基于RFID、視覺和UWB的車輛定位系統(tǒng)

曹立波，陳 崢，顏凌波，秦 勤，張瑞鋒

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

基于RFID、視覺和UWB的車輛定位系統(tǒng)

曹立波，陳 崢，顏凌波，秦 勤，張瑞鋒

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

在智能交通系統(tǒng)中獲取車輛的精確位置對(duì)提升主動(dòng)安全和實(shí)現(xiàn)無人駕駛具有重要意義。針對(duì)目前全球定位系統(tǒng)(GPS)和車路通信(V2I)定位方法的不足，結(jié)合射頻識(shí)別(RFID)、視覺和超寬帶(UWB)通信提出了一種新的車輛定位系統(tǒng)，目的是在GPS效果不佳的城市環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車道級(jí)的定位。提出了基于RFID和視覺的車道判別算法和基于UWB的單錨點(diǎn)V2I定位算法。分析了單錨點(diǎn)V2I定位算法在典型工況下的定位誤差。結(jié)果表明，在合理布置路側(cè)單元的前提下采用該定位方法可實(shí)現(xiàn)直道和彎道定位誤差分別在0.3和0.5m以內(nèi)的定位精度。

智能交通系統(tǒng)；車輛定位；RFID；視覺；UWB

前言

智能交通系統(tǒng)(intelligent transportation system，ITS)以提高交通效率和交通安全為主要目的，而車輛定位是其中的關(guān)鍵技術(shù)。獲取車道級(jí)的精確位置對(duì)于在ITS中提高智能車輛的安全性和實(shí)現(xiàn)自主駕駛都具有重要意義。

以全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system)是目前使用最廣泛的車輛定位技術(shù)，可通過差分法來提高精度。偽差分全球定位系統(tǒng)在開闊環(huán)境下定位精度為2m左右，達(dá)不到車道級(jí)定位要求?；谳d波相位的差分全球定位系統(tǒng)(real time kinetic differential GPS，RTK-DGPS)定位精度可達(dá)厘米級(jí)，但由于衛(wèi)星信號(hào)易被遮擋，且信號(hào)丟失后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，可靠性欠佳。實(shí)驗(yàn)證明城市環(huán)境中RTK-DGPS僅有少部分時(shí)間能達(dá)到此精度[1]，且RTK接收機(jī)價(jià)格高達(dá)數(shù)萬元，難以大規(guī)模普及。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)被用于車輛的航位推算，以修正GPS信號(hào)不佳時(shí)造成的定位誤差，或在GPS無信號(hào)的條件下代替GPS定位。但慣性測(cè)量系統(tǒng)本身極易產(chǎn)生累積誤差，例如文獻(xiàn)[1]中測(cè)得車輛每行駛300m，INS即產(chǎn)生2m以上的誤差，故不宜長(zhǎng)時(shí)間使用。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，基于車路通信(vehicle to road/infrastructure communications，V2I)的定位方法也越來越受到重視，該方法的原理是在車輛與路側(cè)單元(road side unit，RSU，俗稱錨點(diǎn))進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的同時(shí)分析信號(hào)到達(dá)時(shí)間或到達(dá)時(shí)間差等特征測(cè)得車輛與多個(gè)RSU的距離，再通過三點(diǎn)定位法、極大似然法和Chan算法等確定車輛位置坐標(biāo)[2-8]，隨著超寬帶(ultra wideband，UWB)通信技術(shù)的應(yīng)用，其定位精度可達(dá)1m以內(nèi)[9-11]。雖然該方法不受地形限制，可彌補(bǔ)GPS的不足，但其精度仍然無法保證將車輛定位到正確車道，且定位過程中需要車輛同時(shí)與至少3個(gè)錨點(diǎn)(RSU)通信，這樣大大增加了V2I通信量、RSU數(shù)目和系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[12]中提出了一種新型雙錨點(diǎn)V2I定位方法，該方法利用車輛在行駛過程中與道路兩側(cè)RSU通信時(shí)信號(hào)多普勒頻移的差別，判斷車輛橫向和縱向位置。在車速較高的情況下可實(shí)現(xiàn)車道級(jí)定位精度，但隨著車速降低，多普勒效應(yīng)減弱，定位誤差顯著增加甚至無法工作。因此該方法基本上不適用于低車速的城市密集路段。

