第4章
高精地圖與定位傳感器建模技術(shù)

侯濤1
（北京五一視界數(shù)字孿生科技股份有限公司（51WORLD）1）

4.1　引言

高精地圖，通俗來講就是精度更高、數(shù)據(jù)維度更多的電子地圖。一方面，高精地圖的絕對(duì)坐標(biāo)精度更高，達(dá)到厘米級(jí)的絕對(duì)精度；另一方面，高精地圖所含的道路交通信息元素及其屬性更加豐富和細(xì)致，與普通導(dǎo)航電子地圖相比，高精地圖不僅有準(zhǔn)確的坐標(biāo)，還能準(zhǔn)確地描繪道路形狀、車道線、車道中心線和交通標(biāo)志、車道限速、道路材質(zhì)等。

有人認(rèn)為高精地圖有四大特點(diǎn)[1]。第一，高精地圖是服務(wù)于機(jī)器的。高精地圖不需要給人看，它是服務(wù)于人工智能、服務(wù)于機(jī)器視覺的。第二，高精地圖可改變尺度。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)于不同的車輛，高精地圖的精度需求是可變的。第三，高精地圖是動(dòng)態(tài)和多維的。高精地圖在服務(wù)于自動(dòng)駕駛時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的精度和內(nèi)容的需求都是變化的，并且移動(dòng)車輛周圍的地物和環(huán)境是按照不同的時(shí)間單位變化的。第四，高精地圖的很多內(nèi)容信息具有非測(cè)量性。

有人認(rèn)為應(yīng)把高精地圖定義為全語義三維地圖。“高精地圖既包含道路上的車道詳細(xì)信息，也包含道路兩邊的附屬設(shè)施。更重要的是，高精地圖提供車道級(jí)別的動(dòng)態(tài)信息。這種地圖的優(yōu)勢(shì)在于既能支持視覺的定位技術(shù)，也能支持激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)定位的技術(shù)。”[2]高精地圖元素展示參見圖4-1。

通常說來，高精地圖具備三大功能[3]。

4.1.1　功能1：地圖匹配

傳統(tǒng)地圖的匹配依賴于GPS定位，定位準(zhǔn)確性取決于GPS的精度、信號(hào)強(qiáng)弱及定位傳感器的誤差。高精地圖相對(duì)于傳統(tǒng)地圖有著更多維度的數(shù)據(jù)，如道路和車道的形狀、坡度、曲率、橫坡角等。通過高維數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)應(yīng)的匹配算法，高精地圖能夠?qū)崿F(xiàn)更高尺度的定位與匹配。

4.1.2　功能2：輔助環(huán)境感知

通過對(duì)高精地圖信息的提取，可以將車輛位置周邊的道路、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)象及其之間的關(guān)系提取出來，依此提高車輛對(duì)周圍環(huán)境的判別能力。相比傳統(tǒng)硬件傳感器（雷達(dá)、激光雷達(dá)或攝像頭），在檢測(cè)靜態(tài)物體方面，高精地圖具有的優(yōu)勢(shì)包括：各方向都可以實(shí)現(xiàn)較廣的范圍；不受環(huán)境、障礙或干擾的影響；可以“檢測(cè)”所有的靜態(tài)物體；不占用過多的處理能力；保存待檢測(cè)物體的邏輯關(guān)系。

4.1.3　功能3：路徑規(guī)劃

高精地圖的規(guī)劃能力到達(dá)了車道級(jí)別。傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖的路徑規(guī)劃功能往往基于最短路算法，并結(jié)合路況為駕駛員提供最快/短的道路級(jí)別路徑。但高精地圖在道路和車道屬性信息、幾何信息及標(biāo)識(shí)物信息、障礙物信息等基礎(chǔ)上，可精確完成點(diǎn)到點(diǎn)的車道級(jí)別路徑規(guī)劃。

在自動(dòng)駕駛應(yīng)用中，結(jié)合高精地圖和用戶定位傳感器信息，就可推算出用戶位于地圖數(shù)據(jù)中的哪條道路的哪條車道上及其在車道上的準(zhǔn)確位置。

定位傳感器通常包括GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）傳感器、IMU（慣性測(cè)量單元）傳感器和視覺傳感器。GNSS傳感器使用衛(wèi)星定位模塊，通過接收太空中的衛(wèi)星信號(hào)，多星交會(huì)，完成當(dāng)前位置定位。IMU傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)。陀螺儀可測(cè)量物體三軸的角速率，用于計(jì)算載體姿態(tài)；加速度計(jì)可測(cè)量物體三軸的線加速度，用于計(jì)算載體速度和位置。IMU傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不要求通視，定位范圍為全場(chǎng)景；缺點(diǎn)是定位精度不高，且誤差隨時(shí)間發(fā)散。視覺傳感器是利用攝像頭提供的視覺信息進(jìn)行定位的，雖然會(huì)受到光照、天氣影響，但是成本低、內(nèi)容豐富，是目前輔助駕駛方案主要數(shù)據(jù)源，在地圖定位方面也具有很大潛力。目前，實(shí)踐中最常用的視覺定位算法為基于特征點(diǎn)的全局定位算法，利用已建的地圖，匹配歷史中最相似的地圖子集（圖像/點(diǎn)云/特征點(diǎn)），根據(jù)匹配到的地圖子集所提供的歷史位姿真值、特征點(diǎn)坐標(biāo)真值，計(jì)算點(diǎn)對(duì)間的變換矩陣，求解當(dāng)前位置和姿態(tài)。總體說來，沒有哪種傳感器方案是完美的，GNSS傳感器、IMU傳感器和視覺傳感器是互補(bǔ)的定位技術(shù)。