CN101261136A - 一种基于移动导航系统的路径搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动导航系统的路径搜索方法，基于导航系统的特性——利用目标点位置已知的信息，作为搜索过程的启发信息，利用该启发信息重新设计路径搜索方法，使得搜索过程中扩展的节点数大大减少，这样便减少了内存的占用，提高搜索效率。

Description

一种基于移动导航系统的路径搜索方法

技术领域

本发明涉及移动导航中的路径搜索领域，特别地，涉及一种基于移动导航系统的路径搜索方法。

背景技术

移动导航系统一般分为以下几个模块：导航数据载入，导航地图显示，导航路径搜索，导航提示分析模块。

移动导航系统通过GPS设备实时接收当前位置，在导航过程中有时需要进行路径重算，并且由于移动设备的硬件资源受限，所以对路径搜索算法的效率和内存消耗方面要求较严格。

在导航路径搜索中，当前一般采用的方法主要是基于Dijkstra算法进行搜索的，该方法是面向路径搜索的通用型方法，没有充分利用导航系统的特征，并且在搜索的扩散过程中需要记录的节点数较多，耗费的内存较多，并且效率较低，特别是在移动导航系统中，一般的移动设备硬件资源受限，更加突出了传统方法的资源耗费和效率较低问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于移动导航系统的路径搜索方法。应用本发明的方法，搜索过程中扩展的节点数大大减少，这样便减少了内存的占用，提高搜索效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于移动导航的路径搜索方法，包括以下步骤：选取目标点；将目标点和出发点的坐标转化为投影坐标，绑定到地图上道路网络中最近的路上；记录当前目标点作为下次目标点绑定的启发信息；根据绑定后的出发点和目标点以及当前的行驶方向，该方向以正北作为0度，来自GPS模块，转化为弧度单位，在路网上进行拓扑路径搜索。路径搜索完毕，返回搜索结果。

本发明的有益效果是：本发明充分利用了目标点的坐标位置已知的信息，通过启发搜索，减少搜索扩散过程中扩散的节点数，从而减少搜索过程载入内存的数据量，提高搜索效率。测试发现，在搜索距离出发点不超过半个路网的半径距离内的目标点时，使用本发明的扩散节点数是一般方法扩散节点数的25％；而在超过了半个路网之外的目标点的搜索上，其扩散节点数也可达到一般方法的50％；从而扩散节点数大幅减少，载入的内存成相应减少，效率得到提高。

附图说明

图1是本发明基于移动导航系统的路径搜索方法流程图；

图2是绑定道路流程图。

具体实施方式

本发明所依据的原理是：将道路网络的拓扑邻接信息提取出来作路径分析，道路网络包含拓扑节点和拓扑边结构，边中含有长度信息，作为路径搜索时的权重信息，拓扑节点和拓扑边存有网络对象的邻接关系。利用目标点坐标位置已知的信息作为启发信息，利用当前节点到目标点的直线距离作为搜索过程的启发值，加快搜索。

本发明的路径搜索方法，包含以下步骤：

1.选取目标点：

可通过触摸笔在地图上选取，也可通过选取兴趣点，设为目标点；出发点是根据GPS模块实时地位得到的当前位置；

2.出发点和目标点绑定到最近道路：

将目标点和出发点转化为投影坐标，绑定到地图上道路网络中最近的路上；记录当前目标点作为下次目标点绑定的启发信息，初始设置上次目标点为位置为(0，0)；

2.1先绑定目标点，判断当前目标点是否在上次的目标点附近(如在容忍距离50米内)，若是，则直接使用上次绑定结果，不需要进行绑定，否则转绑定(绑定步骤见下)；

2.2根据目标点的绑定结果(包含绑定到路的距离，绑定到的路的GRL(地理资源定位)信息，绑定到路上的位置)，判定目标点是否在搜索路网上，若不在，则转4；否则更新上次目标点绑定结果，转下步；

