高精度地圖定位在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要 當(dāng)前自動(dòng)駕駛是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)和高科技企業(yè)熱門(mén)的研究主題，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，在相關(guān)法律法規(guī)允許的前提下已經(jīng)可以進(jìn)行量產(chǎn)。高精度地圖定位是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，文章通過(guò)闡述自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、高精度地圖定位系統(tǒng)的概念，提出高精度地圖定位提供前方道路信息和傳感器作用、地理圍欄判定和相關(guān)指令兩項(xiàng)高精度地圖定位在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高精度地圖定位;自動(dòng)駕駛系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0016-03

引言

隨著人們生活水平的提升，汽車(chē)已經(jīng)成為基本的出行方式之一，汽車(chē)的保有量越來(lái)越高，各大車(chē)企和相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者提出自動(dòng)駕駛的概念。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研究過(guò)程中，傳統(tǒng)地圖精度不足、定位準(zhǔn)確性較低、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新頻率較低等缺陷限制了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的發(fā)展，由此提出高精度地圖定位來(lái)解決自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的地圖應(yīng)用需求，將高精度地圖定位應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)后，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的控制能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，自動(dòng)駕駛的安全等級(jí)顯著提升。自動(dòng)駕駛技術(shù)是全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)一致認(rèn)為的未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展方向，高精度地圖定位在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用，可以為自動(dòng)駕駛在社會(huì)層面加速應(yīng)用進(jìn)行賦能。

1 自動(dòng)駕駛和高精度地圖定位系統(tǒng)概述

1.1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)由自動(dòng)駕駛控制器、傳感器感知系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、車(chē)載供電系統(tǒng)等組成，均是目前比較前沿的高科技技術(shù)[1]。經(jīng)過(guò)持續(xù)的研究和國(guó)內(nèi)外工程師的努力，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，國(guó)際自動(dòng)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)將汽車(chē)駕駛自動(dòng)化水平進(jìn)行詳細(xì)分級(jí)，汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)如表1所示。

汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為L(zhǎng)0～L5五級(jí)，從完全駕駛員控制駕駛到完全系統(tǒng)控制駕駛，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的主流研究方向分為兩類(lèi)：

1.1.1 應(yīng)用于高速公路的L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是當(dāng)前車(chē)企研究自動(dòng)駕駛的主要研發(fā)方向，主要針對(duì)高速公路路況單一、駕駛環(huán)境相對(duì)封閉、道路的坡度和寬度有統(tǒng)一規(guī)定等特點(diǎn)，更容易保證自動(dòng)駕駛的安全性和應(yīng)用性[2]。L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)屬于有條件的自動(dòng)駕駛，當(dāng)L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)接管車(chē)輛控制權(quán)時(shí)，需要駕駛員授權(quán)。L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，例如2017年奧迪就宣布應(yīng)用于高速公路場(chǎng)景的L3級(jí)自動(dòng)駕駛Traffic Jam Pilot，行駛速度最高可達(dá)60 km/h。

1.1.2 應(yīng)用于城郊固定區(qū)域的L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)屬于高度自動(dòng)駕駛，即在指定環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛，不需要駕駛員進(jìn)行操控，遇到特殊情況和緊急情況可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立解決，對(duì)系統(tǒng)的智能化程度要求更高，相比于L3級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的駕駛情況，但行駛速度較低[3]。當(dāng)前L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)研發(fā)水平較高的企業(yè)有谷歌、百度、福特等，其中谷歌應(yīng)用L4級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)車(chē)測(cè)試?yán)锍桃堰_(dá)

56 327.04萬(wàn)km。

1.2 高精度地圖定位系統(tǒng)

高精度地圖定位系統(tǒng)由高精度地圖和高精度定位兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合形成，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)，高精度地圖和高精度定位在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中工作的基本原理如圖1所示，根據(jù)工作原理圖可以得知高精度地圖和高精度定位對(duì)提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可靠性、安全性具有巨大意義，該文根據(jù)高精度地圖技術(shù)和高精定位技術(shù)在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)分別進(jìn)行闡述：

1.2.1 高精度地圖技術(shù)

高精度地圖的概念最早由美國(guó)提出，包括Mapbox、Ushr、福特汽車(chē)、通用汽車(chē)等企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，后通過(guò)日本政企聯(lián)合成立Dynamic Map Planning公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，目前我國(guó)對(duì)高精度地圖技術(shù)完成度較高的企業(yè)有高德地圖、百度、四維圖新等[4]。高精度地圖與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖存在主要區(qū)別的技術(shù)特征在于更高級(jí)別的幾何精度，絕對(duì)精度可以達(dá)到5～20 cm之間，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車(chē)輛定位誤差的有效控制;更加豐富的屬性信息和語(yǔ)義信息，傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖通常采用2D地圖，高精度地圖采用3D地圖，能夠更加詳細(xì)地顯示道路限制信息、車(chē)道信息、靜態(tài)道路元素等自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息;更強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性，高精地圖的頻率更新速度最高可以達(dá)到以秒為單位實(shí)時(shí)更新，即時(shí)性更強(qiáng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和高度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)駕駛車(chē)輛在行駛過(guò)程中應(yīng)對(duì)不同級(jí)別的突發(fā)情況。

