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可移植嵌入式导航平台关键技术研究

徐战亚  
【摘要】: 互联网技术、分布式计算技术、无线通讯技术、移动计算技术、微型嵌入式技术以及微型RTOS技术的快速发展,使得计算机技术逐步嵌入到各种日常的信息工具之中,并使这些工具更加功能化和智能化;信息技术的重心正在由信息管理与存储转向信息处理、信息加工与整合、信息的高效利用和信息快速获取等领域。另外,空间信息技术中的诸多技术在社会各领域中的集成更加密切,定位导航系统已经得到了快速的发展和广泛应用。尤其是在大众化的嵌入式导航系统方面,其功能和和作用已被人们接受和认可。嵌入式导航系统是可以广泛应用在各类车载、手持、轻量级娱乐消费产品中,同时也涉及到硬件、操作系统、地图数据服务、导航应用和用户界面的多层次系统。随着无线网络的快速发展和城市信息化服务程度的提高,系统所提供的各种综合信息服务已经成为人们生活中不可或缺的关键组成,在国内外已经出现了大量以嵌入式导航为基础和主要内容的智能交通系统,它们在社会的发展和进步中,起到了重要的推动作用。但由于目前的嵌入式硬件的多样性、操作系统的多样性以及现有导航电子地图数据的组织与管理中的诸多不足使得嵌入式导航类系统在应用领域上、功能扩展中均出现了较多的限制和约束,故大部分的应用都是由不同的厂商独立开发为主。硬件层和系统层的巨大差异,产品多样化、良莠不齐等现象,使得基于导航的嵌入式应用服务难以满足行业需求,应用扩展困难。 目前的嵌入式导航系统研究主要以硬件厂商和导航电子地图商为主,研究的内容主要集中在导航软件与固定嵌入式硬件平台的捆绑开发,信息服务以导航为主,信息服务数据也主要以国际主流导航电子地图格式为标准,产品性能差异很大,可移植能力弱,软件的扩展性有限。国内外已经出现了一些能够进行嵌入式GIS开发和导航应用的开发软件平台,但这些开发平台基本都是以某个具体的嵌入式操作系统或定制系统环境来开发的。目前还缺乏对导航系统进行从底向上的深入分析与研究,但由于嵌入式导航系统的特殊性,某些高性能算法和数据模型的研究已经远远不能满足嵌入式导航系统的需求。合理的系统架构设计、空间信息数据的高效组织与设计与嵌入式系统多模块的合理调度等关键技术已经成为嵌入式导航系统的核心基础,跨平台的嵌入式软件开发方法、多引擎的导航内核组织是导航系统快速开发与应用的核心。因此,对嵌入式硬件和嵌入式操作系统的系统分析与研究,对空间数据在嵌入式领域的合理管理与应用,以及多引擎的设计与集成,配合正确的嵌入式软件的开发技术,即构建可移植嵌入式导航平台是快速进行嵌入式导航系统开发和应用拓展的重要途径。 本文结合国家自然科学基金项目:十一五国家支撑计划《城市空间信息基础设施共享关键技术研究与示范》,重点研究和设计具备核心导航能力的可移植嵌入式导航平台,解决基于定位导航的嵌入式信息服务领域的空间数据组织管理、硬件平台差异化、行业应用和大众服务拓展性等问题。研究了国内外嵌入式导航系统的数据组织与管理模式、可移植软件的开发方法与途径、多引擎的导航模块设计与实现等关键内容。分析了对不同硬件平台和软件平台系统适应性设计;设计了自己的导航电子地图物理存储格式,并在此基础上实现了多元数据的集成和管理;结合导航核心应用,将定位、路径分析、智能导航等多中应用引擎进行了详细设计和实现;利用了增强可扩展的文件访问模块和高效的内存管理模块,配合独立的GUI引擎使得整个导航平台具备了优秀的性能和良好的地图表现力,能够适用于多种行业的应用开发和扩展。具体的研究工作如下: (1)分析回顾了嵌入式导航系统的应用与发展,指出了多技术在嵌入式领域的集成和智能化是嵌入式导航系统的重要发展趋势,而导航电子地图数据、无线数据传输、行业应用集成和跨平台的开发支持是目前嵌入式导航系统发展的重点。对嵌入式系统的开发技术、导航电子地图技术、多引擎技术和导航技术等进行分析讨论,指出了可移植嵌入式导航平台的可行性。