《智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論》 課件 能力模塊三 掌握高精度地圖與定位系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用方式

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論能力模塊三掌握高精度地圖與定位系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用方式任務(wù)一

了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車高精度地圖的功能及應(yīng)用導(dǎo)入高精地圖相對于普通地圖來說的，它提供了更高精度，內(nèi)容更為豐富的地圖信息，主要服務(wù)于自動駕駛。在目前的主流解決方案中，L2+、L3、L4級別的自動駕駛普遍依賴高精地圖。不同自動駕駛方案對高精地圖的依賴程度有所不同。目前L2+及以上自動駕駛方案普遍對高精地圖是有明確依賴的。作為一名智能網(wǎng)聯(lián)相關(guān)的地圖數(shù)據(jù)采集員，在某次具體任務(wù)中，主管要求你完成你了解高精度地圖功能和應(yīng)用，完成地圖繪制。新授Newteaching1目錄一、高精度地圖的基本概念二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)三、高精度地圖模型四、高精度地圖的應(yīng)用一、高精度地圖的基本概念高精度地圖（HighDefinitionMap）也稱為高分辨率地圖，是指絕對精度和相對精度均在厘米級的高分辨率的導(dǎo)航地圖。通俗來講就是精度更高和數(shù)據(jù)維更多的電子地圖；精度更高體現(xiàn)在精確到厘米級別；數(shù)據(jù)維度更多體現(xiàn)在其包括了除道路信息之外的與交通相關(guān)的周圍靜態(tài)信息。它是適合高度自動駕駛的地圖，高精度地圖要在自動駕駛環(huán)境中實(shí)現(xiàn)它的價值，高精度地圖有它特有的地圖內(nèi)容。（一）高精度地圖定義高精度地圖對于自動駕駛系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)需要提供更高精度的行駛路徑，引導(dǎo)車輛駛向目的地，需要將環(huán)境中盡可能豐富的信息提供給自動駕駛系統(tǒng)。作為存儲靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)交通信息的數(shù)據(jù)庫，為了滿足自動駕駛系統(tǒng)的導(dǎo)航、路徑規(guī)劃要求，高精度地圖需要提供更精細(xì)、精確的交通信息。一、高精度地圖的基本概念（一）高精度地圖定義傳統(tǒng)導(dǎo)航對地圖的要求傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)中，數(shù)字地圖依據(jù)起始位置、目標(biāo)位置為使用者規(guī)劃行駛路徑，輔助駕駛?cè)笋{駛。對于由駕駛?cè)藖碛^察環(huán)境并進(jìn)行控制的車輛，道路級導(dǎo)航就能滿足使用要求。因此，傳統(tǒng)的導(dǎo)航地圖通常僅需描述一些典型的道路交通特征、路口指引等道路級的導(dǎo)航信息，導(dǎo)航過程中10m級的定位精度即可滿足系統(tǒng)要求。自動駕駛導(dǎo)航對地圖的要求一、高精度地圖的基本概念在智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用領(lǐng)域，高精度地圖在高精度定位、輔助環(huán)境感知、路徑規(guī)劃等環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用。高精度地圖中車輛與物體間相對位置信息如圖所示。1.高精度定位智能網(wǎng)聯(lián)汽車上傳感器感知到的環(huán)境信息通過與高精度地圖對比，得到車輛在地圖中的精確位置，這是路徑規(guī)劃與決策的前提。（二）高精度地圖的功能高精度地圖中車輛與物體間相對位置信息一、高精度地圖的基本概念2.輔助壞境感知在高精度地圖上標(biāo)注詳細(xì)道路信息，輔助汽車在感知過程中進(jìn)行驗(yàn)證。比如車輛傳感器感知到前方道路上的坑洼，可以與高精度地圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果地圖中也標(biāo)記了同樣的坑洼，就能起到驗(yàn)判斷的作用。3.路徑規(guī)劃在高精度地圖上標(biāo)注詳細(xì)道路信息，輔助汽車在感知過程中進(jìn)行驗(yàn)證。比如車輛傳感器感知到前方道路上的坑洼，可以與高精度地圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果地圖中也標(biāo)記了同樣的坑洼，就能起到驗(yàn)證判斷的作用。（二）高精度地圖的功能高精度地圖中車輛與物體間相對位置信息一、高精度地圖的基本概念（三）高精度地圖與普通地圖區(qū)別項(xiàng)目高精度地圖普通地圖精度精度在厘米級別普通地圖精度在10m左右、商用GPS精度在5m數(shù)據(jù)維度增加了車道屬性相關(guān)數(shù)據(jù)，有諸如高架物體、防護(hù)欄、樹、道路邊緣類型、路邊地標(biāo)等大量目標(biāo)數(shù)據(jù)，能夠明確區(qū)分車道線類型、路邊地標(biāo)等細(xì)節(jié)。普通地圖只記錄道路級別的數(shù)據(jù)：道路形狀、坡度、曲率、鋪設(shè)、方向等。作用及功能為自動駕駛提供自變量和目標(biāo)函數(shù)的功能輔助駕駛的導(dǎo)航功能使用對象面向車機(jī)設(shè)備面向駕駛?cè)藬?shù)據(jù)的實(shí)時性永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率約1個月)半永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率約1h)半動態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1min)動態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1s)永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率約1個月)半永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率約1h)二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)高精度地圖與傳統(tǒng)地圖相比，具有不同的采集原理和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)地圖依賴于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，將各種元素作為對象堆放在地圖上，將道路存儲為路徑。高精度地圖的生成過程二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集過程：在高精度地圖生產(chǎn)過程中，通過提取車輛上傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，獲取高精度地圖特征值，構(gòu)成特征地圖。再此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提取、處理和標(biāo)注矢量圖形，包括道路網(wǎng)絡(luò)信息、道路屬性信息、道路幾何信息和道路上主要標(biāo)志的抽象信息。高精度地圖數(shù)據(jù)采集過程包括三個環(huán)節(jié)：實(shí)地采集、加工、后續(xù)更新。高精度地圖采集過程通常稱為“外業(yè)”，實(shí)地采集是制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的現(xiàn)場采集來完成。采集的核心設(shè)備是激光雷達(dá)、高精度差分—慣導(dǎo)—衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它通過激光反射形成點(diǎn)云，完成對環(huán)境中各種物體的采集，并通過高精度定位系統(tǒng)記錄行駛軌跡和環(huán)境中物體的高精度位置信息。二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)1.實(shí)地采集二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)2.加工