1.2.2 高精度定位技術(shù)

傳統(tǒng)定位技術(shù)由于衛(wèi)星星歷存在誤差、電離層和對(duì)流層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生消耗、多路徑傳輸消耗、接受設(shè)備精準(zhǔn)程度的因素的影響，精度基本在4～12 m之內(nèi)，可以滿(mǎn)足普通定位需求，但自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)于定位精度要求在20～50 cm之內(nèi)，需要精確度更高的高精度定位技術(shù)[5]。目前主要提升精度的方法是使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)可以通過(guò)直接對(duì)車(chē)輛定位信息算法的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位，在指定的場(chǎng)景下可以將定位精度縮小至10 cm，不過(guò)單獨(dú)使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)在自動(dòng)駕駛行駛過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)傳輸信息滯后的現(xiàn)象，需要車(chē)輛裝載前置攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等設(shè)備配合，實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛需求的高精度定位的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛前方車(chē)道線(xiàn)、障礙物、交通標(biāo)志等道路上主體的識(shí)別，進(jìn)一步提升自動(dòng)駕駛的安全性。

2 高精度地圖定位在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 提供前方道路信息和傳感器作用

高精度地圖定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將自動(dòng)駕駛需求的道路要素實(shí)時(shí)傳送到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)內(nèi)，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)道路信息判斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)展開(kāi)的動(dòng)作進(jìn)行控制，高精度地圖可以實(shí)現(xiàn)四類(lèi)數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，具體分為：持續(xù)靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1個(gè)月，針對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)、定位數(shù)據(jù)等因素）、瞬時(shí)靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 h，針對(duì)路側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施的信息）、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 min，針對(duì)紅綠燈的相位、交通擁堵等路況信息）、高度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 s，針對(duì)車(chē)輛、行人等交通參與者）[6]?？梢詫?shí)現(xiàn)從高頻到低頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示道路不同因素，具體道路因素如表2所示。例如在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，前方經(jīng)過(guò)分岔路口，高精度地圖定位系統(tǒng)會(huì)將前方分岔路口的不同道路信息傳送至自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，使自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提前獲知前方道路信息，實(shí)現(xiàn)行駛問(wèn)題的前置化、決策指令的及時(shí)性。高精度地圖定位系統(tǒng)可以起到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)外部傳感器的作用，具有極強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，在遭遇不確定因素影響、車(chē)載傳感器作用受到限制時(shí)，高精度地圖定位系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)前方路況高精度的探測(cè)和實(shí)時(shí)傳送，達(dá)到傳感器的檢測(cè)效果，增強(qiáng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性，降低車(chē)載硬件設(shè)施對(duì)行駛的影響，其主要作用場(chǎng)景包括：E1D95BC9-9586-4421-9904-D3C99C4F49C0

（1）自動(dòng)駕駛過(guò)程中遭遇強(qiáng)降雨、暴雪、大霧等極端惡劣天氣，受溫度、風(fēng)沙等因素的影響，車(chē)載傳感器可能會(huì)出現(xiàn)失靈現(xiàn)象。

（2）車(chē)載攝像頭、毫米波雷達(dá)、夜視設(shè)備遭到人為破壞導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行工作時(shí)。

（3）車(chē)載攝像頭、毫米波雷達(dá)、夜視設(shè)備被前車(chē)遮擋導(dǎo)致探測(cè)出現(xiàn)較大誤差時(shí)。

2.2 地理圍欄判定和相關(guān)指令

自動(dòng)駕駛車(chē)輛在相關(guān)法律法規(guī)和自動(dòng)駕駛技術(shù)的限制下，需要在指定的地理圍欄范圍內(nèi)行駛，地理圍欄的判定基于高精度地圖定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，分為道路級(jí)和車(chē)道級(jí)地理圍欄兩類(lèi)，其中車(chē)道級(jí)的精確度、完整性需求更高[7]，具體如表3所示，該文選取具有代表性的集中地理圍欄進(jìn)行闡述。

