智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論-領(lǐng)域三 智能網(wǎng)聯(lián)汽車定位與導(dǎo)航

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論智能網(wǎng)聯(lián)汽車

定位與導(dǎo)航PART3高精地圖在自動駕駛系統(tǒng)中扮演著重要的角色，為定位、環(huán)境感知和駕駛規(guī)劃提供關(guān)鍵支持。在環(huán)境感知方面，高精地圖能夠提供大量有效的靜態(tài)環(huán)境信息以及部分動態(tài)環(huán)境信息，為自動駕駛控制器節(jié)省算力并進行實時計算。在定位方面，高精地圖結(jié)合GPS、北斗等全球衛(wèi)星導(dǎo)航方式，幫助無人駕駛汽車精確地找到自己在地圖上的位置。而在駕駛規(guī)劃方面，由于高精地圖包含實時、高精度的交通信息，可精確協(xié)助自動駕駛系統(tǒng)進行駕駛規(guī)劃。定位技術(shù)對于無人駕駛汽車至關(guān)重要，它需要在全球高精度地圖上準確找到車輛的位置。情景導(dǎo)入為實現(xiàn)無人駕駛汽車定位，有多種常見的定位方法，如GNSS-RTK、慣性導(dǎo)航、LiDAR定位和視覺定位。這些方法共同協(xié)作，確保無人駕駛汽車在復(fù)雜的道路環(huán)境中能夠精確地找到自己在高精度地圖上的位置，從而實現(xiàn)安全、高效的自動駕駛。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定位與導(dǎo)航技術(shù)不僅關(guān)乎車輛的安全和效率，也關(guān)乎國家的戰(zhàn)略和安全。我國在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用方面取得了舉世矚目的成就，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展提供了強大的支撐。我國也在不斷加強智能網(wǎng)聯(lián)汽車的標準化、規(guī)范化和國際化工作，推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。情景導(dǎo)入任務(wù)描述高精地圖實際是一種數(shù)字地圖，用各種細節(jié)級別來表示對于世界的抽象。比如當對道路進行建模時，需要以不同的曲線表示無岔路的直道，而以連接點的方式來表示岔路節(jié)點，而以各種不同的連線及節(jié)點組合一起構(gòu)成道路網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，隨后在利用世界坐標系進行坐標定位。學習單元一高精度地圖一、高精度地圖的定義高精地圖即具有高精確度的地圖，一般需達到厘米級精確度，包含道路信息、交通標識、障礙物等靜態(tài)信息及行人、車輛、交通路況、天氣等動態(tài)信息。高精地圖主要應(yīng)用于自動駕駛和輔助駕駛領(lǐng)域，幫助車輛準確識別道路信息，從而做出正確、適當?shù)鸟{駛行為。

1.高精度地圖的由來地圖經(jīng)歷了四種主要的演變形式，從最初的紙質(zhì)地圖逐漸發(fā)展到高精度地圖，如圖3-1；高精度地圖比普通電子地圖更準確，更新更快，涵蓋的信息范圍更廣，但收集數(shù)據(jù)更復(fù)雜。2.高精度地圖與傳統(tǒng)地圖的差異隨著自動駕駛等級的升高，其對高精度地圖的要求也就更高，如表3-1。

3.高精度地圖的三大功能高精度地圖主要有以下三大功能：地圖匹配、輔助環(huán)境感知和路徑規(guī)劃。高精度地圖可以將車輛位置精準的定位于車道之上、幫助車輛獲取更為準確有效全面的當前位置交通狀況并為無人車規(guī)劃制定最優(yōu)路線。

(１)地圖匹配(２)輔助環(huán)境感知(３)路徑規(guī)劃二、傳感器的局限性與高精度地圖的互補性1.傳感器的局限性（1）檢測范圍受限傳感器的探測距離如表3-3所示。特斯拉采用的是視覺為主的環(huán)境方案，其檢測距離如表3-4所示。（2）感知缺陷（3）先驗信息缺失2.高精度地圖的互補性（1）更好的輔助自動駕駛（2）提升感知算法效率（3）靜態(tài)對象識別三、高精度地圖采集以國外高精度地圖企業(yè)Here的地圖測繪車設(shè)備為例，該地圖測繪車車頂安裝的設(shè)備包括：四個廣角的24兆像素攝像頭，旋轉(zhuǎn)式的激光雷達（掃描周圍300英尺范圍內(nèi)每個目標上的700，000個點）、陀螺儀（計算間距）和GPS系統(tǒng)。車底部有一個50磅重的盒子，里面連接著一個1TB的硬盤用于儲存數(shù)據(jù)，一臺運行著分析軟件的平板電腦，還有一組用于供電的12V電源。國內(nèi)來看，百度的高精度地圖采集車的傳感器配置情況為：最頂部的32線激光雷達、三個360°全景攝像頭、一個前置的工業(yè)攝像頭、一個包含IMU和GPS裝置的組合式導(dǎo)航系統(tǒng)以及一個GPS天線。

