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一種面向安全輔助預(yù)警的車(chē)輛相對(duì)位置判定方法

文檔作者：宋向輝李亞檬趙佳海王新科文檔來(lái)源：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月04日
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第30卷第10期
2013年10月
公路交通科技
Journal of Highway and Transportation Research and Development
V01．30 No．10
0ct．2013
doi：10．3969／j．issn．1002-0268．2013．10．021
一種面向安全輔助預(yù)警的車(chē)輛相對(duì)位置判定方法
宋向輝，李亞檬，趙佳海，王新科
(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)
摘要：針對(duì)基于位置的車(chē)輛安全預(yù)警服務(wù)對(duì)車(chē)輛位置的判定精度要求較高，以及目前衛(wèi)星定位精度在成本約束條件
下通常存在較大定位誤差的問(wèn)題，研究實(shí)現(xiàn)了一種用于車(chē)輛安全預(yù)警的基于條件極值和車(chē)輛歷史相對(duì)位置前溯法的
路上車(chē)輛相對(duì)位置判定方法，在提高運(yùn)算效率的同時(shí)保證了車(chē)輛與車(chē)輛或車(chē)輛與基準(zhǔn)參照物間相對(duì)位置的判定精度。
試驗(yàn)研究及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，該方法可提高車(chē)輛相對(duì)位置判定精度。通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了該方法適于行車(chē)
安全預(yù)警應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；安全預(yù)警；條件極值；定位精度；輔助駕駛
中圖分類(lèi)號(hào)：U491．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002—0268(2013)10—0117—05
A Determination Method of Vehicle Relative Position for Auxiliary Safety Pre-alerting
SONG Xiang—hui，LI Ya—meng，ZHAO Jia-hai，WANG Xin—ke
(Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China)
Abstract：Aiming at the problems that the high accuracy of vehicle relative position determination
requirement of vehicle safety—alerting service based on location information and the existence of large errors of
general satellite positioning due to the cost constraint，a vehicle relative position determination method for
vehicle safety pre—alerting based on conditional extreme and vehicle history relative position prospective
method is researched．This method can improve the efficiency of computation and ensure the relative position
determination accuracy between vehicle to vehicle，vehicle to reference frame at the same time．The
experimental research and data analysis show that this method can improve the determination accuracy
of vehicle relative position．It is proved by systematic test that this method is feasible to the safety pre—
alerting．
Key words：ITS；safety pre—alerting；conditional extreme；location accuracy；assistant driving
0引言
由于目前普通的GNSS單點(diǎn)定位精度不高(通
常誤差在15 m內(nèi)，若用于測(cè)量2個(gè)移動(dòng)車(chē)輛的相對(duì)
距離，則其定位誤差就有可能在30 m)¨。4j，使得對(duì)
運(yùn)動(dòng)中車(chē)輛的定位點(diǎn)一般會(huì)偏離實(shí)際道路。而在基
