第4章
高精地圖與定位傳感器建模技術

侯濤1
（北京五一視界數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、數據維度更多的電子地圖。一方面，高精地圖的絕對坐標精度更高，達到厘米級的絕對精度；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致，與普通導航電子地圖相比，高精地圖不僅有準確的坐標，還能準確地描繪道路形狀、車道線、車道中心線和交通標志、車道限速、道路材質等。

有人認為高精地圖有四大特點[1]。第一，高精地圖是服務于機器的。高精地圖不需要給人看，它是服務于人工智能、服務于機器視覺的。第二，高精地圖可改變尺度。在不同的應用場景下，對于不同的車輛，高精地圖的精度需求是可變的。第三，高精地圖是動態和多維的。高精地圖在服務于自動駕駛時，對數據的精度和內容的需求都是變化的，并且移動車輛周圍的地物和環境是按照不同的時間單位變化的。第四，高精地圖的很多內容信息具有非測量性。

有人認為應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信息，也包含道路兩邊的附屬設施。更重要的是，高精地圖提供車道級別的動態信息。這種地圖的優勢在于既能支持視覺的定位技術，也能支持激光雷達和毫米波雷達定位的技術。”[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

傳統地圖的匹配依賴于GPS定位，定位準確性取決于GPS的精度、信號強弱及定位傳感器的誤差。高精地圖相對于傳統地圖有著更多維度的數據，如道路和車道的形狀、坡度、曲率、橫坡角等。通過高維數據結合對應的匹配算法，高精地圖能夠實現更高尺度的定位與匹配。

4.1.2　功能2：輔助環境感知

通過對高精地圖信息的提取，可以將車輛位置周邊的道路、交通、基礎設施等對象及其之間的關系提取出來，依此提高車輛對周圍環境的判別能力。相比傳統硬件傳感器（雷達、激光雷達或攝像頭），在檢測靜態物體方面，高精地圖具有的優勢包括：各方向都可以實現較廣的范圍；不受環境、障礙或干擾的影響；可以“檢測”所有的靜態物體；不占用過多的處理能力；保存待檢測物體的邏輯關系。

4.1.3　功能3：路徑規劃

高精地圖的規劃能力到達了車道級別。傳統導航地圖的路徑規劃功能往往基于最短路算法，并結合路況為駕駛員提供最快/短的道路級別路徑。但高精地圖在道路和車道屬性信息、幾何信息及標識物信息、障礙物信息等基礎上，可精確完成點到點的車道級別路徑規劃。

在自動駕駛應用中，結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據中的哪條道路的哪條車道上及其在車道上的準確位置。

定位傳感器通常包括GNSS（全球導航衛星系統）傳感器、IMU（慣性測量單元）傳感器和視覺傳感器。GNSS傳感器使用衛星定位模塊，通過接收太空中的衛星信號，多星交會，完成當前位置定位。IMU傳感器包括陀螺儀和加速度計。陀螺儀可測量物體三軸的角速率，用于計算載體姿態；加速度計可測量物體三軸的線加速度，用于計算載體速度和位置。IMU傳感器的優點是不要求通視，定位范圍為全場景；缺點是定位精度不高，且誤差隨時間發散。視覺傳感器是利用攝像頭提供的視覺信息進行定位的，雖然會受到光照、天氣影響，但是成本低、內容豐富，是目前輔助駕駛方案主要數據源，在地圖定位方面也具有很大潛力。目前，實踐中最常用的視覺定位算法為基于特征點的全局定位算法，利用已建的地圖，匹配歷史中最相似的地圖子集（圖像/點云/特征點），根據匹配到的地圖子集所提供的歷史位姿真值、特征點坐標真值，計算點對間的變換矩陣，求解當前位置和姿態。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的定位技術。