CN103968852A - 车辆导航装置及采用该装置的经济性道路获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能交通中车辆定位导航技术，尤其涉及一种导航装置以及车辆经济性道路的获取方法。本发明的车辆导航装置，包括微控制器、语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口，微控制器分别与语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口连接。本发明车辆导航装置以及采用该装置的经济性道路获取方法，该装置可以引导车辆行驶在最经济的道路上，用于对车辆行驶路径的优化与导航，该方法根据车辆运行燃油经济性与道路距离及坡度的关系，将获得的K则最短道路通过计算各道路的高度变化综合道路的距离获得车辆运行的最经济道路。

Description

车辆导航装置及采用该装置的经济性道路获取方法

技术领域

本发明涉及一种智能交通中车辆定位导航技术，尤其涉及一种导航装置以及车辆经济性道路的获取方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的快速发展，国内汽车的保有量逐年递增，交通量的不断增加给交通管理部门带来了很大的困难。在城市道路建设的同时，公路网络不断的建设和延伸，已经与城市的交通网络很好的结合在一起。道路交通网由片连成了面，已形成了全国性的交通网络，这使得道路交通网络日益复杂。

道路网络的发展某种程度上使得以前无路可走的问题被该怎么走的问题所取代。车辆定位导航系统可以根据驾驶员的要求给出最优的行驶路径，并在车辆行驶过程中给出引导。该系统当前已经获得广泛的应用，且市场对其需求正在迅速增加。

交通运输的发展极大地提高了人们的生活水平，促进了社会的进步，但却消耗了大量的石油资源。根据我国能源发展报告，人口众多、人均资源严重不足是我国的基本国情，在面临能源瓶颈制约和环境破坏的条件下，中国经济发展中的各项建设项目都必须坚持节能、高效、可持续发展的原则。节能已经成为一项基本国策，而交通节能已经成为交通中的需要解决的一个重要问题。

随着计算机、通信、电子等技术发展，车辆定位导航系统可以为驾驶员提供最优的行驶路径并可以进行引导及可以实现监控等功能而获取广泛的应用和迅速发展。但当前的车辆定位导航系统虽然具备了基本的路径规划功能，然而有关车辆节能的燃油消耗情况的路径规划却不能给出该方面的指导。在当前能源如此紧张的情况下，如能够在车辆行驶的路网上给出汽车燃油消耗最小的道路，无疑具有重要的意义和作用。此外，在当前交通事故频发的境况下，交通安全成为驾驶员和交通管理部门时刻关心的问题。而随着我国经济的发展，汽车拥有量持续增加，非熟练驾驶员不断增加，在道路坡度变化较多的道路上，特别是坡度变化较大的道路上，非熟练驾驶员经常不能很好的控制车辆行驶，交通安全问题尤为突出。如果在驾驶员的驾驶过程如果能够加入道路坡度变化的提示信息，无疑有助于驾驶员的驾驶，促进交通安全。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种车辆导航装置，其可以引导车辆行驶在最经济的道路上。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括微控制器、语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口，微控制器分别与语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口连接；

其中，微控制器为嵌入式系统或微型计算机系统，其负责整个装置的工作；

语音模块包括语音箱、语音合成模块及语音信号传输模块，语音信号传输模块连接语音箱和控制器，语音合成模块与语音箱连接，语音模块负责车辆行驶过程中的语音引导，微控制器根据车辆行驶的路径、实时位置，将当前道路坡度信息实时向驾驶员进行提示；

