高精度三维道路电子地图的设计和实现

黄玲+祖玉川

摘要：随着道路坡度和曲率的作用逐渐被认识，道路坡度、曲率引入导航地图，成为实现先进驾驶辅助系统（ADAS）的重要途径，也是未来导航地图的发展趋势之一。本文采用惯导系统进行道路轨迹点采集，使用道路轨迹点计算出每一个轨迹点上的坡度与曲率，通过与现有导航地图道路数据对比，为对应的道路赋上坡度与曲率属性。结果表明，本文的方法具有可行性，为ADAS导航应用的实现提供了地图基础。

关键词：坡度；曲率；先进驾驶辅助系统

1.前言：近年来，道路坡度、曲率在汽車导航中的作用逐渐被认识，它在先进驾驶辅助系统（ADAS）中具有广阔的应用前景，如上下坡油耗量辅助系统，通过调用高精度坡度数据来减少耗油量；弯道速度提醒辅助驾驶，根据弯道的曲率计算出最大行驶速度，提醒驾驶人注意控制车速。其中惯性导航是通过陀螺仪和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息。

2.高精度导航地图数据规格

2.1.坡度：根据惯导数据计算出的坡度，将导航地图中对应道路分成上坡、平路、下坡三种，平路不作处理，上坡与下坡路段分别为其添加起始点经纬度坐标以及平均坡度五个属性。

2.2.曲率：根据惯导数据计算出的曲率，将导航地图中对应道路曲率绝对值大于阈值的路段提取出来，为该路段添加起始点经纬度坐标以及平均曲率五个属性。

3.高精度导航地图制作流程

3.1.惯导数据冗佘点剔除

惯导系统每1s进行自动采样，由于采样车停留或行驶缓慢，导致短距离内采样点过多，不仅增加了数据量，也对后续坡度计算等造成影响，因此需要剔除原始数据的冗余点。

3.2.参数计算

3.2.1.坡度

1）采用临近坐标点计算。假设汽车两临近点的连线与路面平行，则可通过两点坐标的俯仰角度求算出道路坡度。将经纬度坐标转化为公里网下的值，分别记为X、Y，高程记为Z，则

2）通过采点瞬时速度计算。假设汽车的三维速度分量是由汽车瞬时速度得到，且汽车朝向是沿着路面直线向前，则其垂向速度与水平速度的夹角可认为是道路坡度。

设汽车朝北、朝东、朝上的三维速度分量分别记为Vn、Ve和Vu，则Slope=ATAN（Vu/SQRT（Vn²+Ve²））

3.2.2.曲率。通过拟合圆求算曲率，将经纬度坐标转化为公里网坐标；根据三点或多点拟合圆得到圆心坐标；求算圆心与任一点的距离，视为半径，如采用多点法，则需求算平均半径；将半径的倒数值记为曲率；曲率正负值根据航向变化来确定，一般情况下，航向值增加时，曲率为负值；航向值减少时，曲率为正值，当航向从359向0变化时，正负值取值相反。

3.3.异常点平滑

3.3.1.坡度。通过前后点的坡度值做差对比坡度变化，对于变化值超过某一阈值的点进行判断，应用多次轨迹经过同一位置时的坡度对比，以及街景确认。

3.3.2.曲率。通过前后点曲率变化值进行判断，对于变化值超过2°的点进行判断，根据道路实际形态与曲率值的对应关系确认其是否为异常点。

1）道路漂移引起的异常，直接删除异常点；

2）非道路漂移异常点，将临近轨迹点曲率的均值作为其参数值。

4.结果评估

4.1.坡度数据评估：对佛山市兴华路100米路段内三次西行轨迹进行处理（图1）（编号分布：182619-1826.38，184596-184609，185221-185237），通过临近点的坡度值及相邻距离计算出相对高程，其结果展示图2所示（高程大小仅供参考）。

4.2.曲率数据评估：对佛山市建业路西行左拐至碧桂公路（179062-179076）和采样车在此掉头（181922-181944）的两段数据（图3为轨迹点示意图），认为采样车在拐弯阶段（179066-179071）及掉头阶段（181926-181936），其曲率值均存在合理的变化，因此，曲率的大小能够反应采样车的行车状态。

结语：坡度和曲率作为道路的真实属性，在传统导航地图中没有得以表达，随着车载导航在汽车主动安全和辅助驾驶方向的发展，坡度和曲率显得越来越重要。本文研究了利用惯导轨迹数据计算坡度、曲率，通过对导航地图中对应道路进行分段添加属性的方法制作高精度导航地图，其对导航数据的影响程度还需要进一步试验。endprint