CN111737840B - 一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法 - Google Patents
一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，包括如下步骤:（1）地图数据标注阶段；步骤1：打开沙盘CAD路网设计工程图，在CAD路网设计工程图中标记坐标原点，并将CAD工作空间坐标原点移动到与工程图坐标原点重合的位置；步骤2：在CAD工程图道路中间利用直线与圆弧线段绘制车辆全部可行驶路径。本发明通过参照真实城市模型，辅以自动驾驶微缩车辆、物联网***、定位***、仿真监控***等，实现高智能化仿真实验平台的设计，高度还原未来智慧交通各参与要素物体形态和工作原理，打造微缩未来智慧交通生态原型，极大地推动室内智慧交通仿真沙盘在智能网联汽车技术研发、验证、教育教学等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及室内固定场景地图构建技术领域，具体为一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法。
背景技术
随着技术的飞速发展，智能网联汽车可以提供更安全、更节能、更环保、更便捷的出行方式和综合解决方案，是国际公认的未来发展方向和关注焦点。以室内智慧交通仿真沙盘为载体融合多摄像头高精度定位***、智能微缩车的室内微缩智能网联交通***成为智能网联汽车技术研发、验证、教学、网络攻防实验的重要工具；沙盘高精度地图是智能微缩车进行自动路径规划和导航行驶的重要基础，而车辆在沙盘上自动规划路径行驶又是进行车辆自动避障、红绿灯识别等算法验证及车辆攻防实验的前提，因此构建用于车辆自动路径规划的室内智慧交通仿真沙盘高精度地图对推动室内微缩智能网联交通***在智能网联汽车技术研发、教学中的应用，进而推动智能网联技术的快速发展具有重要意义。
当前高精度地图构建方法主要包括基于导航卫星的三点定位地图构建法、高频激光雷达地图点云扫描法、SLAM地图构建法等，前两种地图构建方法适用于室外真实交通道路场景的高精度地图构建且成本高，SLAM地图构建法算法复杂，只适用于场景要素单一的室内场景，且地图构建周期长、精度低；三种地图构建方法均不适用于室内智慧交通仿真沙盘地图的构建，需要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，以解决上述背景技术中提到的当前高精度地图构建方法主要包括基于导航卫星的三点定位地图构建法、高频激光雷达地图点云扫描法、SLAM地图构建法等，前两种地图构建方法适用于室外真实交通道路场景的高精度地图构建且成本高，SLAM地图构建法算法复杂，只适用于场景要素单一的室内场景，且地图构建周期长、精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，包括如下步骤：
(1)地图数据标注阶段；
步骤1：打开沙盘CAD路网设计工程图，在CAD路网设计工程图中标记坐标原点，并将CAD工作空间坐标原点移动到与工程图坐标原点重合的位置；
步骤2：在CAD工程图道路中间利用直线与圆弧线段绘制车辆全部可行驶路径；
步骤3：将绘制的可行驶路径中直线与直线交点、直线与圆弧交点、圆弧与圆弧交点、运行终点标记为顶点，并为顶点标注序号，序号索引从0开始；
(2)地图数据导出阶段；
步骤4：导出顶点序号索引及对应坐标数据信息至表格中，并记为表1，数据格式为“顶点序号索引-x坐标数值-y坐标数值”；
步骤5：测量并输出可通行相邻顶点间距离信息，对于圆弧线段，增加输出圆弧圆心点坐标信息，形成“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值—圆弧圆心x坐标数值(针对圆弧线段)—圆弧圆心y坐标数值(针对圆弧线段)”数据格式并记录至表格中，记为表2；
步骤6：利用直线插值算法或弧线插值算法根据表格1、表格2数据计算可通行顶点与顶点之间路径的途径点坐标，形成以“起始顶点-终止顶点”命名的包含全部途径点坐标数据的途径点数据文档；
(3)最短路径规划阶段；
步骤7：室内沙盘多摄像头融合定位***以沙盘中与CAD路网设计工程图中所标注坐标原点相对应的点为坐标原点，与CAD工程图坐标系相同的方向为坐标方向对沙盘实体及车辆位置进行标定，实现车辆在沙盘中位置的实时准确定位；
步骤8：基于表格2顶点至顶点间距离信息地图数据，利用dijkstra算法计算任意起点至终点的最短路径距离及最短通行路径全部顶点的顺序索引序列；
步骤9：根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据，形成包含起点、全部途径点和终点坐标的最短规划路径；
步骤10：车辆根据定位***提供的实时位置信息和最短规划路径从起点行驶至终点。
优选的，步骤1的沙盘CAD路网设计工程图是与实际沙盘硬件具有1:1尺寸对应关系的工程图，实际沙盘硬件是以沙盘CAD路网设计工程图为地图加工制作完成的。
优选的，步骤5中，“可通行相邻顶点间的距离”指与沙盘道路所设计的通行方向具有相同方向的相邻顶点至顶点之间的距离。
