汽車導(dǎo)航系統(tǒng)儲存裝置抗震性之分析.doc

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1、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)儲存裝置抗震性之分析 摘要 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)中,以汽車導(dǎo)航系統(tǒng)最被大眾所接受.其主要架構(gòu)是將裝置在車輛上的衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收到全球定位資訊傳送到車上電腦加以處理,將所得之座標(biāo)及路徑配合電子地圖顯示在螢?zāi)簧? 衛(wèi)星定位系統(tǒng)需要與電子地圖配合,才能建構(gòu)出完整的汽車導(dǎo)航系統(tǒng).電子地圖為大量路網(wǎng)資料庫,需要較大容量的儲存媒體.然而汽車是一個(gè)隨時(shí)在移動的物體,因路況的不同而造成震動,造成 系統(tǒng)無法讀取儲存媒體中的電子地圖之不穩(wěn)定情形. 本篇論文即在探討汽車導(dǎo)航系統(tǒng)因震動或是瞬間的沖擊,而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定之情況分析.并試圖采用CNS (中國國家標(biāo)準(zhǔn))汽車用電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)之相關(guān)振動測

2、試實(shí)驗(yàn)及沖擊測試實(shí)驗(yàn),來分析硬式磁碟機(jī),光碟機(jī)及記憶卡等各種不同的儲存媒體特性,以分析何者是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中最佳儲存媒體. 關(guān)鍵詞:汽車導(dǎo)航系統(tǒng),全球衛(wèi)星定位,震動,沖擊,記憶卡. 1. 前言 導(dǎo)航系統(tǒng)的目的在於讓駕駛?cè)私宕讼到y(tǒng)得知現(xiàn)在的位置及路徑的導(dǎo)引,到達(dá)任何想去的位置,而不致迷失方向,節(jié)省駕駛的時(shí)間.選擇一臺穩(wěn)定性高的導(dǎo)航系統(tǒng),是駕駛?cè)怂Ｍ? 目前導(dǎo)航系統(tǒng)都是利用美國空軍在1970年所開發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System)[2].GPS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理,GPS訊號接收裝置以量測無線電信號的傳輸時(shí)間來量測距離.由每

3、顆衛(wèi)星的所在位置,測量每顆衛(wèi)星至接收器間距離,即可算出接收器所在位置之三維空間座標(biāo)值.使用者只要利用接收裝置接收到3個(gè)衛(wèi)星信號,就可以定出使用者所在之位置.一般的GPS都是利用接收裝置接收到4個(gè)以上衛(wèi)星信號,來定出使用者所在之位置及高度. 汽車定位及汽車導(dǎo)航技術(shù)所構(gòu)建之汽車導(dǎo)航系統(tǒng),依據(jù)功能可分為下列幾個(gè)系統(tǒng),其架構(gòu)圖如下. 圖1 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)圖 在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中有一子系統(tǒng)稱之為地圖資料庫,在地圖資料庫中所存放的資料為GIS[3~5](Geographical Information System理資訊系統(tǒng)).依據(jù)美國國家地理資訊及分析中心(National Center for Ge

4、ographic Information and System,NCGIA)的定義,"GIS 是一種用來處理 地理資料的資訊系統(tǒng)",其地理資訊系統(tǒng)包含地理資訊及資訊系統(tǒng)兩部分:1.地理資訊,地表上各種自然,人為的現(xiàn)象,皆可視為一種地理資料.而地理學(xué)乃是研究地球表面上,各種自然與人文實(shí)體,現(xiàn)象及活動之位置及分布,與它們之間的關(guān)系和對人類之影響的學(xué)問;2.資訊系統(tǒng)部分則依據(jù)NCGIA對資訊系統(tǒng)的定義,"是一系列作用於原始資料產(chǎn)生資訊,用於輔助決策訂定的過程". GIS如應(yīng)用在汽車安定團(tuán)結(jié)中稱之為E-Map(電子地圖)[6],有三種技術(shù)應(yīng)用在E-Map:影像式地圖,向量式地圖及鳥瞰式地圖.其中影像

