CN109520505B - 一种自主导航拓扑地图生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自主导航拓扑地图生成方法，属于地面无人平台自主导航技术领域。该方法首先进行轨迹点采集形成包含经纬度信息的轨迹点序列文件；然后选取应用场地的参考位置，作为界面显示、加载背景地图的依据；其次导入轨迹点，通过坐标变换显示在界面中；再选择拓扑地图生成模式并利用路点操作制作拓扑地图；最后按路点标注顺序生成拓扑地图并保存。本发明能够针对实时采集的定位信息，快速设计自主导航拓扑地图；同时方便修改和优化路线，有助于实现如机场调度、园区巡逻等特定场景下的自主导航实际应用。

Description

一种自主导航拓扑地图生成方法
技术领域
本发明属于地面无人平台自主导航技术领域，具体涉及自主导航拓扑地图生成，便于地面无人平台按照引导路点的指引进行自主导航。
背景技术
地面无人平台自主导航涉及环境感知、路径规划、车辆运动控制、自主决策、导航定位等技术。通过给定任务起点和终点，以及从起点到终点之间的一系列必经路点，共同构成自主导航的引导路线，即拓扑地图，使得地面无人平台能够按照拓扑地图的指引，实现自主行驶，到达任务终点。本发明正是以拓扑地图快速制作为目的，以方便地面无人平台自主导航的实际道路测试与运维。该方法适用于园区、机场及其他特定路线情况下的自主导航拓扑地图的生成与完善。
由于地面无人平台自主导航技术目前尚不成熟，且涉及的技术领域繁多，目前缺乏具有针对性的自主导航拓扑地图生成工具，只能借助于现有的一些地图查看工具或地理信息***辅助生成自主导航的拓扑地图。然而现有的工具并不是以自主导航的拓扑地图生成为目的，缺乏针对性，主要存在以下问题：1、存在定位误差。目前现有工具的地图定位信息与真实定位通常存在偏差，对于自主导航控制精度要求较高的场景，无法满足实际需求。2、操作繁琐。由于目前的工具对自主导航拓扑地图的生成不具有针对性，在路点选择、数据保存和经纬度转换等方面，存在一系列格式转换问题，操作复杂。3、功能单一。现有工具目前只包含路点选取、删除和保存等基本功能，对于拓扑地图路线调整、路点插值等复杂功能需求不支持，难以满足拓扑地图引导路线调整过程中的实际需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种自主导航拓扑地图生成方法，能够针对实时采集的定位信息，快速设计自主导航拓扑地图；同时方便修改和优化路线，有助于实现如机场调度、园区巡逻等特定场景下的自主导航实际应用。
一种自主导航拓扑地图生成方法，该方法的实现步骤如下：
步骤一：进行轨迹点采集；借助于搭载有导航定位设备的自主导航平台，采集应用场地的实际位置，形成包含经纬度信息的轨迹点序列文件；
步骤二：选取应用场地的参考位置，作为界面显示、加载背景地图的依据；
步骤三：导入轨迹点，通过坐标变换显示在界面中；
步骤四：选择拓扑地图生成模式并利用路点操作制作拓扑地图；模式一：新建拓扑地图，路点操作包括路点的选取、删除及两点之间距离测量；模式二：加载已有拓扑地图，进行路点增减，路点操作包括对已有拓扑地图路点的增加和删除操作；模式三：加载已有拓扑地图，进行点插值，路点操作包括在已有拓扑地图的路点插值操作；
步骤五：按路点标注顺序生成拓扑地图，并保存。
进一步地，所述步骤二和三之间增加加载背景地图的步骤，根据步骤二中的参考位置通过坐标变换加载背景地图，背景地图包括卫星地图和实时道路重建地图。
进一步地，所述坐标变换的方法是采用横轴墨卡托坐标系UTM(universalTransverse Mercator)来描述大地坐标系，将经纬度之间的距离关系转化米制单位下的距离关系，计算方法如下：
Figure BDA0001889933600000031
其中
Figure BDA0001889933600000032
Figure BDA0001889933600000033
为GPS定位下的经纬度信息，(Gx,Gy)为转化后的横轴墨卡托坐标系下的位置，单位为km；r为地球赤道半径，ec为偏心率，λRef为参考子午线的经度；通过公式(1)，即可将经纬度信息转换为相应的大地坐标系下的位置；
Figure BDA0001889933600000034
