1、汽车导航系统储存装置抗震性之分析 摘要 卫星定位系统的应用当中,以汽车导航系统最被大众所接受.其主要架构是将装置在车辆上的卫星定位系统接收到全球定位资讯传送到车上电脑加以处理,将所得之座标及路径配合电子地图显示在萤幕上. 卫星定位系统需要与电子地图配合,才能建构出完整的汽车导航系统.电子地图为大量路网资料库,需要较大容量的储存媒体.然而汽车是一个随时在移动的物体,因路况的不同而造成震动,造成系统无法读取储存媒体中的电子地图之不稳定情形. 本篇 论文即在探讨汽车导航系统因震动或是瞬间的冲击,而导致系统不稳定之情况分析.并试图采用 CNS (中国国家标准)汽车用电子设备环境试验之相关振动测试实验及
2、冲击测试实验,来分析硬式磁碟机,光碟机及记忆卡等各种不同的储存媒体特性,以分析何者是汽车导航系统中最佳储存媒体. 关键词:汽车导航系统,全球卫星定位,震动,冲击,记忆卡. 1. 前言 导航系统的目的在於让驾驶人藉此系统得知现在的位置及路径的导引,到达任何想去的位置,而不致迷失方向,节省驾驶的时间.选择一台稳定性高的导航系统,是驾驶人所希望的. 目前导航系统都是利用美国空军在 1970 年所开发的卫星定位系统(GPS, Global Positioning System)2.GPS 定位系统是利用卫星基本三角定位原理,GPS 讯号接收装置以量测无线电信号的传输时间来量测距离.由每颗卫星的所在位置
3、,测量每颗卫星至接收器间距离,即可算出接收器所在位置之三维空间座标值.使用者只要利用接收装置接收到 3 个卫星信号,就可以定出使用者所在之位置.一般的 GPS 都是利用接收装置接收到 4 个以上卫星信号,来定出使用者所在之位置及高度. 汽车定位及汽车导航技术所构建之汽车导航系统,依据功能可分为下列几个系统,其架构图如下. 图 1 汽车导航系统架构图 在汽车导航系统中有一子系统称之为地图资料库,在地图资料库中所存放的资料为 GIS35(Geographical Information System 理资讯系统).依据美国国家地理资讯及分析中心(National Center for Geogra
4、phic Information and System,NCGIA)的定义,“GIS 是一种用来处理地理资料的资讯系统“,其地理资讯系统包含地理资讯及资讯系统两部分:1.地理资讯,地表上各种自然,人为的现象,皆可视为一种地理资料.而地理学乃是研究地球表面上,各种自然与人文实体,现象及活动之位置及分布,与它们之间的关系和对人类之影响的学问;2.资讯系统部分则依据 NCGIA 对资讯系统的定义,“是一系列作用於原始资料产生资讯,用於辅助决策订定的过程“. GIS 如应用在汽车安定团结中称之为 E-Map(电子地图)6,有三种技术应用在 E-Map:影像式地图,向量式地图及鸟瞰式地图.其中影像式地图
5、有最清晰及详细之图像,但其缺点为需占用多达 250MB 记忆容量,向量式地图及鸟瞰式地图仅需占约 20MB 记忆容量,因此需要一个大容量的储存媒体储存资料.所以储存媒体对汽车安定团结有如大脑一般的重要,如何提供一个稳定性强又安全的储存媒体是本论文所探讨的. 由於汽车安定团结是将导航系统设备安装於汽车内部,因此汽车行驶於道路上所引起的振动和冲击,也将影响到汽车安定团结设备.汽车是一个不断的移动的物体,必须不断的去读取储存媒体内的电子地图资料,以更新现在的图资.目前汽车导航系统所使用的储存媒体有硬式磁碟机,光碟机二种,而记忆卡将会是新一代储存媒体主流.故本论文也将记忆卡也列入此次研究范围内.由於一
6、个抗振动耐冲击的储存媒体是导航系统重要的元件.因此如何选择一个可靠的汽车安定团结储存设备是本论文要探讨的. 2. 储存媒体之介绍 以下就各储存储存媒体特性及架构详述如下. 2.1 硬式磁碟机 硬式磁碟机是一个可提供读写的记忆储存装置,用以存取资料,安置资料档案,并有效的操作各种程式及资料档案.硬式磁碟机由密封容器以一转轴为中心的若干片磁碟(圆盘)组成,每个磁碟的面都有一个用於读写资料的磁头. 硬式磁碟机的结构可分为四大主件,磁盘(Platters),磁头(Recording Head),驱动马达(Driver Motor),电子电路板(Electronics Board).其读取资料方式,是利