5、式地圖有最清晰及詳細(xì)之圖像,但其缺點(diǎn)為需占用多達(dá)250MB記憶容量,向量式地圖及鳥瞰式地圖僅需占約20MB記憶容量,因此需要一個(gè)大容量的儲存媒體儲存資料.所以儲存媒體對汽車安定團(tuán)結(jié)有如大腦一般的重要,如何提供一個(gè)穩(wěn)定性強(qiáng)又安全的儲存媒體是本論文所探討的. 由於汽車安定團(tuán)結(jié)是將導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備安裝於汽車內(nèi)部,因此汽車行駛於道路上所引起的振動和沖擊,也將影響到汽車安定團(tuán)結(jié)設(shè)備.汽車是一個(gè)不斷的移動的物體,必須不斷的去讀取儲存媒體內(nèi)的電子地圖資料,以更新現(xiàn)在的圖資.目前汽車導(dǎo) 航系統(tǒng)所使用的儲存媒體有硬式磁碟機(jī),光碟機(jī)二種,而記憶卡將會是新一代儲存媒體主流.故本論文也將記憶卡也列入此次研究范圍內(nèi).由於

6、一個(gè)抗 振動耐沖擊的儲存媒體是導(dǎo)航系統(tǒng)重要的元件.因此如何選擇一個(gè)可靠的汽車安定團(tuán)結(jié)儲存設(shè)備是本論文要探討的. 2. 儲存媒體之介紹 以下就各儲存儲存媒體特性及架構(gòu)詳述如下. 2.1 硬式磁碟機(jī) 硬式磁碟機(jī)是一個(gè)可提供讀寫的記憶儲存裝置,用以存取資料,安置資料檔案,并有效的操作各種程式及資料檔案.硬式磁碟機(jī)由密封容器以一轉(zhuǎn)軸為中心的若干片磁碟(圓盤)組成,每個(gè)磁碟的面都有一個(gè)用於讀寫資料的磁頭. 硬式磁碟機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為四大主件,磁盤(Platters),磁頭(Recording Head),驅(qū)動馬達(dá)(Driver Motor),電子電路板(Electronics Board)

7、.其讀取資料方式,是利用磁頭在一片高速旋轉(zhuǎn)的碟片上,快速來回移動來讀寫資料.但此方式不適合在有振動或沖擊的環(huán)境工作,因振動或沖擊會使磁頭踫撞碟片導(dǎo)致資料的損壞. 2.2 光碟機(jī) 光碟機(jī)(Compact Disk Driver)系利用直徑於一微米的雷射光點(diǎn)用以記錄與讀取資料之設(shè)備.由於雷射光在記錄與讀取光碟片資料時(shí),不會對光碟片造成磨損傷害,資料保存時(shí)間較軟,硬式磁碟片長,且具有容量大(高記錄密度),壽命長,體積小,攜帶方便,成本低,可任意抽換,且讀取時(shí)不受表面灰塵影響等優(yōu)點(diǎn),使用范圍相當(dāng)廣泛,可記錄和讀取文字,圖形,影像,聲音視訊及動畫等資料.但其讀取資料方式,仍是利用光學(xué)頭在一片高速

8、旋轉(zhuǎn)的光碟片上來回移動方式讀取.此方式同樣不適合在有振動或沖擊的環(huán)境工作,因振動或沖擊會導(dǎo)致光學(xué)頭移位或光碟片跳動進(jìn)而影響光學(xué)頭讀取資料的功能. 2.3 記憶卡 記憶卡上的記憶體為Flash memory,Flash Memory( 快閃記憶體 )的物理結(jié)構(gòu)特色,在於一般MOS 的閘極和通道的間隔為氧化層絕緣 ( gate oxide ),但快閃記憶體在控制閘與通道間多了一層物質(zhì),謂之浮閘 ( Floating gate ),利用浮閘注入或移去負(fù)電子,來達(dá)成位元的寫入或抹除等基本操作,因此即便不提供電源給記憶體,也能透過浮閘,保存資料的完整性.因此記憶卡讀寫資料方式,不是利用機(jī)械移動的

9、方式而是利用電子電位差的方式,所以記憶卡比硬式磁碟機(jī)或光碟機(jī)更具耐振動和耐沖擊的能力. 上述已對各儲存媒體的資料讀取方式概略敘 述.因?yàn)楦鲀Υ婷襟w架構(gòu)的不同,對工作環(huán)境要求各有不同.現(xiàn)比較各儲存媒體使用環(huán)境規(guī)格: 硬式磁碟機(jī) Operating Vibration : 9.8 m/s2 (1.0g) 5~500 Hz Operation Shock : 147 m/s2(15g) 光碟機(jī) Operating Vibration : 1.96 m/s2 (0.2g) 5~500 Hz Operation Shock : 49 m/s2(5g) 記憶卡 Operating V

