汽车智能技术与应用 课件 第7章 汽车导航与高精地图

汽车智能技术与应用第七章 汽车导航与高精地图学习目标能够说出汽车导航技术的类型与卫星导航定位方法能够解释惯性导航系统结构类型与导航原理能够解释卡尔曼滤波器惯性导航系统能够掌握车载GPS导航系统结构组成与常见故障处理方法能够知道高精度地图技术原理与生产的方法3707.1 基于卫星定位技术的导航系统7.1.1

汽车导航技术的类型定位功能是车载终端的基本功能之一，是为用户提供导航定位信息服务的基础，汽车定位与导航技术主要有卫星定位技术、独立定位技术、无线电定位技术、视觉感知定位技术、组合定位技术等。57.1.1

汽车导航技术的类型►1.

卫星定位技术全球导航卫星系统（GNSS）是指美国GPS、俄罗斯GlONASS、欧洲伽利略、中国北斗等全球、区域和增强型导航系统以及相关的增强型系统。其中，GPS导航系统分为开环导航系统和闭环导航系统。卫星定位成本较低但精度也较低，约10米左右。基于基地站增强的卫星定位精度高，可达厘米级，但成本较高。因此，卫星定位只适应于室外无遮挡的环境。请说说GPS开环导航系统的技术特征有哪些？请说说GPS闭环导航系统的技术特征有哪些？由于使用美国GPS会影响国家安全，中国目前使用自研的北斗定位导航系统。6►参考：北斗定位导航系统架构空间段：包括

5

颗静止轨道卫星和

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颗非静止轨道卫星地面段：包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站用户段：由北斗用户终端以及与GPS等其他卫星导航系统兼容的终端组成。77.1.1

汽车导航技术的类型►2.独立定位技术独立定位也称为自主定位或惯性导航。主要依靠惯性传感器（里程表、陀螺仪、加速度计、电子罗盘等）来获取车辆的位移和航向信息。根据使用的不同传感器可以分为基于里程计的航迹估计系统、基于惯性传感器的航迹估计系统。独立定位易受产品成本影响，成本越高精度越高。在应用中可以形成相对定位精度，但有时间累积误差。请说说基于里程计的航迹估计系统的技术特征有哪些？请说说基于惯性传感器的航迹估计系统的技术特征有哪些？87.1.1

汽车导航技术的类型►3.无线电定位技术请说说无线电定位技术的技术特征有哪些？97.1.1

汽车导航技术的类型►4.传感器感知定位技术根据不同的定位原理，将传感器感知定位技术分为基于信标检测的车辆定位、基于场景图像匹配的车辆定位和基于视觉里程表的车辆定位。传感器感知定位技术在应用中定位精度高，可达厘米级，常用的的传感器主要包括视觉传感器、毫米波雷达以及激光雷达等。但是定位成本也较高，尤其是激光雷达，需要采集地图且定期更新地图。请说说基于信标检测的车辆定位方法的技术特征有哪些？请说说基于场景图像匹配的车辆定位方法的技术特征有哪些？请说说基于视觉里程表的车辆定位方法的技术特征有哪些？107.1.1

汽车导航技术的类型►5.组合定位技术请说说组合定位技术的技术特征有哪些？117.1.2

卫星通讯与定位方法卫星定位系统是利用卫星精确定位某物的技术。从最初定位精度较低，无法实时定位，难以提供及时的导航服务，到目前高精度GPS全球定位系统在任何时间、任何地点，都可以同时观测到4颗卫星，以实现导航、定位，定时和其他功能。卫星定位可用于引导飞机、船舶、车辆和个人安全、准确地沿着选定的路线按时到达目的地。127.1.2

卫星通讯与定位方法卫星导航系统一般由三部分组成：中央控制系统、导航卫星和用户卫星信号接收机。卫星定位技术是指卫星导航中心控制系统采用特定的定位算法，根据三者之间无线信号传输的时延，计算出用户信号接收器与导航卫星之间的相对位置（位置和高度已知）。GIS系统（或数字地形图）确定用户卫星信号接收机的三维坐标。137.1.2

