。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接口，GPS25 OEM板與PC機間串行通訊的典型應(yīng)用方案如圖37所示。前置放大器（可選件）電源GARMIN GPS25 傳感器接 收 發(fā) 送 1 2 1 2 秒脈沖同步信號系統(tǒng)處理器顯示器鍵盤天線射頻信號+5V圖 37 GPS25 OEM 板與PC機典型接口電路圖在本課題的實際應(yīng)用中，由于只需從GPS接收機中接收定位數(shù)據(jù)，而不需向外發(fā)送任何數(shù)據(jù)，所以僅選擇1個通道即可。由于設(shè)計中沒有必要用到GPS OEM板的標(biāo)準時鐘脈沖信號，所以標(biāo)準時鐘脈沖信號沒有與計算機連接。本課題所采用的GPS接收機與車載計算機之間串行通訊的接口電路圖如圖38所示。前置放大器（可選件）電源GARMIN GPS25 LP 傳感器TXT GNDRS232串行口 車載計算機射頻信號天線 圖38 GPS接收機與車載計算機的接口電路圖需要注意的是，GPS25 OEM板需要穩(wěn)定的5V電源，典型工作電流220mA(最大350mA)。本章針對車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實際性能需要選取了合適的硬件接收設(shè)備，根據(jù)GPS接收機的接口特點，對GPS25 OEM板與PC機間串行通訊的接口電路進行了設(shè)計。系統(tǒng)的硬件設(shè)計和實施過程中，針對車載系統(tǒng)可能遇到的惡劣條件，對遇到的電磁干擾、車載電壓轉(zhuǎn)換等問題提出了切實可行的解決辦法，從而保證了整個系統(tǒng)通訊順暢、結(jié)構(gòu)配置安全可靠。第4章 接收機與計算機間通訊的連接設(shè)計第4章 接收機與計算機間通訊的連接設(shè)計車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)功能包括：數(shù)據(jù)跟蹤功能,圖上跟蹤功能,模擬顯示功能,智能查詢功能,路徑尋優(yōu)功能,自動存檔功能等功能。本文僅對路徑尋優(yōu)功能做詳盡闡述。 (1)采用地圖匹配技術(shù) 車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)借助車載計算機和電子地圖，進行地圖匹配(簡稱MM )，以進一步提高車輛定位精度。GPS定位信息和地圖匹配信息采用信息融合技術(shù)將構(gòu)成一個性能優(yōu)良的車載定位系統(tǒng)，但此方法在有SA政策才有效，而且，要求電子地圖的制作精度較高。(2)地理信息及多媒體技術(shù)有機結(jié)合車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS, GIS和多媒體計算機三種技術(shù)有機的組合起來，使得地理信息的顯示更加逼真化、形象化。定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖見附錄。本課題中車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)軟件部分主要分為三大塊:(1)GPS數(shù)據(jù)的接收和處理:利用GPS接收機串行口通訊將定位所需的經(jīng)、緯度、移動速度、時間等定位導(dǎo)航信息采集到車載計算機中，為車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)準確的定位導(dǎo)航提供有利的數(shù)據(jù)資源。能夠使用戶實時清楚所處位置。(2)GPS和GIS(電子地圖)的數(shù)據(jù)通訊和集成:通過OLE(或DDE)等數(shù)據(jù)交換的方法，實現(xiàn)GPS和GIS兩個不同系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)通訊，并將這兩個系統(tǒng)集成化，實現(xiàn)集成環(huán)境下，電子地圖背景下定位導(dǎo)航信息的實時顯示，從而完善整個系統(tǒng)。