2.2.1 地理圍欄1：自動(dòng)駕駛未開(kāi)放區(qū)域

當(dāng)前的自動(dòng)駕駛技術(shù)尚未完全成熟，需要在指定的區(qū)域進(jìn)行使用，受到相關(guān)法律法規(guī)和具體路況的影響，部分區(qū)域不滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛車(chē)輛的行駛條件，使用地理圍欄進(jìn)行區(qū)分，自動(dòng)駕駛車(chē)輛無(wú)法獲得未開(kāi)放地區(qū)的路況信息，強(qiáng)行駛?cè)胛撮_(kāi)放地區(qū)會(huì)受到系統(tǒng)警告或強(qiáng)制制動(dòng)。

2.2.2 地理圍欄3：車(chē)道級(jí)直連匝道區(qū)域

由于車(chē)道級(jí)直連匝道區(qū)域的道路曲率較大，個(gè)別直連匝道還會(huì)出現(xiàn)與主干道分離的情況，為保證自動(dòng)駕駛的安全性，高精度地圖定位系統(tǒng)通常將匝道區(qū)域劃分到地理圍欄之外，有駕駛員控制車(chē)輛通過(guò)匝道，若駕駛員未提前接管車(chē)輛控制，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行強(qiáng)制制動(dòng)。

2.2.3 地理圍欄5：收費(fèi)站區(qū)域

由于收費(fèi)站區(qū)域的車(chē)輛相對(duì)密集、車(chē)道線(xiàn)復(fù)雜、可能會(huì)出現(xiàn)其他車(chē)輛加塞現(xiàn)象，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)完全智能化應(yīng)對(duì)，出現(xiàn)交通事故的風(fēng)險(xiǎn)概率較高，高精度地圖定位系統(tǒng)通常將收費(fèi)站區(qū)域劃分到地理圍欄之外。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在判斷前方是收費(fèi)站信息后會(huì)提醒駕駛員接管車(chē)輛控制權(quán)，保證行駛的連貫性。

2.2.4 地理圍欄9：緊急車(chē)道區(qū)域

我國(guó)交通法明確規(guī)定緊急車(chē)道不允許行車(chē)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)輸入國(guó)家交通法規(guī)數(shù)據(jù)，利用地理圍欄將緊急車(chē)道或其他交通法規(guī)不允許的區(qū)域與自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行隔離，自動(dòng)駕駛車(chē)輛無(wú)法進(jìn)入違規(guī)地區(qū)，強(qiáng)行駛?cè)霑?huì)進(jìn)行緊急制動(dòng)，若自動(dòng)駕駛過(guò)程出現(xiàn)緊急情況需要利用緊急車(chē)道進(jìn)行緊急避險(xiǎn)，需要駕駛員提前接管車(chē)輛控制權(quán)，進(jìn)入駕駛員完全控制模式，才能進(jìn)入緊急車(chē)道。

3 總結(jié)

綜上所述，高精度地圖定位是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)重要的組成部分，對(duì)自動(dòng)駕駛的安全性、精度、可靠性具有重要的影響。首先自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要高精度地圖定位的準(zhǔn)確衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的探測(cè)作用和基本位置信息的掌握;其次高精度地圖定位可以實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)駕駛過(guò)程中可靠性的有效提升，在經(jīng)歷不可控因素對(duì)車(chē)載傳感器造成破壞時(shí)代替車(chē)載傳感器進(jìn)行工作;最后高精度地圖定位是建設(shè)地理圍欄的核心技術(shù)，普通的地圖和定位難以實(shí)現(xiàn)建設(shè)地理圍欄的精確性。

參考文獻(xiàn)

[1]姚海敏， 陳建華. 基于高精度地圖及多傳感器融合定位的車(chē)路協(xié)同應(yīng)用實(shí)踐[J/OL]. 測(cè)繪地理信息： 1-7[2022-04-01].

[2]馮紹權(quán). 基于GNSS/INS/LiDAR-SLAM的高精度地圖構(gòu)建與定位技術(shù)研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)， 2020.

[3]王一文， 錢(qián)闖， 唐健， 等. 預(yù)建高精度地圖的封閉區(qū)域UGV自動(dòng)駕駛導(dǎo)航定位[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2020（1）： 21-25.

[4]劉峰. 高精度慣性定位定向/地圖信息匹配導(dǎo)航技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)， 2019.

[5]曾凡坤. 基于數(shù)字地圖的移動(dòng)端高精度定位技術(shù)研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2019（4）： 114-116.

[6]尚小輝. 適配自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的整車(chē)控制器接口軟件設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電技術(shù)， 2022（1）： 71-74.

[7]王瀟屹， 李俊成， 馬雪寒. 自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知系統(tǒng)測(cè)試用例構(gòu)建方法研究[J]. 質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化， 2022（1）： 51-54.

收稿日期：2022-04-12

作者簡(jiǎn)介：程修遠(yuǎn)（1979—），男，碩士研究生，研究方向：人工智能、自動(dòng)駕駛、車(chē)路協(xié)同、高精度地圖。E1D95BC9-9586-4421-9904-D3C99C4F49C0