于位置的車(chē)輛安全預(yù)警中，尤其是在一些道路結(jié)構(gòu)
比較復(fù)雜的地方涉及到車(chē)輛與車(chē)輛之間的協(xié)同預(yù)警
時(shí)，對(duì)車(chē)輛位置準(zhǔn)確性要求較高。這時(shí)，如果不通
過(guò)高成本的電子科技手段的提升來(lái)提高定位精度，
就一定需要對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行必要的算法處理，才能較
好地滿(mǎn)足這類(lèi)應(yīng)用對(duì)位置準(zhǔn)確性的要求。
依托交通運(yùn)輸部綜合試驗(yàn)場(chǎng)道路環(huán)境，分析實(shí)
現(xiàn)了一種基于條件極值的車(chē)輛位置確認(rèn)技術(shù)。傳統(tǒng)
定位匹配的基本思想是利用數(shù)字地圖在最新軌跡點(diǎn)
坐標(biāo)的周?chē)鷮ふ易罱牡缆贰盝。本文所提出的方法
與傳統(tǒng)方法的主要區(qū)別在于它在簡(jiǎn)化道路復(fù)雜度的
基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用條件極值方法怕1和車(chē)輛歷史相對(duì)
收稿13期：2013—04一叭
基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(八六三計(jì)劃)項(xiàng)目(2011AAll0404—5)
作者簡(jiǎn)介：宋向輝(1973一)，女，寧夏鹽池人，副研究員，碩士．(sxh@itsc．cn)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
118 公路交通科技第30卷
位置前溯法，并根據(jù)具體道路特點(diǎn)進(jìn)行必要的定位
修正，在提高運(yùn)算效率的同時(shí)保證了車(chē)輛與車(chē)輛或
車(chē)輛與基準(zhǔn)參照物間相對(duì)位置的判定精度。
1 方法
1．1 道路分割
為保證定位點(diǎn)到實(shí)際道路映射的有效性和映射
運(yùn)算的效率，路段分隔時(shí)遵循下述原理：
(1)分割生成的路段可用方程Y=廠(chǎng)(戈)表示，
且方程只有1個(gè)實(shí)數(shù)根，式中舅代表經(jīng)度，Y代表
緯度。
(2)分割后生成的每條道路的描述方程盡量簡(jiǎn)
單，目的是盡量降低運(yùn)算時(shí)問(wèn)，以適應(yīng)道路安全預(yù)
警類(lèi)應(yīng)用對(duì)時(shí)間效率的要求。
以交通運(yùn)輸部試驗(yàn)場(chǎng)的綜合試驗(yàn)路為例，實(shí)際
道路的4個(gè)分割點(diǎn)分別如圖l(a)所示，所生成的
任何路段曲線(xiàn)都可用下式表示(不同路段，其o、b、
c的值不同)。
Y=口z2+6菇+c， (1)
式中，口、b、c為一元二次方程的系數(shù)。
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3
Co)道路分割
圖1試驗(yàn)路段和道路分割示意圖
Fig．1 Schematic diagram of experiment road
section and road segment
1．2位置映射
位置映射的基本思路為：求定位點(diǎn)到曲線(xiàn)上①
的距離，并獲取該點(diǎn)到曲線(xiàn)的最小距離值和映射點(diǎn)，
所得投影點(diǎn)即為當(dāng)前定位值在路段上的準(zhǔn)確映射。
(1)求定位點(diǎn)到曲線(xiàn)(分割后的任一曲線(xiàn))的
最短距離
設(shè)衛(wèi)星定位點(diǎn)當(dāng)前坐標(biāo)值為P(％，y0)，則該
點(diǎn)到曲線(xiàn)(1)上各點(diǎn)的距離D可表示為函數(shù)：
D2(菇，Y)=(戈一凰)2+(Y—Y0)2， (2)
因此，求P(蜀，r0)到曲線(xiàn)上①的最短距離，就是
求式(2)在式(1)條件下的極小值。
作輔助函數(shù)：
G(戈，y，A)=(戈一黽)2+(Y—Yo)2+
A(口z2+6菇+c—Y)， (3)
式中實(shí)數(shù)A為L(zhǎng)agrange乘數(shù)。
則有下列方程組： 旦墾蔓掣：(2A口+2)戈+bA一2Xo：0， dx 掣=2(y—Yo)一A=。， ‘4’
Y 2 CtX,2+bx+c。
由方程組(4)解出極值點(diǎn)P(菇，Y)。經(jīng)過(guò)求解，
P(石，Y)點(diǎn)的菇和Y的程序?qū)崿F(xiàn)可描述如下：
令
A=2a2，
B=3ab，
C=1+b2+2ac一2ayo．
D=bc—Xo—bro．
P=(3AC—B2)／3A2，
q=(B／3A)3一BC／6A2+D／2A， z：Fi麗+Fi麗，
(5)
式中A、曰、C、D、P、q、z均為過(guò)程變量。
則P(戈，Y)的坐標(biāo)點(diǎn)可表示為：
{x～-．，B／3A, ， (6)
【)，=口+(z—B／3A)2+6(孑一B／3A)+c。、。
對(duì)輔助函數(shù)a(x，Y，A)求二階導(dǎo)數(shù)，得：
102G：2An+2，
磐2：2， (7) ． 一‘-’ ＼。，
o了
一02G：韭OxOy OyOx’
即：d2G=～2(2Aa+2)，