通常稱為“內(nèi)業(yè)”，加工是指通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，提取高精度地圖所需要表達(dá)的信息，并形成高精度地圖數(shù)據(jù)庫。加工的過程包括人工處理、深度學(xué)習(xí)的感知算法等。高精度地圖綜合數(shù)據(jù)內(nèi)容采集二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)2.加工

采集的設(shè)備越精密，采集的數(shù)據(jù)越完整，就可以降低算法的不確定性；收集到的數(shù)據(jù)不完整，就需要更復(fù)雜的算法來補(bǔ)償數(shù)據(jù)缺陷，且容易產(chǎn)生更大的誤差。因此，實(shí)地采集所用到的設(shè)備成本高昂，目的是保證獲取數(shù)據(jù)的精確性，以及提高采集數(shù)據(jù)的利用率。二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)通常隨著時間的變化，道路會由于破損、翻修、規(guī)劃等種種原因發(fā)生變化。為保證高精度地圖中信息的可靠性和有效性，需要對地圖進(jìn)行周期性，或者由一定原因觸發(fā)的更新?？梢圆扇〉母呔鹊貓D更新方式有：眾包方式、與政府實(shí)時交通處理部門合作等。（3）后續(xù)更新高精度地圖更新二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)（3）后續(xù)更新圖商端/地圖于中心的高精度地圖升級1用戶端高精度地圖的更新升級2高精度地圖的更新升級內(nèi)容分為兩個方面：二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)靜態(tài)高精度地圖整體需要定期甚至實(shí)時更新，動態(tài)高精度地圖依賴自動駕駛和車路協(xié)同體系，采集模式如下：（1）圖商端/地圖于中心的高精度地圖升級數(shù)據(jù)采集模式采集方法重復(fù)采模式定期重新采集，采用產(chǎn)業(yè)化重裝備規(guī)?；杉a(chǎn)的模式，其核心是產(chǎn)業(yè)化的自動測量技術(shù)（外業(yè)采集），和基于AI技術(shù)的自動化和半自動化原始數(shù)據(jù)處理成圖技術(shù)（內(nèi)業(yè)處理）。低成本專業(yè)眾包模式目前高精度地圖的更新手段，主流圖商一般都采用低成本的與業(yè)采集工具方式，比如基于電動三輪車安裝與門的前后左右攝像頭、低線束激光雷達(dá)、低成本衛(wèi)星定位及慣導(dǎo)終端組成的一套眾包高精度地圖采集車，成本可控制在5-30萬元范圍內(nèi)，配備給圖商分布在全國各地的常規(guī)外業(yè)采集隊伍，這樣能極大地降低采集成本和提高更新響應(yīng)速度。這種低成本的采集車需要配套完善的后臺數(shù)據(jù)處理中心，即一套基于AI的視頻圖像、激光點(diǎn)云、軌跡點(diǎn)的綜合大數(shù)據(jù)分析處理平臺，結(jié)合既有的產(chǎn)業(yè)重裝備規(guī)?；杉玫降母呔鹊貓D，甚至是普通導(dǎo)航地圖，就能夠形成基本符合自動駕駛所需的高精度地圖，并且隨著眾包數(shù)據(jù)的不斷積累增多，其輸出的高精度地圖就能越來越接近現(xiàn)實(shí)道路的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)高精度地圖的快速更新。用戶產(chǎn)生數(shù)據(jù)模式（UGC）初創(chuàng)公司將此種更新模式稱為前裝模式。該模式針對最終用戶的反饋數(shù)據(jù)，但是它有一個假設(shè)前提的，即：L3及以上的自勱駕駛車輛已經(jīng)大規(guī)模普及、并且都能把實(shí)時位置和行車傳感器如視頻等數(shù)據(jù)傳回給它的后臺，并基于其后臺的人工智能高精度地圖分析提取技術(shù)來形成高精度地圖和變化情況，進(jìn)而反饋給基礎(chǔ)高精度地圖。二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)高精度地圖數(shù)據(jù)容量龐大，服務(wù)于海量用戶終端（自動駕駛車），因此用戶終端的高精度地圖如何保持與現(xiàn)實(shí)道路的一致同步，事關(guān)自動駕駛的安全。自動駕駛車端的高精度地圖使用方法一般采用在線模式，自動駕駛的發(fā)展初期也可能部分沿用舊的離線預(yù)裝模式。在線模式主要連接地圖于中心，也可能隨著V2X體系發(fā)展而連接智能路側(cè)設(shè)備和邊緣計算網(wǎng)格。車端在獲取地圖于中心的地圖更新升級時需要采取一定策略，減少數(shù)據(jù)傳輸量，縮短車輛獲取數(shù)據(jù)的時間。（2）用戶端高精度地圖的更新升級二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)（2）用戶端高精度地圖的更新升級更新模式更新特點(diǎn)預(yù)裝+增量更新1.預(yù)裝+增量更新的模式是傳統(tǒng)的成熟的數(shù)據(jù)更新模式；2.出廠前將完整版數(shù)據(jù)一次性安裝到設(shè)備上，定期提供增量更新版本進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；3.