其中，(Ix,Iy)为可视化界面中的图像像素位置，(Gx,Gy)为大地坐标系下位置，zoom为图像坐标系与大地坐标系的缩放比例，(OGx,OGy)为图像与大地坐标系之间位置对齐的参考点，(OIx,OIy)为(OGx,OGy)对应的图像中的像素位置。
进一步地，所述加载背景地图的方法是：获取背景地图边界的四个点的经纬度信息，将其转换为对应的大地坐标系下的XY坐标，以参考位置为依据，同时根据缩放比例，将原始背景地图进行相应的放大与缩小处理，使其与界面显示保持一致。
进一步地，所述路点操作的方法为：
1)查看点的经纬度信息：按照键盘CTRL键，移动鼠标，可显示出地图上已有定位位置的经纬度信息；
2)选点：按住CTRL键，在需要选择的点位置处单击鼠标左键；
3)撤销某点：按住SHIFT键，在需要撤销选择的点位置双击鼠标左键；全部撤销：按住ALT键，双击鼠标左键；放大：按住鼠标右键，向上移动鼠标；缩小：按住鼠标右键，向下移动鼠标；两点间距离测量：单独选中两点，则根据两点间的大地坐标系距离计算，得出两点间的直线距离。
有益效果：
本发明提供的自主导航拓扑地图生成方法可以极大地简化自主导航路线的生成与修改。方便从基于实地采集的定位数据中制作拓扑地图，路点的定位精度高。同时添加了距离测量、路线显示、地图放大和缩小等功能，可视化好，可操作性强。同时，相比于传统的卫星地图，基于实地采集的拓扑地图定位更加准确。
附图说明
图1为本自主导航拓扑地图生成方法的步骤流程图；
图2为拓扑地图生成关系类图；
图3为加载轨迹点及背景地图；
图4为拓扑地图生成示例；
图5为两点间距离测量示意图；
图6为地图显示放大与缩小都的示意图；
图7为地图上点经纬度信息显示示意图；
图8为未行驶轨迹的拓扑地图生成示例；
图9为对已有拓扑地图路点的增加和删除操作示例；
图10为在已有拓扑地图中的点插值示例。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明提供了一种自主导航拓扑地图生成方法，该方法的实现步骤如下：
步骤1：借助于搭载有导航定位设备的自主导航平台，采集应用场地的实际位置，形成轨迹点序列文件，包含经纬度信息；
步骤2：选取应用场地的参考位置，作为界面显示、加载背景地图的依据；
步骤3：根据参考位置，通过坐标变换，加载背景地图，(包括卫星地图、实时道路重建地图等)，此步骤可选；
步骤4：导入轨迹点，通过坐标变换显示在界面中；
步骤5：选择拓扑地图生成模式并利用路点操作制作拓扑地图；模式一：新建拓扑地图，路点操作包括路点的选取、删除及两点之间距离测量；模式二：加载已有拓扑地图，进行路点增减，路点操作包括对已有拓扑地图路点的增加和删除操作；模式三：加载已有拓扑地图，进行点插值，路点操作包括在已有拓扑地图的路点插值操作；
步骤6：按路点标注顺序生成拓扑地图，并保存。
其中，坐标转换方法：采用横轴墨卡托坐标系UTM(universal TransverseMercator)来描述大地坐标系，将经纬度之间的距离关系转化米制单位下的距离关系，计算方法如下：
Figure BDA0001889933600000061
其中
Figure BDA0001889933600000062
Figure BDA0001889933600000063
为GPS定位下的经纬度信息，(Gx,Gy)为转化后的横轴墨卡托坐标系下的位置，单位为km。r为地球赤道半径，ec为偏心率。λRef为参考子午线的经度。通过公式(1)，即可将经纬度信息转换为相应的大地坐标系下的位置。
Figure BDA0001889933600000064
其中，(Ix,Iy)为可视化界面中的图像像素位置，(Gx,Gy)为大地坐标系下位置，zoom为图像坐标系与大地坐标系的缩放比例，(OGx,OGy)为图像与大地坐标系之间位置对齐的参考点，(OIx,OIy)为(OGx,OGy)对应的图像中的像素位置。
背景地图加载方法：获取背景地图边界的四个点的经纬度信息，将其转换为对应的大地坐标系下的XY坐标，以参考位置为依据，同时根据缩放比例，将原始背景地图进行相应的放大与缩小处理，使其与界面显示保持一致。
路点操作方法：
1)查看点的经纬度信息：按照键盘CTRL键，移动鼠标，可显示出地图上已有定位位置的经纬度信息。如图7所示为：东经xxx.xxxxx,北纬xx.xxxxx。
2)选点：按住CTRL键，在需要选择的点位置处单击鼠标左键；
