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一種面向安全輔助預(yù)警的車輛相對位置判定方法

文檔作者：宋向輝李亞檬趙佳海王新科文檔來源：交通運輸部公路科學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 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)警的車輛相對位置判定方法
宋向輝，李亞檬，趙佳海，王新科
(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)
摘要：針對基于位置的車輛安全預(yù)警服務(wù)對車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題，研究實現(xiàn)了一種用于車輛安全預(yù)警的基于條件極值和車輛歷史相對位置前溯法的
路上車輛相對位置判定方法，在提高運算效率的同時保證了車輛與車輛或車輛與基準參照物間相對位置的判定精度。
試驗研究及試驗數(shù)據(jù)分析表明，該方法可提高車輛相對位置判定精度。通過應(yīng)用系統(tǒng)測試，驗證了該方法適于行車
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
中圖分類號：U491．2 文獻標識碼：A 文章編號：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單點定位精度不高(通
常誤差在15 m內(nèi)，若用于測量2個移動車輛的相對
距離，則其定位誤差就有可能在30 m)¨。4j，使得對
運動中車輛的定位點一般會偏離實際道路。而在基
于位置的車輛安全預(yù)警中，尤其是在一些道路結(jié)構(gòu)
比較復(fù)雜的地方涉及到車輛與車輛之間的協(xié)同預(yù)警
時，對車輛位置準確性要求較高。這時，如果不通
過高成本的電子科技手段的提升來提高定位精度，
就一定需要對定位點進行必要的算法處理，才能較
好地滿足這類應(yīng)用對位置準確性的要求。
依托交通運輸部綜合試驗場道路環(huán)境，分析實
現(xiàn)了一種基于條件極值的車輛位置確認技術(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
坐標的周圍尋找最近的道路”J。本文所提出的方法
與傳統(tǒng)方法的主要區(qū)別在于它在簡化道路復(fù)雜度的
基礎(chǔ)上，綜合運用條件極值方法怕1和車輛歷史相對
收稿13期：2013—04一叭
基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(八六三計劃)項目(2011AAll0404—5)
作者簡介：宋向輝(1973一)，女，寧夏鹽池人，副研究員，碩士．(sxh@itsc．cn)
萬方數(shù)據(jù)
118 公路交通科技第30卷
位置前溯法，并根據(jù)具體道路特點進行必要的定位
修正，在提高運算效率的同時保證了車輛與車輛或
車輛與基準參照物間相對位置的判定精度。
1 方法
1．1 道路分割
為保證定位點到實際道路映射的有效性和映射
運算的效率，路段分隔時遵循下述原理：
(1)分割生成的路段可用方程Y=廠(戈)表示，
且方程只有1個實數(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
單，目的是盡量降低運算時問，以適應(yīng)道路安全預(yù)
警類應(yīng)用對時間效率的要求。
以交通運輸部試驗場的綜合試驗路為例，實際
道路的4個分割點分別如圖l(a)所示，所生成的
任何路段曲線都可用下式表示(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：求定位點到曲線上①
的距離，并獲取該點到曲線的最小距離值和映射點，
所得投影點即為當(dāng)前定位值在路段上的準確映射。
(1)求定位點到曲線(分割后的任一曲線)的
最短距離
設(shè)衛(wèi)星定位點當(dāng)前坐標值為P(％，y0)，則該
點到曲線(1)上各點的距離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)
式中實數(shù)A為Lagrange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P(菇，Y)。經(jīng)過求解，
P(石，Y)點的菇和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均為過程變量。
則P(戈，Y)的坐標點可表示為：
{x～-．，B／3A, ， (6)
【)，=口+(z—B／3A)2+6(孑一B／3A)+c。、。
對輔助函數(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Lagrange乘數(shù)。
將JP(戈，Y)代入d2G，得d2G<0，則P(戈，Y)
2
5，5
6
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Ⅲ“m“¨硒Ⅲ“Ⅲ硒；墨 舶n硒∞的鯽脅鋁筋卯彤
萬方數(shù)據(jù)
第10期宋向輝，等：一種面向安全輔助預(yù)警的車輛相對位置判定方法119
是極小值點，即為P(Xo，ro)在道路曲線上①的投
影。將該P(算，Y)代人D2(z，Y)=(戈一％)2+
(Y—Yo)2，便可得到關(guān)于(％，y0)到曲線上①的
最小值02j。(菇，Y，Xo，Yo)。
(2)獲取定位點在路段上的投影
如圖2所示，設(shè)當(dāng)前定位點臨近的道路有2條，
定位點(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獲取點到道路的投影
n晷2 To get the projection from points to road