7、用磁头在一片高速旋转的碟片上,快速来回移动来读写资料.但此方式不适合在有振动或冲击的环境工作,因振动或冲击会使磁头踫撞碟片导致资料的损坏. 2.2 光碟机 光碟机(Compact Disk Driver)系利用直径於一微米的雷射光点用以记录与读取资料之设备.由於雷射光在记录与读取光碟片资料时,不会对光碟片造成磨损伤害,资料保存时间较软,硬式磁碟片长,且具有容量大(高记录密度),寿命长,体积小,携带方便,成本低,可任意抽换,且读取时不受表面灰尘影响等优点,使用范围相当广泛,可记录和读取文字,图形,影像,声音视讯及动画等资料.但其读取资料方式,仍是利用光学头在一片高速旋转的光碟片上来回移动方式读取
8、.此方式同样不适合在有振动或冲击的环境工作,因振动或冲击会导致光学头移位或光碟片跳动进而影响光学头读取资料的功能. 2.3 记忆卡 记忆卡上的记忆体为 Flash memory,Flash Memory( 快闪记忆体 )的物理结构特色,在於一般 MOS 的闸极和通道的间隔为氧化层绝缘 ( gate oxide ),但快闪记忆体在控制闸与通道间多了一层物质,谓之浮闸 ( Floating gate ),利用浮闸注入或移去负电子,来达成位元的写入或抹除等基本操作,因此即便不提供电源给记忆体,也能透过浮闸,保存资料的完整性.因此记忆卡读写资料方式,不是利用机械移动的方式而是利用电子电位差的方式,所以
9、记忆卡比硬式磁碟机或光碟机更具耐振动和耐冲击的能力. 上述已对各储存媒体的资料读取方式概略叙述.因为各储存媒体架构的不同,对工作环境要求各有不同.现比较各储存媒体使用环境规格: 硬式磁碟机 Operating Vibration : 9.8 m/s2 (1.0g) 5500 Hz Operation Shock : 147 m/s2(15g) 光碟机 Operating Vibration : 1.96 m/s2 (0.2g) 5500 Hz Operation Shock : 49 m/s2(5g) 记忆卡 Operating Vibration :15g Operation Shock :
10、 50g 每一种储存媒体都有其环境使用限制,目前业界使用在汽车导航系统中的储存装置,一般都是采用笔记本型电脑上所使用之规格,然後就这些装置是否适用於汽车上仍是值得探讨的问题. 下一节将对以上三种储存媒体,依据 CNS (中国国家标准)汽车用电子设备环境试验通则实验,以检验此三种储存媒体是否可稳定的在汽车中使用. 3. 大量储存媒体於车用不稳定环境实验结果 本实验是测试各储存媒体在模拟之汽车使用环境是否能稳定的工作.我们将各储存媒体安装在汽车导航系统机箱内,并不断执行至储存媒体资料读取的功能.将此系统放置在振动试验机及冲击试验机上,执行各种模拟汽车环境的试验,并监看其功能是否正常.图 2 表示各
11、储存媒体安装在汽车导航系统内的配置图. 图 2 各储存媒体在汽车导航系统的配置 由於此篇论文是讨论各储存媒体使用在汽车的稳定性,因此我们依照 CNS 对汽车用电子设备环境试验之检验标准,订定出本次实验的测试条件. 3.1 振动试验 振动试验是模拟储存媒体在使用阶段中所遭受的各种振动环境影响,用以鉴定储存媒体是否能忍受环境振动的能力. CNS 中之车种分为以下 4 类: 第 1 类 : 主要为轿车系. 第 2 类 : 主要为客车系. 第 3 类 : 主要为货车系. 第 4 类 : 主要为二轮车系. 电子设备在车辆上之安装位置分为 4 种: A 种:安装在悬吊系统避震弹簧上方车身构造部,而振动量较
12、小位置. B 种:安装在悬吊系统避震弹簧上方车身构造部,而振动量较大位置. C 种:安装引擎构造部,而振动量较小位置. D 种:安装在悬吊系统避震弹簧下方底盘构造部或引擎构造部,而振动量较大位置. 由於汽车导航系统大都安装在驾驶舱室内,因此本实验将采第 1 类 A 种为其安装条件. 汽车行驶於道路上,因路况不同所引起的振动频率也不同.且长时间的行驶造成汽车导航系统长时间处於振动的环境中.为了解这些振动环境是否会造成汽车导航系统无法正常工作本实验乃依据 CNS 车辆零组件正弦振动试验法;总号7137;类号 D3067,本论文将讨论其扫描振动频率试验及固定频率振动耐久试验两项. 本实验振动试验机采
