智能导航系统的研究与设计 .docx
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1、智能导航系统的研究与设计摘要 如今,随着我国社会的不断发展,国内旅游业的发展以及交通工具的增加。智能导航成为了解决交通困难的急切需求。目前室外导航技术已经相当成熟,通过GPS导航可以规划出一条最优的路线到达目的地。但随着楼盘的不断增加,人们在室内寻路的困难逐渐上升。室内的错综复杂的地形使得GPS并不能精准的导航定位,所以室内定位导航系统的应用前景十分的广泛。本文主要是对于智能导航系统研究与设计。首先对于现有的多种无线技术与几种定位导航算法的研究与比较,然后对于最优路径选择算法的研究,主要选取常规的导航系统所用到的两种经典算法,并对于A*算法、Dijkstra算法这两种算法进行阐述。通过MATL
2、AB平台进行算法的实现,最后对于已有的算法进行比较、改进。关键词 导航 最佳路径选择算法 算法优化 MATLAB平台实现ResearchandDesignofIntelligentNavigationSystemAbstract Nowadays, with the continuous development of our society, the development of domestic tourism and the increase of means of transportation. Intelligent navigation becomes an urgent need
3、to solve the traffic problems. At present, outdoor navigation technology has been quite mature, through GPS navigation can plan an optimal route to the destination. But with the continuous increase of the real estate, peoples difficulties in finding their way indoors are gradually increasing. Becaus
4、e of the complex indoor terrain, GPS can not accurately navigate and locate, so the application prospect of indoor positioning and navigation system is very wide.This paper is mainly about the research and design of intelligent navigation system. First of all, the research and comparison of the exis
5、ting wireless technology and several positioning and navigation algorithms, and then for the research of the optimal path selection algorithm, mainly select the two classical algorithms used in the conventional navigation system, and elaborate the A* algorithm and Dijkstra algorithm. Through the MAT
6、LAB platform to achieve the algorithm, finally, the existing algorithm is compared and improved.Key word Navigation Optimal Path Selection Algorithm Algorithm Optimization Matlab Platform Implementation目 录引 言11 系统设计与分析11.1 需求分析11.2 国内外技术分析11.3 系统设计分析21.3.1 平台简介21.3.2 系统的总体设计分析22 定位技术介绍22.1 相关定位技术概述3
7、2.1.1 WIFI技术32.1.2 GPS技术32.1.3 RFID技术32.1.4 基站技术42.2 无线通信的对比43 定位导航算法43.1 定位算法43.2 Dijkstra算法53.2.1 算法概述53.2.2 算法基本思想53.2.3 算法的具体步骤63.3 A*算法73.3.1 算法概述73.3.2 算法基本思想73.3.3 算法的具体步骤74 路径算法实现84.1 算法实现对比94.1.1 Dijkstra算法94.1.2 A*算法104.2 改进后的A*算法114.3 对于算法比较分析及优化12结 论13参考文献14致 谢15引 言信息化时代的快速发展,快节奏的生活,使得人们
8、对于时间的管理要求更加的严苛,任何的事情都讲究效率。所以,无论是外出工作中的还是休闲中放松身心的人们,也无论在室内还是室外,总是希望自己能够在路上能够少些耽误时间,让自己拥有更多的精力与时间投入到最终的事情当中。而智能导航系统恰好能帮助人们节省大量的时间。针对智能导航系统中的路径规划的问题,本文主要研究的是用户导航时对于路径的优劣选择的算法对比。首先对于无线通信以及室内的定位技术进行阐述,以及通过MATLAB平台对于路径算法的实现,对比数据结果分析优缺点并选取一种算法对其进行优化,使其能在日后的导航系统中实现出最优性能。1 系统设计与分析1.1 需求分析近年来,我国社会经济步入高速发展阶段,人
9、类社会的基本面貌已经发生了天翻地覆的变化,高楼大厦也充分印证了每座美丽城市的生存和发展。汽车业、旅游业、建筑业的蓬勃发展。城市的交通压力随着车辆的增加而增加,人们对于GPS导航等系统的研究日渐改善这一压力,即使在拥堵的早晚高峰,智能导航能够为用户迅速规划出一条安全地路线供其行驶。当人们到了陌生的城市,只需通过智能导航系统中的高德地图、百度地图等等0p11,即可到达自己所需的目的地。室外的导航也极大的方便了人们的出行。室外卫星定位信号技术给人们日常生活中所带来的诸多好处也是有目共睹的,然而室外卫星定位信号技术的应用在面对传统一样封闭复杂的室内的环境的时候,效果并不显著。所以室内导航定位一旦得到运