10、ibration :15g Operation Shock : 50g 每一種儲存媒體都有其環(huán)境使用限制,目前業(yè)界使用在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的儲存裝置,一般都是采用筆記本型電腦上所使用之規(guī)格,然後就這些裝置是否適用於汽車上仍是值得探討的問題. 下一節(jié)將對以上三種儲存媒體,依據(jù)CNS (中國國家標(biāo)準(zhǔn))汽車用電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)通則實(shí)驗(yàn),以檢驗(yàn)此三種儲存媒體是否可穩(wěn)定的在汽車中使用. 3. 大量儲存媒體於車用不穩(wěn)定環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)是測試各儲存媒體在模擬之汽車使用環(huán)境是否能穩(wěn)定的工作.我們將各儲存媒體安裝在 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi),并不斷執(zhí)行至儲存媒體資料讀取的功能.將此系統(tǒng)放置在振動試驗(yàn)機(jī)及沖

11、擊試驗(yàn)機(jī)上,執(zhí)行各種模擬汽車環(huán)境的試驗(yàn),并監(jiān)看其功能是否正常.圖2表示各儲存媒體安裝在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)的配置圖. 圖2 各儲存媒體在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的配置 由於此篇論文是討論各儲存媒體使用在汽車的穩(wěn)定性,因此我們依照CNS對汽車用電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)之檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),訂定出本次實(shí)驗(yàn)的測試條件. 3.1 振動試驗(yàn) 振動試驗(yàn)是模擬儲存媒體在使用階段中所遭受的各種振動環(huán)境影響,用以鑒定儲存媒體是否能忍受環(huán)境振動的能力. CNS中之車種分為以下4類: 第1類 : 主要為轎車系. 第2類 : 主要為客車系. 第3類 : 主要為貨車系. 第4類 : 主要為二輪車系. 電子設(shè)備在車輛上之安裝

12、位置分為4種: A種:安裝在懸吊系統(tǒng)避震彈簧上方車身構(gòu)造部,而振動量較小位置. B種:安裝在懸吊系統(tǒng)避震彈簧上方車身構(gòu)造部,而振動量較大位置. C種:安裝引擎構(gòu)造部,而振動量較小位置. D種:安裝在懸吊系統(tǒng)避震彈簧下方底盤構(gòu)造部或引擎構(gòu)造部,而振動量較大位置. 由於汽車導(dǎo)航系統(tǒng)大都安裝在駕駛艙室內(nèi),因此本實(shí)驗(yàn)將采第1類A種為其安裝條件. 汽車行駛於道路上,因路況不同所引起的振動頻率也不同.且長時(shí)間的行駛造成汽車導(dǎo)航系統(tǒng)長時(shí)間處於振動的環(huán)境中.為了解這些振動環(huán)境是否會造成汽車導(dǎo)航系統(tǒng)無法正常工作本實(shí)驗(yàn)?zāi)艘罁?jù)CNS車輛零組件正弦振動試驗(yàn)法;總號7137;類號D3067,本論文將

13、討論其掃描振動頻率試驗(yàn)及固定頻率振動耐久試驗(yàn)兩項(xiàng). 本實(shí)驗(yàn)振動試驗(yàn)機(jī)采用電磁式高頻振動試驗(yàn)機(jī),如圖3所示: 圖3 電磁式高頻振動試驗(yàn)機(jī) 3.1.1振動掃描試驗(yàn) 由於路況的不同所造成振動頻率也不同,參照表1選擇掃描頻率范圍,并參考表2選擇試驗(yàn)階段及振動加速度,并且在試驗(yàn)過程中,執(zhí)行功能測 試以確認(rèn)功能是否正常. 表1 掃描頻率范圍 表1中頻率范圍指下限 (起始) 頻率掃描至 所指定上限頻率之范圍.掃描周期指從下限頻率掃描至上限頻率再回到下限頻率所需時(shí)間,而掃描方式采用對數(shù)掃描.全振幅指振動波形之峰值與峰值高度差.正弦波振動加速度a與全振幅A關(guān)系為; a=2π2 f 2 A

14、 10-3 f: 頻率(Hz) A: 全振幅(㎜) 因此振動加速度會隨頻率而改變 . 表2 振動加速度試驗(yàn)階段區(qū)分 表2中第1類,第2類,第3類,第4類即 指CNS對車種的分類,而A,B,C,D指電子設(shè) 備安裝的4種位置. 因光碟機(jī)與硬式磁碟機(jī)對振動頻率范圍的要 求為5~500 Hz,因此參考表1,選擇頻率范圍為5~400Hz為其掃描頻率范圍.此外由於我們已選定汽車導(dǎo)航系統(tǒng)安裝條件,車種為第1類;安裝位置為第A種,此種說明儲存裝置是安裝在懸吊系統(tǒng)避震彈簧上方車身構(gòu)造部,而振動量較小位置.并依據(jù)表2所規(guī)定,因此選擇振動加速度0.5 g / 1 g / 2 g /3