13、用电磁式高频振动试验机,如图 3 所示: 图 3 电磁式高频振动试验机 3.1.1 振动扫描试验 由於路况的不同所造成振动频率也不同,参照表 1 选择扫描频率范围,并参考表2 选择试验阶段及振动加速度,并且在试验过程中,执行功能测试以确认功能是否正常. 表 1 扫描频率范围 表 1 中频率范围指下限 (起始) 频率扫描至所指定上限频率之范围.扫描周期指从下限频率扫描至上限频率再回到下限频率所需时间,而扫描方式采用对数扫描.全振幅指振动波形之峰值与峰值高度差.正弦波振动加速度 a 与全振幅 A 关系为; a=22 f 2 A 10-3 f: 频率(Hz) A: 全振幅() 因此振动加速度会随频率
14、而改变 . 表 2 振动加速度试验阶段区分 表 2 中第 1 类,第 2 类,第 3 类,第 4 类即指 CNS 对车种的分类,而 A,B,C,D 指电子设备安装的 4 种位置. 因光碟机与硬式磁碟机对振动频率范围的要求为 5500 Hz,因此参考表 1,选择频率范围为 5400Hz 为其扫描频率范围.此外由於我们已选定汽车导航系统安装条件,车种为第 1 类;安装位置为第 A 种,此种说明储存装置是安装在悬吊系统避震弹簧上方车身构造部,而振动量较小位置.并依据表 2 所规定,因此选择振动加速度 0.5 g / 1 g / 2 g /3 g 为其测试条件. 综合扫描频率范围及振动加速度值,订定出
15、振动频率扫描的测试条件.本实验将对不同储存媒体做水平(X 轴向),前後(Y 轴向),垂直(Z 轴向)三个轴向振动扫描,依序实施正弦振动试验,以检测各储存媒体性能.因此本振动扫描频率实验条件如下: 振动波形 :正弦波 振动频率 :5 400 Hz 振动加速度:0.5 g / 1 g / 2 g /3 g 最大位移 :40 mm 频率循环 :1 oct /min 振动轴向 :X,Y,Z 轴 测试时间 :每轴向 10 分钟 实验结果如表 3.由实验得知光碟机在振动加速度为 2g 时在 Z 轴向,及振动加速度为 3g 时在 X,Y,Z 三轴向,会发生无法读取资料现象. 表 3 光碟机扫描实验结果 轴向
16、 振动加速度 X Y Z 0.5g 正常 正常 正常 1g 正常 正常 正常 2g 正常 正常 无法读取资料3g 无法读取资料 无法读取资料 无法读取资料实验结果如表 4.由实验得知硬式磁碟机在振动加速度为 3g 时在 Z 轴向,会发生无法读取资料现象. 表 4 硬式磁碟机扫描实验结果 轴向 振动加速度 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 无法读取资料实验结果如表 5.由实验得知记忆卡在此项实验无发生不稳定现象. 表 5 记忆卡扫描实验结果 轴向振动加速度 X Y Z 0.5g 正常 正常 正常1g 正常 正常 正常2g 正
17、常 正常 正常3g 正常 正常 正常3.1.2 振动耐久试验 依据表 6 振动耐久试验条件及表.2 振动加速度试验阶段区分,订定出振动频率33Hz 及振动加速度 3g,为振动耐久试验条件. 表 6 振动耐久试验条件 表 6 中频率指执行实验时之振动频率.试验时间指振动耐久实验对 X,Y,Z 各轴向所执行测试时间.振动耐久实验条件如下: 振动波形 :正弦波 振动频率 :33 Hz 振动加速度:3 g 振动轴向 :X,Y,Z 轴 测试时间 :X,Y 轴向 2 小时 Z 轴向 4 小时 实验结果如表 7.由实验得知光碟机 Z 轴发生无法读取资料现象.硬式磁碟机也同样在 Z 轴发生无法读取资料现象.记
18、忆卡则无发生不稳定现象. 表 7 振动耐久实验结果 轴向储存媒体 X Y Z 光碟机 正常 正常 无法读取资料硬式磁碟机 正常 正常 无法读取资料记忆卡 正常 正常 正常3.2 冲击试验 冲击试验主要在於测试储存媒体受到环境突然的外力撞击,如汽车冲撞坑洞的突波,对储存媒体结构造成的破坏情形. CNS 小型电机及装置之冲击试验法总号5311 类号 D3072,是针对订定汽车冲击试验的标准,本实验将依循 CNS 小型电机及装置之冲击试验法的测试条件. 本实验冲击试验机则采用重力式高频冲击试验机,如图 4 所示: 图 4 重力式高频冲击试验机 CNS 小型电机及装置之冲击试验法总号 5311 类号D