更新周期分為季度更新、月度更新、周更新、日更新，目前圖商致力于日更新。4.采用線下模式，數(shù)據(jù)更新需要車輛返回專業(yè)服務(wù)點(diǎn)完成，效率低下，時效性差，嚴(yán)重影響高精度數(shù)據(jù)的可信度。更新策略：1.為了減少地圖數(shù)據(jù)的傳輸，需要將地圖數(shù)據(jù)預(yù)裝到設(shè)備中，對于變化周期較長的數(shù)據(jù)可以優(yōu)先考慮預(yù)裝。2.線下預(yù)裝、線上更新：當(dāng)?shù)貓D數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，地圖云中心將變化的增量信息發(fā)送給車輛，車輛在接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)融合進(jìn)入地圖數(shù)據(jù)中。3.當(dāng)?shù)貓D云中心發(fā)現(xiàn)重大數(shù)據(jù)變化可能引發(fā)行車安全時，采取主動發(fā)送強(qiáng)制更新，此時車輛端屬于被動強(qiáng)制更新。4.其他的一般更新時，車輛根據(jù)需要進(jìn)行主動請求更新。二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)（2）用戶端高精度地圖的更新升級更新模式更新特點(diǎn)在線全量更新1.采用完全在線模式，無需出廠前將完整版高精度地圖數(shù)據(jù)安裝到設(shè)備上；2.車輛端實(shí)時根據(jù)行駛過程中當(dāng)前位置向地圖云中心請求指定路徑或一定范圍內(nèi)所有可通行路徑對應(yīng)的數(shù)據(jù)，云中心根據(jù)請求條件實(shí)時抽取數(shù)據(jù)回傳到車輛端；3.依賴于移動網(wǎng)絡(luò)通訊，對通訊傳輸速率、穩(wěn)定性和并發(fā)訪問容量有極強(qiáng)的要求；4.該模式徹底解決用戶端高精度地圖更新的問題，不需要人為更新就是最好的更新。5.全量更新模式中將地圖數(shù)據(jù)分割成多個小的區(qū)域，每一個小區(qū)域內(nèi)包含該區(qū)域完整地圖數(shù)據(jù)。6.隨著5G發(fā)展成熟，將可能成為主流模式，伴隨5G-V2X的發(fā)展，全量數(shù)據(jù)還可能由云中心預(yù)分發(fā)給道路邊緣的計算節(jié)點(diǎn)，再由邊緣計算節(jié)點(diǎn)分發(fā)給車輛，極大分解了地圖云中心的壓力。二、高精度地圖的采集與生產(chǎn)（2）用戶端高精度地圖的更新升級更新模式更新特點(diǎn)車端—邊緣網(wǎng)格—云端協(xié)同車端—邊緣網(wǎng)格—云端協(xié)同是一種理想化地圖更新模式。1.優(yōu)勢：融合了高精度地圖的變化檢測、內(nèi)容更新的上行生產(chǎn)過程，以及與分級下發(fā)新版數(shù)據(jù)的下行更新升級過程的一體化混合模式。2.車端-邊緣計算端：隨著基礎(chǔ)設(shè)施完善，道路周邊提供邊緣計算網(wǎng)格，邊緣計算網(wǎng)格提供通訊能力和計算能力；終端通過與邊緣計算網(wǎng)格進(jìn)行通訊，邊緣網(wǎng)格與云端通訊，這樣形成分層計算能力，提高數(shù)據(jù)循環(huán)效率，解決信息孤島，解決終端計算能力不足，云端計算壓力集中問題。3.云端：云端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合及預(yù)測，云端接收全部邊緣網(wǎng)格上報的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、分析、融合，預(yù)測。云端將融合和預(yù)測的數(shù)據(jù)分發(fā)到邊緣計算網(wǎng)格。4.云端-邊緣計算-車端：邊緣計算網(wǎng)格起到云端與終端的紐帶作用；邊緣計算網(wǎng)格接收終端上報的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端；邊緣計算網(wǎng)格接收云端分發(fā)的融合結(jié)果和預(yù)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分發(fā)到終端。5.車端：終端從邊緣計算網(wǎng)格接收數(shù)據(jù)，用于自動駕駛，過程中繼續(xù)對道路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集提取；終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，將變化的數(shù)據(jù)報告到邊緣計算網(wǎng)格；如此，形成循環(huán)閉環(huán)。高精度地圖通常通過三個層次來完整表達(dá)真實(shí)道路信號，第一個層次是參考線，它代表我們傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖的道路；第二個層次是車道標(biāo)線，它代表車道信息；第三個層次是與路網(wǎng)車道相關(guān)的對象，比如限速標(biāo)牌。所以，在定義高精度地圖數(shù)據(jù)模型時通常分為道路模型、車道模型和對象模型三大塊。三、高精度地圖模型道路模型對象模型車道模型高精度地圖模型三、高精度地圖模型1.道路模型1.道路參考線