优选的，步骤5中，形成“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值—圆弧圆心x坐标数值(针对圆弧线段)—圆弧圆心y坐标数值(针对圆弧线段)”的数据格式中的圆弧圆心x坐标数值与圆弧圆心y坐标数值只针对顶点间的圆弧线段，圆心坐标信息用于后续的圆弧差值计算，对于顶点之间为直线线段时，导出的数据格式应为“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值”。
优选的，步骤6中插值的目的是提高地图精度，当插值点间距离为1cm时，地图精度即为1cm，地图精度越高，插值点数越多，具体地图精度可依旧使用需求确定。
优选的，步骤6中，利用直线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中P(s)x为待插值直线起点x坐标值，P(s)y为待插值直线起点y坐标值,P(e)x为待插值直线终点x坐标值，P(e)y为待插值直线终点y坐标值,P(i)x为待插值直线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值直线上第i个插值点y坐标值,n为该段直线总插值点数。
优选的，步骤6中，利用弧线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中：
其中P(s)x为待插值弧线起点x坐标值，P(s)y为待插值弧线起点y坐标值,P(e)x为待插值弧线终点x坐标值，P(e)y为待插值弧线终点y坐标值,P(i)x为待插值弧线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值弧线上第i个插值点y坐标值，r为圆弧半径，θ1为弧线起点P(s)的弧度值，θ2为弧线终点P(e)的弧度值，n为该段直线总插值点数。
优选的，步骤7中，室内沙盘多摄像头融合定位***为与室内智慧交通沙盘配套使用的的用于车辆定位的高精度定位***，定位***标定所选坐标原点位置与坐标方向需与沙盘CAD路网设计工程图中的坐标原点位置与坐标方向完全相同。
优选的，步骤9中，根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据的过程如下：
(1)按照步骤6计算得出顶点与顶点之间的插值点数据文档；
(2)根据步骤8得到最短通行路径全部顶点的顺序索引序列：Pstart→Pwaypoint1→Pwaypoint2→......PwaypointN-1→PwaypointN→Pend，其中Pstart为车辆运行起点序号索引，Pend为车辆运行终点序号索引，PwaypointN为从起点到终点的途径顶点序号索引；
(3)根据最短通行路径全部顶点的顺序索引序列将对应顶点之间的插值点进行拼接，形成最短路径行驶点数据集。
本发明提供了一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，具备以下有益效果：
本发明参照真实城市模型，辅以自动驾驶微缩车辆、物联网***、定位***、仿真监控***等，实现高智能化仿真实验平台的设计，高度还原未来智慧交通各参与要素物体形态和工作原理，打造微缩未来智慧交通生态原型；针对室内智慧交通仿真沙盘基于CAD路网设计工程图1:1构建完成且应用于室内场景等特点，本文提出了一种适用于室内交通场景尤其是室内智慧交通仿真沙盘的用于车辆自动路径规划的地图构建与应用方法，该方法基于CAD工程制图软件提取地图重要节点数据集，并基于插值算法简化数据提取步骤，地图构建算法简单、科学高效、精度高、室内场景应用效果佳，克服了传统高精度地图构建方法算法复杂、成本高、耗时长、室内场景应用受限、精度低等缺陷，能够极大地推动室内智慧交通仿真沙盘在智能网联汽车技术研发、验证、教育教学等领域的应用，促进智能网联汽车技术的飞速发展，具有很强的社会经济价值。
附图说明
图1为本发明的室内智慧交通沙盘地图构建流程图；
图2为本发明的地图数据标注示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1所示为本发明的室内智慧交通沙盘地图构建与应用流程图，一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其构建于应用流程如下：
(1)、地图数据标注阶段：
步骤1：打开沙盘CAD路网设计工程图，在CAD路网设计工程图中标记坐标原点，并将CAD工作空间坐标原点移动到与工程图坐标原点重合的位置；
其中的沙盘CAD路网设计工程图是与实际沙盘硬件具有1:1尺寸对应关系的工程图，实际沙盘硬件是以沙盘CAD路网设计工程图为地图加工制作完成的，因此沙盘硬件与沙盘CAD路网设计工程图的尺寸完全相同；
步骤2：在CAD工程图道路中间利用直线与圆弧线段绘制车辆全部可行驶路径；
步骤3：将绘制的可行驶路径中直线与直线交点、直线与圆弧交点、圆弧与圆弧交点、运行终点标记为顶点，并为顶点标注序号，序号索引从0开始；
(2)地图数据导出阶段；
步骤4：导出顶点序号索引及对应坐标数据信息至表格中，并记为表1，数据格式为“顶点序号索引-x坐标数值-y坐标数值”；
步骤5：测量并输出可通行相邻顶点间距离信息，对于圆弧线段，增加输出圆弧圆心点坐标信息，形成“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值—圆弧圆心x坐标数值(针对圆弧线段)—圆弧圆心y坐标数值(针对圆弧线段)”数据格式并记录至表格中，记为表2；