3)撤销某点：按住SHIFT键，在需要撤销选择的点位置双击鼠标左键；全部撤销：按住ALT键，双击鼠标左键；放大：按住鼠标右键，向上移动鼠标；缩小：按住鼠标右键，向下移动鼠标；两点间距离测量：单独选中两点，则根据两点间的大地坐标系距离计算，得出两点间的直线距离。
拓扑地图生成依赖关系如附图2所示。
如附图3所示，图中左侧为单纯轨迹点加载，右侧为加载轨迹点和背景地图。实地采集的定位信息(经纬度信息)，通过横轴莫卡托坐标系转换，得到大地平面坐标系，然后经过大地坐标系与图形坐标系的转换，投影到图像坐标系，如图中黑色点线所示。同时将图像坐标点与对应位置的经纬度进行映射关联，则每个黑色点位置对应一个实际经纬度位置。
如附图4所示，图中拓扑地图总里程约为9.66千米。
如附图5所示，图中显示两点间的距离为228米。
如附图6所示，图中地图选点过程中的放大与缩小，有助于整体地图信息的查看与精细拓扑地图选点。
如附图8所示，当加载了背景地图，可以根据已有轨迹位置的插值计算，对未访问区域进行路点选择。
如附图9所示，中间附图是在已有拓扑地图上进行删除点的操作；右侧附图在已有拓扑地图上进行增加点的操作。
如附图10所示，中间附图中未用箭头指示出的点为加载的已有拓扑地图，用箭头指示出的点为插值点，右侧附图为优化后的拓扑地图
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自主导航拓扑地图生成方法，其特征在于，该方法的实现步骤如下：
步骤一：进行轨迹点采集；借助于搭载有导航定位设备的自主导航平台，采集应用场地的实际位置，形成包含经纬度信息的轨迹点序列文件；
步骤二：选取应用场地的参考位置，作为界面显示、加载背景地图的依据；
步骤三：导入轨迹点，通过坐标变换显示在界面中；
步骤四：选择拓扑地图生成模式并利用路点操作制作拓扑地图；模式一：新建拓扑地图，路点操作包括路点的选取、删除及两点之间距离测量；模式二：加载已有拓扑地图，进行路点增减，路点操作包括对已有拓扑地图路点的增加和删除操作；模式三：加载已有拓扑地图，进行路点插值，路点操作包括在已有拓扑地图的路点插值操作；
步骤五：按路点标注顺序生成拓扑地图，并保存；
所述步骤二和三之间增加加载背景地图的步骤，根据步骤二中的参考位置通过坐标变换加载背景地图，背景地图包括卫星地图和实时道路重建地图；
所述坐标变换的方法是采用横轴墨卡托坐标系UTM来描述大地坐标系，将经纬度之间的距离关系转化米制单位下的距离关系，计算方法如下：
Figure FDA0003790130270000011
其中
Figure FDA0003790130270000021
Figure FDA0003790130270000022
为GPS定位下的经纬度信息，(Gx,Gy)为转化后的横轴墨卡托坐标系下的位置，单位为km；r为地球赤道半径，ec为偏心率，λRef为参考子午线的经度；通过公式(1)，即可将经纬度信息转换为相应的大地坐标系下的位置；
Figure FDA0003790130270000023
其中，(Ix,Iy)为可视化界面中的图像像素位置，(Gx,Gy)为大地坐标系下位置，zoom为图像坐标系与大地坐标系的缩放比例，(OGx,OGy)为图像与大地坐标系之间位置对齐的参考点，(OIx,OIy)为(OGx,OGy)对应的图像中的像素位置；
所述路点操作的方法为：
1)查看点的经纬度信息：按住键盘CTRL键，移动鼠标，可显示出地图上已有定位位置的经纬度信息；
2)选点：按住CTRL键，在需要选择的点位置处单击鼠标左键；
3)撤销某点：按住SHIFT键，在需要撤销选择的点位置双击鼠标左键；全部撤销：按住ALT键，双击鼠标左键；放大：按住鼠标右键，向上移动鼠标；缩小：按住鼠标右键，向下移动鼠标；两点间距离测量：单独选中两点，则根据两点间的大地坐标系距离计算，得出两点间的直线距离。
2.如权利要求1所述的自主导航拓扑地图生成方法，其特征在于，所述加载背景地图的方法是：获取背景地图边界的四个点的经纬度信息，将其转换为对应的大地坐标系下的XY坐标，以参考位置为依据，同时根据缩放比例，将原始背景地图进行相应的放大与缩小处理，使其与界面显示保持一致。
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