汽車導航系統(tǒng)儲存裝置抗震性之分析.doc

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1、汽車導航系統(tǒng)儲存裝置抗震性之分析 摘要 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應用當中,以汽車導航系統(tǒng)最被大眾所接受.其主要架構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,將所得之座標及路徑配合電子地圖顯示在螢幕上. 衛(wèi)星定位系統(tǒng)需要與電子地圖配合,才能建構出完整的汽車導航系統(tǒng).電子地圖為大量路網資料庫,需要較大容量的儲存媒體.然而汽車是一個隨時在移動的物體,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航系統(tǒng)因震動或是瞬間的沖擊,而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定之情況分析.并試圖采用CNS (中國國家標準)汽車用電子設備環(huán)境試驗之相關振動測

2、試實驗及沖擊測試實驗,來分析硬式磁碟機,光碟機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航系統(tǒng)中最佳儲存媒體. 關鍵詞:汽車導航系統(tǒng),全球衛(wèi)星定位,震動,沖擊,記憶卡. 1. 前言 導航系統(tǒng)的目的在於讓駕駛人藉此系統(tǒng)得知現(xiàn)在的位置及路徑的導引,到達任何想去的位置,而不致迷失方向,節(jié)省駕駛的時間.選擇一臺穩(wěn)定性高的導航系統(tǒng),是駕駛人所希望的. 目前導航系統(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值.使用者只要利用接收裝置接收到3個衛(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. 汽車定位及汽車導航技術所構建之汽車導航系統(tǒng),依據功能可分為下列幾個系統(tǒng),其架構圖如下. 圖1 汽車導航系統(tǒng)架構圖 在汽車導航系統(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.而地理學乃是研究地球表面上,各種自然與人文實體,現(xiàn)象及活動之位置及分布,與它們之間的關系和對人類之影響的學問;2.資訊系統(tǒng)部分則依據NCGIA對資訊系統(tǒng)的定義,"是一系列作用於原始資料產生資訊,用於輔助決策訂定的過程". GIS如應用在汽車安定團結中稱之為E-Map(電子地圖)[6],有三種技術應用在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之圖像,但其缺點為需占用多達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,因此需要一個大容量的儲存媒體儲存資料.所以儲存媒體對汽車安定團結有如大腦一般的重要,如何提供一個穩(wěn)定性強又安全的儲存媒體是本論文所探討的. 由於汽車安定團結是將導航系統(tǒng)設備安裝於汽車內部,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結設備.汽車是一個不斷的移動的物體,必須不斷的去讀取儲存媒體內的電子地圖資料,以更新現(xiàn)在的圖資.目前汽車導 航系統(tǒng)所使用的儲存媒體有硬式磁碟機,光碟機二種,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.由於

6、一個抗 振動耐沖擊的儲存媒體是導航系統(tǒng)重要的元件.因此如何選擇一個可靠的汽車安定團結儲存設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詳述如下. 2.1 硬式磁碟機 硬式磁碟機是一個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.硬式磁碟機由密封容器以一轉軸為中心的若干片磁碟(圓盤)組成,每個磁碟的面都有一個用於讀寫資料的磁頭. 硬式磁碟機的結構可分為四大主件,磁盤(Platters),磁頭(Recording Head),驅動馬達(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致資料的損壞. 2.2 光碟機 光碟機(Compact Disk Driver)系利用直徑於一微米的雷射光點用以記錄與讀取資料之設備.由於雷射光在記錄與讀取光碟片資料時,不會對光碟片造成磨損傷害,資料保存時間較軟,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,且讀取時不受表面灰塵影響等優(yōu)點,使用范圍相當廣泛,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,仍是利用光學頭在一片高速

8、旋轉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,因振動或沖擊會導致光學頭移位或光碟片跳動進而影響光學頭讀取資料的功能. 2.3 記憶卡 記憶卡上的記憶體為Flash memory,Flash Memory( 快閃記憶體 )的物理結構特色,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,謂之浮閘 ( Floating gate ),利用浮閘注入或移去負電子,來達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或光碟機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.因為各儲存媒體架構的不同,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 Operating Vibration : 9.8 m/s2 (1.0g) 5~500 Hz Operation Shock : 147 m/s2(15g) 光碟機 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CNS (中國國家標準)汽車用電子設備環(huán)境試驗通則實驗,以檢驗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)境實驗結果 本實驗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 汽車導航系統(tǒng)機箱內,并不斷執(zhí)行至儲存媒體資料讀取的功能.將此系統(tǒng)放置在振動試驗機及沖

11、擊試驗機上,執(zhí)行各種模擬汽車環(huán)境的試驗,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航系統(tǒng)內的配置圖. 圖2 各儲存媒體在汽車導航系統(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對汽車用電子設備環(huán)境試驗之檢驗標準,訂定出本次實驗的測試條件. 3.1 振動試驗 振動試驗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造部,而振動量較大位置. C種:安裝引擎構造部,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造部或引擎構造部,而振動量較大位置. 由於汽車導航系統(tǒng)大都安裝在駕駛艙室內,因此本實驗將采第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.且長時間的行駛造成汽車導航系統(tǒng)長時間處於振動的環(huán)境中.為了解這些振動環(huán)境是否會造成汽車導航系統(tǒng)無法正常工作本實驗乃依據CNS車輛零組件正弦振動試驗法;總號7137;類號D3067,本論文將