式中，口為方程系數(shù)；A為L(zhǎng)agrange乘數(shù)。
將JP(戈，Y)代入d2G，得d2G<0，則P(戈，Y)
2
5，5
6
5
9
5
8
5
73
Ⅲ“m“¨硒Ⅲ“Ⅲ硒；墨 舶n硒∞的鯽脅鋁筋卯彤
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第10期宋向輝，等：一種面向安全輔助預(yù)警的車(chē)輛相對(duì)位置判定方法119
是極小值點(diǎn)，即為P(Xo，ro)在道路曲線(xiàn)上①的投
影。將該P(yáng)(算，Y)代人D2(z，Y)=(戈一％)2+
(Y—Yo)2，便可得到關(guān)于(％，y0)到曲線(xiàn)上①的
最小值02j。(菇，Y，Xo，Yo)。
(2)獲取定位點(diǎn)在路段上的投影
如圖2所示，設(shè)當(dāng)前定位點(diǎn)臨近的道路有2條，
定位點(diǎn)(凰，y0)在這2條道路上的投影分別為
(戈。，Y，)和(戈：，Y：)，則(凰，yo)到2條道路
的最短距離分別為：
D：Inl(菇l，Yl，Xo，ro)，D二In2(z2，Y2，Xo，ro)。
圖2獲取點(diǎn)到道路的投影
n晷2 To get the projection from points to road
理論上，投影點(diǎn)應(yīng)選擇：
min[D：。I(zl，Yl，Xo，ro)，D‰(戈2，Y2，Xo，ro)]，
故這里(瓦，y0)的投影點(diǎn)為(戈。，Y。)。
1．3過(guò)濾與修正
實(shí)際上，由于衛(wèi)星定位有誤差，在路段分割點(diǎn)
附近有可能會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的情況，即定位點(diǎn)離
其實(shí)際所在道路的距離大于定位點(diǎn)到當(dāng)前鄰近道路
的距離，這時(shí)就需要借助歷史車(chē)輛位置數(shù)據(jù)組和車(chē)
輛行駛方向、速度來(lái)進(jìn)行映射修正。
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3
圖3投影修正
n昏3 Projection position correction
這里設(shè)用于修正映射誤差的數(shù)組深度為5。將當(dāng)
前定位點(diǎn)記作P(墨，y5)，則歷史定位數(shù)組可表
示為I
[P(X5，y5)，P(丘，y4)，P(X3，y3)，
P(X2，y2)，P(X。，Y1)]。(8)
以圖3所示為例，將P(墨，y5)～P(戈。，Y。)
置人數(shù)組，則如果數(shù)組(8)中：
(1)各點(diǎn)均處在同一條路段上；
(2)各點(diǎn)的x值為單調(diào)遞增(如果路段分割時(shí)
以y軸為基礎(chǔ)，則應(yīng)判斷各點(diǎn)的y值變化規(guī)律是否
為單調(diào)遞增或單調(diào)遞減)；
(3)各點(diǎn)的x值同時(shí)小于圖3中①分割點(diǎn)
P(名n，yn)的戈，l，則不能繼續(xù)按照min[D‰(石。，
Y。，Xo，ro)，D：112(x2，Y2，Xo，ro)]的原則來(lái)選
擇P(x：，Y：)為映射點(diǎn)，而是應(yīng)該選P(戈。，Y。)為
當(dāng)前定位點(diǎn)在道路上的映射點(diǎn)。
2方法可用性驗(yàn)證
2．1 可提高車(chē)輛相對(duì)位置判斷精確度
在交通運(yùn)輸部綜合試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)基于本文所提方
法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)有修正方法)的車(chē)輛相對(duì)位置判定精
確度進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。
在2個(gè)車(chē)載設(shè)備中裝載本文所述的相對(duì)位置處
理算法，在另外2個(gè)車(chē)載設(shè)備中裝載GPS定位值直
接計(jì)算距離的算法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)修正方法)，對(duì)2組
車(chē)載設(shè)備同步開(kāi)展試驗(yàn)。
試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備間的相對(duì)距離在1～35 S之間調(diào)整，
以l S為步進(jìn)值，以車(chē)載設(shè)備的實(shí)際距離值為基準(zhǔn)。
基于2種不同算法的相對(duì)距離判定數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4相對(duì)距離精度比較
n晷4 Comparison of relative distance accuracies
試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：運(yùn)用定位點(diǎn)無(wú)修正方法進(jìn)
行相對(duì)距離計(jì)算，相對(duì)距離判定平均誤差在4．37 S；
運(yùn)用定位點(diǎn)有修正方法進(jìn)行相對(duì)距離計(jì)算，可使相