1.高精度地圖采集設(shè)備

（7）ADAS地圖采集車（3）IMU（慣性測量單元，陀螺儀）（5）輪測距器（8）HAD高精度地圖采集車（6）高精度地圖采集車（2）Camera（攝像頭）（4）GPS（全球定位系統(tǒng)）（1）LiDAR（激光雷達）2.高精度地圖采集流程(圖３-２)

（1）數(shù)據(jù)采集（2）數(shù)據(jù)處理（3）元素識別（4）人工驗證學習小結(jié)1.高精地圖即具有高精確度的地圖，一般需達到厘米級精確度，包含道路信息、交通標識、障礙物等靜態(tài)信息及行人、車輛、交通路況、天氣等動態(tài)信息。2.高精度地圖可以分為兩個層級：靜態(tài)高精度地圖和動態(tài)高精度地圖。3.高精度地圖的高精度體現(xiàn)在兩個方面。一是高精度地圖的絕對坐標精度更高，地圖上某個目標和真實世界的事物之間的精度更高；二是高精度地圖所含有的道路交通信息元素更豐富和細致。4.高精度地圖主要有以下三大功能：地圖匹配、輔助環(huán)境感知和路徑規(guī)劃。5.高精度地圖：最穩(wěn)定的傳感器。高精度地圖是最穩(wěn)定的傳感器，也是視覺范圍最大的傳感器。高精度地圖可以提供其他傳感器很多抽象的信息。6.從當前高精度地圖采集設(shè)備發(fā)展情況來看，其實采集設(shè)備的主要核心是攝像頭、毫米波雷達和LiDAR（激光雷達）。知識鞏固知識鞏固學習單元二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定位技術(shù)

對于無人駕駛汽車來說，準確、可靠地獲取汽車的位置、姿態(tài)和其他定位信息，是無人駕駛汽車導(dǎo)航的前提和基礎(chǔ)、是無人駕駛汽車導(dǎo)航的先決條件和基礎(chǔ)。無人駕駛汽車需要高可靠性和安全性的定位技術(shù)，并且對定位精度的要求達到厘米級。然而，使用普通的導(dǎo)航地圖和衛(wèi)星定位很難滿足其需求。因此，新的定位技術(shù)，如高精度地圖、多傳感技術(shù)融合定位技術(shù)，和無線通信輔助定位已成為無人駕駛汽車定位技術(shù)的發(fā)展趨勢。一、衛(wèi)星定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)也叫全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是獲取車輛位置和行人位置數(shù)據(jù)的一個重要手段，是實現(xiàn)自動駕駛的一個關(guān)鍵技術(shù)，可用于實時車輛環(huán)境感知地圖的創(chuàng)建、高精度地圖的制作和自動駕駛決策子系統(tǒng)的路徑規(guī)劃、行為決策和運動規(guī)劃。目前全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為美國的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GLONASS）、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）與歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GalileoSatelliteNavigationSystem，GALILEO）。1.衛(wèi)星定位原理

GPS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理、GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來測量距離。由每顆衛(wèi)星的所在位置，測量每顆衛(wèi)星至接受器間距離，便可以算出接受器所在位置的三維空間坐標值。使用者只要利用接受裝置接收到3個衛(wèi)星信號，就可以定出使用者所在的位置。在實際應(yīng)用中，GPS接受裝置都是利用4個以上衛(wèi)星信號，來定位出使用者所在之位置及高度。三角定位的工作原理如下：2.GPS的組成GPS由三部分組成：