為了實(shí)現(xiàn)和提高路徑規(guī)劃功能，需要將道路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，形成以頂點(diǎn)與邊組成的拓?fù)鋱D形結(jié)構(gòu)，圖形中的邊以弧形線段表示，線段由一系列順序的點(diǎn)表示線的基本形狀走勢。2.道路連通性除道路參考線外，高精度地圖還應(yīng)描述道路的連通關(guān)系，聯(lián)通關(guān)系通過頂點(diǎn)確定，道路模型除了幾何屬性還包括車道數(shù)量、道路等級、功能屬性等。道路模型三、高精度地圖模型1.道路模型3.相關(guān)數(shù)據(jù)1）參考線幾何信息；2）參考線聯(lián)通關(guān)系；3）道路屬性：道路方向、道路形態(tài)、道路等級、車道數(shù)量等；4）道路坡度、曲率、航向。道路模型數(shù)據(jù)可以滿足道路級別的路徑規(guī)劃，以及ADAS應(yīng)用場景下對油門、剎車、方向的預(yù)先控制規(guī)劃。道路模型2.車道模型車道模型記錄了車道的行駛參數(shù)、車道的邊線（標(biāo)線）、停止線、車道與道路拓?fù)涞年P(guān)系、車道中心線、車道屬性、車道中心線與參考線關(guān)聯(lián)關(guān)系、車道邊線（標(biāo)線）與車道中心線關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖所示。車道屬性如車道方向、車道類型、車道通行限制、車道限速等車道中心線之間的連通關(guān)系。車道模型三、高精度地圖模型3.對象模型對象模型是記錄道路和車道行車空間范圍邊界區(qū)域內(nèi)要素的，模型屬性包括對象位置、形狀及屬性值。這些圖形要素包括路牙、護(hù)欄、立交、隧道、龍門架、交通標(biāo)牌、可變信息標(biāo)牌、輪廓標(biāo)、收費(fèi)站/桿、交通燈、墻面、箭頭、文本、符號、警示區(qū)、導(dǎo)流區(qū)等。對象模型中的數(shù)據(jù)通常用于輔助環(huán)境感知，并輔助于高精度定位。三、高精度地圖模型四、高精度地圖的應(yīng)用

