CN114212085A - 雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法 - Google Patents

雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法 Download PDF

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CN114212085A CN202110993638.XA CN202110993638A CN114212085A CN 114212085 A CN114212085 A CN 114212085A CN 202110993638 A CN202110993638 A CN 202110993638A CN 114212085 A CN114212085 A CN 114212085A
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孙文进
闵永军
林宇凡
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/18—Propelling the vehicle
    • B60W30/18009—Propelling the vehicle related to particular drive situations
    • B60W30/18163—Lane change; Overtaking manoeuvres

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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法，具体包括：车道判定模块利用转向开关获取车辆转向状态信息，通过高精度BDS模块获取车辆中心的当前行驶信息，调取高精度地图模块中存储的车辆行驶所在高速公路信息，然后将车辆中心BDS数据投影到高精度地图模块上，获得车辆中心在高精度地图上的实时位置和航向角，运用垂直迭代法测量出高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的距离，与设定阈值对比，判定行驶车辆所处车道号或车辆换道行驶状态。该方法集成应用高精度BDS与高精度电子地图等先进技术，不依赖于相机等环境感知技术，实现车辆在雾天高速公路车道上换道行驶的实时准确定位。

Description

雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法
技术领域
本发明涉及汽车安全驾驶领域，尤其涉及一种雾天高速公路高级驾驶辅助***(ADAS)换道行驶车道定位方法。
背景技术
为了解决雾天高速公路通行效率低的问题，应用车联网技术，雾天高速公路车辆高级辅助驾驶***正从单车道ADAS向多车道ADAS发展，车道定位技术是多车道ADAS研究和开发的核心技术之一，特别是在高速公路车道数变化、行驶车辆突发故障、车辆驶离高速公路等情况发生，车辆必须进行换道行驶时，车道定位的准确性将直接影响自身车辆向周围车辆发送行驶车道信息的准确性，从而影响雾天高速公路车辆行驶的安全性。中国专利CN109870689A中提出了一种毫米波雷达与高精矢量地图匹配的车道级定位方法与***，基于毫米波雷达测量数据，识别道路边界；将所述道路边界在高精矢量地图上进行地图匹配，得到车辆在地图上的横纵向位置；将所述车辆在地图上的横纵向位置作为当前车道的定位结果。但是，该方案需要根据普通GPS数据初步确定车辆的位置，为提升车辆的定位精度，还需要基于ADAS相机识别道路交通标示，在雾天环境下，由于ADAS相机对周围环境的辨识度不高，难以保证高精度定位，特别是在弯道行驶时，可能导致定位车道误判，并且毫米波雷达在具体实施过程中成本较高。
发明内容
为了克服现有车辆车道定位技术在雾天环境高速公路上定位精度不高，不能满足车辆换道安全行驶要求的不足，本发明提供一种基于高精度北斗定位***(BDS，误差小于20cm)与高精度电子地图(误差小于10cm)匹配技术，采用垂直迭代法测量车辆前后轴中心连线中点(以下简称车辆中心)与车道中心线距离的雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法，它不依赖相机等视觉传感器，可以解决车辆在雾天高速公路环境下车辆换道行驶时的车道实时准确定位问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法，该方法是利用由转向开关、高精度BDS模块、高精度地图模块和车道判定模块构成***，车道判定模块通过转向开关获取车辆转向状态信息，判断车辆是否处于换道行驶状态；车道判定模块通过高精度BDS模块获取车辆中心的当前行驶信息，包括车辆中心在平面坐标系中的位置坐标、航向角(车辆中心航向与平面坐标系中Y轴的夹角，以正北方向为零基准，顺时针方向为正方向)等数据；高精度地图模块存储有车辆行驶所在高速公路车道边界、车道中心线、车道号和航向角(车道中心线航向与平面坐标系中Y轴的夹角，以正北方向为零基准，顺时针方向为正方向)等信息，供车道判定模块调取使用；车道判定模块将车辆中心实时BDS数据投影到车辆当前行驶路段的高精度地图上，获得换道行驶过程中车辆中心在高精度地图上的实时位置和航向角；然后采用垂直迭代法测量出高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的横向距离，与设定阈值比较，判定行驶车辆所处车道号或车辆换道行驶状态。
