智能网联汽车概论-领域三 智能网联汽车定位与导航

智能网联汽车概论智能网联汽车

定位与导航PART3高精地图在自动驾驶系统中扮演着重要的角色，为定位、环境感知和驾驶规划提供关键支持。在环境感知方面，高精地图能够提供大量有效的静态环境信息以及部分动态环境信息，为自动驾驶控制器节省算力并进行实时计算。在定位方面，高精地图结合GPS、北斗等全球卫星导航方式，帮助无人驾驶汽车精确地找到自己在地图上的位置。而在驾驶规划方面，由于高精地图包含实时、高精度的交通信息，可精确协助自动驾驶系统进行驾驶规划。定位技术对于无人驾驶汽车至关重要，它需要在全球高精度地图上准确找到车辆的位置。情景导入为实现无人驾驶汽车定位，有多种常见的定位方法，如GNSS-RTK、惯性导航、LiDAR定位和视觉定位。这些方法共同协作，确保无人驾驶汽车在复杂的道路环境中能够精确地找到自己在高精度地图上的位置，从而实现安全、高效的自动驾驶。智能网联汽车的定位与导航技术不仅关乎车辆的安全和效率，也关乎国家的战略和安全。我国在北斗卫星导航系统的建设和应用方面取得了举世瞩目的成就，为智能网联汽车的发展提供了强大的支撑。我国也在不断加强智能网联汽车的标准化、规范化和国际化工作，推动智能网联汽车技术的创新和发展。情景导入任务描述高精地图实际是一种数字地图，用各种细节级别来表示对于世界的抽象。比如当对道路进行建模时，需要以不同的曲线表示无岔路的直道，而以连接点的方式来表示岔路节点，而以各种不同的连线及节点组合一起构成道路网络的拓扑结构，随后在利用世界坐标系进行坐标定位。学习单元一高精度地图一、高精度地图的定义高精地图即具有高精确度的地图，一般需达到厘米级精确度，包含道路信息、交通标识、障碍物等静态信息及行人、车辆、交通路况、天气等动态信息。高精地图主要应用于自动驾驶和辅助驾驶领域，帮助车辆准确识别道路信息，从而做出正确、适当的驾驶行为。

1.高精度地图的由来地图经历了四种主要的演变形式，从最初的纸质地图逐渐发展到高精度地图，如图3-1；高精度地图比普通电子地图更准确，更新更快，涵盖的信息范围更广，但收集数据更复杂。2.高精度地图与传统地图的差异随着自动驾驶等级的升高，其对高精度地图的要求也就更高，如表3-1。

3.高精度地图的三大功能高精度地图主要有以下三大功能：地图匹配、辅助环境感知和路径规划。高精度地图可以将车辆位置精准的定位于车道之上、帮助车辆获取更为准确有效全面的当前位置交通状况并为无人车规划制定最优路线。

(１)地图匹配(２)辅助环境感知(３)路径规划二、传感器的局限性与高精度地图的互补性1.传感器的局限性（1）检测范围受限传感器的探测距离如表3-3所示。特斯拉采用的是视觉为主的环境方案，其检测距离如表3-4所示。（2）感知缺陷（3）先验信息缺失2.高精度地图的互补性（1）更好的辅助自动驾驶（2）提升感知算法效率（3）静态对象识别三、高精度地图采集以国外高精度地图企业Here的地图测绘车设备为例，该地图测绘车车顶安装的设备包括：四个广角的24兆像素摄像头，旋转式的激光雷达（扫描周围300英尺范围内每个目标上的700，000个点）、陀螺仪（计算间距）和GPS系统。车底部有一个50磅重的盒子，里面连接着一个1TB的硬盘用于储存数据，一台运行着分析软件的平板电脑，还有一组用于供电的12V电源。国内来看，百度的高精度地图采集车的传感器配置情况为：最顶部的32线激光雷达、三个360°全景摄像头、一个前置的工业摄像头、一个包含IMU和GPS装置的组合式导航系统以及一个GPS天线。

1.高精度地图采集设备

（7）ADAS地图采集车（3）IMU（惯性测量单元，陀螺仪）（5）轮测距器（8）HAD高精度地图采集车（6）高精度地图采集车（2）Camera（摄像头）（4）GPS（全球定位系统）（1）LiDAR（激光雷达）2.高精度地图采集流程(图３-２)

（1）数据采集（2）数据处理（3）元素识别（4）人工验证学习小结1.高精地图即具有高精确度的地图，一般需达到厘米级精确度，包含道路信息、交通标识、障碍物等静态信息及行人、车辆、交通路况、天气等动态信息。2.高精度地图可以分为两个层级：静态高精度地图和动态高精度地图。3.高精度地图的高精度体现在两个方面。一是高精度地图的绝对坐标精度更高，地图上某个目标和真实世界的事物之间的精度更高；二是高精度地图所含有的道路交通信息元素更丰富和细致。4.高精度地图主要有以下三大功能：地图匹配、辅助环境感知和路径规划。5.高精度地图：最稳定的传感器。高精度地图是最稳定的传感器，也是视觉范围最大的传感器。高精度地图可以提供其他传感器很多抽象的信息。6.从当前高精度地图采集设备发展情况来看，其实采集设备的主要核心是摄像头、毫米波雷达和LiDAR（激光雷达）。知识巩固知识巩固学习单元二智能网联汽车的定位技术

