5高精度地圖和定位技術寄語：學問是苦根上長出的甜果智能網聯汽車技術內

容CONTENTS高精度地圖01衛星定位技術02*學習目標掌握高精度地圖的概念、采集與生產過程和應用；了解高精度地圖國內外發展現狀；掌握全球定位系統、北斗衛星導航系統的概念、組成、原理、特點和應用；掌握車載導航系統的概念、組成、原理和應用；了解通信基站定位的AOA定位法、TOA定位法和TDOA定位法。01高精度地圖導入思考：那么，什么是高精度地圖？高精度地圖的采集和生產過程如何？其在哪些方面得到了應用呢？要實現智能網聯汽車的自動駕駛功能，離不開車輛的高精度地圖和定位導航。一方面，它是自動駕駛汽車規劃道路行駛路徑的重要基礎，能為車輛提供定位、決策、交通動態信息等依據。另一方面，當自動駕駛汽車傳感器出現故障或者周圍環境較為惡劣時，它也能確保車輛的基本行駛安全。01高精度地圖基本概念高精度地圖就是精度更高、數據維度更多的電子地圖。

在自動駕駛中，高精度地圖不僅可以用于導航、路徑規劃，還可以為環境感知和理解提供先驗知識，輔助車載傳感器實現高精度定位。高精度地圖被普遍認為是L3級及以上自動駕駛不可缺少的關鍵技術。01高精度地圖基本概念分類傳統地圖高精度地圖要素和屬性道路、POI詳細的道路模型、車道模型、道路部件、道路屬性和其他定位圖層信息所屬系統信息娛樂系統車載安全系統用途導航、搜索環境感知、定位、路徑規劃、車輛控制使用者人機器服務型要求相對低高更新頻率低（每季度）高精度米級亞米級地圖的生產衛星地圖+GPS定位使用陀螺儀、輪測距器、GPS、光學雷達等多種技術的數據采集車，與車廠合作的眾包方式

與傳統地圖相比，高精度地圖信息的豐富性和準確性都有顯著的提升，下表為高精度地圖與傳統電子地圖的性能對比。01高精度地圖基本概念高精度地圖信息有以下內容和特點：道路參考線道路連通性車道模型對象模型01高精度地圖基本概念

在智能網聯汽車應用領域，高精度地圖在高精度定位、輔助環境感知、規劃和決策各環節都發揮著重要作用。規劃決策1輔助高精度定位2輔助環境感知301高精度地圖基本概念1規劃決策高精度地圖可以看成一種超視距傳感器，它提供了極遠距離的道路信息，用于智能駕駛系統的全局路徑規劃，并對局部路徑規劃做出有效的輔助。01高精度地圖基本概念2輔助高精度定位高精度地圖可以提供道路中特征物（如標志牌、龍門架等）的形狀、尺寸、高精度位置等語義信息，車載傳感器在檢測到響應特征物時，就可根據檢測到的特征物信息去匹配上述語義信息，由車輛與特征物間的相對位置推算出當前車輛的絕對高精度位置信息（圖5-3所示)。高精度定位是高精度地圖有效應用的重要方向，也是自動駕駛系統自主導航、自動駕駛的重要前提。在車載傳感器定位受限情況下，高精度地圖可以為自動駕駛系統提供有效的輔助定位信息。01高精度地圖基本概念3輔助環境感知高精度地圖能夠提高自動駕駛車輛數據處理效率，自動駕駛車輛感知重構周圍三維場景時，可以利用高精度地圖作為先驗知識減少數據處理時的搜索范圍。在高精度三維地圖上標記詳細的道路信息，可以為自車感知系統提供有效的輔助識別，可以優化感知系統的計算效率，提高識別精度、減少誤識別的發生等。01高精度地圖基本概念高精度三維地圖是在高精度地圖靜態信息基礎上，添加動態交通信息的地圖，如圖5-4所示，這些動態信息如道路交通擁擠、施工條件、交通事故、交通管制條件、天氣條件等。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖的采集”

以某一廠商高精度地圖為例，如右圖。該高精度地圖基于的是國際通用OpenDrive規范，并做了一定的修改。一個OpenDrive節點背后，是一個Header節點、Roader節點與Junction節點，每個類型的節點背后還有各自的細分。

而道路線、道路連接處、道路對象都從屬于Roader節點下。Junction節點下，有著較為復雜的數據處理方式：通過Connectionroad將不同的兩條道路連接起來，從而實現路口的數據呈現。介于路口的類型種類復雜，Junction也常常需要多種連接邏輯。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖采集過程”