并结合空间信息服务的特征,国内外的行业应用的需求,甚至物联网的快速发展,提出了可移植嵌入式导航平台在目前和未来信息化社会中的必要性和重要性。 (2)比较分析了嵌入式导航系统的应用模型,讨论了嵌入式导航平台的核心模块组成,从GIS角度导航数据的组织和管理进行分析,总结了嵌入式导航地图数据的逻辑分类、管理、空间索引、路径分析、路径导航、地图显示等内容,给出了嵌入式导航系统的层次模型。为实现系统的跨平台,给出了可移植嵌入式导航平台的主要特征,并对相关的关键技术做了讨论,采用对硬件层和操作系统层进行抽象的方法实现了导航平台的功能模块与硬件和系统软件的无关性设计。同时,对导航电子地图进行研究,重点分析其道路模型、物理存储格式和多元数据的组织管理;根据自己所设计的导航电子地图,对系统的多引擎结构进行设计,将GUI、路网分析、定位导航、无线通信等关键模块在平台中的组织和使用进行了分析,构建了可移植嵌入式导航平台的完整架构。 (3)利用抽象层设计技术,将嵌入式导航平台与嵌入式硬件和嵌入式操作系统完整集成,利用硬件抽象层技术实现硬件平台与嵌入式操作系统的隔离,利用操作系统抽象层将导航平台与嵌入式操作系统相隔离。讨论了抽象层设计中所要涉及的消息的抽象设计、文件接口设计等内容,着重对GUI视窗系统进行了详细讨论和分析,利用GAL和IAL,结合对消息和窗口的分层管理机制,设计了类Windows的独立视窗系统。通过对上述部分的分析和设计,为平台设计了完整的可移植抽象层,为跨平台的软件开发奠定了良好的基础。 (4)从导航和应用角度讨论了导航电子地图应该遵循的原则,结合数据的管理,对大图幅的地图管理和无缝拼接技术进行讨论,从空间数据的管理角度对导航系统中的各种数据组织与协同调度机制进行研究,提出了能够满足导航应用和信息服务扩展的数据组织模式。通过将数据按照统一格网索引组织,在不同的比例尺层中放置不同的数据,按照既定的比例尺规则,实现了连续地图操作时的连贯浏览,同时,对每个格网的数据采用分包策略组织,并进行集中存储,根据道路的拓扑结构,将分割后的道路段连接,构建IDT表,实现了矢量数据的无损存储压缩。在此基础上,对主流导航数据的物理存储格式进行讨论,从物理存储的角度,对物理文件的存储模型进行设计,并结合嵌入式设备的特征,对数据的压缩给出了自己的解决策略,利用简化结构、比特位存储及分块压缩等三个步骤,使得产生的导航地图数据可以满足导航大众应用的需求,在数据量上,在数据的存储信息等方面都能很好地对导航进行支持。 (5)对导航平台中的多引擎结构进行设计,给出了合理的设计模型。基于Framebuffer的GDI显示引擎实现了优秀的可视化地图表现能力,配合自己独立的GUI视窗系统,能够高性能地进行各种定制的信息显示。文件访问调度引擎为导航各个模块的高效提供各种数据,保证了各模块的高速运转和服务。内存管理引擎中多种管理模型的使用,实现了小内存、低访问量、高命中率等优良特性,使得平台在不同硬件参数的机器上都能够优秀的性能表现。定位导航引擎在GPS信号的组织管理上、导航中的不同场景中的业务设计上,其信号解析模块、路径分析模块、地图匹配模块都很好地满足了实际的定位导航的需求,在实际的路测中,也达到了很好的目标。经过认真设计的多引擎导航平台结构,是利用多种管理模型和组织模型的结果,它本身具备分层和模块结构使得平台可以满足不同层次的业务需求,也能够提供各种定制的应用,更能够在不同的行业进行业务拓展,因此,它是导航平台的业务核心,是平台的强健支撑。 (6)研究实现了可移植嵌入式导航平台,并在此基础上,通过对几个应用系统的开发验证了平台在可移植性、良好的多元数据组织与存储、多引擎的导航结构等方面具有的良好性能,另外,系统中不同的应用开发和无线网络通信的整合验证了平台具备的优秀扩展能力和可开发能力。验证了平台所具备的优秀性能和高适应能力。


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