一種基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字地圖制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于地理信息系統(tǒng)領域，涉及一種基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字 地圖制作方法。
【背景技術】
[0002] 數(shù)字地圖是通過數(shù)字化的方法，把城市地理信息以一定的格式存儲起來，并能以 連續(xù)地圖的形式呈現(xiàn)出來，本質上是一個城市地理數(shù)據(jù)庫。數(shù)字地圖可提供豐富的基于位 置的服務，為人們生活帶來了極大的便利。然而目前的數(shù)字地圖存在以下問題：數(shù)字地圖精 度較低，無法通過已知信息進一步計算，獲得精度較高的道路縱向坡度等信息；地圖信息匱 乏，一般僅包含位置信息，而對于一些人們關注的重要信息，例如道路的航向、曲率、坡度、 附近樓層的高度等信息并沒有包含；數(shù)字地圖目前制作復雜、專業(yè)性要求很高，需要掌握空 間變換與幾何變換算法、矢量與柵格數(shù)據(jù)模型等；除了對專業(yè)性有很高的要求，傳統(tǒng)數(shù)字地 圖的制作過程中很多測繪工作需要由人工來完成，工作量大且效率不高，制作成本相對較 尚。
[0003] 針對上述問題，近幾年國內外開始關注增強型數(shù)字矢量地圖，其不僅包含了普通 地圖的位置信息，還包含了一些特有的信息，例如道路的航向、坡度、路邊房屋的高度等，增 強型數(shù)字矢量地圖相對于普通數(shù)字地圖具有更加廣泛的運用前景。本發(fā)明提出的基于卡爾 曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字地圖的制作方法就是一種增強型的數(shù)字矢量地圖的制作方 法。目前的坡度測量儀、全站儀、水平儀等傳統(tǒng)道路縱向坡度測量設備，當需要測量道路里 程較長時，往往因為測量工作量太大、數(shù)據(jù)采集方式復雜，難以滿足大規(guī)模應用的需求。因 此本發(fā)明使用了多傳感器信息采集車輛進行道路及車輛狀態(tài)信息的采集，簡單易行、效率 高。本發(fā)明所制作的基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字地圖，具體包含了道路的縱向 坡度信息，在車輛主動安全等領域有著廣泛的應用。例如，近幾年客車在山區(qū)道路翻車事故 頻繁發(fā)生，造成巨大的人員財產(chǎn)損失，司機對當前路況判斷失誤以及缺乏對復雜環(huán)境中路 況的提前預警是事故發(fā)生的主要原因。道路縱向坡度是一種非常重要的道路信息，道路縱 向坡度對于車輛檔位控制、速度控制有著重要的參考價值，司機提前獲得準確的道路縱向 坡度信息可以有效避免車輛出現(xiàn)翻車等一系列事故。因此制作基于卡爾曼濾波的道路坡度 增強型數(shù)字地圖，有著重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字地圖制作方法，已解決 現(xiàn)有數(shù)字地圖的制作工作量大、過程復雜、精度不夠高、缺乏道路坡度信息（道路坡度具體 指道路縱向坡度，其在車輛主動安全領域有著廣泛的應用）的問題。
[0005] 本發(fā)明提出一種基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字地圖制作方法。首先選 定道路，確定道路起始點與終點；通過多傳感器信息采集車輛，采集選定道路的位置信息、 車輛的狀態(tài)信息；然后對采集到的道路位置信息進行初步處理，將經(jīng)煒度坐標轉化為平面 坐標，并將轉化后平面坐標表示的位置作為道路的節(jié)點；通過基于卡爾曼濾波的道路縱向 坡度估計算法，估計出每個節(jié)點位置道路的縱向坡度；最后將道路的節(jié)點位置信息以及縱 向坡度信息，利用數(shù)字地圖制作軟件制作成基于卡爾曼濾波的道路坡度增強型數(shù)字矢量地 圖。
[0006] 具體實施步驟包括：
[0007] 步驟一、首先選定道路；
[0008] 首先將需要測繪的道路進行分割，選定需要進行量測的部分，確定需要測繪部分 的起始點與終點。本專利所適用的道路為高速公路以及一級、二級公路，且所適用的道路光 滑連續(xù)，不包含交叉路口。鑒于步驟二所采用的高斯-克呂格投影在局部范圍精度較高，且 隨著范圍增大誤差也隨之增大，因此選擇的道路長度應不超過5km。
[0009] 步驟二、通過多傳感器信息采集車輛，采集選定道路位置以及車輛狀態(tài)等信息；