1.高精度地圖在自動駕駛中的應(yīng)用高精度地圖數(shù)據(jù)中提供道路甚至車道的曲率值，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時可以根據(jù)曲率進(jìn)行提前減速，控制傳感器甚至前照燈轉(zhuǎn)向輔助。高精度地圖也提供隧道等詳細(xì)信息，車輛在進(jìn)入前可以提前開啟前照燈或調(diào)整傳感器感光參數(shù)。高精度地圖提供了坡度，能夠輔助車輛控制加速踏板節(jié)省能源。如圖所示：高精度地圖提供了坡度，能夠輔助車輛控制加速踏板節(jié)省能源。高精度地圖提供了各種交通標(biāo)志和提示信息標(biāo)牌的精確位置及形狀能夠輔助車輛進(jìn)行高精度定位。高精度地圖的限速信息精確到車道，能夠?yàn)檐囕v提供精準(zhǔn)的限速信息，智能網(wǎng)聯(lián)汽車用以精準(zhǔn)控制執(zhí)行器操作。車輛可以根據(jù)高精度地圖進(jìn)行自主變道。高精度地圖還能為車輛提供各種危險區(qū)域，車輛可以提前做出應(yīng)急方案。四、高精度地圖的應(yīng)用

1.高精度地圖在自動駕駛中的應(yīng)用高精度地圖的充分運(yùn)用可以助力智能網(wǎng)聯(lián)汽車獲取各方面的先驗(yàn)傳感參數(shù)，為自動駕駛提供諸多數(shù)值化的決策依據(jù)。高精度地圖對于L4、L5級別的智能網(wǎng)聯(lián)駕駛是必選項(xiàng)，對于L3是可選項(xiàng)，對于L1、L2基本不需要；智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動化、智能化程度越高，對高精度地圖的依賴越大。四、高精度地圖的應(yīng)用

2.高精度地圖的先驗(yàn)感知特征

高精度地圖能夠輔助汽車超視距感知，當(dāng)車輛道路環(huán)境被其他物體遮擋，或者轉(zhuǎn)彎，或者超出汽車電子設(shè)備感知范圍時，高精度地圖能夠幫助車輛對行進(jìn)方向進(jìn)行環(huán)境的感知。

高精度地圖能夠輔助車輛快速識別道路環(huán)境周邊固定物體及車道標(biāo)線。高精度地圖能夠提高自動駕駛車輛數(shù)據(jù)處理效率，自動駕駛車輛感知重構(gòu)周圍三維場景時，可以利用高精度地圖作為先驗(yàn)知識減小數(shù)據(jù)處理時的搜索范圍。四、高精度地圖的應(yīng)用

輔助感知高精度地圖提供有車道標(biāo)線、地面箭頭、符號、文字、路邊護(hù)欄、路沿、電話亭、標(biāo)志標(biāo)牌等信息，自動駕駛車輛可以根據(jù)當(dāng)前位置在高精度地圖中快速檢索出周邊的上述信息，形成基礎(chǔ)已知固定環(huán)境，同時通過各類傳感器的實(shí)際探測比對最終得到準(zhǔn)確的固定環(huán)境感知。

2.高精度地圖的先驗(yàn)感知特征四、高精度地圖的應(yīng)用

高精度地圖能夠輔助車輛進(jìn)行高精度定位。高精度地圖包含了豐富的對象數(shù)據(jù)，汽車通過傳感器對道路周邊進(jìn)行感知，提取出道路周邊的要素并與地圖中對象進(jìn)行匹配，地圖中的對象擁有精確的位置和形狀信息，通過車輛與要素間的距離修正車輛GPS定位的位置。其輔助高精度定位原理與GPS定位相似。車輛只要識別出至少三個要素，就可以通過車輛與三個要素的距離畫球面，三個球面相交點(diǎn)就是車輛所在可能位置，再通過GPS定位信息確定最終位置。

3.高精度地圖基礎(chǔ)上的高精度定位高精度地圖定位四、高精度地圖的應(yīng)用

具體的輔助高精度定位原理是：GPS是自動駕駛必備的位置傳感器、但是在無基站差分的場景下的定位精度通常都是米級，在城市工況下，由于建筑遮擋精度更差，這樣的精度是法滿足自動駕駛需求的。而高精度地圖的引入使得基于GPS獲取高精度位置成為可能。通過基于高精度地圖的輔助感知，自動駕駛車輛能準(zhǔn)確知道周邊的物體（對象）的簡精度位置坐標(biāo)，同時通過傳感器得到車輛與周邊物體的相對距離，自動駕駛車輛即可基于探測到的物體（對象）高精度坐標(biāo)和相對距離反算出車輛的高精度位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對自身位置的持續(xù)修正。