(3)GPS信號與電子地圖匹配:由于車輛在行駛過程中一般不會脫離道路，可根據(jù)GPS得到的定位結(jié)果，利用地圖存儲的道路數(shù)據(jù)，按照一定算法將車輛位置強制性附合到道路上，從而實現(xiàn)GPS信號與電子地圖的匹配。 GPS接收機與車載計算機間的串行通訊—NMEA接收輸出語句本設(shè)計采用的GPS25 OEM板采用NMEA 0183通信標(biāo)準格式，可以輸出多種句型，均以字符“$”開頭的ASCII碼字符，其內(nèi)容包含了緯度，經(jīng)度，高程，速度，日期，時間，航向，衛(wèi)星狀況等信息。 本課題將利用Visual C++的MSComm通訊控件，將GPS的數(shù)據(jù)采集到車載計算機中，并且每隔一秒鐘接收一次衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)的實時顯示。程序設(shè)計中，對串行口的操作包括:串行口的初始化: 設(shè)置串行口的端口，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位，波特率設(shè)為4800bps。接收一幀ASCII碼字符信息。數(shù)據(jù)處理。接收下一幀ASCII碼字符信息。數(shù)據(jù)處理。如此循環(huán)往復(fù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，針對需要的定位信息的要求，設(shè)計了如下的串行通訊思想:(1)由于接收到的定位數(shù)據(jù)語句很多，而我們僅需要定位語句起始標(biāo)志為$GPRMC”的語句，因此必須對接收到的數(shù)據(jù)進行過濾處理，才能得到所需的定位語句，因此判斷“$GPRMC”成為過濾的一個條件。是一個判斷的據(jù)。(2)定位語句起始標(biāo)志為“$GPRMC39。.”的定位語句中，$GPRMC”后面的59個字符是有用的信息，所以以“59”作為判斷定位語句完整的依據(jù)。(3)但是，在數(shù)據(jù)接收的過程中往往會有兩種情況，一種情況是每幀會得到一個以“$GPRMC”開頭的完整語句，另一種情況是上一幀的后半部分再加下一幀的前一部分共同組成一個完整的以“$GPRMC”開頭的定位語句。因此程序設(shè)計中必須分兩種情況對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。基于以上三點，設(shè)計對串行口數(shù)據(jù)通訊的程序流程圖如下圖41所示。數(shù)據(jù)的截取就是當(dāng)接收到一幀完整的定位語句起始標(biāo)志為“$GPRMC的定位語句時，必須對定位語句進行分段截取，以獲得確切的經(jīng)、緯度、行車速度以及時間等信息，由于接收到的數(shù)據(jù)以“，”的形式存儲，可通過查找“，”位置對數(shù)據(jù)進行按位分段截取。本章對接收機與車載計算機間的串行通訊作了設(shè)計，將GPS信號與電子地圖中的道路相匹配，成功解決了GPS單點定位帶來的精度不高的問題。第4章 接收機與計算機間通訊的連接設(shè)計 圖 41 數(shù)據(jù)通訊程序流程圖 圖42 串行口數(shù)據(jù)通訊的程序流程圖第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制第5章 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑尋優(yōu)控制基于前面的電子地圖的道路網(wǎng)絡(luò)，如何利用地理信息系統(tǒng)的空間優(yōu)勢，快速生成通往目的地的最短行車路線呢?這也是本課題設(shè)計的車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)的一個重要功能。本章就這一問題，針對特定的道路網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出合理的拓撲結(jié)構(gòu)，并采用Dijkstra算法設(shè)計出一種最短路徑的尋優(yōu)方法。 最短路徑尋優(yōu) 行程距離是多數(shù)駕駛員選擇或關(guān)注的問題，因此本課題以最短路徑作為路徑尋優(yōu)的標(biāo)準。 