步骤5中，“可通行相邻顶点间的距离”指与沙盘道路所设计的通行方向具有相同方向的相邻顶点至顶点之间的距离，具体来说，“可通行”指道路通行方向为从某点可行驶至某点，反之为逆行，如图2，顶点P9与顶点P4所在道路的通行方向指示箭头指向上方，故顶点P9与顶点P4的通行方向为P9至P4，反之P4至P9为逆行，无法通行；同时，形成“起始顶点索引-终止顶点索引-两点之间距离值-圆弧圆心x坐标数值(针对圆弧线段)-圆弧圆心y坐标数值(针对圆弧线段)”的数据格式中的圆弧圆心x坐标数值与圆弧圆心y坐标数值只针对顶点间为圆弧线段的情况，圆心坐标信息用于后续的圆弧差值计算，对于顶点之间为直线线段的情况，导出的数据格式应为“起始顶点索引-终止顶点索引-两点之间距离值”；
步骤6：利用直线插值算法或弧线插值算法根据表格1、表格2数据计算可通行顶点与顶点之间路径的途径点坐标，形成以“起始顶点-终止顶点”命名的包含全部途径点坐标数据的途径点数据文档；
步骤6中插值的目的是为了提高地图精度，当插值点间距离为1cm时，地图精度即为1cm，地图精度越高，插值点数越多，具体地图精度可依旧使用需求确定；
其中利用直线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中为P(s)x待插值直线起点x坐标值，P(s)y为待插值直线起点y坐标值,P(e)x为待插值直线终点x坐标值，P(e)y为待插值直线终点y坐标值,P(i)x为待插值直线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值直线上第i个插值点y坐标值,n为该段直线总插值点数；
其中，利用弧线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中：
其中为P(s)x待插值弧线起点x坐标值，P(s)y为待插值弧线起点y坐标值,P(e)x为待插值弧线终点x坐标值，P(e)y为待插值弧线终点y坐标值,P(i)x为待插值弧线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值弧线上第i个插值点y坐标值，r为圆弧半径，θ1为弧线起点P(s)的弧度值，θ2为弧线终点P(e)的弧度值，n为该段直线总插值点数；
(3)最短路径规划阶段：
步骤7：室内沙盘多摄像头融合定位***以沙盘中与CAD路网设计工程图中所标注坐标原点相对应的点为坐标原点，与CAD工程图坐标系相同的方向为坐标方向对沙盘实体及车辆位置进行标定，实现车辆在沙盘中位置的实时准确定位；
步骤7中，室内沙盘多摄像头融合定位***为与室内智慧交通沙盘配套使用的的用于车辆定位的高精度定位***，定位***标定所选坐标原点位置与坐标方向需与沙盘CAD路网设计工程图中的坐标原点位置与坐标方向完全相同；
步骤8：基于表格2顶点至顶点间距离信息地图数据，利用dijkstra算法计算任意起点至终点的最短路径距离及最短通行路径全部顶点的顺序索引序列；
步骤9：根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据，形成包含起点、全部途径点和终点坐标的最短规划路径；
步骤9中，根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据的过程如下：
(1)按照步骤6计算得出顶点与顶点之间的插值点数据文档；
(2)根据步骤8得到最短通行路径全部顶点的顺序索引序列：Pstart→Pwaypoint1→Pwaypoint2→......PwaypointN-1→PwaypointN→Pend，其中Pstart为车辆运行起点序号索引，Pend为车辆运行终点序号索引，PwaypointN为从起点到终点的途径顶点序号索引；
(3)根据最短通行路径全部顶点的顺序索引序列将对应顶点之间的插值点进行拼接，形成最短路径行驶点数据集；
步骤10：车辆根据定位***提供的实时位置信息和最短规划路径从起点行驶至终点。
综上所述：本发明基于室内智慧交通仿真沙盘以沙盘CAD路网设计工程图为底图1:1加工制作的特性及CAD工程制图软件的便捷性提出了一种适用于室内交通场景尤其是室内智慧交通仿真沙盘的用于车辆自动路径规划的地图构建与应用方法，该方法适用于室内交通场景尤其是室内智慧交通仿真沙盘的地图构建，具有地图构建精度高、构建速度快、构建成本低、数据量少、后期易于修改和维护等特点，能够极大地推动室内智慧交通仿真沙盘在智能网联汽车技术研发、验证、教育教学等领域的应用，促进智能网联汽车技术的飞速发展，具有很强的社会经济价值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)地图数据标注阶段；
步骤1：打开沙盘CAD路网设计工程图，在CAD路网设计工程图中标记坐标原点，并将CAD工作空间坐标原点移动到与工程图坐标原点重合的位置；
步骤2：在CAD工程图道路中间利用直线与圆弧线段绘制车辆全部可行驶路径；
步骤3：将绘制的可行驶路径中直线与直线交点、直线与圆弧交点、圆弧与圆弧交点、运行终点标记为顶点，并为顶点标注序号，序号索引从0开始；
(2)地图数据导出阶段；
步骤4：导出顶点序号索引及对应坐标数据信息至表格中，并记为A表格，数据格式为“顶点序号索引-x坐标数值-y坐标数值”；