另一方面，現(xiàn)有定位技術(shù)未計(jì)及車輛定位中優(yōu)先判別車輛所處車道的重要性。車輛定位中沿橫向的定位精度要求高于縱向定位精度要求，因?yàn)榭v向的位置誤差很容易通過預(yù)留縱向距離來補(bǔ)償，而沿道路橫向的距離更短，超車過程中相鄰車道兩車的橫向距離往往只有數(shù)十厘米，這對(duì)定位設(shè)備的精度和可靠度提出了苛刻的要求。實(shí)際上，由于一條車道在同一縱向位置只能容納一輛車，直接區(qū)分車輛所處車道比探測(cè)車輛具體橫向位置更有實(shí)際意義和可行性。

針對(duì)上述定位方法的缺陷和定位到車道的要求，本文中提出了一種車輛精確定位系統(tǒng)，將車輛定位分解為車道判別和縱向定位兩個(gè)步驟，詳細(xì)描述了基于射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)和車載視覺的車道判別方法。在車道判別的基礎(chǔ)上，提出了基于UWB的單錨點(diǎn)V2I定位算法。最后分析了該系統(tǒng)的定位誤差和RSU布置方法。

1 定位系統(tǒng)框架

基于RFID、視覺和UWB的車輛定位系統(tǒng)(下文簡(jiǎn)稱RVU定位系統(tǒng))如圖1所示，主要由兩部分組成：基于RFID和視覺的車道判別子系統(tǒng)和基于UWB測(cè)距/通信的縱向定位子系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)不依賴衛(wèi)星信號(hào)，且UWB的厘米級(jí)測(cè)距精度保證了較小的縱向定位誤差，故適宜在GPS信號(hào)不佳、小車距的城市密集環(huán)境下工作。

圖1 RVU定位系統(tǒng)主體框架

其中車道判別子系統(tǒng)還可直接與現(xiàn)有的GPS/ DGPS技術(shù)結(jié)合，利用GPS/DGPS在開闊道路上的良好性能，在橫向車道級(jí)定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)米級(jí)的縱向定位精度，滿足無遮擋、大車距路況下(如高速公路)的智能交通定位需求。

2 車道判別

依靠當(dāng)前的通用定位技術(shù)和車輛本身的傳感設(shè)備很難準(zhǔn)確地判斷車輛所處車道，隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，更多的研究開始關(guān)注于通過V2I方式實(shí)現(xiàn)車道判別[12-13]。如文獻(xiàn)[13]中提到了一種基于RFID的車道判別方法，分別在不同車道的路面上每隔6m鋪設(shè)一張RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)容為車道序號(hào)和縱向坐標(biāo)。同時(shí)在車輛的底部安裝RFID閱讀器，行駛過程中不斷讀取射頻標(biāo)簽而獲取車輛所處車道序號(hào)。雖然該方法簡(jiǎn)單可靠，但鋪設(shè)過多的射頻標(biāo)簽有可能造成道路建設(shè)和維護(hù)的困難。

另一方面，隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，攝像頭逐漸成為智能汽車的標(biāo)配之一。目前利用視覺的車道線檢測(cè)技術(shù)已較為成熟[14-15]，多家汽車廠商(如大眾、沃爾沃)基于車道線檢測(cè)開發(fā)了車道偏離預(yù)警和車道保持等主動(dòng)安全應(yīng)用。

借鑒以上研究，本文中提出了一種將RFID和視覺相結(jié)合的車道判別算法和系統(tǒng)。車道判斷過程如圖2所示，預(yù)先在車道入口處鋪設(shè)RFID標(biāo)簽以表明該車道的編號(hào)，最右車道編為1號(hào)車道，其他車道依次向左遞增。當(dāng)車輛經(jīng)過某車道入口時(shí)，可通過射頻閱讀器讀取車道編號(hào)作為車輛在該道路行駛的初始車道號(hào)N0。

圖2 車道判斷過程

在車輛繼續(xù)行駛的過程中，使用視覺系統(tǒng)檢測(cè)車道線，據(jù)此判斷變道狀態(tài)，將初始車道號(hào)N0更新為車道號(hào)N。在攝像頭獲取的圖像底部添加一條代表車輛寬度的橫線(可通過攝像頭標(biāo)定得到)，根據(jù)檢測(cè)到的車道線(或其延長(zhǎng)線)是否與寬度線相交和相交位置，將車道線與車輛的相對(duì)位置分為未相交、左相交、右相交3種情況，如圖3所示。依據(jù)相對(duì)位置在相鄰時(shí)刻的改變可判定出車輛的變道狀態(tài)，具體判定規(guī)則如表1所示。若判定車輛開始向左/右變道，則更新實(shí)時(shí)車道號(hào)N=N0±0.5，此時(shí)N變?yōu)榉钦麛?shù)，表明車輛處于兩車道之間，并令此時(shí)的N作為下一時(shí)刻的N0即令N0=N；若判定向左/右變道完成，則再次更新N=N0±0.5，此時(shí)N變?yōu)檎麛?shù)，表示車輛完全進(jìn)入另一車道(變道開始和完成方向相同)或回到原車道(變道開始和完成方向相反)；若車輛未變道或仍在變道中則不更新實(shí)時(shí)車道號(hào)：N=N0。