實地采集：通常稱為“外業”，其是制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的現場采集來完成。采集的核心設備是激光雷達、高精度差分-慣導-衛星定位系統，它通過激光反射形成點云，完成對環境中各種物體的采集，并通過高精度定位系統記錄行駛軌跡和環境中物體的高精度位置信息。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖采集過程”

處理：通常稱為“內業”，處理是指通過對采集到的數據進行加工，提取高精度地圖所需要表達的信息，并形成高精度地圖數據庫。處理的過程包括人工處理、深度學習的感知算法等。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖采集過程”處理的過程包括人工處理、深度學習的感知算法等，獲取的信息如圖5-9所示。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖采集過程”

后續更新：通常隨著時間的變化，道路會由于破損、翻修、規劃等種種原因發生變化。為保證高精度地圖中信息的可靠性和有效性，需要對地圖進行周期性，或者由一定原因觸發的更新?？梢圆扇〉母呔鹊貓D更新方式有：眾包方式、與政府實時交通處理部門合作等。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖采集過程”

圖5-11描述了一種基于智能網聯交通系統的地圖更新模式。02高精度地圖采集和生產“高精度地圖模型”地圖模型的屬性包括空間位置屬性、形狀屬性，還有基本的靜態屬性、可擴展的靜態屬性、動態屬性、實時性及與動態相關的屬性，如圖5-12所示。02高精度地圖采集和生產

精度地圖數據模型通常分為以下三大塊。道路模型1車道模型2對象模型302高精度地圖采集和生產道路模型了實現和提高路徑規劃功能，需要將現實世界的道路結構進行抽象，形成以頂點與邊組成的拓撲圖形結構，圖中的邊以弧形線段表示，線段中由一系列順序的點表示線的基本形狀走勢。在道路拓撲模型中除了要標示出道路走勢，還要描述道路的連通關系，這種連通關系通過頂點確定。道路模型除了圖形屬性還包括車道數量、道路等級、功能屬性等。02高精度地圖采集和生產車道模型

車道模型記錄了車道的行駛參考線及車道的邊線（標線）及停止線等。車道模型還記錄了車道與道路拓撲的關系。02高精度地圖采集和生產

對象模型是記錄道路和車道行車空間范圍邊界區域內要素的，模型屬性包括對象的位置、形狀及屬性值。這些地圖要素包括路牙、護欄、立交、隧道、龍門架、交通標牌、可變信息標牌、輪廓標、收費站/桿、交通燈、墻面、箭頭、文本、符號、警示區、導流區等。對象模型中的數據通常用于輔助環境感知，并輔助于高精度定位。對象模型03高精度地圖發展現狀與趨勢分組討論高精度地圖的發展現狀與趨勢國內、國外學生分組匯報老師總結04高精度地圖的應用案例一：廣汽新能源AionLX高速公路駕駛輔助系統具有的功能：實現高可用的高精度定位能力。中近距離下提升車輛的感知效率，優化規劃控制，增強安全性。長距離下優化導航路徑規劃。04高精度地圖的應用案例二：L4級別智能重卡量產項目為了提高傳統港口的集裝箱轉運的效率，上汽集團通過自主研發的5G無人駕駛技術實現各個碼頭之間的無人運送。目前首批車輛已經開始試運營，車輛從深水港出發經東海大橋到達洋山港，實現了涵蓋高速/城市/收費站/港口/園區等全場景下的自動駕駛。04高精度地圖的應用案例二：L4級別智能重卡量產項目從洋山深水港物流園經東海大橋到洋山碼頭，來回72公里的環線上涵蓋了普通道路、高速公路、碼頭、堆場、隧道、高架、收費站等復雜場景。中海庭基于AI識別、繪制配合人工后期質檢，快速完成包括地面箭頭采集、車道標線采集、道路桿件采集，以及路口模式化標注和路口拓撲關系編輯。從采集到地圖發布只用了不到2周時間。04高精度地圖的應用案例二：L4級別智能重卡量產項目為了保證高精度地圖中路口引導軌跡符合不同載重卡車的動力學參數，在洋山港項目上中海庭創新開發了動態引導線功能，如右圖。04高精度地圖的應用案例三：小鵬P7高速公路駕駛輔助系統小鵬P7配備了14個攝像頭、5個毫米波雷達和12個超聲波傳感器，組成了業內唯一的360度雙重感知融合系統。在小鵬P7上，高德以絕對精度50cm,相對精度10cm的高精地圖，與車載雙頻高精GPS、實時動態差分定位（RTK）以及超高精度慣性測量單元（IMU）三重高精度定位硬件深度結合，實現全場景厘米級定位精度。小鵬P7也因此成為擁有最強大定位能力的量產車型。右圖為高精地圖盤橋。思考討論高精度地圖還有哪些應用呢學生分組討論學生分組匯報老師總結04高精度地圖的應用02定位技術導入思考：那么，什么是導航定位？無人駕駛汽車是如何導航定位的？又采用了什么方法進行導航定位的呢？以及對導航定位精度有什么要求？導航定位涉及哪些坐標系？無人駕駛汽車是智能網聯汽車發展的終極目標，未來無人駕駛汽車將是一個移動的辦公場所。無人駕駛汽車在行駛時首先要知道自己在哪里，這就需要進行定位。01全球定位系統“概念”