理論上，投影點應(yīng)選擇：
min[D：。I(zl，Yl，Xo，ro)，D‰(戈2，Y2，Xo，ro)]，
故這里(瓦，y0)的投影點為(戈。，Y。)。
1．3過濾與修正
實際上，由于衛(wèi)星定位有誤差，在路段分割點
附近有可能會出現(xiàn)如圖3所示的情況，即定位點離
其實際所在道路的距離大于定位點到當(dāng)前鄰近道路
的距離，這時就需要借助歷史車輛位置數(shù)據(jù)組和車
輛行駛方向、速度來進行映射修正。
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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)各點均處在同一條路段上；
(2)各點的x值為單調(diào)遞增(如果路段分割時
以y軸為基礎(chǔ)，則應(yīng)判斷各點的y值變化規(guī)律是否
為單調(diào)遞增或單調(diào)遞減)；
(3)各點的x值同時小于圖3中①分割點
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)]的原則來選
擇P(x：，Y：)為映射點，而是應(yīng)該選P(戈。，Y。)為
當(dāng)前定位點在道路上的映射點。
2方法可用性驗證
2．1 可提高車輛相對位置判斷精確度
在交通運輸部綜合試驗場，對基于本文所提方
法(以下簡稱有修正方法)的車輛相對位置判定精
確度進行評價試驗。
在2個車載設(shè)備中裝載本文所述的相對位置處
理算法，在另外2個車載設(shè)備中裝載GPS定位值直
接計算距離的算法(以下簡稱無修正方法)，對2組
車載設(shè)備同步開展試驗。
試驗時，設(shè)備間的相對距離在1～35 S之間調(diào)整，
以l S為步進值，以車載設(shè)備的實際距離值為基準。
基于2種不同算法的相對距離判定數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4相對距離精度比較
n晷4 Comparison of relative distance accuracies
試驗數(shù)據(jù)分析表明：運用定位點無修正方法進
行相對距離計算，相對距離判定平均誤差在4．37 S；
運用定位點有修正方法進行相對距離計算，可使相
對距離判定平均誤差縮小到1．73 S。
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5
1
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m舶m“¨舶m¨m“Ⅲ 邡仉肺∞“約筋鍶彤"街
S＼瞇好瓣盎￥5辨憎幕；基拿萇且豐霹針
萬方數(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
在交通運輸部道路綜合試驗場進行了為期半年
的功能性能試驗，試驗過程如圖5所示。
圖5安全預(yù)警路上試驗示意圖
Fig．5 Schematic diagram of afety pre-alerting
road testing system
分別利用本文所述的方法和GPS定位值直接計算
距離的方法進行車輛跟蹤定位，并通過下面3項車輛
安全預(yù)警試驗同步對這2種方法的可靠性進行驗證。
(1)特殊路段報警：當(dāng)車輛駛近特殊路段時，
預(yù)警器語音提示“危險路段”。
(2)轉(zhuǎn)彎報警：當(dāng)車輛駛近彎道路段時，根據(jù)
順行或逆行對應(yīng)報警“前方左轉(zhuǎn)彎，請注意安全”、
“前方右轉(zhuǎn)彎，請注意安全”。
(3)前后車安全距離報警：前車以速度移．、加
速度o，行駛，后車以速度口：、加速度n：追趕前車，
用△P表示后車與前車的距離。當(dāng)l≤△P／(穢。一口：)≤
4 S或l≤△P／穢：≤4 S時，后車給出預(yù)警信號，語音
提示“請與前車保持安全車距”。
試驗時車速控制在40—120 km／h范圍"'10’1 21。
由于目前普通的GPS單點定位精度通常誤差在15 m
內(nèi)，若用于測量2 veh移動車輛的相對距離，則其定
位誤差就有可能在30 S【ln 14]，所以取多組相對距離
不同的數(shù)據(jù)(每組有500個測試數(shù)據(jù))進行分析。
預(yù)警正確率分別如表1所示。
通過表1中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)移動中的2
veh車之間的相對距離大于30 S時，或移動車輛與固
定參照物間的相對距離大于15 S時，采用本文提出
的有修正方法和采用傳統(tǒng)的無修正方法，在基于位
置的車輛安全預(yù)警應(yīng)用中都沒有出現(xiàn)預(yù)警錯誤。但
當(dāng)2 veh車之間的相對距離或車輛與固定參照物間的
相對距離小于GPS定位差時，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移動車輛的間距小
于10 S時，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輛歷史相對
位置前溯法的路上車輛相對位置判定方法。該方法
首先通過道路分割使得復(fù)雜曲線相關(guān)問題變?yōu)榭捎?
一元二次方程表示的曲線相關(guān)問題，在簡化的道路
上利用條件極值方法獲得GNSS定位點到道路的有效
映射點，并在特殊位置進行定位修正。試驗表明，
這種方法對比較復(fù)雜的道路有較強的將車輛軌跡匹
配到正確路徑上的能力，有效地提高了移動中的車
輛與運動參照物或靜止參照物間的相對距離判定精
度；在基于位置的車輛安全預(yù)警應(yīng)用中時，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
的車輛安全預(yù)警應(yīng)用中運用。
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