卫星通讯与定位方法►北斗导航系统应用案例147.1.2

卫星通讯与定位方法►1.卫星通信信号码卫星信号包括三个信号分量：载波、测距码和数据码。时钟频率f0=10.23兆赫，使用频率合成器生成所需频率。GPS卫星信号发射信号由载波、测距码和导航信息三部分组成。157.1.2

卫星通讯与定位方法►（1）测距码，请详细说明观测方程（参考）167.1.2

卫星通讯与定位方法►（2）导航信息，请详细说明177.1.2

卫星通讯与定位方法►2.卫星定位方法187.1.2

卫星通讯与定位方法►请说出车辆的定位原理197.1.2

卫星通讯与定位方法根据卫星定位方法，其技术可分为三类：静态定位和动态定位、绝对定位和相对定位、差分定位和组合定位。绝对定位是指利用GPS、双天线以及卫星在地球上的绝对位置和航向信息。相对定位是指根据车辆的初始姿态，通过惯性导航、里程表等传感器获取加速度和角加速度信息，并将其与时间积分，得到相对于初始姿态的当前姿态信息。组合定位是指将绝对定位和相对定位相结合，弥补单一定位方法的不足。207.1.2

卫星通讯与定位方法GPS导航系统的基本原理是测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离，然后将多颗卫星的数据进行综合，从而知道接收机的具体位置。为了实现这一目标，可以根据星上时钟记录的时间，在卫星星历中找到卫星的位置。GPS采用多卫星、高轨测距系统，以距离为基本观测，同时测量四颗卫星解算接收机位置。确定到卫星的距离的方法是测量卫星发射无线电波和接收器接收无线电波之间的时间差，并将其乘以光速以获得距离。从用户到卫星的距离是通过记录卫星信号传播到用户所花费的时间，然后在将这个时间乘以光速得到定位位置。217.1.2

卫星通讯与定位方法227.1.2

卫星通讯与定位方法233907.2 惯性导航定位技术应用7.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成257.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成惯导系统能够连续、实时地提供载体的姿态、速度、位置等信息，不受外界和气候条件的各种干扰因素的影响。就航母本身而言，惯性导航系统是一个完整的、独立的系统，与外界没有任何联系，也就是说，它不需要从航母上发送或接收信息。267.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成惯性导航（INS）是一种利用安装在载体上的陀螺仪和加速度计测量载体姿态、速度、位置等信息的技术方法。实现惯性导航的软硬件设备称为惯性导航系统，简称惯性导航系统。惯性导航是一种完全自主的导航系统，不需要外部的参考和支持。这一特点使其自然不受外界干扰或欺骗，能有效解决城市GPS信号丢失情况下的自动驾驶车辆定位问题。277.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成►惯性导航系统有两个主要作用。请说出哪两个作用？其原理是什么？287.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成惯性导航系统是利用陀螺、加速度传感器等惯性敏感元件的参考方向和初始位置信息来确定载体的方法，是一种自主的位置和速度推算导航系统。惯性导航利用惯性测量单元的旋转和加速度信息计算相对位置，典型的六轴惯性测量单元由六个互补的传感器组成，这些传感器布置在三个正交轴上，每个传感器都有一个加速度计和一个陀螺仪，加速度计测量线加速度，陀螺仪测量旋转加速度。请说出加速度计工作原理请说出陀螺仪工作原理297.2.1

惯性导航定位的作用与结构组成►请说出陀螺仪结构并说出导航信息更新和补偿的方法307.2.2

惯往导航系统类型►1.平台式惯导系统，请说出平台式惯导系统的结构与原理317.2.2

惯往导航系统类型►2.捷联式惯性导航系统，请说出捷联式惯导系统的结构与原理327.2.2

惯往导航系统类型337.2.2

惯往导航系统类型347.2.4

卡尔曼滤波器与融合定位技术在自动驾驶的应用►请说出什么是卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波的作用是什么？35►卡尔曼滤波367.2.4