全球定位系統（GlobalPositioningSystem，GPS)，又稱為全球衛星定位系統，是由美國國防部建設的基于衛星的無線電導航定位系統。它能連續為世界各地的陸?？沼脩籼峁┚_的位置、速度和時間信息，最大的優勢是覆蓋全球且全天候工作，可以為高動態、高精度平臺服務，目前應用普遍。01全球定位系統“組成”導航衛星地面監控設備GPS用戶01全球定位系統“組成”導航衛星

由分布在6個地球橢圓軌道平面上的21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，相鄰軌道之間的衛星彼此呈30?，每個軌道面上都有4顆衛星，在距離地球約20200km的高空上進行監測。這些衛星每12h環繞地球一圈，在地球上的任何地方、任何時間都可以觀測到4顆以上的GPS衛星，保持定位的精度，從而提供連續的全球導航能力。導航衛星的任務是接收和存儲來自地面監控設備發送來的導航定位控制指令，通過微處理器進行數據處理，以原子鐘產生的基準信號和精確的時間為基準向用戶連續發送導航定位信息。01全球定位系統“組成”地面監控設備

由1個主控站、3個注入站和5個監測站組成，它們的任務是實現對導航衛星的控制。（1）主控站具有以下作用。

1)管理、協調地面監控設備各部分的工作。

2)收集各監測站的數據，編制導航電文，送往注入站將衛星星歷注入衛星。

3)監控衛星狀態，向衛星發送控制指令。

4)衛星維護與異常情況的處理。（2）注入站的作用是將導航電文注入衛星。（3）監測站的作用是接收衛星數據，采集氣象信息，并將所收集到的數據傳送給主控站。01全球定位系統“組成”GPS用戶GPS接收機主要功能：接收、追蹤和放大衛星發射的信號，獲取定位的觀測值，提取導航電文中的廣播星歷以及衛星時鐘改正參數等。GPS數據處理軟件主要功能：對GPS接收機獲取的衛星測量記錄數據進行預處理，并對處理的結果進行平差計算、坐標旋轉和分析綜合處理，計算出用戶所在位置的三維坐標、速度、方向和精確時刻等。01全球定位系統“GPS定位原理”GPS定位的基本原理是三球交匯原理，GPS用戶位置在A點，GPS用戶到衛星

的距離是

,到衛星

的距離是

,到衛星

的距離是

,如圖5-23所示。01全球定位系統“GPS定位原理”以衛星為球心，GPS用戶到衛星的距離可以表示為式中，為衛星與接收機的距離，是已知量；為衛星坐標，也是已知量；表示接收機位置，是未知量。01全球定位系統“GPS定位原理”如果有3顆衛星，則可以解出方程，然而實際上用戶接收機的時鐘不是十分準確，不與衛星同步，所以衛星與用戶之間的距離