对于无人驾驶汽车来说，准确、可靠地获取汽车的位置、姿态和其他定位信息，是无人驾驶汽车导航的前提和基础、是无人驾驶汽车导航的先决条件和基础。无人驾驶汽车需要高可靠性和安全性的定位技术，并且对定位精度的要求达到厘米级。然而，使用普通的导航地图和卫星定位很难满足其需求。因此，新的定位技术，如高精度地图、多传感技术融合定位技术，和无线通信辅助定位已成为无人驾驶汽车定位技术的发展趋势。一、卫星定位系统

卫星定位系统也叫全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是获取车辆位置和行人位置数据的一个重要手段，是实现自动驾驶的一个关键技术，可用于实时车辆环境感知地图的创建、高精度地图的制作和自动驾驶决策子系统的路径规划、行为决策和运动规划。目前全球有四大卫星导航系统，分别为美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GLONASS）、中国的北斗卫星导航系统（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）与欧盟的伽利略卫星导航系统（GalileoSatelliteNavigationSystem，GALILEO）。1.卫星定位原理

GPS定位系统是利用卫星基本三角定位原理、GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来测量距离。由每颗卫星的所在位置，测量每颗卫星至接受器间距离，便可以算出接受器所在位置的三维空间坐标值。使用者只要利用接受装置接收到3个卫星信号，就可以定出使用者所在的位置。在实际应用中，GPS接受装置都是利用4个以上卫星信号，来定位出使用者所在之位置及高度。三角定位的工作原理如下：2.GPS的组成GPS由三部分组成：

（1）卫星（2）控制站（3）GPS接收器3.北斗系统北斗卫星导航系统（BDS，BeidouNavigationSatelliteSystem）是中华人民共和国自主研发、建设与运营的全球卫星导航系统。北斗系统是中国在国际上展现高技术实力、提升国家综合实力的重要标志之一，彰显了中国在全球卫星导航领域的重要地位。北斗系统在国民经济、国防建设、国家安全等领域具有重大意义。在社会主义核心价值观的指导下，北斗系统不断发展壮大，为中国人民谋福祉，为世界和平与发展作出贡献。北斗系统分为三个阶段进行建设，如图3-4所示。二、惯性导航定位系统

惯性导航定位系统（InertialNavigationSystem）是通过测量加速度来解算运载体位置信息的自主导航定位方法，该方法不向外部辐射能量、不依赖于外部信息，因而具备不与外界交互而自主独立工作的能力。惯性导航系统能实时、准确地测量位置、加速度及转动量（角度、角速度）等信息，是唯一可输出完备六自由度数据的设备。1.惯性导航系统的构成

“全球导航卫星系统（GNSS）+惯性测量单元（IMU）”是最常见的惯性导航组合方案，如图3-5和3-6所示。2.惯性导航系统工作原理

惯性导航系统以牛顿力学定律为基础，利用IMU测量载体的比力及角速度信息，结合给定的初始运动条件，与GNSS等系统进行信息融合，从而实时推算速度、位置、姿态等参数。基于该技术的惯性导航系统可装备于运载体（如飞机、船舶、汽车、无人机等）并用于实现导航定位，系统通过连续测得运载体角速度和线速度并进行积分运算即可连续、实时预测运载体的当前位置。IMU是融合了陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器的多轴组合，如图3-7所示。3.惯性导航系统的核心部件

加速度计及陀螺仪等惯性传感器为惯性导航系统的核心器件（以MEMS惯性导航为例，两者成本占比约50%），分别用于测量运载体的加速度和角速度，对系统精度起决定性作用，如图3-8所示。(１)加速度计作用分析(２)陀螺仪作用分析4.惯性导航陀螺仪定义与分类

目前自动驾驶常用的惯性测量单元（IMU），如图3-9所示，按照精度分可以为两类：第一类是基于光纤陀螺（FOG）的IMU，第二类是基于微机电系统（MEMS）器件的IMU。三、地图匹配定位系统

无论是卫星定位(GNSS)还是惯性导航定位(INS)，自动驾驶定位系统的误差都不可避免，定位结果通常偏离实际位置。引入地图匹配可以有效消除系统随机误差，校正传感器参数，弥补在城市高楼区、林荫区、立交桥、隧道中长时间GNSS定位失效而INS误差急剧增大的定位真空期。1.地图匹配定位技术原理2.地图匹配定位误差分析（1）路况引起的误差（2）传感器误差（3）高精度地图误差（4）算法误差四、多传感器融合定位

多传感器数据融合是20世纪80年代出现的一门新兴学科，它是将不同传感器对某一目标或环境特征描述的信息融合成统一的特征表达信息及其处理的过程。1.多传感器融合简述2.多传感器的配准（1）时间配准（2）空间配准3.多传感器融合误差分析五、Apollo定位方法系统主要采用了三种定位方式，如图3-13：（1）基于信号的定位它的代表就是GNSS，其实就是全球导航卫星系统；（2）航迹推算依靠IMU等，根据上一时刻的位置和方位推断现在的位置和方位；（3）环境特征匹配基于Lidar的定位，用观测到的特征和数据库里的特征和存储的特征进行匹配，得到现在车的位置和姿态。4．IMU坐标系2．导航坐标系1．车辆坐标系3．惯性坐标系5．激光雷达坐标系学习小结1.卫星定位系统通过三角测量原理定位，其包含控制台、卫星、接收器三个主要组成部分。2.卫星定位系统通过RTK（实时运动定位）减小误差，将定位误差限定在10厘米以内。3.卫星定位系统（GNSS）相比于惯性导航系统（INS）的优点为长期精度高，成本低，缺点为数据输出频率低、短期精度低、抗干扰性差。4.GNSS+INS系统两者结合可实现应用场景和定位精度的互