LCD显示器负责显示道路网络、选择的最经济路径及车辆的实时位置；

GPRS通信模块将整个装置与无线通信网络连接起来，进行无线信息的交互，为实现车辆监控提供接口；

GPS模块实时获取车辆的位置信息，并将数据传给微处理器。

微控制器的型号为S3C2410A。

上述的三维路网电子地图指路网上的道路除了经度和纬度外，还具有高程数据，电子地图以数据库的形式存放。

本发明的另一个目的是提供一种采用该装置的经济性道路获取方法，包括如下步骤：

（1）根据K则最短路径算法获得起点到终点的K则道路；

（2）基于三维道路电子地图数据库，获得K则道路的节点高度；

（3）根据所得到的道路节点高度，计算道路的高度变化，得出道路的坡度变化情况；

（4）根据所得到的K则道路及计算的道路坡度变化情况，综合得到最经济道路。

其中，步骤（1）中的K则最短路径算法采用标号设定算法。

步骤（2）中的三维道路电子地图数据库中的路网具有二维坐标、道路高度信息，道路高度由道路节点的高度组成。

步骤（2）中的道路的节点取为道路所经过的城市、乡镇、村庄、高速公路收费站、桥梁、隧道。

步骤（3）中，根据道路网络的高程数据则得到节点的高程，进而计算得到K则道路的坡度变化情况，具体过程为：

（1）首先根据所存储的道路网络节点高程数据，获得K则最短道路节点的高程

H={H₁,H₂,…,H_k}，

H₁={h₁,h₂,…,h_n1}，

H₂={h₁,h₂,…,h_n2}，

...，

H_k={h₁,h₂,…,h_nk}，

其中H表示K则最短道路节点的所有节点集合，H₁表示道路L₁的节点集合，H₂表示道路L₂的节点集合，H_k表示道路L_k的节点集合，n₁,n₂,…,n_k分别表示道路L₁,L₂,…,L_K的节点个数，h_i表示节点i的高程；

（2）计算所有K则最短道路节点高程的相对值ht，具体如下：

①计算每条道路的最小高程：

h_min，i=min H_i

其中，h_min,i表示道路L_i的节点最小高程，

min H_i表示从道路L_i的节点高程集合中获得最小高程；

②计算K则道路所有节点的相对高程：

hr_i,j=h_i,j-h_min,i

其中，h_ri,j表示L_i道路上的节点j的相对高程，

i=1,j=1,2,…,n₁

i=2,j=1,2,…,n₂

...

i=k,j=1,2,…,n_k；

（3）计算道路相对高程的平均值均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min：

①K则最短道路相对高程的平均值计算公式为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{hr}}_{i,j}}{n_i}$ （i=1,2,...,k），

②K则最短道路相对高程的均方误差的平方和的计算公式为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{hr}}_{i,j}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i})}^2$ （i=1,2,...,k），

③K则最短道路相对高程的最大值hr_max和最小值hr_min：

$h_{\min ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Min}}{\mathrm{hr}}_{i,j},$

$h_{\max ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Max}}{\mathrm{hr}}_{i,j},$

（4）计算K则道路的坡度变化情况：

用道路相对高程的均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min三个参数的加权平均值综合表达道路的坡度变化情况，K则道路的坡度分别以P_L1，P_L2，…，P_LK表示，计算公式为：

P_Li=a₁S_i+a₂h_max，i+a₃h_min，j

其中，i=1，2，…，K，a₁、a₂和a₃为权值，且a₁+a₂+a₃=1。

根据计算的结果P_Li值越小则表示道路坡度值小，即变化越小，该条道路较为平坦，车辆在该道路行驶在同等交通条件下车辆的燃油消耗少。

步骤（4）中，根据步骤（1）的计算可以得到用户所要求的出发点O与目的地D的K则最短路径L₁,L₂,…,L_K，并得到其相应的距离，设为D_L1，D_L2，…，D_LK；根据步骤（3）所述的方法则可以计算得到K则最短道路L₁,L₂,…,L_K的坡度，分别为P_L1，P_L2，…，P_LK；计算得到车辆行驶路径的经济性值，计算公式为：

E_Li=b₁D_Li+b₂P_Li

其中，i=1，2，…，K，b₁和b₂为权值，且b₁+b₂=1；

则可以得到车辆行驶的最经济道路，即路径经济性值最小的道路，计算公式为：

$E_{L\min }=\underset{1\≤i\≤K}{\mathrm{Min}}{E}_{\mathrm{Li}}$

其中i=1，2，…，K。

车辆经济性即车辆的燃油消耗，车辆的燃油消耗少则经济性好，反之则差。影响车辆行驶燃油消耗的因素很多，除了车辆自身的设计性能及交通状况外，道路的距离及坡度是影响车辆油耗的重要因素。在同等级道路及相同交通条件下，车辆行驶在距离短比距离长的道路车辆的燃油消耗少。在同等级道路及相同交通条件下，车辆行驶在距离短且路面平坦比距离长且有坡度路面的道路车辆的燃油消耗少，即车辆的经济性好。根据车载路网的三维电子地图数据可以计算出道路的高度变化，道路高度的变化可以表示道路的坡度情况。在车辆行驶开始，根据驾驶员输入的起始位置和终点位置，根据路网数据可以计算出K则最短道路。针对得到的K则最短道路，计算其高度变化，即获得道路的坡度变换情况。根据K则道路的距离及道路的坡度可以得到车辆燃油消耗最少的道路，即经济性最优的道路。