[0010] 本方法采用了多傳感器信息采集車輛，其搭載的衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以實時輸出道路 位置RJLA)、車輛的垂直速度VZy車輛的水平速度νχΥι1以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星 數(shù)Nsatil，其中Lp分別表示經(jīng)度、煒度；縱向加速度傳感器輸出車輛縱向加速度信息Ay 其中i表示開始采集后接收到的信息的序號，i= 1，2, 3···.。通過同時開始采集多種傳感 器信息并統(tǒng)一各個傳感器信息輸出頻率（輸出頻率均為20Hz)，保證采集序號相同的信息 一一對應。同一時刻所采集的信息有：車輛所在位置的經(jīng)煒度信息民(LA)、車輛的垂直速 度VZii、車輛的水平速度VXYil、衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)Nsatil以及車輛縱向的加速度 4。車輛在信息采集的過程中需要保持車輛平穩(wěn)運行，以保證車身與地面盡量平行，減小在 估計道路縱向坡度時因為車身傾斜而產(chǎn)生的誤差。同時采集車輛的胎壓需要保持一致，避 免因車輛胎壓不同導致的道路坡度估計誤差。道路信息采集過程中為了保證采集的信息密 度均勻，車速要保持勻速，且車速在55-65km/h范圍以內，這樣保證采集的道路位置信息的 間距適中，所采集的位置信息間距在0. 764-0. 903m之間。由于道路中車道之間基本平行， 所以本專利選取行進方向左側車道來提取道路的縱向坡度信息，且采集過程中采集車輛沿 車道中心行駛。
[0011] 步驟三、將采集到經(jīng)煒度坐標轉化成平面坐標，并將轉化后平面坐標表示的位置 作為道路的節(jié)點；
[0012] 由于制作地圖需要平面直角坐標系坐標，本發(fā)明采用較為成熟的3度帶高斯-克 呂格投影方法，將經(jīng)煒度坐投影為高斯平面直角坐標系坐標為坐標 轉換后對應的平面直角坐標系的縱坐標（北向位置），yi為坐標轉換后對應的平面直角坐 標系的橫坐標（東向位置）。根據(jù)起始點&(Q 選定RJL。B。）作為高斯-克呂格投影 的原點，其中LQ= 3D，D為（h/3)四舍五入取整的值，BQ= 0°。經(jīng)煒度坐標BJ轉 換公式如下所示：
[0013]
[0014] 式（1)為高斯投影公式的泰勒級數(shù)展開式，式中省去了 7次以上高次項，其中為 為赤道至煒度Βι的子午線弧長，上
為所求點的經(jīng)度1^與1^。之差，t=tanBi，n=ycos 為橢球第二偏心率，N為通 過所求點的卯酉圈曲率半徑，C。，Q，C2,C3,C4為與點位無關的系數(shù)，僅有橢球體長半軸、短 半軸、第一偏心率等參數(shù)確定。目前矢量地圖多采用點的連線來表示道路，所以本發(fā)明將轉 換后平面坐標Pi(XA)所表示的位置作為道路的節(jié)點隊(χι7ι)，通過節(jié)點的連線表示道路。
[0015] 步驟四、通過基于卡爾曼濾波的道路縱向坡度估計算法，估計出節(jié)點處的道路縱 向坡度信息；
[0016] 本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波的道路縱向坡度估計算法，該算法精度高、實 時性好、適用范圍廣，能夠實現(xiàn)復雜環(huán)境下的道路縱向坡度估計。
[0017] 具體估計算法如下：
[0018] 1、卡爾曼濾波觀測量計算模型；
[0019] 本發(fā)明提出了一種基于多傳感器信息的卡爾曼濾波觀測量計算模型。該模型采用 高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)和車輛縱向加速度傳感器，可以得出比單一傳感器精度更高、魯棒性 更好的道路縱向坡度觀測值。本發(fā)明中坡度采用百分比法表示。
[0020] 1)利用高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算出道路縱向坡度。
[0021] 具體的解算方式：通過高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取車輛的垂直速度VZil和水平速度 VXYjH、，然后根據(jù)公式
[0022]
123456789 得出道路縱向坡度θ 1ι; 2 2)利用車輛縱向加速度傳感器數(shù)據(jù)解算出道路縱向坡度。 3 具體的解算方式：根據(jù)采集的車輛縱向加速度Ai，考慮到車輛行駛在勻速狀態(tài)，車 輛的縱向加速度可以忽略不計，然后通過公式 4
[0026]
5 得出道路縱向坡度θ2ι其中g為重力加速度g= 9. 8m/s2。 6 本算法依據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)NsaM，將兩種道路縱向坡度計算值的結 果進行融合，得出精度更高、魯棒性更好的道路縱向坡度觀測值；