19、3072 中对冲击程度共分为 14 种如表 8 所示: 表 8 冲击程度表 表 8 中加速度峰值指冲击的半正弦波的峰值,而冲击脉冲作用时间指半正弦波之波宽.然而表 8 中并无明确订定出汽车导航设备使用的冲击程度,所以本实验再参考 IEC 68-2-27 Test Ea 冲击规定,加速度峰值 30g 适用於固定或固装运输於一般陆上车辆,铁路车辆及运输航空机上者.加速度峰值 50g 适用於固定或固装运输於行驶不平地面之一般陆上车辆,铁路车辆.而订定冲击实验条件有如下二种: 冲击试验(一) 速 度:30g 动作时间:18ms 冲击波形:半弦波 冲击次数:每轴向 3 次 冲击轴向:+X,-X,+Y,-
20、Y,+Z,-Z 冲击试验(二) 速 度:50g 动作时间:11ms 冲击波形:半弦波 冲击次数:每轴向 3 次 冲击轴向:+X,-X,+Y,-Y,+Z,-Z 在光碟机冲击实验结果中,冲击试验(一)之+X,-X,+Y,-Y 轴向冲击测试正常,但+Z,-Z 轴向冲击测试时,则无法读取资料.冲击试验(二)中光碟机第一次+X 轴向冲击测试,造成光碟机实体损坏.因此後续各轴向冲击测试无法进行. 在硬式磁碟机冲击实验结果中,冲击试验(一)之各轴向冲击测试都正常.冲击试验(二)中各轴向冲击测试都正常. 而在记忆卡冲击实验结果中,冲击试验(一)之各轴向冲击测试都正常.冲击试验(二)中各轴向冲击测试都正常. 3
21、.3 实验讨论 由实验的结果得知,光碟机和硬式磁碟机资料读写的方式都是以马达驱动磁片,再经由读写头在磁片上方快速移动读写资料,因此振动及冲击对这种机械架构影响最大,尤其以垂直影响最为严重.记忆卡读写方式与前二项截然不同,它不是利用机械方式读写而是利用记忆体内电子移动来读写资料,因此不受振动及冲击的影响. 4. 结论 汽车导航系统提供驾驶人路径导引,协助驾驶人更快速,更有效的到达目的地.而电子地图的精确及详实性决定汽车导航系统提供资讯的准确性.电子地图是一个非常庞大的路网资料库,它必须储存在一个安全而不受环境影响的媒体内.本研究依据 CNS(中国国家标准)对汽车用电子设备环境试验之检验标准,来测
22、试各储存媒体对环境振动及冲击的忍受度.针对本实验所获得的结论,归纳整理如下:光碟机对环境振动及冲击的忍受度较差,适合在汽车行驶平坦路面.硬式磁碟机对环境振动及冲击的忍受度较好,适合在汽车行驶不平坦路面.记忆卡对环境振动及冲击的忍受度最好,适合在汽车行驶起伏剧烈的路面. 参考文献 1 谢权信(2002),智慧型 e 化车辆导航系统研究,中华大学机械与航太工程研究所论文. 2 J. G. McNeff,“The Global positioning System“, IEEE Transaction on Microware Theory and Techniques, Vol. 50, No.
23、3, pp. 645-652, March 2002. 3 薛文证(2000),应用 GPS GIS 於汽车卫星导航系统设计,国立台湾大学造船及海洋研究所论文. 4 D. F. Cooke,“Vehicle Navigation Appliance“, Proceedings on Digital Representations of Spatial Knowledge, AUTO CARTO 7, Washington, DC. 1985. 5 C. B. Harris,“Digital Map Dependent Function of Automatic Vehicle Location System“, IEEE PLANS, pp. 552561,1988. 6 G. Derekenaris, J. Garofalakis, C, Makris, J. Prentzas, S. Sioutas, & A. Tsakalidis, “Integrating GIS, GPS and GSM technologies for the effective management of ambulances“, Computer, Environment and Urban System, Vol. 25, pp. 267-278, 2000.