2.3绑定出发点，出发点位置来自GPS模块的当前位置，也即导航设备当前位置，和目标点不同，这里直接进行绑定，若绑定结果判断出发点不在路网上，则转4；否则转下步；

3.搜索路径：

3.1转化绑定点为拓扑节点对：

该拓扑节点对含以下信息：节点坐标位置，出发点到节点方向(正北为0弧度)，出发点到当前节点实际距离；

根据所在的道路GRL得到对应的网络拓扑边，分别记录出发点和目标点对应的拓扑节点对，记录绑定的点到该拓扑边的两个端节点的距离；

3.2判断出发点和目标点是否在同一条网络边上，若是，则转3.3；否则转3.4；

3.3两点同边的特殊情况处理：

若当前方向cur_dir＜0，认为是不考虑方向信息，则直接取出出发点和目标点之间的路段信息，将该路段信息转为路径结果，转4；

否则，计算得出发点到目标点的直线方向dir1，比较cur_dir和dir1，如果两个方向的角度偏差在(-90，90)度，取出出发点与目标点之间的路段信息，转为路径结果，转4；

否则，计算得出发点与目标点之间的中间节点，该节点满足条件：从出发点到该节点方向dir2和dir1反向(相差超过90度)，取得路段road_segment_sm(出发点start到中间点middle)和路段road_segment_me(中间点middle到目标点end)，将路段信息转为路径结果，转4；

3.4根据GPS当前前进方向，调整出发点拓扑点对：

如果当前GPS方向＜0，表示不关注方向；不做调整，否则，根据前进方向，选择出发拓扑点对中的方向较接近GPS前进方向的拓扑节点作为出发节点；

3.5搜索拓扑最短路径：

拓扑边以道路长度作为权重；

最短路径搜索算子的中间搜索对象为PathNode，PathNode含有如下信息：是否终点b_target，当前对应拓扑节点nw_node，路径对应上个PathNode：previous_pathNode，累计出发点到当前节点距离accu_weight_from，当前节点到目标点启发值accu_weight_to；

3.5.1准备出发拓扑点：

根据出发点拓扑点对，即当前绑定到的最近道路对应的拓扑边的两个拓扑端点，生成出发PathNode，插入待扩展节点集合extandable_nodes，extandable_nodes集合中对象的先后关系采用accu_weight_from+accu_weight_to做比较；

3.5.2准备目标拓扑点

根据目标点拓扑点对，生成两个PathNode，插入目标PathNode集合target_nodes；并记录目标点位置target_pos，作为启发值搜索之用；

3.5.3路径扩散搜索初始化：

初始化当前搜索结果current_result为无效；

3.5.4从extandable_nodes中取出第一个PathNode作为current_path_node，判断current_path_node是否目标点，若是，记录当前搜索结果为有效current_result，转3.5.8；否则，转3.5.5；

3.5.5扩散当前节点：

取出所有和current_path_node对应拓扑节点cur_nw_node邻接并且以cur_nw_node为起始节点的拓扑边集合adjacent_edges；通过邻接边adjacent_edges取得当前nw_node的邻居节点集合；

3.5.6判断邻接节点neighbour_nw_node是否待扩展节点：

对每个邻居节点neighbour_nw_node，判断neighbour_node是否在待扩展节点集合expandable_nodes中；

若不在，则新生成一个PathNode——other_path_node；

否则，从expandable_nodes中取出对应于neighbour_nw_node的PathNode作为other_path_node；

若neighbour_nw_node是已经扩展过的节点(visited_nodes)或者other_path_node->accu_weight_from＜＝current_path_node->accu_weight_from+neighbour_nw_edge->length，也即当前累计长度比新的累计长度来得更短，则不做更新，转3.5.8；

3.5.7设置other_path_node，更新待扩展节点集合expandable_nodes：

other_path_node->previous_path_node＝current_path_node，other_path_node->accu_weight_from＝current_path_node->accu_weight_from+neighbour_nw_edge->length；other_path_node->accu_weight_to＝neighbour_nw_node->pos到target_pos的直线距离；将other_path_node插入或者更新expandable_nodes；

3.5.8将current_path_node插入已扩展节点集合visited_nodes，转3.5.4；

3.5.9判断当前搜索结果是否有效：

若current_result无效，转4；否则，转下步；

3.5.10路径生成：

根据当前记录节点current_path_node，通过currrent_path_node->previous_path_node逐个得到经过的nw_edge，插入路径队列deque_topo_path的前端，生成路径搜索结果currrent_result；