15、 g為其測試條件. 綜合掃描頻率范圍及振動加速度值,訂定出振動頻率掃描的測試條件.本實(shí)驗(yàn)將對不同儲存媒體做水平(X軸向),前後(Y軸向),垂直(Z軸向)三個(gè)軸向振動掃描,依序?qū)嵤┱艺駝釉囼?yàn),以檢測各儲存媒體性能.因此本振動掃描頻率實(shí)驗(yàn)條件如下: 振動波形 :正弦波 振動頻率 :5 ~ 400 Hz 振動加速度:0.5 g / 1 g / 2 g /3 g 最大位移 :40 mm 頻率循環(huán) :1 oct /min 振動軸向 :X,Y,Z 軸 測試時(shí)間 :每軸向10分鐘 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.由實(shí)驗(yàn)得知光碟機(jī)在振動加速度為2g時(shí)在Z軸向,及振動加速度為3g 時(shí)在X,Y,

16、Z 三軸向,會發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象. 表3光碟機(jī)掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果 軸向 振動加速度 X Y Z 0.5g 正常 正常 正常 1g 正常 正常 正常 2g 正常 正常 無法讀取資料 3g 無法讀取資料 無法讀取資料 無法讀取資料 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4.由實(shí)驗(yàn)得知硬式磁碟機(jī)在振動加速度為3g 時(shí)在Z 軸向,會發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象. 表4硬式磁碟機(jī)掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果 軸向 振動加速度 X Y Z 0.5g 正常 正常 正常 1g 正常 正常 正常 2g 正常 正常 正常 3g 正常 正常 無法讀取資料 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5.由實(shí)驗(yàn)得知記憶卡在此

17、項(xiàng)實(shí)驗(yàn)無發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象. 表5記憶卡掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果 軸向 振動加速度 X Y Z 0.5g 正常 正常 正常 1g 正常 正常 正常 2g 正常 正常 正常 3g 正常 正常 正常 3.1.2 振動耐久試驗(yàn) 依據(jù)表6 振動耐久試驗(yàn)條件及表.2振動加速度試驗(yàn)階段區(qū)分,訂定出振動頻率33Hz及振動加速度 3g,為振動耐久試驗(yàn)條件. 表6 振動耐久試驗(yàn)條件 表6中頻率指執(zhí)行實(shí)驗(yàn)時(shí)之振動頻率.試驗(yàn)時(shí)間指振動耐久實(shí)驗(yàn)對X,Y,Z各軸向所執(zhí)行測試時(shí)間.振動耐久實(shí)驗(yàn)條件如下: 振動波形 :正弦波 振動頻率 :33 Hz 振動加速度:3 g 振動軸向 :X,

18、Y,Z 軸 測試時(shí)間 :X,Y軸向2 小時(shí) Z 軸向4 小時(shí) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7.由實(shí)驗(yàn)得知光碟機(jī)Z軸發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象.硬式磁碟機(jī)也同樣在Z軸發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象.記憶卡則無發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象. 表7振動耐久實(shí)驗(yàn)結(jié)果 軸向 儲存媒體 X Y Z 光碟機(jī) 正常 正常 無法讀 取資料 硬式磁碟機(jī) 正常 正常 無法讀 取資料 記憶卡 正常 正常 正常 3.2 沖擊試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)主要在於測試儲存媒體受到環(huán)境突然的外力撞擊,如汽車沖撞坑洞的突波,對儲存媒體結(jié)構(gòu)造成的破壞情形. CNS小型電機(jī)及裝置之沖擊試驗(yàn)法總號5311類號D3072,是針對訂定汽車沖擊試