本发明车辆导航装置以及采用该装置的经济性道路获取方法，该装置可以引导车辆行驶在最经济的道路上，用于对车辆行驶路径的优化与导航，该方法根据车辆运行燃油经济性与道路距离及坡度的关系，将获得的K则最短道路通过计算各道路的高度变化综合道路的距离获得车辆运行的最经济道路。

附图说明

图1为本发明的算法流程示意图；

图2为本发明的模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述：

附图1为获得车辆行驶最经济道路算法的流程图，该方法包括了以下的步骤。

1、根据路网的三维数据库，利用K则最短路径规划算法计算出发地到目的地的K则最短路径。

其中K则路径规划算法可以采用标号设定算法等。

另外，关于K的选取，燃油消耗最少的路径与路径的距离最为相关，只有距离相差较少时，驾驶员才会根据道路的坡度情况做出选择，如果距离相差较大，除非距离较小的道路坡度情况极差，才会选取距离较大的道路否则会选择距离较小的道路。因此，K的选取可以根据实际情况，以设定距离差进行选取。

2、K则最短道路节点的获取。设获得的K则最短道路为L₁,L₂,…,L_K，道路坡度的计算需要先获得道路的节点，节点可以取为道路所经过的行政城市、乡镇、村庄，如果是高速公路也可以取道路所经过的收费站，也可以取道路经过的重要标志如桥梁、隧道等。道路节点的数目越多越能够更好的表示道路的坡度变化关系。

3、K则道路坡度计算。得到K则道路的节点后，根据道路网络的高程数据则可以得到节点的高程，进而可以计算得到K则道路的坡度变化情况，具体过程为：

（1）首先根据所存储的道路网络节点高程数据，获得K则最短道路节点的高程H={H₁,H₂,…,H_k}，H₁={h₁,h₂,…,h_n1}，H₂={h₁,h₂,…,h_n2}，…，H_k={h₁,h₂,…,h_nk}，其中H表示K则最短道路节点的所有节点集合，H₁表示道路L₁的节点集合，H₂表示道路L₂的节点集合，…，H_k表示道路L_k的节点集合，n₁,n₂,…,n_k分别表示道路L₁,L₂,…,L_K的节点个数，h_i表示节点i的高程。

（2）计算所有K则最短道路节点高程的相对值hr，具体如下：

①计算每条道路的最小高程：

h_min,i=minH_i

其中，h_min,i表示道路L_i的节点最小高程

minH_i表示从道路L_i的节点高程集合中获得最小高程

②计算K则道路所有节点的相对高程：

hr_i，j=h_i，j-h_min,i

其中，hr_i,j表示L_i道路上的节点j的相对高程

i=1,j=1,2,…,n₁

i=2,j=1,2,…,n₂

...

i=k,j=1,2,…,n_k

（3）计算道路相对高程的平均值均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min

①K则最短道路相对高程的平均值计算公式为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{hr}}_{i,j}}{n_i}$ （i=1,2,...,k）

②K则最短道路相对高程的均方误差的平方和的计算公式为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{hr}}_{i,j}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i})}^2$ （i=1,2,...,k）

③K则最短道路相对高程的最大值hr_max和最小值hr_min：

$h_{\min ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Min}}{\mathrm{hr}}_{i,j}$

$h_{\max ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Max}}{\mathrm{hr}}_{i,j}$

（4）计算K则道路的坡度变化情况

用道路相对高程的均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min三个参数的加权平均值综合表达道路的坡度变化情况，K则道路的坡度分别以P_L1，P_L2，…，P_LK表示，计算公式为：

