汽车电子导航系统的结构与原理

2023-08-19 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.26汽车电子导航系统组成③用户设备部分:主要是GPS接收机,它接收卫星发射的信号,根据导航电文提供卫星位置和钟差改正信息计算用户的位置。2)GPS导航系统的基本原理GPS导航系统是随着空间技术的发展而出现的一种空间基准的无线电导航系统。图6.27GPS导航系统的基本原理导航卫星在围绕圆形轨道运动时,发出的事先决定的图像信息。

（1）汽车电子导航系统介绍

1)汽车电子导航系统的组成

汽车电子导航系统由空间部分、地面监控部分和用户设备部分组成,如图6.26所示。

①空间星座部分:使用24颗高度约20 000 km的卫星组成卫星座,24颗卫星分布在6个等间隔轨道上,轨道面相对赤道面的倾角为55°每个轨道面上有4颗卫星,卫星轨道为圆形,运行周期为11小时58分,这样的卫星分布,可保证全球任何地区、任何时刻有不少于4颗卫星以供观测。

②地面监控部分:包括4个监控站、一个主站和注入站,全部位于美国境内,监控部分的主要任务是监测每颗卫星的运行情况,并通过注入站及时修正卫星的有关参数,以保证整个GPS系统能正常运行。

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图6.26　汽车电子导航系统组成

③用户设备部分:主要是GPS接收机,它接收卫星发射的信号,根据导航电文提供卫星位置和钟差改正信息计算用户的位置。

2)GPS导航系统的基本原理

GPS导航系统是随着空间技术的发展而出现的一种空间基准的无线电导航系统。其基本原理如图6.27所示。

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图6.27　GPS导航系统的基本原理

导航卫星在围绕圆形轨道运动时,发出的事先决定的图像信息。接收侧根据卫星发出的信号至接收到其反射信号的滞后时间,算出接收侧与卫星的距离R。以R为半径、卫星为圆心,即形成一个球面。当接收侧同时知道3颗导航卫星的距离时,就可形成3个球面,3个球面的交点就是接收侧的位置,也就是汽车的位置。

（2）电子地图

电子地图是现代车载导航系统中的最基本的也是最重要的部件之一。早期的电子地图只是单一地用作地图使用,并无引导作用。随着科技的发展,电子地图结合GPS技术、传感器技术等的发展,在各种先进的导航技术中已经广泛应用。

电子地图包括道路、地名及各种设施。除了显示本车位置和方向外,导航信息还有已行驶轨迹、当时位置到目的地的方向和直线距离。驾驶员可通过按键输入本车位置和目的地、缩放地图的比例尺或者选择显示CD-ROM数据库中的任意区域的地图。

各种比例尺的地图显示和车辆定位是电子地图的关键技术。随着计算机技术的发展和普及,导航电子地图在人类活动中将具有深远的意义和广泛的前景。

（3）汽车电子导航系统

汽车电子导航系统的结构,如图6.28所示,主要由GPS接收天线、GPS接收机、导航计算机、可视显示器及位置检测装置(绝对位置检测和相对位置检测)等组成。

系统可根据不同的位置进行分类检测。绝对位置的检测采用GPS全球定位系统,相对位置的检测采用方向传感器(如地磁传感器、光纤陀螺仪),并利用车轮转速传感器测量车辆的行驶距离,如图6.29所示。

1)传感器

①罗盘传感器:一个双线圈发电机型地磁矢量传感器,由一个励磁线圈和两个垂直的线圈缠绕在具有高磁通率的圆环磁铁上组成。通过检测地球的磁场确定汽车的绝对行驶方向。罗盘传感器的结构,如图6.30所示。

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图6.28　汽车电子导航系统的结构

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图6.29　汽车电子导航系统的原理

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图6.30　罗盘传感器的结构

②车速传感器:从汽车前进的速度中检测出车速脉冲(不同车型,车速脉冲值不同),通过汽车导航ECU的数据处理,从速度和时间中直接求出前进距离。

导航系统也采用了和ABS(防抱死制动系统)系统相同的车轮转速传感器。汽车转弯时方向上的变化可以通过左右车轮转速传感器的输出脉冲差进行检测。若汽车以R为转弯半径转θ角时,每一个车轮按同一个中心进行旋转。如图6.31所示,汽车的前内、外车轮分别行走距离为Li和L0。可通过以下方程计算出来:

Li=Riθ

L0=R0θ

③陀螺仪:在导航系统中,通常使用陀螺仪测定汽车转弯速度是确定汽车行驶方向的另一种方法。

气流陀螺仪的结构原理,如图6.32所示。

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图6.31　汽车转弯时车轮路线

K—轮距;L—轴距

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图6.32　气流陀螺仪的结构原理

气流陀螺仪是利用氮气的惯性检测方向,而不是利用地磁。密封在容器内的氮气在压电振子循环压缩机的作用下,在容器内循环。当汽车直线行驶时,氮气使两根热线均匀冷却,故两根热线温度相等。一旦汽车改变方向,氮气流由于本身的惯性而过分偏向一侧,使固定在汽车上的检测器的两热线冷却程度不等,结果产生温度差,并以电位差的形式表现。由于两热线构成电桥电路,故该输出电压即A、B两点间的电位差与汽车的偏转率成正比。

光纤陀螺仪的检测原理,如图6.33所示。光从光纤线圈A点入射,经向左右两个方向回转传播,光程相同时两方向同时经过一个周期到达输出的B点。当光纤线圈向右旋转的角速度为ω,则从A点入射的同一周期左右方向传播的光程不同,右回转比左回转传播光程长,两者相差一定角度。在原输出B点测量两方向传到的光相位不同,测定两个光干涉的强度,可以确定两方向光的传播时间差(相位差),从而计算出光纤线圈(汽车)的转向角速度ω。

2)自律导航

当汽车行驶在地下隧道、高层楼群、高架桥下、高山群间、密集森林等地段与GPS卫星失去联系、中断信号的瞬间时,机内可自动导入自律导航系统,此时车速传感器从汽车前进的速度中检测出车速脉冲(不同车型,车速脉冲值不同,要注意修正),通过汽车导航计算机(ECU)的数据处理,从速度和时间中直接求出前进距离。陀螺仪传感器直接检测出前进方向的变化和行驶状态(即汽车前进的角速度变化值)。例如,汽车行驶在沟状山道,发夹式弯路、环状盘形桥上、雪道原地打滑、轮渡过河等地段时,所有这些曲线距离与卫星导航的经纬度坐标产生了误差,通过陀螺仪传感器的检测和微处理器的运算才能得到汽车正确的位置。

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