最短路徑最短路徑可用線性規(guī)劃求解，也可處理成動態(tài)規(guī)劃求解，而求解權(quán)值大于零的網(wǎng)絡(luò)圖的最短路徑，公認的最好的簡捷有效的方法是由狄克斯持拉( )于1959年提出的經(jīng)典圖論中的Dijkstra算法，也稱標(biāo)號法。Dijkstra算法把結(jié)點標(biāo)記為臨時性的T標(biāo)號點和最終選定的P標(biāo)號點，并把起點作為第一個P標(biāo)號點，然后按照最短路徑的原則逐個選出T標(biāo)號點中的P標(biāo)號點，并按P標(biāo)號點擴展T標(biāo)號點集，直到目標(biāo)點(或所有的點)被標(biāo)為P標(biāo)號點。從起點到終點的P標(biāo)號點序列就代表了所求的最佳路徑。 最短路徑算法(1)給定圖G，對G的每一條邊，賦以一個實數(shù)，稱其為邊的權(quán)值。Dijkstra研究的問題就是對于的帶權(quán)值的圖G和源點Vi和終點Vj，求源點Vi和終點Vj之間的路徑的最短路徑。設(shè)定一個輔助變量d(i) , d(i)表示當(dāng)前從源點V到每個終點Vi的最短路徑的長度，它的初始值設(shè)為d(i)=0o如果V到Vi間有直接相連的路徑，則為這條路徑的權(quán)值，否則設(shè)定d(i)=∞，設(shè) d(j)=min{d(i)!Vi∈V} (51)顯然，d(j)為從V出發(fā)的一條最短路徑，下一條次最短路徑的長度是 d(j) = min{d(i) }!Vi∈VS} (52)其中，S為己求得的最短路徑的終點的集合。(2)Dijkstra算法描述如果道路網(wǎng)中的各頂點分別為v, v,K , v, Dijkstra算法不僅可求出從v到v的最短道路，而且可求出從v到各頂點的最短道路。該算法首先為道路圖的每個頂點記一個數(shù)(稱為標(biāo)號)臨時標(biāo)號(簡稱T標(biāo)號)或者固定標(biāo)號(簡稱P標(biāo)號)。T標(biāo)號表示從始點到這一點的最短道路長的上界。P標(biāo)號則是從始點到這一點的最短道路長。每一步把某個點的T標(biāo)號改變?yōu)镻標(biāo)號，這樣一旦終點得到P標(biāo)號，算法停止。若尋求從始點到每一點的最短路徑，則最多經(jīng)過N1部算法停止(N是道路圖的頂點數(shù))。在討論過程中，設(shè)l為任意兩頂點v和v間的長度，假定邊長l≥0如果頂點v與v不鄰接，則令1=+∞ (在實際計算中，可用任意足夠大的數(shù)代替)，同時，對圖中每個頂點，令l = 0 o求從一個始點v到一個終點v的最短道路，詳細步驟如下:(1)給始點v標(biāo)上P標(biāo)號，設(shè)距離d(v)=0，給其他各點標(biāo)上T標(biāo)號，設(shè)d(v)=l(j=2,3,. . . . ..,N)。(2)在所有T標(biāo)號中取距離最小者，譬如說是d(v) =l，則點v的T標(biāo)號改為P標(biāo)號。(3)新計算具有T標(biāo)號的其他各點的T標(biāo)號。選點v的T標(biāo)號d(v)與d(v)+l中最小者作為v的新的T標(biāo)號。一般地，設(shè)P={v│v具有P標(biāo)號}，T={ v│v具有T標(biāo)號},令d(v)=min {d(v)} (53)為點的P標(biāo)號，于是v∈P，把T中的vj的T標(biāo)號修改為min{d(v)，d(v)+l} (54)重復(fù)上述步驟，直到V∈P，這時的d(v)就是從v到v的最短道路。如果只要求從v到v的最短路徑，z編制程序時，可安排停機，一般會縮短時間，或者│P │=N1，這時，求得從v到每一點的最短道路長。算法的正確性是顯然的，因為，在任一步，設(shè)P中每一點的P標(biāo)號是從v到該點的最短道路長，那么只要說明式(53 )中的d(v)正是v到v的最短路徑就行了。事實上，任一條從v到v的道路，若通過T的第一個點是v而v = v的話，由于所有的邊長為非負，則這種道路的長不會比d(v)小。