對(duì)距離判定平均誤差縮小到1．73 S。
2
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1
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7
3
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
120 公路交通科技第30卷
2．2在基于位置的安全預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用效果良好
在交通運(yùn)輸部道路綜合試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了為期半年
的功能性能試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖5所示。
圖5安全預(yù)警路上試驗(yàn)示意圖
Fig．5 Schematic diagram of afety pre-alerting
road testing system
分別利用本文所述的方法和GPS定位值直接計(jì)算
距離的方法進(jìn)行車(chē)輛跟蹤定位，并通過(guò)下面3項(xiàng)車(chē)輛
安全預(yù)警試驗(yàn)同步對(duì)這2種方法的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。
(1)特殊路段報(bào)警：當(dāng)車(chē)輛駛近特殊路段時(shí)，
預(yù)警器語(yǔ)音提示“危險(xiǎn)路段”。
(2)轉(zhuǎn)彎報(bào)警：當(dāng)車(chē)輛駛近彎道路段時(shí)，根據(jù)
順行或逆行對(duì)應(yīng)報(bào)警“前方左轉(zhuǎn)彎，請(qǐng)注意安全”、
“前方右轉(zhuǎn)彎，請(qǐng)注意安全”。
(3)前后車(chē)安全距離報(bào)警：前車(chē)以速度移．、加
速度o，行駛，后車(chē)以速度口：、加速度n：追趕前車(chē)，
用△P表示后車(chē)與前車(chē)的距離。當(dāng)l≤△P／(穢。一口：)≤
4 S或l≤△P／穢：≤4 S時(shí)，后車(chē)給出預(yù)警信號(hào)，語(yǔ)音
提示“請(qǐng)與前車(chē)保持安全車(chē)距”。
試驗(yàn)時(shí)車(chē)速控制在40—120 km／h范圍"'10’1 21。
由于目前普通的GPS單點(diǎn)定位精度通常誤差在15 m
內(nèi)，若用于測(cè)量2 veh移動(dòng)車(chē)輛的相對(duì)距離，則其定
位誤差就有可能在30 S【ln 14]，所以取多組相對(duì)距離
不同的數(shù)據(jù)(每組有500個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù))進(jìn)行分析。
預(yù)警正確率分別如表1所示。
通過(guò)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)移動(dòng)中的2
veh車(chē)之間的相對(duì)距離大于30 S時(shí)，或移動(dòng)車(chē)輛與固
定參照物間的相對(duì)距離大于15 S時(shí)，采用本文提出
的有修正方法和采用傳統(tǒng)的無(wú)修正方法，在基于位
置的車(chē)輛安全預(yù)警應(yīng)用中都沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)警錯(cuò)誤。但
當(dāng)2 veh車(chē)之間的相對(duì)距離或車(chē)輛與固定參照物間的
相對(duì)距離小于GPS定位差時(shí)，采用本文中所提出的
有修正方法可將預(yù)警可靠性的平均值提高到99．4％。
與無(wú)修正方法的預(yù)警可靠性平均值相比，預(yù)警可靠
性提高了11．2％；特別是當(dāng)2 veh移動(dòng)車(chē)輛的間距小
于10 S時(shí)，采用本文中所提出的修正方法可將預(yù)警
可靠性提高25％。
表1試驗(yàn)結(jié)果表
Tab．1 Test result
3結(jié)論
本文介紹了一種基于條件極值和車(chē)輛歷史相對(duì)
位置前溯法的路上車(chē)輛相對(duì)位置判定方法。該方法
首先通過(guò)道路分割使得復(fù)雜曲線(xiàn)相關(guān)問(wèn)題變?yōu)榭捎?
一元二次方程表示的曲線(xiàn)相關(guān)問(wèn)題，在簡(jiǎn)化的道路
上利用條件極值方法獲得GNSS定位點(diǎn)到道路的有效
映射點(diǎn)，并在特殊位置進(jìn)行定位修正。試驗(yàn)表明，
這種方法對(duì)比較復(fù)雜的道路有較強(qiáng)的將車(chē)輛軌跡匹
配到正確路徑上的能力，有效地提高了移動(dòng)中的車(chē)
輛與運(yùn)動(dòng)參照物或靜止參照物間的相對(duì)距離判定精
度；在基于位置的車(chē)輛安全預(yù)警應(yīng)用中時(shí)，該方法
能大幅提高安全預(yù)警的可靠性，故適于在基于位置
的車(chē)輛安全預(yù)警應(yīng)用中運(yùn)用。
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