3.高精度地圖基礎(chǔ)上的高精度定位四、高精度地圖的應(yīng)用

所謂V2X，全稱為vehicletoeverything，即車對外界的信息交換。車聯(lián)網(wǎng)通過整合全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航技術(shù)、車對車交流技術(shù)、無線通信及遠(yuǎn)程感應(yīng)技術(shù)奠定了新的汽車技術(shù)發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了手動駕駛和自動駕駛的兼容。V2X是智能網(wǎng)聯(lián)汽車在網(wǎng)聯(lián)化方面的基礎(chǔ)。4.高精度地圖在V2X中的作用高精度地圖在V2X中的作用四、高精度地圖的應(yīng)用在V2X環(huán)境中，V2X系統(tǒng)與高精度地圖分工合作，通過路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（信號燈、標(biāo)識牌等路側(cè)單元）與車輛進(jìn)行通信，車輛能夠直接獲取道路基礎(chǔ)環(huán)境信息，并能夠利用基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高精度定位。高精度地圖主要用于車道規(guī)劃和輔助對不能發(fā)射信號的基礎(chǔ)設(shè)施的感知，如路肩、隔離帶等。高精度地圖云中心可以通過與基礎(chǔ)設(shè)施中的道路邊緣計算網(wǎng)格進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的收集與分發(fā)。道路邊緣計算網(wǎng)格與車輛進(jìn)行實(shí)時通信，車輛從道路邊緣計算網(wǎng)格獲取道路環(huán)境信息，并上報車輛傳感器識別變化的信息，道路邊緣計算網(wǎng)格經(jīng)過初步處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到高精度地圖云中心，云中心綜合多方證據(jù)信息進(jìn)行處理，提前預(yù)測道路環(huán)境變化，并將可能引起道路交通惡化的預(yù)測信息發(fā)送給邊緣計算網(wǎng)格通知車輛，車輛可以提前做出決策。4.高精度地圖在V2X中的作用隨堂討論2Practiceontheclass隨堂討論1、請查閱2015年工信部印發(fā)的《中國制造2025》文件，寫出相應(yīng)時間節(jié)點(diǎn)的發(fā)展目標(biāo)。2、請查閱2020年2月24日由國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦、工信部等11個部委聯(lián)合印發(fā)的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》文件，寫出相應(yīng)時間節(jié)點(diǎn)的戰(zhàn)略愿景。1.各組派代表闡述資料查詢結(jié)果。2.各組就各自的查詢結(jié)果進(jìn)行交流，并分享技巧。智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論

能力模塊三掌握高精度地圖與定位系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用方式任務(wù)二

了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車導(dǎo)航定位系統(tǒng)的類型及應(yīng)用新授Newteaching1目錄一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和用戶設(shè)備組成的，如圖所示。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。（一）GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)的組成一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（一）GPS系統(tǒng)的組成

1.導(dǎo)航衛(wèi)星

GPS的空間部分的24顆工作衛(wèi)星組成一個GPS衛(wèi)星組，其中21顆是導(dǎo)航衛(wèi)星，3顆是活動衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星以55°的軌道傾角繞地球運(yùn)行，形成6個地球橢圓軌道面，每個軌道面上都有4顆衛(wèi)星。各軌道平面的升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60度，一個軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30度。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

