高精度地圖定位在自動駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要 當(dāng)前自動駕駛是國內(nèi)外汽車和高科技企業(yè)熱門的研究主題，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)在的自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，在相關(guān)法律法規(guī)允許的前提下已經(jīng)可以進行量產(chǎn)。高精度地圖定位是自動駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，文章通過闡述自動駕駛系統(tǒng)、高精度地圖定位系統(tǒng)的概念，提出高精度地圖定位提供前方道路信息和傳感器作用、地理圍欄判定和相關(guān)指令兩項高精度地圖定位在自動駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 高精度地圖定位;自動駕駛系統(tǒng);應(yīng)用

中圖分類號 U463.6 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0016-03

引言

隨著人們生活水平的提升，汽車已經(jīng)成為基本的出行方式之一，汽車的保有量越來越高，各大車企和相關(guān)專家學(xué)者提出自動駕駛的概念。在自動駕駛系統(tǒng)研究過程中，傳統(tǒng)地圖精度不足、定位準(zhǔn)確性較低、實時數(shù)據(jù)更新頻率較低等缺陷限制了自動駕駛系統(tǒng)的發(fā)展，由此提出高精度地圖定位來解決自動駕駛系統(tǒng)的地圖應(yīng)用需求，將高精度地圖定位應(yīng)用于自動駕駛系統(tǒng)后，自動駕駛系統(tǒng)的控制能力得到進一步增強，自動駕駛的安全等級顯著提升。自動駕駛技術(shù)是全球汽車產(chǎn)業(yè)一致認為的未來汽車行業(yè)發(fā)展方向，高精度地圖定位在自動駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用，可以為自動駕駛在社會層面加速應(yīng)用進行賦能。

1 自動駕駛和高精度地圖定位系統(tǒng)概述

1.1 自動駕駛系統(tǒng)

自動駕駛系統(tǒng)由自動駕駛控制器、傳感器感知系統(tǒng)、控制執(zhí)行系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、車載供電系統(tǒng)等組成，均是目前比較前沿的高科技技術(shù)[1]。經(jīng)過持續(xù)的研究和國內(nèi)外工程師的努力，自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)有了長足的進步，國際自動機械工程師協(xié)會將汽車駕駛自動化水平進行詳細分級，汽車駕駛自動化分級如表1所示。

汽車自動駕駛系統(tǒng)分為L0～L5五級，從完全駕駛員控制駕駛到完全系統(tǒng)控制駕駛，當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于自動駕駛系統(tǒng)的主流研究方向分為兩類：

1.1.1 應(yīng)用于高速公路的L3級自動駕駛系統(tǒng)

L3級自動駕駛系統(tǒng)是當(dāng)前車企研究自動駕駛的主要研發(fā)方向，主要針對高速公路路況單一、駕駛環(huán)境相對封閉、道路的坡度和寬度有統(tǒng)一規(guī)定等特點，更容易保證自動駕駛的安全性和應(yīng)用性[2]。L3級自動駕駛系統(tǒng)屬于有條件的自動駕駛，當(dāng)L3級自動駕駛系統(tǒng)接管車輛控制權(quán)時，需要駕駛員授權(quán)。L3級自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，例如2017年奧迪就宣布應(yīng)用于高速公路場景的L3級自動駕駛Traffic Jam Pilot，行駛速度最高可達60 km/h。

1.1.2 應(yīng)用于城郊固定區(qū)域的L4級自動駕駛系統(tǒng)

L4級自動駕駛系統(tǒng)屬于高度自動駕駛，即在指定環(huán)境下可以實現(xiàn)完全自動駕駛，不需要駕駛員進行操控，遇到特殊情況和緊急情況可以實現(xiàn)獨立解決，對系統(tǒng)的智能化程度要求更高，相比于L3級自動駕駛系統(tǒng)可以應(yīng)對更復(fù)雜的駕駛情況，但行駛速度較低[3]。當(dāng)前L4級自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)水平較高的企業(yè)有谷歌、百度、福特等，其中谷歌應(yīng)用L4級自動駕駛系統(tǒng)實車測試?yán)锍桃堰_

56 327.04萬km。

1.2 高精度地圖定位系統(tǒng)