圖3 車道線與車輛的3種相對(duì)位置

表1 變道狀態(tài)判斷規(guī)則

先前已開發(fā)了相應(yīng)的C++圖像處理程序和車道判別系統(tǒng)樣機(jī)，并在長(zhǎng)沙市近郊道路進(jìn)行了功能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車輛可通過RFID閱讀器順利讀取路面標(biāo)簽內(nèi)容，且在行駛過程準(zhǔn)確判斷了車道號(hào)(如圖4所示)。

圖4 車道判別

3 完全定位

3.1 電子地圖

考慮到系統(tǒng)車道級(jí)的定位精度，匹配的電子地圖也需要精確到車道，根據(jù)目前道路測(cè)繪所用全站儀的毫米級(jí)精度，這樣的電子地圖完全可實(shí)現(xiàn)。在該地圖中所有的車道中心線和車道線都應(yīng)被表示為經(jīng)度α、緯度β和海拔高度H三維空間中的曲線，即

式中：β=FN(α)為該空間曲線在水平面的投影；H=GN(α，β)為路面一點(diǎn)的高度；N為車道號(hào)，取值為1，1.5，2，2.5等。

由前面可知，當(dāng)N為整數(shù)時(shí)，式(1)對(duì)應(yīng)第N車道中心線的表達(dá)式，當(dāng)N為非整數(shù)時(shí)，式(1)對(duì)應(yīng)兩車道之間車道線的表達(dá)式。在該地圖中，對(duì)于處在某一車道的車輛不再區(qū)分其橫向位置，直接將車道中心線作為其近似行駛軌跡(即車輛恒處于車道中心線上)；而對(duì)于正在變道的車輛則將兩車道之間的車道線作為其近似行駛軌跡。

3.2 V2I單錨點(diǎn)定位算法

傳統(tǒng)的V2I定位算法至少需要3個(gè)錨點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)定位，而在RVU定位系統(tǒng)中，由于車輛行駛軌跡已知，故只須測(cè)得車輛與一個(gè)錨點(diǎn)的距離即可實(shí)現(xiàn)完全定位。

單錨點(diǎn)V2I定位過程如圖5所示，車輛根據(jù)所處車道調(diào)取其式(1)行駛軌跡，同時(shí)通過UWB與RSU進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，獲取路側(cè)單元UWB天線的坐標(biāo)(α0，β0，H0)，并測(cè)得兩者之間距離R，則可知車輛位于以RSU為原點(diǎn)，以R為半徑的球面與車輛行駛軌跡的交點(diǎn)上。聯(lián)立方程：

式中h為車載UWB天線距離地面的安裝高度。

圖5 單錨點(diǎn)V2I定位過程

解方程組得到(α1，β1，H1)和(α2，β2，H2)兩個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，再選取在前進(jìn)方向上離上次定位結(jié)果較近的交點(diǎn)(α2，β2，H2)作為車輛實(shí)際位置，若是首次定位則選取靠近道路入口的點(diǎn)。

對(duì)于大部分城市道路，路面在單一RSU覆蓋范圍內(nèi)起伏極小，即H≈常數(shù)，則式(2)可簡(jiǎn)化為

式中：A為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度差值與水平距離差值的換算因子；B為緯度差值與水平距離差值的換算因子；h′為路側(cè)單元UWB天線距離地面的安裝高度。

4 V2I定位誤差分析

RVU定位系統(tǒng)在橫向只需判斷車輛所處車道，所以主要考慮縱向定位誤差。本節(jié)先討論單錨點(diǎn)V2I定位算法的誤差來源，建立直道和典型彎道兩種誤差模型，然后根據(jù)式(2)推導(dǎo)出誤差表達(dá)式，分別計(jì)算兩種情況下的最大誤差。

4.1 誤差來源

在數(shù)字地圖足夠精確的情況下，V2I定位的主要誤差來源是：(1)UWB測(cè)距誤差ΔR；(2)車輛偏離理想行駛軌跡的距離Δd。

4.1.1 測(cè)距誤差

為探究UWB測(cè)距誤差，對(duì)某款UWB芯片進(jìn)行了測(cè)距試驗(yàn)，該芯片基于市面流行的DWM1000型UWB無線收發(fā)模塊開發(fā)。DWM1000模塊主要參數(shù)見表2。