10、用,将一定会在当今人们的生活中能够发挥举足轻重的关键性作用。1.2 国内外技术分析国外方面,欧美、俄罗斯及中国的卫星定位系统具有良好的应用前景0p2,例如北斗卫星定位系统、Gagps、Galileo以及Gaglonass0p2。GNSS卫星定位技术0p13主要具有定位可靠性好、精确度高、覆盖范围等诸多优点。国外谷歌推出了室内导航应用软件,即Google Maps Floor Marker0p50,提倡用户根据其要求跟步骤来增加室内定位导航的准确性。国内方面,我国目前北京、上海、广州等地方开始对于GPS的大力推广与应用,对于日常中的车辆倡导应用GPS,通过车辆的导航系统可以为其提供无线通信、车辆
11、定位等服务。当然室外的应用逐渐成为了主流,但是并不代表着室内的导航技术的成熟。从“十二五”起,我国制定并实施了“羲和”计划0p2,旨在构建科学高效的室内定位对地观测服务的系统,设计的室内与室外,尺寸分别等于1米,3米;国内多家大型企业、高校科研院所也陆续的开展了室内无线网络定位接入点技术的开发和研究。1.3 系统设计分析1.3.1 平台简介本文研究的两种经典的路径选择算法,为了方便直观的对其进行比较分析,选取了MATLAB软件平台对其进行实现对比。MATLAB是一款以数学计算为主的编程软件,有MathWorks公司研发应用,在交互式环境中可运用MATLAB,应用过程中可使用高级技术计算语言。进
12、行数据可视化、深入全面的数据分析,科学合理的算法开发数值求解均可使用MATLAB应用软件,组成以MATLAB与Simulink为主;前者的基本数据单位为矩阵,数学或工程中常用的形式与其指定表达式非常接近。因此运用MATLAB软件进行计算更加便捷高效,此外此应用具有和Maple等相同的优势。由此可见此软件的功能非常强大,在数学领域具有十分广阔的应用前景。并将C,C+,JAVA融入了最新版的MATLAB软件中。1.3.2 系统的总体设计分析对于导航系统的设计分析,通过已有的资料查阅,最终将系统整体拆分为三个部分进行研究与分析。第一部分是对于室内定位技术的介绍,通过了解查阅国内外相关的室内定位技术,
13、对于现有的几种无线通信技术的分析以及比较。第二部分是通过现有的几种定位算法的研究,对比各室内定位技术的优劣0p3与分析,第三部分则是对于其中的关键路径选择算法,深入全面的对比常用的A*算法与Dijkstra算法的准确度及运算效率,归纳各自的优点与不足。由于A*算法的启发函数仅包括距离这一启发信息,科学合理的优化与改进了此函数及其搜索区域,促使算法更加便捷高效。2 定位技术介绍对比于传统的的有线定位技术,无线通信技术则具有着很多的优势,一是低廉的成本,构建科学合理的无线数据传输方式,可缩减费用。二是整个工程的周期较短,相比之下无线通信所需要的通信链路可迅速建起。三是良好的适应性和扩展性,对于地理
14、环境影响较小,通过无线数传电台连接新增设备即可实现系统扩展了。而常见的无线通信技术主要由WIFI技术、GPS技术、RFID技术、基站技术0p25等。虽然在无线通信方面都能发挥作用,但是利用这些不同的技术所具有的特点和使用领域也不尽相同。2.1 相关定位技术概述相比较于室外的环境,在室内的电磁波传输要远比外界更加繁杂,室内到处都是墙壁、布置好的家具以及随时走动的人们以及物体都会影响到无线信号的的传输,从而接受的数据将会出现延迟。使得接收端的信号出现不稳定。因此,国内外的很多研究机构通过现有的无线通信技术的研究,发不了许多解决的方案,如下是对一些常见的定位技术的概述:2.1.1 WIFI技术WIF
15、I是由无线接入点以及站点组成的无线网络,其覆盖范围广阔,能够在复杂环境实现应用。其在实际的生活中应用十分方便,只需要装备日常的WIFI设施,即可实现定位,其成本较低,传输的范围较为广。接收信号、到达时间差定位法、到达时间法为常用的传统WiFi定位算法。当然WIFI定位如果不是参照的周边的信号强度图,则很容易发生定位误差。国外最典型的应用则是微软公司RADAR系统的运用0p1,通过指纹的定位方法,录入用户的指纹放入数据库,通过精密的计算将会变得十分准去从而提供准确的定位。另外,WIFI的安全性以及数据的保密程度也不如有线接入的方式。2.1.2 GPS技术GPS定位实际上就是卫星定位,其实GNSS
16、当中的一种定位。28颗卫星共同构成了GPS定位系统,其中备用卫星与工作卫星的数量分别为4颗,24颗。卫星可向地面发射导航信息等等内容,而GPS终端也将接受其发送的各项数据来计算出当前位置。并且能够安全、无误的通过特定的规定路线,到达最终的目的地,也可应用于移动终端上面更加方便人们。所以目前GPS是最为广泛的应用,但是其到室内工作是,会受到地形以及建筑的影响,准确度将大幅度下降,其成本也高昂。2.1.3 RFID技术自动识别技术中的RFID定位技术非常灵敏便捷,在物联网领域发挥着举足轻重的作用,可通过无线射频来完成非接触的双向数据通信7p23。应用范围及其广泛,包括与车辆定位、建筑等多个领域。该
17、技术可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,具有低成本、适应性好等优点,能够无视复杂的环境中进行连接。但是目前来说,RFID的技术还不够成熟,应用起来仍有些困难。2.1.4 基站技术基站定位的技术主要适用于手机中,通常也会被称为移动位置服务。移动设备的通讯过程需要借助GSM网络,即GSM网络与某蜂窝基站相连接,及时的传送数据。基站定位主要其定位迅速、成本也低,但是其准确率却不高。2.2 无线通信的对比目前而言,WIFI的技术还是广泛的运用于室内定位系统,收到了大量研究者们的欢迎。主要是会因为相比于其他的无线通信技术,WIFI技术所具备的许多的优势,能够应用于多个场景,而且所以消耗的人力物力较少
18、等。表1表示的是各无线通信对比的结果,清晰直观的列出了不同定位技术的定位精度,可靠性及所需成本。表1 各无线通信对比定位技术定位精度可靠性成本WIFI2-10m低低GPS3-10m高高RFID1-10m中低基站150-200m低高3 定位导航算法3.1 定位算法通过对比可知,不同定位方法的数据传输方式存在一定差异。例如Gps定位,WIFI定位,基站定位以及RFID定位各不相同。系统前端使得其具有丰富多样的数据传输方式,后台的定位算法决定了系统的定位效果。表2清晰直观的说明了不同定位算法的不同之处。根据下表可知常用的定位方法包括邻近探测法,极点法以及航位推算法等。表2 各定位算法对比定位原理描述
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