步骤5：测量并输出可通行相邻顶点间距离信息，对于圆弧线段，增加输出圆弧圆心点坐标信息，形成“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值—圆弧圆心x坐标数值—圆弧圆心y坐标数值”数据格式并记录至表格中，记为B表格；
步骤6：利用直线插值算法或弧线插值算法根据A表格、B表格数据计算可通行顶点与顶点之间路径的途径点坐标，形成以“起始顶点-终止顶点”命名的包含全部途径点坐标数据的途径点数据文档；
(3)最短路径规划阶段；
步骤7：室内沙盘多摄像头融合定位***以沙盘中与CAD路网设计工程图中所标注坐标原点相对应的点为坐标原点，与CAD工程图坐标系相同的方向为坐标方向对沙盘实体及车辆位置进行标定，实现车辆在沙盘中位置的实时准确定位；
步骤8：基于B表格顶点至顶点间距离信息地图数据，利用dijkstra算法计算任意起点至终点的最短路径距离及最短通行路径全部顶点的顺序索引序列；
步骤9：根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据，形成包含起点、全部途径点和终点坐标的最短规划路径；
步骤10：车辆根据定位***提供的实时位置信息和最短规划路径从起点行驶至终点。
2.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤1的沙盘CAD路网设计工程图是与实际沙盘硬件具有1:1尺寸对应关系的工程图，实际沙盘硬件是以沙盘CAD路网设计工程图为地图加工制作完成的。
3.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤5中，“可通行相邻顶点间的距离”指与沙盘道路所设计的通行方向具有相同方向的相邻顶点至顶点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤5中，形成“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值—圆弧圆心x坐标数值—圆弧圆心y坐标数值”的数据格式中的圆弧圆心x坐标数值与圆弧圆心y坐标数值只针对顶点间的圆弧线段，圆心坐标信息用于后续的圆弧差值计算，对于顶点之间为直线线段时，导出的数据格式应为“起始顶点索引—终止顶点索引—两点之间距离值”。
5.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤6中插值的目的是提高地图精度，当插值点间距离为1cm时，地图精度即为1cm，地图精度越高，插值点数越多，具体地图精度可依旧使用需求确定。
6.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤6中，利用直线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中P(s)x为待插值直线起点x坐标值，P(s)y为待插值直线起点y坐标值,P(e)x为待插值直线终点x坐标值，P(e)y为待插值直线终点y坐标值,P(i)x为待插值直线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值直线上第i个插值点y坐标值,n为该段直线总插值点数。
7.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤6)中，利用弧线插值算法计算插值点坐标公式如下：
其中：
其中P(s)x为待插值弧线起点x坐标值，P(s)y为待插值弧线起点y坐标值,P(e)x为待插值弧线终点x坐标值，P(e)y为待插值弧线终点y坐标值,P(i)x为待插值弧线上第i个插值点x坐标值，P(i)y为待插值弧线上第i个插值点y坐标值，r为圆弧半径，θ1为弧线起点P(s)的弧度值，θ2为弧线终点P(e)的弧度值，n为该段直线总插值点数。
8.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤7中，室内沙盘多摄像头融合定位***为与室内智慧交通沙盘配套使用的的用于车辆定位的高精度定位***，定位***标定所选坐标原点位置与坐标方向需与沙盘CAD路网设计工程图中的坐标原点位置与坐标方向完全相同。
9.根据权利要求1所述的一种用于自动路径规划的交通沙盘地图构建与应用方法，其特征在于，步骤9中，根据最短通行路径顺序索引序列拼接途径点数据的过程如下：
(1)按照步骤6计算得出顶点与顶点之间的插值点数据文档；
(2)根据步骤8得到最短通行路径全部顶点的顺序索引序列：Pstart→Pwaypoint1→Pwaypoint2→......PwaypointN-1→PwaypointN→Pend，其中Pstart为车辆运行起点序号索引，Pend为车辆运行终点序号索引，PwaypointN为从起点到终点的途径顶点序号索引；
(3)根据最短通行路径全部顶点的顺序索引序列将对应顶点之间的插值点进行拼接，形成最短路径行驶点数据集。
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- 2020-06-19 CN CN202010564291.2A patent/CN111737840B/zh active Active
Patent Citations (4)
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