P_Li=a₁S_i+a₂h_max,i+a₃h_min，j

其中，i=1，2，…，K，a₁、a₂和a₃为权值，且a₁+a₂+a₃=1。

根据计算的结果P_Li值越小则表示道路坡度值小，即变化越小，也就是说该条道路较为平坦，车辆在该道路行驶在同等交通条件下车辆的燃油消耗少。

4、车辆行驶最经济道路的获取

根据1的计算可以得到用户所要求的出发点0与目的地D的K则最短路径L₁,L₂,…,L_K，并得到其相应的距离，设为D_L1，D_L2，…，D_LK。根据3所述的方法则可以计算得到K则最短道路L₁,L₂,…,L_K的坡度，分别为P_L1，P_L2，…，P_LK。则可以计算得到车辆行驶路径的经济性值，计算公式为：

E_Li=b₁D_Li+b₂P_Li

其中，i=1，2，…，K，b₁和b₂为权值，且b₁+b₂=1。

则可以得到车辆行驶的最经济道路，即路径经济性值最小的道路，计算公式为：

$E_{L\min }=\underset{1\≤i\≤K}{\mathrm{Min}}{E}_{\mathrm{Li}}$

其中i=1，2，…，K

附图2为车辆最经济路径的获取及导航装置示意图，包括微控制器、语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口，微控制器分别与语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口连接；

其中，微控制器为嵌入式系统或微型计算机系统，其负责整个装置的工作；

语音模块包括语音箱、语音合成模块及语音信号传输模块，语音信号传输模块连接语音箱和控制器，语音合成模块与语音箱连接，语音模块负责车辆行驶过程中的语音引导，微控制器根据车辆行驶的路径、实时位置，将当前道路坡度信息实时向驾驶员进行提示；

LCD显示器负责显示道路网络、选择的最经济路径及车辆的实时位置；

GPRS通信模块将整个装置与无线通信网络连接起来，进行无线信息的交互，为实现车辆监控提供接口；

GPS模块实时获取车辆的位置信息，并将数据传给微处理器。具体的实施过程描述如下：

（1）装置启动后，液晶显示器会提示用户输入出发地及目的地，用户输入确认后，装置根据附图1的计算方法计算得到从出发地到达目的地的最经济道路，并在液晶显示器上显示出来。同时根据该步的计算将得到的最经济道路坡度数据存储起来。

（2）车辆行驶过程中，GPS将实时得到车辆的位置，即当前经度、纬度和高度等信息，将此信息存放于存储器，微控制器从存储器取出车辆位置并实时从显示器上显示，同时根据所存储的道路坡度变化情况数据，微处理器根据车辆的实时位置，将道路坡度变化情况送语音控制模块。

（3）语音控制模块负责车辆行驶过程中的语音引导，微控制器根据车辆行驶的路径、实时位置，将当前道路坡度信息实时向驾驶员进行提示，特别是道路坡度变化较大时候，将向驾驶员进行预报，可以较好的提高交通安全性。

（4）GPRS模块为无线通信模块，为车载装置与无线通信系统的接口，可以实现后方的监控指挥中心与车辆的信息交互。当后方要求与车辆进行通信时候，后方通过无线网络向车载装置发出信息请求，GPRS收到请求后会根据请求的内容做出相应的反映，主要是车辆位置信息的返回。同时，车载装置也可以与监控指挥中心进行信息的请求，如车辆异常信息等。

（5）由于车载装置的不同模块所需要电压不同，因此需进行电源模块的设计，主要包括无线通信模块电源，车载电源的转换，GPS定位模块电源及微处理器电源。

Claims (8)

1.一种车辆导航装置，其特征在于，包括微控制器、语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口，微控制器分别与语音模块、电源模块、LCD显示器、GPRS通信模块、GPS模块、输入接口连接；

其中，微控制器为嵌入式系统或微型计算机系统，其负责整个装置的工作；

语音模块包括语音箱、语音合成模块及语音信号传输模块，语音信号传输模块连接语音箱和控制器，语音合成模块与语音箱连接，语音模块负责车辆行驶过程中的语音引导，微控制器根据车辆行驶的路径、实时位置，将当前道路坡度信息实时向驾驶员进行提示；