其中，在所述判定行驶车辆所处的车道号之前，还包括：对车辆进行初始标定，以确定车辆坐标系及BDS信号接收模块在车辆坐标系中的位置坐标；将车辆中心作为车辆坐标系原点，车头方向为YV轴、车右方向为XV轴、正上方为ZV轴的右手坐标系。BDS标定，主要包括测量高精度BDS模块中心与车辆中心的位置偏差，得到车辆坐标系下高精度BDS模块中心的坐标(XVBP，YVBP)。
在车辆从IDi号车道向IDi+1号车道换道行驶过程中，如果在高精度地图上能够测得车辆中心与左右两侧最接近车道IDi号和IDi+1号车道的车道中心线的横向距离分别为DL、DR，若DL小于等于设定阈值DT，则判定车道号为IDi，若DR小于等于设定阈值DT，则判定车道号为IDi+1，否则，判定车辆处于换道行驶状态。
本发明中高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的横向距离可用垂直迭代法求得，具体方法如图4所示：
设定误差阈值ε，假设车辆中心在高精度地图上的位置点为A(XA，YA)、航向为
Figure BSA0000251143170000021
航向角为α；
第一步：过A点作一条垂直于
Figure BSA0000251143170000022
的直线，得到该直线与车道中心线的交点B0(XB0，YB0)，查询高精度地图得到车道中心线上B0点的航向角θB0，过B0点沿航向角θB0作直线得到车道中心线上B0点的切线B0C0；过A点作一条垂直于B0C0的直线，在切线B0C0上的垂足为D1(XD1，YD1)点，交车道中心线于B1(XB1，YB1)点，若D1与B1的距离
Figure BSA0000251143170000023
则横向距离为A点与B1点的距离
Figure BSA0000251143170000031
横向距离求解结束；
第二步：若
Figure BSA0000251143170000032
则查询高精度地图得到车道中心线上B1点的航向角θB1，过B1点沿航向角θB1作直线得到车道中心线上B1点的切线B1C1；
第三步：过A点作一条垂直于B1C1的直线，在切线B1C1上的垂足为D2(XD2，YD2)点，交车道中心线于B2(XB2，YB2)点；
第四步：若D2与B2的距离
Figure BSA0000251143170000033
则横向距离为A点与B2点的距离
Figure BSA0000251143170000034
横向距离求解结束；
第五步：若D2与B2的距离
Figure BSA0000251143170000035
则按照第二步和第三步所述的方法继续循环迭代，直至找到
Figure BSA0000251143170000036
的交点BK，横向距离为A点与BK点的距离
Figure BSA0000251143170000037
横向距离求解结束。
本发明的有益效果为：集成应用高精度北斗定位***与高精度电子地图等先进技术，不依赖于ADAS相机和毫米波雷达等环境感知技术，实现车辆在雾天高速公路车道上换道行驶的准确定位，提高车辆换道行驶安全性，为解决雾天高速公路通行效率低的问题提供了新的途径。
附图说明
图1是本发明中车辆换道行驶车道定位***图；
图2是本发明中车辆换道行驶车道定位方法流程图；
图3是本发明中车辆换道过程示意图；
图4是本发明中横向距离迭代法求解示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图4，一种雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法，该方法是利用由转向开关1、高精度BDS模块2、高精度地图模块3和车道判定模块4构成的图1所示***，按图2所示流程，车道判定模块4通过转向开关1获取车辆转向状态信息，判断车辆是否处于换道行驶状态；车道判定模块4通过高精度BDS模块2获取车辆中心的当前行驶信息，包括车辆中心在平面坐标系中的位置坐标、航向角(车辆中心航向与平面坐标系中Y轴的夹角，以正北方向为零基准，顺时针方向为正方向)等数据；高精度地图模块3存储有车辆行驶所在高速公路车道边界、车道中心线、车道号和航向角(车道中心线航向与平面坐标系中Y轴的夹角，以正北方向为零基准，顺时针方向为正方向)等信息，供车道判定模块4调取使用；车道判定模块4将车辆中心实时BDS数据投影到车辆当前行驶路段的高精度地图上，获得换道行驶过程中车辆中心在高精度地图上的实时位置和航向角；然后采用垂直迭代法测量出高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的横向距离，与设定阈值比较，判定行驶车辆所处车道号或车辆换道行驶状态。
其中，在所述判定行驶车辆所处的车道号之前，还包括：对车辆进行初始标定，以确定车辆坐标系及BDS信号接收模块在车辆坐标系中的位置坐标；将车辆中心作为车辆坐标系原点，车头方向为YV轴、车右方向为XV轴、正上方为ZV轴的右手坐标系。BDS标定，主要包括测量高精度BDS模块中心与车辆中心的位置偏差，得到车辆坐标系下高精度BDS模块中心的坐标(XVBP，YVBP)。