卡尔曼滤波器与融合定位技术在自动驾驶的应用►Kalman滤波器计算377.2.4

卡尔曼滤波器与融合定位技术在自动驾驶的应用►请说出GPS与IMU的传感器融合定位原理与方法387.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位397.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位►基于直接法与惯导融合的位姿估计方法与流程407.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位►请探讨如果把GPS和惯性导航系统结合起来会有哪些优势？并说明实现的方法与原理等417.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位►请说说松散组合导航原理与方法427.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位►请说说紧密组合导航原理与方法437.2.5

GPS与惯性导航信息融合定位►请说说提高惯性导航系统导航精度的方法有哪些？44课堂实践：IMU和激光雷达坐标系参数标定►IMU和激光雷达坐标系参数标定步骤：454127.3 汽车车载导航系统7.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成477.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成►请说说车载GPS导航的技术原理487.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成497.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成507.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成►百度robotaxi的应用案例517.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成527.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成537.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成547.3.1

车载GPS导航系统作用与结构组成55课堂实践：汽车导航系统常见故障维修汽车导航系统包括导航主机（导航模块）、显示屏、天线和扬声器等部件。汽车导航仪与其他多媒体系统共享一个显示屏，也共享一些其他组件和电路，这可能会导致一些相互关联的故障。此外，在驾驶过程中产生的振动和其他电气设备的电磁干扰也可能是故障的原因。汽车导航系统的常见故障包括无法显示汽车的位置、无法找到目的地、间歇显示距离和方向偏差大。主要原因是：①速度信号和陀螺传感器信号不足；②导航卫星信号太弱；③导航信息存储介质（导航盘）损坏；④导航本身异常；⑤线束断裂；⑥电池断电。56课堂实践：汽车导航系统常见故障维修►当导航模块接收到卫星信号时，应激活GPS图标。如果导航模块未接收到卫星信号，可以参考以下步骤进行检查：57课堂实践：汽车导航系统常见故障维修如果在正常导航过程中，电子地图突然没有变化或出现空白，这种情况可能是由于速度过快造成的。当车速超过一定范围（如140km/h）时，某些导航员显示屏上显示的信息会停滞。此外，如果将显示区域设置为没有道路或显示比例设置为过大的位置，则可能存在显示信息不变化。如果汽车导航系统的导航主机没有读取光盘，则应确认地图光盘是否正确。检查制动盘表面是否有污渍，如果有，清洁或更换制动盘。检查显示屏是否能显示，如果除导航信息外还能显示其他多媒体信息，则应检查导航主机是否有正常电源。对于改装后的汽车导航仪，如果导航仪由点烟器供电，请检查点烟器是否正常工作。如果导航打开，则显示为空白。说明可能是导航主机或导航模块故障。584257.4 高精度地图60►参考：通过RSU与车辆定位61►智能RSU与交通设施信息化架构高精度驾驶定位技术和高精度地图技术是自动驾驶汽车的两大核心技术，也是打破智能驾驶局面的关键。高清晰度地图是指高精度、精细定义的地图，其精度需要达到分米级才能区分车道。精确的定义需要格式化和存储交通场景中的各种交通元素，包括道路网络数据、车道网络数据、车道线和传统地图的交通标志等数据。627.4.1

