基于高精度導航地圖的自動駕駛輔助決策方法

黃志，向煜

(1.重慶數字城市科技有限公司，重慶 401121； 2.重慶市移動測量工程技術研究中心，重慶 401121)

1 引 言

自動駕駛技術是在人工智能、視覺計算、模式識別等技術的基礎上快速發展起來的一項前沿技術，受到社會廣泛關注。目前自動駕駛主流的技術路線是在車上安裝激光雷達、相機、慣導等傳感器，通過實時感知外部環境，規劃決策并控制和執行車輛自動化操作[1]。隨著自動駕駛層級逐漸演進，車輛上的傳感器會越來越多，Lv5級別的自動駕駛傳感器甚至會達到32個[2]。與此同時，隨著傳感器的數量增加，AI電腦需要實時處理的數據將會越來越多，這將對電腦的處理能力、算法的優劣提出挑戰。同時外部環境瞬息萬變，只依賴于傳感器進行環境感知，自動駕駛感知識別可靠性不高[3]。

國際自動機工程師學會(SAE)的J3016標準將自動駕駛級別劃分為6級，其中要實現Lv3(有條件自動化)及以上級別，高精度導航地圖必不可少[4，5]。相比于傳統地圖，高精度導航地圖精度要求優于 1 m，相對精度達到 10 cm～20 cm，地圖內容將達到車道級別[6]，同時高精度導航地圖也會采集道路標識標牌，建立道路和車道拓撲關聯，能表達更加詳盡的交通要素信息[7，8]。目前高精度導航地圖運用于自動駕駛方面的研究有很多，其中文獻[9]提出使用路徑跟蹤算法來保持車輛沿規劃的路徑行駛，該方法的實現基于已規劃的線路，但預先規劃路徑只適用于測試場地，在環境不斷變化的開發道路該方法有局限性，同時該方法未考慮車輛在車道級別的精確控制。文獻[10]提出使用邊緣計算技術采用眾包方式實時構建高精度地圖并進行車輛定位，該方法依賴于AI芯片的研發，實現大量矢量數據的自動融合和要素的拓撲自動建構難度較大。

針對以上問題，本文提出了使用移動測量系統預先構建高精度導航地圖，基于車輛上的慣導及實時差分定位數據計算車輛范圍。使用空間查詢，按照一定頻率實時查詢車輛范圍內的地圖要素。根據查詢到的標識標牌信息輔助車輛傳感器決策，根據查詢到的車道標線精確控制車輛的行駛線路，以此來提高自動駕駛可靠性。

2 高精度導航地圖的構建

高精度導航地圖包含車道級別的道路網，交通標識標牌，信號燈，橋梁隧道等眾多交通要素，車道與車道之間，道路與道路之間構建了拓撲關系，要素眾多且要素之間關系復雜。移動測量系統集成了激光雷達、全景相機、慣性測量單元、GNSS等傳感器，能夠快速采集道路上及周邊詳盡的高精度點云及影像數據，對高精度導航地圖的數據來源提供了高效的解決方案[11]。其生產流程如圖1所示。

圖1 高精度導航地圖生產流程

3 輔助決策方法

3.1 車輛范圍計算

車輛上安裝的GNSS用于采集車輛位置數據，慣性測量單元用于測量車輛的姿態(航向角、俯仰角、側滾角)，設任意時刻實時差分位置為P(x，y，z)，車輛的航向角為θ，GNSS相對車輛前后左右四邊界標定距離分別為a、b、c、d。則四角的坐標為：

(1)

其中(xi，yi)|i∈{1，2，3，}分別為左前角，右前角，左后角，右后角坐標，θ∈[0，2π]。通過計算車輛四角點坐標，即求得了車輛在高精度導航地圖中的絕對位置范圍，如圖2所示。

圖2 車輛四角坐標示意圖

3.2 要素空間查詢

高精度導航地圖數據精度高，其表達的與交通相關的要素多，數據量大；同時因自動駕駛實時性要求，因此必須提高要素查詢效率。本文采用改進的四叉樹查詢方法，查詢流程如圖3所示。

圖3 要素查詢流程圖

首先獲取車輛實時位置，通過查詢客戶端查詢緩沖區范圍內的交通要素，然后將查詢結果返回給客戶端，最后客戶端將返回結果進行分類，包括交通標線、交通標識標牌等交通要素。

3.3 空間分析輔助決策

道路外部環境錯綜復雜，使用高精度導航地圖輔助查詢能有效減小計算機計算壓力，將更多計算資源用于除道路情況外的動態環境感知，如車輛、行人、障礙物等，提高傳感器識別準確率和增加決策可靠度。輔助決策流程如圖4所示。

圖4 輔助決策流程

車輛范圍與交通標線進行碰撞檢測，將檢測結果返回給決策系統，決策系統根據標線類型(虛線、實線等)、車輛動態環境感知結果綜合分析決策，決定車輛是進行變道還是糾正方向。其偽代碼如圖5所示。

圖5 線路糾偏偽代碼

圖6 標識標牌輔助識別偽代碼

根據查詢到的標志標牌等要素位置，使用傳感器有目的地進行識別分析提取，進而進行決策。其偽代碼如圖6所示。

4 實驗與結果分析

本實驗在中國汽車工程研究院有限公司(重慶禮嘉)測試場地進行，實驗場高精度導航地圖數據采用重慶數字城市科技有限公司與重慶市勘測院聯合研制的吉信移動測量系統(DCQ-MMS-X3)采集制作而成，部分數據如圖7所示。數據查詢頻率 100 Hz。

圖7 高精度導航地圖數據

車輛在左側道路開始行駛，實驗過程中，在實驗場地中人工設置障礙物模擬真實道路環境，通過對比無高精度導航地圖的環境下與有高精度導航地圖環境下自動駕駛車的行為來說明可靠性。結果如表1所示。

由表1可知，使用高精度導航地圖輔助決策能夠提高動態環境下自動駕駛車的適應性、可靠度。

車輛在不同的車道上行駛，使用同一套訓練集，對車道上標識、標牌的識別速度和準確率(包括類型和語義)進行統計，如表2所示：

由表2可看出，使用高精度導航地圖能精確提供標識標牌位置，減少檢索范圍，對標識、標牌的識別效率和準確率更高。

5 結 語

本文提出一種基于高精度導航地圖的自動駕駛輔助決策方法。利用移動測量系統采集道路網數據，制作高精度導航地圖；使用測試車慣導和實時差分定位數據計算車輛范圍；使用空間查詢，實時查詢車輛緩沖區范圍內的地圖要素；利用碰撞檢測及時糾正車輛行駛方向以及提供輔助分析決策信息。實驗結果表明該方法能夠有效減小計算機計算壓力，提高傳感器識別準確率和效率以及增加決策可靠度。