4.路径搜索完毕，返回搜索结果；

绑定道路，包含以下步骤：

1.生成选择矩形框

根据当前点的坐标位置cur_pos，生成选择矩形框cur_rect；

2.搜索选择矩形框内地理对象

使用cur_rect在地图数据中进行搜索，若cur_rect包含了当前地图的范围矩形map_rect，则转7；

否则，根据地图数据已建立的网格索引，得到cur_rect对应的网格中的所有道路对象roads；

若roads为空，将cur_rect按1.5的比例扩大，转2；

3.初始化绑定结果

根据cur_pos附近100米作为容忍距离计算得容忍框tol_rect；初始化cur_pos到绑定道路bind_road的最近距离min_dis＝无穷大；bind_road初始化为空对象；

4.判断roads集合是否为空

若为空，转7，否则，转5；

5.使用tol_rect过滤roads

从roads中取出一条road，每条road记录了本身控制点所在的范围road_bound；判断road_bound是否和tol_rect相交，若相交，转6；否则，转4；

6.计算当前最短距离，更新绑定结果

计算cur_pos到road的最短距离cur_dis，如果cur_dis＜min_dis；更新min_dis＝cur_dis；更新bind_road为road；转4；

7.返回绑定结果

当前绑定的道路bind_road，以及当前绑定的距离min_dis；

本发明的具体流程见附图1，附图2。下面参照附图详细说明本发明的具体实施例，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1

以杭州城市为例，当前出发位置为(30.26331，120.12111)，方向为(107.94度)，选取目标点为(30.27751，120.18615)。

1.选取目标点：

获得当前位置和方向，转化为投影坐标，

出发点投影位置位置为(3531330.1，13349507.2)，

目标点投影位置为(3533340.3，1335664.2)；

方向为1.88391弧度；

2.绑定道路：

出发点最近道路为浙大路，绑定距离为23米，

目标点绑定最近道路为凯旋路，绑定距离为47米；

3.将绑定结果转化为拓扑节点对：

出发拓扑节点对为：

start_nw_node1：坐标(3531328.2，13350005.1)，方向(1.91815弧度)，距离(578.863米)；start_nw_node2：坐标(3531540.1，13349424.5)，方向(5.06033弧度)，距离(37.9865米)；

目标拓扑节点对为：

end_nw_node1：坐标(3533118.1，13356643.1)，方向(3.08267)，距离(102.926米)；

end_nw_node2：坐标(3533118.1，1336657.07)，方向(6.27069)，距离(220.44米)；

4.根据绑定结果，出发点和目标点不在同一条路上，转5搜索拓扑路径；

5.根据GPS方向调整出发拓扑点对：

start_nw_node1方向(1.91815弧度)和GPS前进方向(1.88391弧度)更接近，设置start_nw_node2＝start_nw_node1；

6.初始化当前搜索结果current_result无效，根据GPS当前传来方向(1.88391弧度)，在杭州主要街道网络上进行路径搜索；

7.若extandable_nodes为空，则转12；

否则：从extandable_nodes中取出第一个PathNode作为current_path_node，current_path_node的各种属性如下：

坐标位置(353328.23350005.1)，accu_weight_from＝578.86，accu_weight_to＝0；

判断current_path_node不是目标点；

8.扩散current_path_node：

取出邻接拓扑边集合adjacent_edges(3条)；通过邻接边adjacent_edges取得当前nw_node的邻居节点集合；

9.对每个邻居节点neighbour_nw_node，处理并更新带扩散和已访问节点集合。

取第一个neighbour_nw_node为例，neighbour_nw_node对应的邻接边长度neighbour_nw_edge->length＝617.08米，

判断neighbour_node不在扩展节点集合expandable_nodes中，则新生成一个PathNode——other_path_node；

10.设置other_path_node，更新expandable_nodes：

other_path_node->previous_path_node＝current_path_node，

other_path_node->accu_weight_from＝urrent_path_node->accu_weight_from+neighbour_nw_edge->length；

other_path_node->accu_weight_to＝neighbour_nw_node->pos(3531328.2，13350005.1)到target_pos(3533340.3，1335664.2)的直线距离(7442米)；