高精度地圖定位系統(tǒng)由高精度地圖和高精度定位兩項技術(shù)結(jié)合形成，是自動駕駛系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)，高精度地圖和高精度定位在自動駕駛系統(tǒng)中工作的基本原理如圖1所示，根據(jù)工作原理圖可以得知高精度地圖和高精度定位對提升自動駕駛系統(tǒng)可靠性、安全性具有巨大意義，該文根據(jù)高精度地圖技術(shù)和高精定位技術(shù)在自動駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用特點分別進行闡述：

1.2.1 高精度地圖技術(shù)

高精度地圖的概念最早由美國提出，包括Mapbox、Ushr、福特汽車、通用汽車等企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，后通過日本政企聯(lián)合成立Dynamic Map Planning公司實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，目前我國對高精度地圖技術(shù)完成度較高的企業(yè)有高德地圖、百度、四維圖新等[4]。高精度地圖與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖存在主要區(qū)別的技術(shù)特征在于更高級別的幾何精度，絕對精度可以達到5～20 cm之間，從而實現(xiàn)自動駕駛車輛定位誤差的有效控制;更加豐富的屬性信息和語義信息，傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖通常采用2D地圖，高精度地圖采用3D地圖，能夠更加詳細地顯示道路限制信息、車道信息、靜態(tài)道路元素等自動駕駛車輛需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息;更強的現(xiàn)勢性，高精地圖的頻率更新速度最高可以達到以秒為單位實時更新，即時性更強的瞬時動態(tài)數(shù)據(jù)和高度動態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛車輛在行駛過程中應(yīng)對不同級別的突發(fā)情況。

1.2.2 高精度定位技術(shù)

傳統(tǒng)定位技術(shù)由于衛(wèi)星星歷存在誤差、電離層和對流層對衛(wèi)星信號產(chǎn)生消耗、多路徑傳輸消耗、接受設(shè)備精準(zhǔn)程度的因素的影響，精度基本在4～12 m之內(nèi)，可以滿足普通定位需求，但自動駕駛系統(tǒng)對于定位精度要求在20～50 cm之內(nèi)，需要精確度更高的高精度定位技術(shù)[5]。目前主要提升精度的方法是使用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)，實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)可以通過直接對車輛定位信息算法的改變來實現(xiàn)高精度定位，在指定的場景下可以將定位精度縮小至10 cm，不過單獨使用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)在自動駕駛行駛過程中可能會出現(xiàn)傳輸信息滯后的現(xiàn)象，需要車輛裝載前置攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等設(shè)備配合，實現(xiàn)滿足自動駕駛需求的高精度定位的同時，還可以實現(xiàn)對車輛前方車道線、障礙物、交通標(biāo)志等道路上主體的識別，進一步提升自動駕駛的安全性。

2 高精度地圖定位在自動駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 提供前方道路信息和傳感器作用

高精度地圖定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)將自動駕駛需求的道路要素實時傳送到自動駕駛系統(tǒng)內(nèi)，為自動駕駛系統(tǒng)對道路信息判斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對后續(xù)展開的動作進行控制，高精度地圖可以實現(xiàn)四類數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，具體分為：持續(xù)靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1個月，針對道路網(wǎng)絡(luò)、定位數(shù)據(jù)等因素）、瞬時靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 h，針對路側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施的信息）、瞬時動態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 min，針對紅綠燈的相位、交通擁堵等路況信息）、高度動態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率為1 s，針對車輛、行人等交通參與者）[6]?？梢詫崿F(xiàn)從高頻到低頻數(shù)據(jù)實時顯示道路不同因素，具體道路因素如表2所示。例如在自動駕駛過程中，前方經(jīng)過分岔路口，高精度地圖定位系統(tǒng)會將前方分岔路口的不同道路信息傳送至自動駕駛系統(tǒng)，使自動駕駛系統(tǒng)提前獲知前方道路信息，實現(xiàn)行駛問題的前置化、決策指令的及時性。高精度地圖定位系統(tǒng)可以起到自動駕駛系統(tǒng)外部傳感器的作用，具有極強的抗干擾性和穩(wěn)定性，在遭遇不確定因素影響、車載傳感器作用受到限制時，高精度地圖定位系統(tǒng)可以通過對前方路況高精度的探測和實時傳送，達到傳感器的檢測效果，增強自動駕駛系統(tǒng)的可靠性，降低車載硬件設(shè)施對行駛的影響，其主要作用場景包括：E1D95BC9-9586-4421-9904-D3C99C4F49C0