1.導(dǎo)航衛(wèi)星

這些衛(wèi)星每12h環(huán)繞地球一圈，在地球上的任何地方、任何時間都可以觀測到4顆以上的GPS衛(wèi)星，保持定位的精度從而提供連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。?dǎo)航衛(wèi)星如圖所示，導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)是發(fā)射導(dǎo)航和定位信號，用戶可以使用這些信號來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。導(dǎo)航衛(wèi)星（一）GPS系統(tǒng)的組成地面監(jiān)控設(shè)備由1個主控站、4個注入站和6個監(jiān)測站組成，它們的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航衛(wèi)星的控制。主控站擁有許多以計算機(jī)為主體的設(shè)備，用于收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預(yù)測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站，并進(jìn)行衛(wèi)星軌道和時鐘校正參數(shù)計算，調(diào)整衛(wèi)星運(yùn)行姿態(tài)，糾正衛(wèi)星軌道偏差，同時還協(xié)助、指揮、管理空間衛(wèi)星和地面監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控衛(wèi)星對用戶的指令發(fā)送。注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器。監(jiān)測站為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)2.地面監(jiān)控設(shè)備（一）GPS系統(tǒng)的組成用戶設(shè)備主要由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。它的主要功能是根據(jù)一定的衛(wèi)星截止角捕獲被測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行情況。GPS接收機(jī)的主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤衛(wèi)星運(yùn)行；對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理；測量出信號傳播的時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文；實(shí)時計算出測站的三維信息，甚至三維速度和時間。GPS數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是對GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對處理的結(jié)果進(jìn)行平差計算、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分析綜合處理，計算出用戶所在位置的三維坐標(biāo)、速度、方向和精確時刻等。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)3.用戶設(shè)備（一）GPS系統(tǒng)的組成GPS定位原理是根據(jù)三角測量定位來實(shí)現(xiàn)的，并且同時利用相關(guān)技術(shù)獲取觀測值。在相關(guān)接收中，衛(wèi)星鐘用來控制衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機(jī)信號，本地時鐘用來控制用戶接收機(jī)的偽隨機(jī)信號，兩者之間有比較大的時差。GPS用戶終端可以同時跟蹤4顆GPS衛(wèi)星，并捕獲其信號，這里，將兩時鐘之間的時差作為未知量，使其和觀測點(diǎn)坐標(biāo)共同組成一個四元方程組，所得的解就是觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和時差，使用這種方法進(jìn)行定位可以得到較高的定位精度。這個觀測值通常被稱為偽距觀測量。此觀測值被稱為偽距的原因是：第一，它是以地表和衛(wèi)星之間的距離為變量的函數(shù)；第二，由于大氣效應(yīng)和時鐘誤差的影響，與實(shí)際的距離之間存在偏差。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（二）GPS定位原理一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

（三）GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)全球全天候定位因?yàn)镚PS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，能為全球任何地點(diǎn)或近地空間的各類用戶提供連續(xù)的、全天候的導(dǎo)航定位能力，用戶不用發(fā)射信號，因而能滿足多用戶使用。實(shí)時導(dǎo)航利用GPS定位時，在1s內(nèi)可以取得幾次位置數(shù)據(jù)，這種近乎實(shí)時的導(dǎo)航能力對于高動態(tài)用戶具有很大的意義，同時能為用戶提供連續(xù)的三維位置、三維速度和精確的時間信息。覆蓋范圍廣利用GPS定位時，在1s內(nèi)可以取得幾次位置數(shù)據(jù)，這種近乎實(shí)時的導(dǎo)航能力對于高動態(tài)用戶具有很大的意義，同時能為用戶提供連續(xù)的三維位置、三維速度和精確的時間信息。定位精度高GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)6～10m，100～500km可達(dá)7～10m，1000km可達(dá)9～10m。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