表2 DWM1000模塊主要參數(shù)

該試驗(yàn)在長(zhǎng)沙市瀟湘中路旁人行道進(jìn)行，以模擬城市道路環(huán)境中的噪聲干擾。由于直線路段長(zhǎng)度有限，僅對(duì)0～200m內(nèi)的測(cè)距誤差進(jìn)行測(cè)試。將一塊UWB芯片固定作為錨點(diǎn)，將另一塊芯片擺放在不同位置的測(cè)點(diǎn)上。距錨點(diǎn)每隔10m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上記錄10次測(cè)距結(jié)果。

試驗(yàn)完成后經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)距誤差平均值(絕對(duì)值，下同)和方差，如圖6所示。隨著UWB芯片之間的距離增加，測(cè)距誤差有變小的趨勢(shì)，但并不顯著，可以認(rèn)為在200m范圍內(nèi)UWB的測(cè)距誤差與目標(biāo)遠(yuǎn)近無直接關(guān)系。全部200次測(cè)距的平均誤差μ=0.0563m，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0699，設(shè)在定位過程中UWB測(cè)距誤差符合正態(tài)分布，則可認(rèn)為在一般情況下(95%概率)，UWB最大測(cè)距誤差ΔRmax=μ+1.64σ=0.17m。

圖6 測(cè)距試驗(yàn)結(jié)果

4.1.2 橫向偏離量

在RVU定位系統(tǒng)中總是默認(rèn)車輛處于理想的橫向位置(車道中心線或車道線上)，而車輛在實(shí)際行駛過程中難免會(huì)偏離理想行駛軌跡，從而造成縱向定位誤差。車輛最大橫向偏離量的計(jì)算式為

式中：D為車道寬度，城市道路為3.5m；W為車輛寬度，轎車取值為1.6～1.8m。

算得當(dāng)W=Wmin=1.6m，且N為整數(shù)時(shí)，Δdmax取得最大值0.95m。

4.2 誤差模型

4.2.1 直道

令式(2)中的h=h′，簡(jiǎn)化為平面定位情況。直道誤差模型如圖7所示，假設(shè)RSU(α0，β0，)正北方有一東西向直線型三車道道路，道路中心與RSU的距離為d，故車道中心線表達(dá)式為

圖7 直道誤差模型

令y=B(β-β0)，x=A(α-α0)，設(shè)測(cè)得車輛與RSU之間距離為R，則式(2)簡(jiǎn)化為

解得車輛縱向位置：

記測(cè)距誤差ΔR造成的定位誤差為Δx1，車輛偏離車道中心線距離Δd造成的定位誤差為Δx2，則兩誤差絕對(duì)值為

顯然當(dāng)兩種誤差同符號(hào)時(shí)，總誤差Δx達(dá)到最大，即

4.2.2 典型彎道

由于不同道路的彎道曲率各不相同，所以選取一典型圓弧彎道做誤差分析。對(duì)于連接直道和圓弧彎道的緩和曲線道路，設(shè)其誤差介于直道和圓弧彎道之間。參考道路設(shè)計(jì)規(guī)范[16]，圓弧彎道半徑一般不得小于道路設(shè)計(jì)速度所限定的不設(shè)超高最小半徑值，設(shè)計(jì)車速越高的彎道其設(shè)計(jì)半徑也應(yīng)越大(見表3)。由于城市道路的設(shè)計(jì)車速為40～60km/h，故選取設(shè)計(jì)車速40km道路的最小半徑300m作為典型彎道半徑進(jìn)行誤差分析，一般彎道由于半徑更大，定位誤差會(huì)更接近于直道情況。

表3 不同設(shè)計(jì)速度的道路所對(duì)應(yīng)的最小彎道半徑

彎道誤差模型如圖8所示，設(shè)有一圓弧型三車道道路中心線半徑為r，其圓弧原點(diǎn)處于RSU正北方且與RSU的距離記為d，同樣令y=B(β-β0)，x=A(α-α0)，車輛與RSU之間距離為R，則式(2)簡(jiǎn)化為