将other_path_node插入expandable_nodes；

处理下个neighbour_nw_node直到当前neighbour_nw_node集合处理完；

11.将current_path_node插入已扩展节点集合visited_nodes，转7，取下个扩散节点；

12.判断current_result是否有效，若无效，转14；否则，转13；

13.路径生成：

根据当前记录节点current_path_node

(accu_weight_from＝8107.556 accu_weight_to＝0，坐标位置(3533118.1，1336657.07)；通过currrent_path_node->previous_path_node逐个得到经过的nw_edge，插入路径队列deque_topo_path的前端，生成路径搜索结果currrent_result；

14.搜索完毕，返回搜索结果。

实施例2：

以杭州城市为例，当前出发位置为(30.26331，120.12111)，方向为(107.94度)，选取目标点为(30.27751，120.18615)。

转化为投影坐标结果为：

出发点投影位置位置为(3531330.1，13349507.2)，

目标点投影位置为(3533340.3，1335664.2)；

方向为1.88391弧度；

绑定到最近道路结果为：

出发点最近道路为浙大路，绑定距离为23米，

目标点绑定最近道路为凯旋路，绑定距离为47米；

路径搜索结果为：

扩散节点数为55，路径总长为8107.556米，路径经过道路为依次为：浙大路-》曙光路-》体育场路-》凯旋路；

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于移动导航的路径搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.选取目标点，可通过触摸笔在地图上选取，也可通过选取兴趣点，设为目标点；出发点是根据GPS模块实时地位得到的当前位置。

B.将目标点和出发点的坐标转化为投影坐标，绑定到地图上道路网络中最近的路上；记录当前目标点作为下次目标点绑定的启发信息，初始设置上次目标点位置为(0，0)。

a)先绑定目标点，判断当前目标点是否在上次的目标点附近，所述目标点附近为在距离目标点50米的范围内，若是，则直接使用上次绑定结果，不需要进行绑定，否则绑定。

b)根据目标点的绑定结果判定目标点是否在搜索路网上，若不在，则转D；否则更新上次目标点绑定结果，转下步；所述绑定结果包含绑定到路的距离，绑定到的路的GRL信息，绑定到路上的位置。

c)绑定出发点，出发点位置来自GPS模块的当前位置，也即导航设备当前位置，和目标点不同，这里直接进行绑定，若绑定结果判断出发点不在路网上，则转D；否则转下步。

C.根据绑定后的出发点和目标点以及当前的行驶方向，该方向以正北作为0度，来自GPS模块，转化为弧度单位，在路网上进行拓扑路径搜索。

a)将两个绑定的点转化为两对拓扑节点对：根据所在的道路GRL得到对应的网络拓扑边，分别记录出发点和目标点对应的拓扑节点对，记录绑定的点到该拓扑边的两个端节点的距离。

b)判断出发点和目标点是否在同一条网络边上，若是，则转f)；否则转g)。

c)两点同边的特殊情况处理：若当前方向cur_dir为负值，认为是不考虑方向信息，则直接取出出发点和目标点之间的路段信息，将该路段信息转为路径结果，转D；否则，计算得出发点到目标点的直线方向dir1，比较cur_dir和dir1，如果两个方向的角度偏差在-90～90°，取出出发点与目标点之间的路段信息，转为路径结果，转步骤D；否则，计算得出发点与目标点之间的中间节点，该节点满足条件：从出发点到该节点方向dir2和dir1反向，取得出发点到中间点的路段road_segment_sm和中间点到目标点的路段road_segment_me，将路段信息转为路径结果，转步骤D。

d)根据GPS当前前进方向，调整出发点拓扑点对；如果当前GPS方向为负值，表示不关注方向；不做调整，否则，根据前进方向，选择出发拓扑点对中的方向较接近GPS前进方向的拓扑节点作为出发节点。

e)搜索拓扑最短路径，拓扑边以道路长度作为权重；最短路径搜索算子的中间搜索对象为PathNode，PathNode含有如下信息：是否终点b_target，当前对应拓扑节点nw_node，路径对应上个PathNode：previous_pathNode，累计出发点到当前节点距离，accu_weight_from，当前节点到目标点启发值accu_weight_to：

