高精度三維道路電子地圖的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

黃玲+祖玉川

摘要：隨著道路坡度和曲率的作用逐漸被認(rèn)識(shí)，道路坡度、曲率引入導(dǎo)航地圖，成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的重要途徑，也是未來(lái)導(dǎo)航地圖的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文采用慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行道路軌跡點(diǎn)采集，使用道路軌跡點(diǎn)計(jì)算出每一個(gè)軌跡點(diǎn)上的坡度與曲率，通過(guò)與現(xiàn)有導(dǎo)航地圖道路數(shù)據(jù)對(duì)比，為對(duì)應(yīng)的道路賦上坡度與曲率屬性。結(jié)果表明，本文的方法具有可行性，為ADAS導(dǎo)航應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了地圖基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：坡度；曲率；先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)

1.前言：近年來(lái)，道路坡度、曲率在汽車(chē)導(dǎo)航中的作用逐漸被認(rèn)識(shí)，它在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中具有廣闊的應(yīng)用前景，如上下坡油耗量輔助系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用高精度坡度數(shù)據(jù)來(lái)減少耗油量；彎道速度提醒輔助駕駛，根據(jù)彎道的曲率計(jì)算出最大行駛速度，提醒駕駛?cè)俗⒁饪刂栖?chē)速。其中慣性導(dǎo)航是通過(guò)陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量載體的角速率和加速度信息，經(jīng)積分運(yùn)算得到載體的速度和位置信息。

2.高精度導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)規(guī)格

2.1.坡度：根據(jù)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計(jì)算出的坡度，將導(dǎo)航地圖中對(duì)應(yīng)道路分成上坡、平路、下坡三種，平路不作處理，上坡與下坡路段分別為其添加起始點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)以及平均坡度五個(gè)屬性。

2.2.曲率：根據(jù)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計(jì)算出的曲率，將導(dǎo)航地圖中對(duì)應(yīng)道路曲率絕對(duì)值大于閾值的路段提取出來(lái)，為該路段添加起始點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)以及平均曲率五個(gè)屬性。

3.高精度導(dǎo)航地圖制作流程

3.1.慣導(dǎo)數(shù)據(jù)冗佘點(diǎn)剔除

慣導(dǎo)系統(tǒng)每1s進(jìn)行自動(dòng)采樣，由于采樣車(chē)停留或行駛緩慢，導(dǎo)致短距離內(nèi)采樣點(diǎn)過(guò)多，不僅增加了數(shù)據(jù)量，也對(duì)后續(xù)坡度計(jì)算等造成影響，因此需要剔除原始數(shù)據(jù)的冗余點(diǎn)。

3.2.參數(shù)計(jì)算

3.2.1.坡度

1）采用臨近坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算。假設(shè)汽車(chē)兩臨近點(diǎn)的連線(xiàn)與路面平行，則可通過(guò)兩點(diǎn)坐標(biāo)的俯仰角度求算出道路坡度。將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為公里網(wǎng)下的值，分別記為X、Y，高程記為Z，則

2）通過(guò)采點(diǎn)瞬時(shí)速度計(jì)算。假設(shè)汽車(chē)的三維速度分量是由汽車(chē)瞬時(shí)速度得到，且汽車(chē)朝向是沿著路面直線(xiàn)向前，則其垂向速度與水平速度的夾角可認(rèn)為是道路坡度。

設(shè)汽車(chē)朝北、朝東、朝上的三維速度分量分別記為Vn、Ve和Vu，則Slope=ATAN（Vu/SQRT（Vn²+Ve²））

3.2.2.曲率。通過(guò)擬合圓求算曲率，將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為公里網(wǎng)坐標(biāo)；根據(jù)三點(diǎn)或多點(diǎn)擬合圓得到圓心坐標(biāo)；求算圓心與任一點(diǎn)的距離，視為半徑，如采用多點(diǎn)法，則需求算平均半徑；將半徑的倒數(shù)值記為曲率；曲率正負(fù)值根據(jù)航向變化來(lái)確定，一般情況下，航向值增加時(shí)，曲率為負(fù)值；航向值減少時(shí)，曲率為正值，當(dāng)航向從359向0變化時(shí)，正負(fù)值取值相反。

3.3.異常點(diǎn)平滑

3.3.1.坡度。通過(guò)前后點(diǎn)的坡度值做差對(duì)比坡度變化，對(duì)于變化值超過(guò)某一閾值的點(diǎn)進(jìn)行判斷，應(yīng)用多次軌跡經(jīng)過(guò)同一位置時(shí)的坡度對(duì)比，以及街景確認(rèn)。

3.3.2.曲率。通過(guò)前后點(diǎn)曲率變化值進(jìn)行判斷，對(duì)于變化值超過(guò)2°的點(diǎn)進(jìn)行判斷，根據(jù)道路實(shí)際形態(tài)與曲率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系確認(rèn)其是否為異常點(diǎn)。

1）道路漂移引起的異常，直接刪除異常點(diǎn)；

2）非道路漂移異常點(diǎn)，將臨近軌跡點(diǎn)曲率的均值作為其參數(shù)值。

4.結(jié)果評(píng)估

4.1.坡度數(shù)據(jù)評(píng)估：對(duì)佛山市興華路100米路段內(nèi)三次西行軌跡進(jìn)行處理（圖1）（編號(hào)分布：182619-1826.38，184596-184609，185221-185237），通過(guò)臨近點(diǎn)的坡度值及相鄰距離計(jì)算出相對(duì)高程，其結(jié)果展示圖2所示（高程大小僅供參考）。

4.2.曲率數(shù)據(jù)評(píng)估：對(duì)佛山市建業(yè)路西行左拐至碧桂公路（179062-179076）和采樣車(chē)在此掉頭（181922-181944）的兩段數(shù)據(jù)（圖3為軌跡點(diǎn)示意圖），認(rèn)為采樣車(chē)在拐彎階段（179066-179071）及掉頭階段（181926-181936），其曲率值均存在合理的變化，因此，曲率的大小能夠反應(yīng)采樣車(chē)的行車(chē)狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)：坡度和曲率作為道路的真實(shí)屬性，在傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖中沒(méi)有得以表達(dá)，隨著車(chē)載導(dǎo)航在汽車(chē)主動(dòng)安全和輔助駕駛方向的發(fā)展，坡度和曲率顯得越來(lái)越重要。本文研究了利用慣導(dǎo)軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算坡度、曲率，通過(guò)對(duì)導(dǎo)航地圖中對(duì)應(yīng)道路進(jìn)行分段添加屬性的方法制作高精度導(dǎo)航地圖，其對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的影響程度還需要進(jìn)一步試驗(yàn)。endprint