標(biāo)號程序算法流程圖如圖51所示：d(v)=0 d(v)=+,j=2,…NT={v,v…..v}k = 1p = 1 d(x)=min{d(v),d(v)+i}S =min{d(v)} P記下取最小值的第一個下標(biāo)輸出d(v),j=2,…NT =T\{v}k=k+1k =N 1圖51 標(biāo)號程序算法流程圖 集成環(huán)境下的路徑尋優(yōu)在GIS中，為了真實地反映地理實體，記錄的數(shù)據(jù)不僅要包含實體的位置、形狀、大小和屬性，還必須反映實體之間的相互關(guān)系，即拓撲關(guān)系，它具有在圖形連續(xù)狀態(tài)下變形但其性質(zhì)不變的特性。另外，通過拓撲關(guān)系，可以將道路的全局搜索變?yōu)榫植克阉?，可以大幅度地提高?shù)據(jù)的搜索速度，為數(shù)據(jù)的實時處理提供了良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS的靈魂和關(guān)鍵，為了使開發(fā)出的GIS盡可能準確地反映地理空間，能夠較好地滿足GIS用戶各方面的需要，必須建立合適的拓撲模型。只有在合適的道路拓撲模型基礎(chǔ)上，才能進行路徑尋優(yōu)控制。本文采用的是當(dāng)今流行GIS軟件采用的最新數(shù)據(jù)模型—面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型。—數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)表的設(shè)計城市交通樞紐主要由街道和河流組成，但重點為街道的集合。交通圖主要由眾多街道相交、相連而構(gòu)成，并組成縱橫交織、錯綜復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)圖。在交通網(wǎng)絡(luò)圖中，街道間的地理位置關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，一條街道可能與若干條街道相交、相連，且其相交、相連的模式復(fù)雜。 (1)路或街道交叉點表—Roadnodes表:其結(jié)構(gòu)如表51所示。其中Roadnodes是路與路或路段與路段(或街道與街道)之間交叉點的編號。, 2, 3, 4等。此表是可地圖化的。obj字段可用來標(biāo)識出相應(yīng)的地圖對象(此處為點對象)，通過“obj”字段就把表中各交叉點記錄與其對應(yīng)的圖形對象建立了聯(lián)系。表51 roadnodesobjroadnodes——圖52 道路交叉點編號(2)路或街道表—Road表: 其結(jié)構(gòu)如表52所示。其中“obj”字段關(guān)聯(lián)的地圖對象為地圖中的折線對象(用折線表示路或街道)，roadnumber為路或街道編號，name為其名稱。此表也是可地圖化的。 表52 road表ObjroadnumberName———(3)路段與路段(或街道與街道)的關(guān)系表—Roadline表:一條路或街道總是由若干段組成，此表就是用來存儲各條路或街道上其路段與該路或街道的關(guān)系。 表53 Roadline表roadnumberlinkIDfirstpointlastpointweight—————其中，ID 1, ID2為交叉點的編號。PathbyID為兩交叉點之間最短路徑，可用最短路徑經(jīng)過的各交叉點的編號組成的字符序列表示，如“_1_ 2 _ 3_ 4等a routine是由最短路徑所經(jīng)過的各路名組成的字符序列，如中山路解放南路正東路運河路。distan是兩交叉點ID1, ID2間的最短路徑的路徑長度。 以上3張表均定義為MapInfo表(MapInfo具有內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫引擎。由于電子地圖采用MapInfo軟件開發(fā)的，而MapInfo的二次開發(fā)語言是MapBasic，所以，最短路徑的算法采用MapBasic編輯。根據(jù)上述定義的Road表，roadnodes表以及roadline表，利用前面介紹的標(biāo)號法可自動生成roadnodes表中任意兩交叉點的最短路徑及其長度，并存在shortest表中，以備日后查詢。其中，道路網(wǎng)中的各交叉點相當(dāng)于標(biāo)號法中的頂點v , Roadline表中的Weight相當(dāng)于任意兩頂點v和v間的長度l，求任意兩交叉點的最短路徑及其長度相當(dāng)于求從v到v各點間的最短道路。為說