（三）GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)觀測時間短20km以內(nèi)的相對靜態(tài)定位僅需15～20min；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距15km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1～2min；采取實(shí)時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)GPS系統(tǒng)建立在WGS-84坐標(biāo)系中，可同時精確測定測站平面位置和大地高程。測站之間無需通視GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，這既可大大減少測量工作所需的經(jīng)費(fèi)和時間，也使選點(diǎn)工作更靈活，可省去經(jīng)典測量中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)等的測量工作。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖所示。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，其建設(shè)與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進(jìn)性這4項(xiàng)原則。（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由35顆衛(wèi)星組成，其中地球靜止軌道衛(wèi)星5顆、中地軌道衛(wèi)星27顆、傾斜同步軌道衛(wèi)星3顆。五顆地球靜止軌道衛(wèi)星的固定位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛(wèi)星運(yùn)行在三個軌道面上，軌道面均勻分布120°。1.空間段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站組成。2.地面段二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站組成。2.地面段0301主控站用于系統(tǒng)運(yùn)行管理和控制，接收來自監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息，然后將信息傳送到注入站進(jìn)行發(fā)送。02注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號、控制和管理衛(wèi)星，在接收到主控站調(diào)度后，向衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息。監(jiān)測站用于接收衛(wèi)星信號并將其發(fā)送到主控站進(jìn)行衛(wèi)星監(jiān)測，以確定衛(wèi)星軌道，并為時間同步提供觀測。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶段由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。接收器需要捕捉和跟蹤衛(wèi)星的信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)以一定的方式進(jìn)行定位計算，最終獲得用戶的緯度、經(jīng)度、海拔、速度、時間等信息。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以為全世界各種用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和定時服務(wù)，具有短消息通信能力，最初提供了區(qū)域?qū)Ш?、定位和定時功能，定位精度為10米，測速精度為0.2m/s，定時精度為10ns。3.用戶段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用戶段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗一代和北斗二代定位系統(tǒng)都是采用偽距法進(jìn)行導(dǎo)航定位。該方法的基本定位思想是三球交匯定位原理。北斗一代系統(tǒng)由于其觀測量較少并且其工作方式是有源定位，使得北斗一代與北斗二代在定位原理和精度有所不同。（二）北斗衛(wèi)星定位原理北斗二代是典型的RNSS系統(tǒng)。北斗二代系統(tǒng)定位原理與GPS類似，至少需要4顆衛(wèi)星，其測算距離，確定用戶位置。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2.北斗二代衛(wèi)星定位原理（二）北斗衛(wèi)星定位原理1.北斗一代衛(wèi)星定位原理北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理是基于三球交匯原理進(jìn)行定位，以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為球心，兩球心至用戶的距離為半徑，可畫出兩個球面，用戶機(jī)必然位于這兩個球面交線的圓弧上。另一個球面是以地心為球心，畫出以用戶所在位置點(diǎn)至地心的距離為半徑的球面，三個球面的交匯點(diǎn)即為用戶位置。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（三）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特點(diǎn)精密授時最大用戶數(shù)每小時可以供540000戶。沒有通信盲區(qū)，覆蓋范圍大定位與短報文通信保密性強(qiáng)自主系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。定位精度準(zhǔn)確，更新快水平精度100m（1σ），設(shè)立標(biāo)校站之后為20m（類似差分狀態(tài)），工作頻率為2491.75MHz。具有精密授時功能，可向用戶提供20～100ns時間同步精度。在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。同時具備定位與通信功能，用戶終端具有雙向報文通信功能三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性測量單元慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem，INS)，簡稱為慣導(dǎo)，是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量，基于慣性測量單元（IMU）測量的角速度和加速度信息，使用軟件對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖所示為慣性測量單元（IMU）。具體來說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航系統(tǒng)，即從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)動載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出運(yùn)動體的當(dāng)前位置。三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（一）慣性傳感器分類慣性傳感器分為兩大類：測量角速度的陀螺儀和測量加速度的線加速度計。1.陀螺儀分類陀螺儀又分為機(jī)械干式、液浮、半液浮、氣浮角速度陀螺儀，撓性角速度陀螺儀，MEMS硅、石英角速度陀螺儀（含半球諧振角速度陀螺儀等），光纖角速度陀螺儀，激光角速度陀螺儀等。2.線加速度計分類線加速度計又分為機(jī)械式線加速度計，撓性線加速度計，MEMS硅、石英線加速度計（含壓阻、壓電線加速度計），石英撓性線加速度計等。三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量單元（IMU）、計算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量單元（IMU）包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導(dǎo)航組合。一般情況，一個IMU包含了3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺儀，也可能包含磁力計，如表所示IMU的組合形式。1.慣性測量單元（IMU）自由度組成測量內(nèi)容6DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀線性+旋轉(zhuǎn)速率9DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場10DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計+氣壓計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場+高度（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性測量單元自由度示意圖1.慣性測量單元（IMU）（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)加速度計示意圖輸出電壓輸入電壓電位計彈簧感受軸線感受軸線1.慣性測量單元（IMU）（1）加速度計用來測量瞬時加速度信息，根據(jù)計算獲得載體的瞬時速度和位置。（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.慣性測量單元（IMU）（2）轉(zhuǎn)動運(yùn)動，可以測量瞬時角速率或角位置信息，提供各軸（及其上加速度計）在各時刻的方向。如圖所示，陀螺儀是一種繞支點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)的物體，其結(jié)構(gòu)組成一般由轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)輪）、內(nèi)框和外框組成。當(dāng)它在高速運(yùn)行時，可以直立地立在地面上而不會傾倒。這表明高速旋轉(zhuǎn)的物體具有保持其旋轉(zhuǎn)軸方向恒定的特性。陀螺儀（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化，陀螺儀精度不斷提高，漂移高達(dá)6°～10°/h。另外，RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀技術(shù)的成熟，也推動慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。2.計算機(jī)控制顯示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn)功能。3.控制顯示器計算機(jī)根據(jù)測得的加速度信號計算出速度和位置數(shù)據(jù)。（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）的工作機(jī)理是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上的：一個物體如果沒有外力作用，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以得到以下測量過程：如果能夠測到加速度，通過加速度對時間的兩次積分能夠獲得位移，以此實(shí)現(xiàn)位置定位；如果能夠測量到角速度，通過積分可以獲取位置信息，將它們結(jié)合在一起可以獲得物體的實(shí)際狀態(tài)。（三）慣性導(dǎo)航傳感器工作原理慣性導(dǎo)航傳感器工作原理慣性導(dǎo)航傳感器能夠測量高精度位置、速度、姿態(tài)信息。