如图3所示，在车辆从IDi号车道①号位置经过②号位置向IDi+1号车道③号位置换道行驶过程中，如果在高精度地图上能够测得车辆中心与左右两侧最接近车道IDi号和IDi+1号车道的车道中心线的横向距离分别为DL、DR，若DL小于等于设定阈值DT，则判定车道号为IDi，若DR小于等于设定阈值DT则判定车道号为IDi+1，否则，判定车辆处于换道行驶状态。
本发明中高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的横向距离可用垂直迭代法求得。具体方法如图4所示，假设在平面坐标系中，BDS模块中心在电子地图上的投影点坐标为(XA′，YA′)，车辆中心在电子地图上的投影点A的坐标为(XA，YA)、航向为
Figure BSA0000251143170000041
航向角为α，车道中心线的表达式为S(x)，车道中心线航向角的表达式为θ(x)，设定误差阈值ε＝2cm，则垂直迭代法求解横向距离的具体计算方法为：
(1)过A点且与
Figure BSA0000251143170000042
相垂直作直线，其方程为：
y＝-tan(α)(x-XA)+YA (1)
(2)将式(1)直线方程与车道中心线S(x)方程联立，求出交点B0的坐标(XB0，YB0)，并将交点坐标代入车道中心线航向角θ(x)方程中，得到车道中心线S(x)上B0点的航向角θB0。
(3)过B0点沿航向角θB0作直线B0C0，其方程为：
yB0C0＝cot(θB0)(x-XB0)+YB0 (2)
过A点且与直线B0C0相垂直作直线，其方程为：
y＝-tan(θB0)(x-XA)+YA (3)
(4)将式(3)的直线方程与直线B0C0的方程式(2)联立，求出交点D1的坐标(XD1，YD1)；将式(3)的直线方程与车道中心线S(x)方程联立，求出交点B1的坐标(XB1，YB1)；然后计算D1与B1距离的Z1：
Figure BSA0000251143170000051
若Z1≤2cm，则令X0＝XB1，Y0＝YB1，并转到步骤(8)；
(5)若Z1＞2cm，则将交点B1的坐标(XB1，YB1)代入车道中心线航向角θ(x)方程中，得到车道中心线S(x)上B1点的航向角θB1，并过B1点沿航向角θB1作直线B1C1，其方程为：
yB1C1＝cot(θB1)(x-XB1)+YB1 (5)
过A点且与直线B1C1相垂直作直线，其方程为：
y＝-tan(θB1)(x-XA)+YA (6)
(6)将式(6)的直线方程与直线B1C1的方程式(5)联立，求出交点D2的坐标(XD2，YD2)；将式(6)的直线方程与车道中心线S(x)方程联立，求出交点B2的坐标(XB2，YB2)；然后计算D2与B2距离的Z2：
Figure BSA0000251143170000052
若Z2≤2cm，则令X0＝XB2，Y0＝YB2，并转到步骤(8)。
(7)若Z2＞2cm，则继续按照步骤(5)、步骤(6)计算，直至迭代到第K步，过A点且与直线Bk-1Ck-1相垂直的直线与直线Bk-1Ck-1的交点Dk(XDk，YDk)，过A点且与直线Bk-1Ck-1相垂直的直线与车道中心线S(x)的交点Bk(XBk，YBk)，Dk与Bk的距离Zk≤2cm时，令X0＝XBk，Y0＝YBk，并转到步骤(8)；
(8)A点到车道中心线的横向距离D为：
Figure BSA0000251143170000061
以车辆宽度为国标上限2.55m的车辆在行车道宽度为3.75m的标准高速公路上进行换道行驶为例，综合考虑高精度北斗定位***及高精度电子地图的定位精度、雾天车辆行驶安全性和驾驶员驾驶操作的可实现性，设定横向距离阈值DT为40cm。当行驶车辆在从1号车道换向2号车道过程中，车道判定模块通过垂直迭代法实时计算得到不同的车辆中心与1号车道中心线的横向距离DL、与2号车道中心线的横向距离DR时，行驶车辆所处车道号或车辆换道行驶状态的判定结果如下表所示。
D<sub>L</sub>(cm) D<sub>R</sub>(cm) 判定结果
32.5 343.7 车辆处于1号车道
124.1 252.8 车辆处于从1号车道换入2号车道行驶状态
341.5 32.9 车辆处于2号车道
以上所述的具体实施方式，在本发明内容和权利要求所覆盖的范围内可以有多种变型和改变。因此，所述的实施方式并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (1)

1.一种雾天高速公路车辆换道行驶车道定位方法，其特征在于：利用由转向开关、高精度BDS模块、高精度地图模块和车道判定模块构成的***，车道判定模块通过转向开关获取车辆转向状态信息，判断车辆是否处于换道行驶状态，通过高精度BDS模块获取车辆中心在平面坐标系中的位置坐标和航向角等数据，调取高精度地图模块中存储的车辆当前行驶路段所在高速公路车道边界、车道中心线、车道号和航向角等信息，将车辆中心实时BDS数据投影到车辆当前行驶路段的高精度地图上，获得换道行驶过程中车辆中心在高精度地图上的实时位置和航向角，然后采用垂直迭代法测量出高精度地图上车辆中心与左右两侧最接近车道的车道中心线的横向距离，将横向距离测量值与设定阈值比较，判定行驶车辆所处车道号或车辆换道行驶状态。
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