13、討論其掃描振動頻率試驗及固定頻率振動耐久試驗兩項. 本實驗振動試驗機采用電磁式高頻振動試驗機,如圖3所示: 圖3 電磁式高頻振動試驗機 3.1.1振動掃描試驗 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選擇試驗階段及振動加速度,并且在試驗過程中,執(zhí)行功能測 試以確認功能是否正常. 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 備安裝的4種位置. 因光碟機與硬式磁碟機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造部,而振動量較小位置.并依據表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.本實驗將對不同儲存媒體做水平(X軸向),前後(Y軸向),垂直(Z軸向)三個軸向振動掃描,依序實施正弦振動試驗,以檢測各儲存媒體性能.因此本振動掃描頻率實驗條件如下: 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 測試時間 :每軸向10分鐘 實驗結果如表3.由實驗得知光碟機在振動加速度為2g時在Z軸向,及振動加速度為3g 時在X,Y,

16、Z 三軸向,會發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象. 表3光碟機掃描實驗結果 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 實驗結果如表4.由實驗得知硬式磁碟機在振動加速度為3g 時在Z 軸向,會發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象. 表4硬式磁碟機掃描實驗結果 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 實驗結果如表5.由實驗得知記憶卡在此

17、項實驗無發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象. 表5記憶卡掃描實驗結果 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 依據表6 振動耐久試驗條件及表.2振動加速度試驗階段區(qū)分,訂定出振動頻率33Hz及振動加速度 3g,為振動耐久試驗條件. 表6 振動耐久試驗條件 表6中頻率指執(zhí)行實驗時之振動頻率.試驗時間指振動耐久實驗對X,Y,Z各軸向所執(zhí)行測試時間.振動耐久實驗條件如下: 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 測試時間 :X,Y軸向2 小時 Z 軸向4 小時 實驗結果如表7.由實驗得知光碟機Z軸發(fā)生無法讀取資料現(xiàn)象.硬式磁碟機也同樣在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振動耐久實驗結果 軸向 儲存媒體 X Y Z 光碟機 正常 正常 無法讀 取資料 硬式磁碟機 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 沖擊試驗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,對儲存媒體結構造成的破壞情形. CNS小型電機及裝置之沖擊試驗法總號5311類號D3072,是針對訂定汽車沖擊試

19、驗的標準,本實驗將依循CNS小型電機及裝置之沖擊試驗法的測試條件. 本實驗沖擊試驗機則采用重力式高頻沖擊試驗機,如圖4所示: 圖4 重力式高頻沖擊試驗機 CNS小型電機及裝置之沖擊試驗法總號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,而沖擊脈沖作用時間指半正弦波之波寬.然而表8中并無明確訂定出汽車導航設備使用的沖擊程度,所以本實驗再參考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輸於 一般陸上車輛,鐵路車輛及運輸航空機上者.加速度峰值50g適用於固定或固裝運輸於行駛不

20、平地面之一般陸上車輛,鐵路車輛.而訂定沖擊實驗條件有如下二種: 沖擊試驗(一) 速 度:30g 動作時間: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(二) 速 度:50g 動作時間: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 在光碟機沖擊實驗結果中,沖擊試驗(一) 之+X,-X,+Y,-Y軸向沖擊測試正常,但+Z,-Z 軸向沖擊測試時,則無法讀取資料.沖擊試驗(二) 中光碟機第一次+X軸向沖擊測試,造成光碟機實 體損壞.

21、因此後續(xù)各軸向沖擊測試無法進行. 在硬式磁碟機沖擊實驗結果中,沖擊試驗 (一)之各軸向沖擊測試都正常.沖擊試驗(二) 中各軸向沖擊測試都正常. 而在記憶卡沖擊實驗結果中,沖擊試驗(一) 之各軸向沖擊測試都正常.沖擊試驗(二)中各軸 向沖擊測試都正常. 3.3 實驗討論 由實驗的結果得知,光碟機和硬式磁碟機資 料讀寫的方式都是以馬達驅動磁片,再經由讀寫頭 在磁片上方快速移動讀寫資料,因此振動及沖擊對 這種機械架構影響最大,尤其以垂直影響最為嚴 重.記憶卡讀寫方式與前二項截然不同,它不是利 用機械方式讀寫而是利用記憶體內電子移動來讀 寫資料,因此不受振動及沖擊的

22、影響. 4. 結論 汽車導航系統(tǒng)提供駕駛人路徑導引,協(xié)助駕 駛人更快速,更有效的到達目的地.而電子地圖的 精確及詳實性決定汽車導航系統(tǒng)提供資訊的準確 性.電子地圖是一個非常龐大的路網資料庫,它必 須儲存在一個安全而不受環(huán)境影響的媒體內.本研 究依據CNS(中國國家標準)對汽車用電子設備環(huán) 境試驗之檢驗標準,來測試各儲存媒體對環(huán)境振動 及沖擊的忍受度.針對本實驗所獲得的結論,歸納 整理如下:光碟機對環(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 [1] 謝權信(2002),「智慧型e化車輛導航系統(tǒng)研 究」,中華大學機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),「應用GPS GIS於汽車衛(wèi)星導航 系統(tǒng)設計」,國立臺灣大學造船及海洋研究所論 文. [4] D. F. Coo

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