王建培,李必軍,張紅娟,張 萍
(武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430079)
地圖匹配是對(duì)偏離地圖上的軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正,使其重新定位到正確道路上的過(guò)程[1]。傳統(tǒng)的幾何地圖匹配算法主要分為三大類(lèi):軌跡點(diǎn)到道路節(jié)點(diǎn)的匹配、軌跡點(diǎn)到道路矢量線的匹配、軌跡點(diǎn)連線到道路矢量線的匹配。道路交叉口是路網(wǎng)中最復(fù)雜的情況,道路密度大且連接復(fù)雜,傳統(tǒng)的地圖匹配算法把它當(dāng)作普通道路處理,極有可能造成誤匹配、不匹配、匹配精度低等問(wèn)題。因此道路交叉口處的匹配也是地圖匹配的難點(diǎn)[2]。此外,傳統(tǒng)的地圖匹配采用常用的投影匹配方法,難以修正車(chē)輛位置沿道路方向的誤差,造成縱向偏移難以修正的問(wèn)題,而縱向偏移的存在大大降低了車(chē)輛的定位精度。
目前無(wú)人駕駛的定位技術(shù)多以GPS/INS組合導(dǎo)航為主,但GPS信號(hào)容易遮擋而丟失[3-4],在城市環(huán)境下,多路徑效應(yīng)影響顯著。因此,本文創(chuàng)新性地提出利用IMU/里程計(jì)組合導(dǎo)航進(jìn)行車(chē)輛的相對(duì)定位,結(jié)合開(kāi)放的OpenStreetMap地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)的地圖匹配,借鑒文獻(xiàn)[5]在道路交叉口利用道路約束的思想進(jìn)行匹配校正,克服了傳統(tǒng)地圖匹配算法路口匹配效果不好的問(wèn)題,同時(shí)修正了縱向誤差。
針對(duì)傳統(tǒng)GPS/INS組合導(dǎo)航中GPS信號(hào)不穩(wěn)定的問(wèn)題,本文利用地圖匹配來(lái)代替GPS,即給出一個(gè)準(zhǔn)確的起始點(diǎn)坐標(biāo),用IMU和里程計(jì)聯(lián)合進(jìn)行位置推算,到達(dá)路口時(shí)再進(jìn)行地圖匹配,消除累計(jì)誤差,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的準(zhǔn)確相對(duì)定位。匹配算法流程如圖1所示。
通過(guò)對(duì)OSM中道路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ISODATA聚類(lèi)得到路口節(jié)點(diǎn)[6],建立以當(dāng)前軌跡點(diǎn)為中心,以R為半徑的圓形緩沖區(qū),當(dāng)有路口節(jié)點(diǎn)落入緩沖區(qū)時(shí),啟動(dòng)路口匹配程序[7]。
(1)
(2)
120°>|yawni-yawnj|>60°
(3)
若對(duì)于節(jié)點(diǎn)N,存在這樣的道路ni和nj,同時(shí)滿(mǎn)足以上3個(gè)條件,則將N作為匹配點(diǎn)對(duì)軌跡點(diǎn)P3進(jìn)行位置修正。
(4)
dx=xN-xP2
(5)
dy=yN-yP2
(6)
本文的測(cè)試場(chǎng)地選在江蘇省常熟市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)福茂路的九宮格測(cè)試區(qū)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)由圖3所示的武漢大學(xué)自動(dòng)駕駛車(chē)“途友號(hào)”完成,該自動(dòng)駕駛車(chē)輛由奇瑞瑞虎7改裝而成,采集數(shù)據(jù)時(shí)車(chē)輛時(shí)速保持在20 km/h左右,慣導(dǎo)采用NovAtel SPAN-CPT,輸出頻率為50 Hz,里程計(jì)輸出頻率為20 Hz。本文的算法采用運(yùn)行在Windows 10操作系統(tǒng)下的C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)CPU為主頻3.6 GHz的i7處理器,內(nèi)存8 GB。采用道格拉斯-普克算法(Douglas-Peukcer)對(duì)軌跡點(diǎn)進(jìn)行抽稀處理,只保留必要的特征點(diǎn)可以有效地提高算法的效率。
通過(guò)ArcGIS Editor for OSM在線獲取OSM地圖后,對(duì)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖匹配。需要分析不同的緩沖區(qū)半徑R及夾角閾值θ對(duì)應(yīng)的查全率。已知組合慣導(dǎo)相對(duì)定位結(jié)果與OSM地圖累積誤差約為50 m,因此可以將緩沖區(qū)半徑R設(shè)為50 m左右。表1對(duì)不同大小的緩沖區(qū)半徑R及夾角閾值θ對(duì)應(yīng)的匹配效果進(jìn)行了分析。
表1 不同的R和θ對(duì)應(yīng)的查全率
通過(guò)表1發(fā)現(xiàn),當(dāng)R為50 m時(shí),查全率最高,繼續(xù)增大R并沒(méi)有意義,因此最合適的搜索半徑R為50 m。當(dāng)R取50 m、θ取40°時(shí),增速達(dá)到最大,若繼續(xù)增大θ反而可能會(huì)增大誤檢的概率,因此θ的最優(yōu)取值為40°。
本次試驗(yàn)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2,當(dāng)R=50 m、θ=40°時(shí),統(tǒng)計(jì)各條軌跡的匹配情況見(jiàn)表3,匹配效果如圖3所示,其中灰色點(diǎn)代表匹配前的點(diǎn),黑色點(diǎn)代表匹配后的點(diǎn)。
表2 數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)表
表3 當(dāng)R=50 m、θ=40°時(shí)各條軌跡的匹配情況
本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,選取合適的R和θ,在保證零誤檢率的基礎(chǔ)上有效降低了漏檢率,達(dá)到了較好的匹配效果。當(dāng)R=50 m、θ=40°時(shí),整體查全率保持在89%左右,基本可以滿(mǎn)足道路交叉口修正的要求。單點(diǎn)平均耗時(shí)為0.11 ms,可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性定位的要求。
傳統(tǒng)的無(wú)人駕駛定位多依賴(lài)GPS,本文采用地圖匹配結(jié)果來(lái)修正累計(jì)誤差,不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)丟失的問(wèn)題,性能穩(wěn)定、可靠度高。同時(shí),在地圖匹配中充分利用道路約束的同時(shí)修正了橫向誤差和縱向誤差,解決了路口難匹配、沿道路方向誤差難以修正等問(wèn)題,并將路口匹配得到的位置修正值實(shí)時(shí)反饋給當(dāng)前位置,使得基于當(dāng)前位置的航位推算位置都能得以修正,僅靠低成本的IMU和里程計(jì)及開(kāi)放的街道地圖即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位的需求,并且只在路口進(jìn)行匹配,效率高,實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
本文算法對(duì)道路交叉口的依賴(lài)性強(qiáng),如果車(chē)輛在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生拐彎,或發(fā)生了拐彎但沒(méi)有滿(mǎn)足判定條件,則車(chē)輛的位置始終難以修正。本文的數(shù)據(jù)由城市道路組成,在以后的研究中如果能充分利用交通規(guī)則限制等信息,將會(huì)大大降低誤匹配的概率。在非城市道路或地勢(shì)起伏比較大的城市道路還可以考慮加入高程信息,構(gòu)成三維地圖等來(lái)輔助地圖匹配,以提高匹配正確率[9]。