高精度地图的作用与原理►请说明什么是高精度地图？并请详细说出高精度地图的作用637.4.1

高精度地图的作用与原理►图：传统地图与高精度地图的比较647.4.1

高精度地图的作用与原理657.4.1

高精度地图的作用与原理►高清晰度地图的优点有如下几点：667.4.1

高精度地图的作用与原理677.4.1

高精度地图的作用与原理►请说出道路参考线、道路连通性、车道模型、对象模型所包含的内容有哪些？687.4.1

高精度地图的作用与原理高精度三维地图是位于静态高精度地图之上，添加动态高精度地图，如道路拥堵、施工、是否发生交通事故、交通管制状况、天气状况等动态交通信息。随着路网的日新月异，如翻修、道路标线的磨损和重新粉刷、交通标志的变化等，这些变化需要及时反映在高清地图上，以确保无人驾驶车辆的安全。实时高精度地图非常困难，但随着越来越多的多传感器无人车在路网中行驶，一旦一辆或几辆无人车发现路网变化，通过并与云通信，就可以将路网的最新信息告诉其他无人车，使其他无人驾驶车辆更加智能和安全。697.4.1

高精度地图的作用与原理707.4.1

高精度地图的作用与原理717.4.1

高精度地图的作用与原理►图：结构数据转换和深度学习模型727.4.1

高精度地图的作用与原理737.4.1

高精度地图的作用与原理747.4.1

高精度地图的作用与原理►自动驾驶对环境感知的要求757.4.1

高精度地图的作用与原理767.4.1

高精度地图的作用与原理777.4.2

高精度地图的采集与生产高清地图的采集原理和数据存储结构与传统地图不同，传统的地图大多依靠拓扑结构和传统的数据库存储，将现实中的各种元素作为对象堆放在地图上，将道路作为路径存储。在高清地图时代，为了提高存储效率和机器可读性，在存储过程中将地图分为矢量层和对象层。通过提取车辆传感器采集的地图原始数据，获取特征值，形成特征地图。在此基础上，进一步对其进行抽象、处理和标注，得到一幅矢量地图，主要包括路网信息、道路属性信息、道路几何信息和主要道路标志的抽象信息。787.4.2

高精度地图的采集与生产►请说出高清地图的采集方法797.4.2

高精度地图的采集与生产►请说出基于移动测量系统的高精度地图制作的主要流程807.4.2

高精度地图的采集与生产►高精度地图生产的难点主要有以下几个：1）

如何整合多源数据，保证地图数据的一致性。（多源数据是指在不同时间、不同车辆、不同传感器获取的数据）例如，有一个空间点从正向和反向扫过一次，很难确保此时的环境信息是一致的。2）

所有数据采集完毕后，除了数据融合外，还需要自动提取数据中的关键特征。3）

大比例尺测图难以满足，目前普遍使用大量的人或小比例尺应用程序生成局部高精度地图，但要生成超大型高精度地图非常困难。817.4.2

高精度地图的采集与生产►高精度地图在采集原理、采集设备、生产工艺等方面与传统电子地图有着显著的不同。高精度地图的主要采集方法有野外采集、加工处理、后续更新、视觉众包等。请说出野外采集的方法与原理请说出加工处理的方法与原理请说出后续更新的方法与原理请说出视觉众包的方法与原理

图

7-32

车载数据采集阶段图

7-33

多源数据预处理阶段

图

7-34

高精度地图制作阶段图

7-35

精度检查阶段

827.4.2

高精度地图的采集与生产以上是高精度地图采集与生产制作的方法，需要强调的是，地理信息涉及国家机密，图商只有获得国家授予的“甲级导航电子地图制作资质”才能开展高精度地图采集绘制，外资企业无法在国内直接获得制图资格。也就是说，地图信息的采集必须遵守国家的法律，禁止地图在制作中涉及国家的敏感地理信息与国家机密。！！！837.4.3

高精度地图应用►从技术发展来看，高清地图技术的发展可分为三个阶段，请说明哪三个阶段？84►请说说高精度地图应用优势有哪些？85三维地图的组成非常复杂，收集到的信息大致可以分为几个层次：人行道、建筑物和树木、路标和红绿灯的实际位置，以及自动驾驶车辆应该做什么，例如观察限速标志。精度问题也非