（1）衛(wèi)星（2）控制站（3）GPS接收器3.北斗系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，BeidouNavigationSatelliteSystem）是中華人民共和國自主研發(fā)、建設(shè)與運營的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)是中國在國際上展現(xiàn)高技術(shù)實力、提升國家綜合實力的重要標志之一，彰顯了中國在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重要地位。北斗系統(tǒng)在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、國家安全等領(lǐng)域具有重大意義。在社會主義核心價值觀的指導(dǎo)下，北斗系統(tǒng)不斷發(fā)展壯大，為中國人民謀福祉，為世界和平與發(fā)展作出貢獻。北斗系統(tǒng)分為三個階段進行建設(shè)，如圖3-4所示。二、慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)（InertialNavigationSystem）是通過測量加速度來解算運載體位置信息的自主導(dǎo)航定位方法，該方法不向外部輻射能量、不依賴于外部信息，因而具備不與外界交互而自主獨立工作的能力。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能實時、準確地測量位置、加速度及轉(zhuǎn)動量（角度、角速度）等信息，是唯一可輸出完備六自由度數(shù)據(jù)的設(shè)備。1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成

“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）+慣性測量單元（IMU）”是最常見的慣性導(dǎo)航組合方案，如圖3-5和3-6所示。2.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以牛頓力學定律為基礎(chǔ)，利用IMU測量載體的比力及角速度信息，結(jié)合給定的初始運動條件，與GNSS等系統(tǒng)進行信息融合，從而實時推算速度、位置、姿態(tài)等參數(shù)?；谠摷夹g(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可裝備于運載體（如飛機、船舶、汽車、無人機等）并用于實現(xiàn)導(dǎo)航定位，系統(tǒng)通過連續(xù)測得運載體角速度和線速度并進行積分運算即可連續(xù)、實時預(yù)測運載體的當前位置。IMU是融合了陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器的多軸組合，如圖3-7所示。3.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件

加速度計及陀螺儀等慣性傳感器為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件（以MEMS慣性導(dǎo)航為例，兩者成本占比約50%），分別用于測量運載體的加速度和角速度，對系統(tǒng)精度起決定性作用，如圖3-8所示。(１)加速度計作用分析(２)陀螺儀作用分析4.慣性導(dǎo)航陀螺儀定義與分類

目前自動駕駛常用的慣性測量單元（IMU），如圖3-9所示，按照精度分可以為兩類：第一類是基于光纖陀螺（FOG）的IMU，第二類是基于微機電系統(tǒng)（MEMS）器件的IMU。三、地圖匹配定位系統(tǒng)

無論是衛(wèi)星定位(GNSS)還是慣性導(dǎo)航定位(INS)，自動駕駛定位系統(tǒng)的誤差都不可避免，定位結(jié)果通常偏離實際位置。引入地圖匹配可以有效消除系統(tǒng)隨機誤差，校正傳感器參數(shù)，彌補在城市高樓區(qū)、林蔭區(qū)、立交橋、隧道中長時間GNSS定位失效而INS誤差急劇增大的定位真空期。1.地圖匹配定位技術(shù)原理2.地圖匹配定位誤差分析（1）路況引起的誤差（2）傳感器誤差（3）高精度地圖誤差（4）算法誤差四、多傳感器融合定位

多傳感器數(shù)據(jù)融合是20世紀80年代出現(xiàn)的一門新興學科，它是將不同傳感器對某一目標或環(huán)境特征描述的信息融合成統(tǒng)一的特征表達信息及其處理的過程。1.多傳感器融合簡述2.多傳感器的配準（1）時間配準（2）空間配準3.多傳感器融合誤差分析五、Apollo定位方法系統(tǒng)主要采用了三種定位方式，如圖3-13：（1）基于信號的定位它的代表就是GNSS，其實就是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；（2）航跡推算依靠IMU等，根據(jù)上一時刻的位置和方位推斷現(xiàn)在的位置和方位；（3）環(huán)境特征匹配基于Lidar的定位，用觀測到的特征和數(shù)據(jù)庫里的特征和存儲的特征進行匹配，得到現(xiàn)在車的位置和姿態(tài)。4．IMU坐標系2．導(dǎo)航坐標系1．車輛坐標系3．慣性坐標系5．激光雷達坐標系學習小結(jié)1.衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過三角測量原理定位，其包含控制臺、衛(wèi)星、接收器三個主要組成部分。2.衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過RTK（實時運動定位）減小誤差，將定位誤差限定在10厘米以內(nèi)。3.衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）相比于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的優(yōu)點為長期精度高，成本低，缺點為數(shù)據(jù)輸出頻率低、短期精度低、抗干擾性差。4.GNSS+INS系統(tǒng)兩者結(jié)合可實現(xiàn)應(yīng)用場景和定位精度的互