（1）自動駕駛過程中遭遇強降雨、暴雪、大霧等極端惡劣天氣，受溫度、風(fēng)沙等因素的影響，車載傳感器可能會出現(xiàn)失靈現(xiàn)象。

（2）車載攝像頭、毫米波雷達、夜視設(shè)備遭到人為破壞導(dǎo)致無法進行工作時。

（3）車載攝像頭、毫米波雷達、夜視設(shè)備被前車遮擋導(dǎo)致探測出現(xiàn)較大誤差時。

2.2 地理圍欄判定和相關(guān)指令

自動駕駛車輛在相關(guān)法律法規(guī)和自動駕駛技術(shù)的限制下，需要在指定的地理圍欄范圍內(nèi)行駛，地理圍欄的判定基于高精度地圖定位系統(tǒng)實現(xiàn)，分為道路級和車道級地理圍欄兩類，其中車道級的精確度、完整性需求更高[7]，具體如表3所示，該文選取具有代表性的集中地理圍欄進行闡述。

2.2.1 地理圍欄1：自動駕駛未開放區(qū)域

當(dāng)前的自動駕駛技術(shù)尚未完全成熟，需要在指定的區(qū)域進行使用，受到相關(guān)法律法規(guī)和具體路況的影響，部分區(qū)域不滿足自動駕駛車輛的行駛條件，使用地理圍欄進行區(qū)分，自動駕駛車輛無法獲得未開放地區(qū)的路況信息，強行駛?cè)胛撮_放地區(qū)會受到系統(tǒng)警告或強制制動。

2.2.2 地理圍欄3：車道級直連匝道區(qū)域

由于車道級直連匝道區(qū)域的道路曲率較大，個別直連匝道還會出現(xiàn)與主干道分離的情況，為保證自動駕駛的安全性，高精度地圖定位系統(tǒng)通常將匝道區(qū)域劃分到地理圍欄之外，有駕駛員控制車輛通過匝道，若駕駛員未提前接管車輛控制，系統(tǒng)將會對車輛進行強制制動。

2.2.3 地理圍欄5：收費站區(qū)域

由于收費站區(qū)域的車輛相對密集、車道線復(fù)雜、可能會出現(xiàn)其他車輛加塞現(xiàn)象，自動駕駛系統(tǒng)難以實現(xiàn)完全智能化應(yīng)對，出現(xiàn)交通事故的風(fēng)險概率較高，高精度地圖定位系統(tǒng)通常將收費站區(qū)域劃分到地理圍欄之外。自動駕駛系統(tǒng)在判斷前方是收費站信息后會提醒駕駛員接管車輛控制權(quán)，保證行駛的連貫性。

2.2.4 地理圍欄9：緊急車道區(qū)域

我國交通法明確規(guī)定緊急車道不允許行車，自動駕駛系統(tǒng)輸入國家交通法規(guī)數(shù)據(jù)，利用地理圍欄將緊急車道或其他交通法規(guī)不允許的區(qū)域與自動駕駛車輛進行隔離，自動駕駛車輛無法進入違規(guī)地區(qū)，強行駛?cè)霑M行緊急制動，若自動駕駛過程出現(xiàn)緊急情況需要利用緊急車道進行緊急避險，需要駕駛員提前接管車輛控制權(quán)，進入駕駛員完全控制模式，才能進入緊急車道。

3 總結(jié)

綜上所述，高精度地圖定位是自動駕駛系統(tǒng)重要的組成部分，對自動駕駛的安全性、精度、可靠性具有重要的影響。首先自動駕駛系統(tǒng)需要高精度地圖定位的準(zhǔn)確衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對周圍環(huán)境的探測作用和基本位置信息的掌握;其次高精度地圖定位可以實現(xiàn)在自動駕駛過程中可靠性的有效提升，在經(jīng)歷不可控因素對車載傳感器造成破壞時代替車載傳感器進行工作;最后高精度地圖定位是建設(shè)地理圍欄的核心技術(shù)，普通的地圖和定位難以實現(xiàn)建設(shè)地理圍欄的精確性。

參考文獻

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收稿日期：2022-04-12

作者簡介：程修遠（1979—），男，碩士研究生，研究方向：人工智能、自動駕駛、車路協(xié)同、高精度地圖。E1D95BC9-9586-4421-9904-D3C99C4F49C0