LCD显示器负责显示道路网络、选择的最经济路径及车辆的实时位置；

GPRS通信模块将整个装置与无线通信网络连接起来，进行无线信息的交互，为实现车辆监控提供接口；

GPS模块实时获取车辆的位置信息，并将数据传给微处理器。

2.根据权利要求1所述的车辆导航装置，其特征在于，微控制器的型号为S3C2410A。

3.一种根据权利要求1所述装置的经济性道路获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据K则最短路径算法获得起点到终点的K则道路；

（2）基于三维道路电子地图数据库，获得K则道路的节点高度；

（3）根据所得到的道路节点高度，计算道路的高度变化，得出道路的坡度变化情况；

（4）根据所得到的K则道路及计算的道路坡度变化情况，综合得到最经济道路。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（1）中的K则最短路径算法采用标号设定算法。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中的三维道路电子地图数据库中的路网具有二维坐标、道路高度信息，道路高度由道路节点的高度组成。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中的道路的节点取为道路所经过的城市、乡镇、村庄、高速公路收费站、桥梁、隧道。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，根据道路网络的高程数据则得到节点的高程，进而计算得到K则道路的坡度变化情况，具体过程为：

（1）首先根据所存储的道路网络节点高程数据，获得K则最短道路节点的高程H={H₁,H₂,…,H_k}，

H₁={h₁,h₂,…,h_n1}，

H₂={h₁,h₂,…,h_n2}，

…，

H_k={h₁,h₂,…,h_nk}，

其中H表示K则最短道路节点的所有节点集合，H₁表示道路L₁的节点集合，H₂表示道路L₂的节点集合，H_k表示道路L_k的节点集合，n₁,n₂,…,n_k分别表示道路L₁,L₂,…,L_K的节点个数，h_i表示节点i的高程；

（2）计算所有K则最短道路节点高程的相对值hr，具体如下：

①计算每条道路的最小高程：

h_min，i=minH_i

其中，h_min,i表示道路L_i的节点最小高程，

minH_i表示从道路L_i的节点高程集合中获得最小高程；

②计算K则道路所有节点的相对高程：

hr_i,j=h_i,j-h_min,i

其中，hr_i,j表示L_i道路上的节点j的相对高程，

i=1,j=1,2,…,n₁

i=2,j=1,2,…,n₂

...

i=k,j=1,2,…,n_k；

（3）计算道路相对高程的平均值均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min：

①K则最短道路相对高程的平均值计算公式为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{hr}}_{i,j}}{n_i}$ （i=1,2,...,k），

②K则最短道路相对高程的均方误差的平方和的计算公式为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{n_i}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{hr}}_{i,j}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{hr}}_i})}^2$ （i=1,2,...,k），

③K则最短道路相对高程的最大值hr_max和最小值hr_min：

$h_{\min ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Min}}{\mathrm{hr}}_{i,j},$

$h_{\max ,i}=\underset{1\≤j\≤n_i}{\mathrm{Max}}{\mathrm{hr}}_{i,j},$

（4）计算K则道路的坡度变化情况：

用道路相对高程的均方误差的平方和S、最大值hr_max和最小值hr_min三个参数的加权平均值综合表达道路的坡度变化情况，K则道路的坡度分别以P_L1，P_L2，…，P_LK表示，计算公式为：

P_Li=a₁S_i+a₂h_max，i+a₃h_min，j

其中，i=1，2，…，K，a₁、a₂和a₃为权值，且a₁+a₂+a₃=1。

根据计算的结果P_Li值越小则表示道路坡度值小，即变化越小，该条道路较为平坦，车辆在该道路行驶在同等交通条件下车辆的燃油消耗少。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，根据步骤（1）的计算可以得到用户所要求的出发点0与目的地D的K则最短路径L₁,L₂,…,L_K，并得到其相应的距离，设为D_L1，D_L2，…，D_LK；根据步骤（3）所述的方法则可以计算得到K则最短道路L₁,L₂,…,L_K的坡度，分别为P_L1，P_L2，…，P_LK；计算得到车辆行驶路径的经济性值，计算公式为：

E_Li=b₁D_Li+b₂P_Li

其中，i=1，2，…，K，b₁和b₂为权值，且b₁+b₂=1；

则可以得到车辆行驶的最经济道路，即路径经济性值最小的道路，计算公式为：

$E_{L\min }=\underset{1\≤i\≤K}{\mathrm{Min}}{E}_{\mathrm{Li}}$

其中i=1，2，…，K。