i.准备出发拓扑点prepareStartNodes：根据出发点拓扑点对，即当前绑定到的最近道路对应的拓扑边的两个拓扑端点，生成出发PathNode，插入待扩展节点集合extandable_nodes，extandable_nodes集合中对象的先后关系采用accu_weight_from+accu_weight_to做比较。

ii.准备目标拓扑点prepareTargetNodes：根据目标点拓扑点对，生成两个PathNode，插入目标PathNode集合target_nodes；并记录目标点位置target_pos，作为启发值搜索之用。

iii.路径扩散搜索searchPath：初始化当前搜索结果current_result为无效。

iv.从extandable_nodes中取出第一个PathNode作为current_path_node，判断current_path_node是否目标点，若是，记录当前搜索结果为有效current_result转viii；否则，转v。

v.扩散当前PathNode：取出所有和current_path_node对应拓扑节点cur_nw_node邻接并且以cur_nw_node为起始节点的拓扑边集合adjacent_edges；通过邻接边adjacent_edges取得当前nw_node的邻居节点集合。

vi.对每个邻居节点neighbour_nw_node，判断neighbour_node是否在待扩展节点集合expandable_nodes中，若不在，则新生成一个PathNode——other_path_node；否则，从expandable_nodes中取出对应于neighbour_nw_node的PathNode作为other_path_node；若neighbour_nw_node是已经扩展过的节点或者other_path_node->accu_weight_from＜＝current_path_node->accu_weight_from+neighbour_nw_edge->length，也即当前累计长度比新的累计长度来得更短，则不做更新，转viii。

vii.设置other_path_node，更新expandable_nodes：other_path_node->previous_path_node＝current_path_node，other_path_node->accu_weight_from＝current_path_node->accu_weight_from+neighbour_nw_edge->length；other_path_node->accu_weight_to＝neighbour_nw_node->pos到target_pos的直线距离；将other_path_node插入或者更新expandable_nodes。

viii.将current_path_node插入已扩展节点集合visited_nodes，转iv；

ix.判断current_result是否有效，若无效，转D；否则，转下步；

x.路径生成：根据当前记录节点current_path_node，通过currrent_path_node->previous_path_node逐个得到经过的nw_edge，插入路径队列deque_topo_path的前端，生成路径搜索结果。currrent_result。

D.路径搜索完毕，返回搜索结果。

2.根据权利要求1所述的路径搜索方法，其特征在于，所述步骤C中的vii步，扩散节点current_path_node的权重比较和更新是根据current_path_node->accu_weight_from+current_path_node->nw_node到目标位置target_pos的直线距离。

3.根据权利要求2所述的路径搜索方法，其特征在于，所述目标点位置target_pos是已知的明确信息，须由调用者传入。

4.根据权利要求1所述的路径搜索方法，其特征在于，所述步骤B的a)中，所述绑定包括以下步骤：

(1)根据当前点的坐标位置cur_pos，生成选择矩形框cur_rect。

(2)使用cur_rect在地图数据中进行搜索，若cur_rect包含了当前地图的范围矩形map_rect，则转入步骤(7)；否则，根据地图数据已建立的网格索引，得到cur_rect对应的网格中的所有道路对象roads；若roads为空，将cur_rect按1.5的比例扩大，转入步骤(2)；

(3)根据cur_pos附近100米作为容忍距离算出容忍框tol_rect；初始化cur_pos到绑定道路bind_road的最近距离min_dis＝无穷大；bind_road初始化为空对象。

(4)判断roads集合是否为空，若为空，转入步骤(7)，否则，转入步骤(5)。

(5)从roads中取出一条road，每条road记录了本身控制点所在的范围road_bound；判断road_bound是否和tol_rect相交，若相交，转入步骤(6)；否则，转入步骤(4)。

(6)求得cur_pos到road的最短距离cur_dis，如果cur_dis＜min_dis；更新min_dis＝cur_dis；更新bind_road为road；转入步骤(4)；

(7)返回当前绑定的道路bind_road，以及当前绑定的距离min_dis。

5.根据权利要求4所述的道路绑定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，图层上的道路图层采用网格索引方法，快速定位；绑定预先设置容忍距离为100米，通过容忍矩形框过滤大部分不相关道路对象，加快绑定过程。

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