圖8 彎道誤差模型

設(shè)測(cè)得位置坐標(biāo)為(x1，y1)，實(shí)際位置坐標(biāo)為(x2，y2)，解得縱向定位誤差為

其中：

4.3 誤差計(jì)算

考慮系統(tǒng)在極端不利情況下的定位誤差，將ΔRmax=0.17m，Δdmax=0.95m分別代入式(10)和式(12)，算得系統(tǒng)對(duì)不同車道上車輛定位的最大誤差曲線，如圖9所示。雖然UWB測(cè)距誤差和車輛橫向偏移量不隨車輛與RSU之間距離R變化，但單錨點(diǎn)V2I定位算法本身導(dǎo)致了在R較小時(shí)(＜40m)定位誤差的急劇增大。為了規(guī)避這種情況，車輛應(yīng)只利用離自身較遠(yuǎn)的RSU進(jìn)行定位。而為了保證車輛的連續(xù)定位精度，RSU須以交叉定位方式布置(如圖10所示)，在該布置方式中，每個(gè)RSU僅對(duì)設(shè)定的最小定位范圍Rmin以外的車輛提供定位信息，而更近的車輛則由相鄰的RSU定位。例如圖中RSU 1只對(duì)距其較遠(yuǎn)的區(qū)域1內(nèi)的車輛進(jìn)行定位，而距其較近區(qū)域內(nèi)的車輛則由相鄰的RSU 2負(fù)責(zé)定位。

圖9 系統(tǒng)最大縱向定位誤差曲線(ΔR=0.17m，Δd=0.95m)

圖10 交叉測(cè)距的RSU布置方式

RSU間距L為

三車道道路的最小定位范圍Rmin為

由圖9可知，在此情況下，RVU系統(tǒng)的三車道直道最大定位誤差出現(xiàn)在R=100m處，且均小于0.3m，典型彎道最大定位誤差出現(xiàn)在R=200m處，且均小于0.5m。系統(tǒng)可滿足主動(dòng)安全應(yīng)用和自動(dòng)駕駛的定位精度要求，具備可行性。

5 結(jié)論

本文中剖析了車輛定位的需求，識(shí)別車輛所處車道并保證車輛縱向定位精度，由此提出一種新的車輛定位方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用RFID和車載視覺識(shí)別車輛所處車道，通過車輛與路側(cè)單元的通信測(cè)得兩者之間的距離，然后由單錨點(diǎn)V2I定位算法算得車輛在道路上的縱向位置；對(duì)該算法在典型環(huán)境下的定位性能進(jìn)行了分析，由此制定了路側(cè)單元布置策略，并通過計(jì)算證明了通過合理布置路側(cè)單元能達(dá)到直道定位誤差0.3m、彎道0.5m以內(nèi)的定位精度。RVU定位系統(tǒng)所需的RSU數(shù)目和通信量比傳統(tǒng)V2I定位系統(tǒng)少，且具備定位到車道的能力；而相比RTK-DGPS技術(shù)又具有全地形定位的優(yōu)點(diǎn)和硬件成本優(yōu)勢(shì)。這些特點(diǎn)使RVU定位系統(tǒng)更有可能在ITS中發(fā)揮重要作用，促進(jìn)車輛主動(dòng)安全的提升和無人駕駛的實(shí)現(xiàn)。

本定位系統(tǒng)還有許多尚待完善之處，比如文中僅對(duì)靜態(tài)誤差進(jìn)行了分析，而實(shí)際上車輛定位精度往往都會(huì)受移動(dòng)速度的影響，所以有必要試驗(yàn)研究本定位系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的動(dòng)態(tài)誤差，進(jìn)而開發(fā)減小動(dòng)態(tài)誤差的算法；另外本系統(tǒng)對(duì)于車輛的定位依賴于車道線，對(duì)于沒有車道線的區(qū)域(如交叉路口)仍須使用傳統(tǒng)定位方法(如三點(diǎn)定位)，故實(shí)現(xiàn)與其他定位方法在不同路段的銜接也是本定位系統(tǒng)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)需解決的問題。

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Vehicle Positioning System Based on RFID，Vision and UWB

Cao Libo，Chen Zheng，Yan Lingbo，Qin Qin＆Zhang Ruifeng
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082

To obtain the accurate location of vehicles in intelligent transportation systems has important significance to enhancing active safety and implementing autonomous driving.In view of the defects of present global positioning system(GPS)and vehicle-to-infrastructures(V2I)positioning technology，a novel positioning system is proposed by combining radio-frequency identification(RFID)，vision and ultra-wideband(UWB)communications，aiming at realizing lane-level positioning in urban environment with poor GPS effects.Both algorithms of lane judgment based on RFID and vision and single RSU V2I positioning based on UWB are put forward，with the error of single RSU V2I positioning in typical conditions analyzed.The results indicate that the proposed system with rational arrangement of RSUs can achieve a positioning accuracy with an error less than 0.3m for straight road and 0.5m for curved road respectively.

intelligent transportation systems；vehicle positioning；RFID；vision；UWB

原稿收到日期為2016年3月22日。

陳崢，碩士研究生，E-mail：cz1991＠hnu.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.017