19、驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),本實(shí)驗(yàn)將依循CNS小型電機(jī)及裝置之沖擊試驗(yàn)法的測試條件. 本實(shí)驗(yàn)沖擊試驗(yàn)機(jī)則采用重力式高頻沖擊試驗(yàn)機(jī),如圖4所示: 圖4 重力式高頻沖擊試驗(yàn)機(jī) CNS小型電機(jī)及裝置之沖擊試驗(yàn)法總號5311類號D3072中對沖擊程度共分為14種如表8所示: 表8 沖擊程度表 表8中加速度峰值指沖擊的半正弦波的峰值,而沖擊脈沖作用時(shí)間指半正弦波之波寬.然而表8中并無明確訂定出汽車導(dǎo)航設(shè)備使用的沖擊程度,所以本實(shí)驗(yàn)再參考IEC 68-2-27 Test Ea 沖擊規(guī)定,加速度峰值30g適用於固定或固裝運(yùn)輸於 一般陸上車輛,鐵路車輛及運(yùn)輸航空機(jī)上者.加速度峰值50g適用於固定或固裝運(yùn)輸於行駛不

20、平地面之一般陸上車輛,鐵路車輛.而訂定沖擊實(shí)驗(yàn)條件有如下二種: 沖擊試驗(yàn)(一) 速 度:30g 動作時(shí)間:18ms 沖擊波形:半弦波 沖擊次數(shù):每軸向3次 沖擊軸向:+X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z 沖擊試驗(yàn)(二) 速 度:50g 動作時(shí)間:11ms 沖擊波形:半弦波 沖擊次數(shù):每軸向3次 沖擊軸向:+X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z 在光碟機(jī)沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,沖擊試驗(yàn)(一) 之+X,-X,+Y,-Y軸向沖擊測試正常,但+Z,-Z 軸向沖擊測試時(shí),則無法讀取資料.沖擊試驗(yàn)(二) 中光碟機(jī)第一次+X軸向沖擊測試,造成光碟機(jī)實(shí) 體損壞.

21、因此後續(xù)各軸向沖擊測試無法進(jìn)行. 在硬式磁碟機(jī)沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,沖擊試驗(yàn) (一)之各軸向沖擊測試都正常.沖擊試驗(yàn)(二) 中各軸向沖擊測試都正常. 而在記憶卡沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,沖擊試驗(yàn)(一) 之各軸向沖擊測試都正常.沖擊試驗(yàn)(二)中各軸 向沖擊測試都正常. 3.3 實(shí)驗(yàn)討論 由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得知,光碟機(jī)和硬式磁碟機(jī)資 料讀寫的方式都是以馬達(dá)驅(qū)動磁片,再經(jīng)由讀寫頭 在磁片上方快速移動讀寫資料,因此振動及沖擊對 這種機(jī)械架構(gòu)影響最大,尤其以垂直影響最為嚴(yán) 重.記憶卡讀寫方式與前二項(xiàng)截然不同,它不是利 用機(jī)械方式讀寫而是利用記憶體內(nèi)電子移動來讀 寫資料,因此不受振動及沖擊的

22、影響. 4. 結(jié)論 汽車導(dǎo)航系統(tǒng)提供駕駛?cè)寺窂綄?dǎo)引,協(xié)助駕 駛?cè)烁焖?更有效的到達(dá)目的地.而電子地圖的 精確及詳實(shí)性決定汽車導(dǎo)航系統(tǒng)提供資訊的準(zhǔn)確 性.電子地圖是一個(gè)非常龐大的路網(wǎng)資料庫,它必 須儲存在一個(gè)安全而不受環(huán)境影響的媒體內(nèi).本研 究依據(jù)CNS(中國國家標(biāo)準(zhǔn))對汽車用電子設(shè)備環(huán) 境試驗(yàn)之檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),來測試各儲存媒體對環(huán)境振動 及沖擊的忍受度.針對本實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)論,歸納 整理如下:光碟機(jī)對環(huán)境振動及沖擊的忍受度較 差,適合在汽車行駛平坦路面.硬式磁碟機(jī)對環(huán)境 振動及沖擊的忍受度較好,適合在汽車行駛不平坦 路面.記憶卡對環(huán)境振動及沖擊的忍受度最好,適 合在

23、汽車行駛起伏劇烈的路面. 參考文獻(xiàn) [1] 謝權(quán)信(2002),「智慧型e化車輛導(dǎo)航系統(tǒng)研 究」,中華大學(xué)機(jī)械與航太工程研究所論文. [2] J. G. McNeff,"The Global positioning System", IEEE Transaction on Microware Theory and Techniques, Vol. 50, No. 3, pp. 645-652, March 2002. [3] 薛文證(2000),「應(yīng)用GPS GIS於汽車衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)設(shè)計(jì)」,國立臺灣大學(xué)造船及海洋研究所論 文. [4] D. F. Coo

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