不是真實距離，稱作偽距。設GPS接收機和衛星的時鐘差為

，則公式改為式中，

為光速。此式中含有4個未知量，所以GPS接收機需要接收到4個以上衛星的信號才能解算方程得到GPS接收機的位置，如圖5-24所示。GPS定位絕對定位又稱單點定位，是直接得到GPS接收機相對于地心的位置的定位方法，這種定位方法只需要一個GPS接收機，但是其精度受衛星軌道誤差、時鐘差和信號傳播誤差等影響，一般為米級。相對定位偽距差分定位作為相對定位中的一種，精度可達厘米級，現在廣泛用于精密導航、大地測量等。其基本原理是利用兩個或多個位置相近的GPS接收機各自與衛星信道相關的特性，使用差分定位算法減少信道誤差的影響，從而提高定位精度。全球定位系統01GPS特點全球定位系統01ABC覆蓋范圍廣，能夠覆蓋全球98%的范圍定位精度高FED測站之間無須通信，只要求測站上空開闊可提供全球統一的三維地心坐標觀測時間短能夠全球、全天候定位GPS不足全球定位系統01開放的民用精度不能滿足L4和L5級智能網聯汽車定位的要求，通常在10m左右。更新頻率較低，通常只有10Hz,當車輛高速行駛時，不能提供實時的準確位置信息。受建筑物、樹木的遮擋，如在天橋、隧道、地下車庫等場景中，GPS的定位精度嚴重降低，甚至無法提供定位信息。GPS作用全球定位系統01車輛定位車輛跟蹤出行路線規劃和導航信息查詢話務指揮緊急援助車載GPS工作過程全球定位系統01設備中的GPS模塊接收GPS衛星數據，獲得經緯度信息。導航定位軟件通過設備中的GPS模塊得到位置信息，不停地刷新電子地圖。導航定位軟件計算、規劃路徑，然后引導車輛前往目的地。03分組討論北斗衛星導航定位系統的發展歷程學生分組匯報老師總結北斗衛星導航定位系統0203北斗衛星導航定位系統02中國衛星之父中科院院士——孫家棟北斗開拓者、建設者中國工程院院士——譚述森北斗總設計師中國工程院院士——楊長風北斗衛星導航定位系統02“組成”空間段地面段用戶段北斗衛星導航定位系統02思考BDS與GPS有何差別03北斗衛星導航定位系統02思考總結BDS是一個有源系統，用戶在定位過程中必須發射信號，具備通信能力，這是它與GPS系統最大的不同。北斗系統具有低速通信功能，可以在中心站與任意一個用戶機之間或任意兩個用戶機之間一次發送包含36個漢字字符的信息，經過授權的用戶一次可以發送包含120個漢字字符的信息，這個功能是GPS所無法實現的。BDS每次定位作業都是由用戶機發出請求，經過中心站解算出坐標，然后發給用戶機。這種工作方式使得BDS存在用戶容量限制，凡是未經授權的用戶都無法利用BDS進行定位作業，因此具備極好的保密性。北斗衛星導航定位系統02“定位原理”

BDS的定位原理與GPS的定位原理基本相同。

BDS在進行定位時，所采用的原理是通過對衛星信號站點之間的傳播時間進行推算，進而確立相應的衛星站點距離，這樣就能夠對接收機進行較為準確的定位。一般采用載波相位測量法進行定位，其原理大致如下：用

來表示地面基站所接收的載波信號相位數值，衛星站點之間的距離為在實際操作中

值是無法進行測算的，往往采用接收機所產生的基準信號來代替，由于該基準信號的頻率與衛星所發射的載波信號相位是一致的，所以并不會影響到后續定位的精準程度。式中，

指的是載波信號的波長。北斗衛星導航定位系統02空間段采用三種軌道衛星組成的，與其他衛星導航系統相比，高軌衛星更多．抗遮擋能力強，在低緯度地區性能優勢更為明顯。提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。創新融合了導航與通信功能，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力?！癇DS特點原理”北斗衛星導航定位系統02“BDS的服務類型”定位導航授時。全球短報文通信。國際搜救。星基增強。地基增強。精密單點定位。區域短報文通信。北斗衛星導航系統具備導航定位和通信數據傳輸兩大功能，提供7種服務。北斗衛星導航定位系統02“BDS的性能指標”定位導航授時服務性能指標，參見表5-2。全球短報文通信服務性能指標參見表5-3。國際搜救服務性能指標參見表5-4。星基增強服務性能指標。地基增強服務性能指標（見表5-5)。精密單點定位服務性能指標（見表5-6)。區域短報文通信服務性能指標（見表5-7)。北斗衛星導航定位系統02“北斗地基增強系統”北斗地基增強系統是按照“統一規劃、統一標準、共建共享”的原則建設國家級地基增強系統。北斗地基增強系統主要包括基準站、通信網絡系統、國家數據綜合處理系統、行業數據處理系統、數據播發系統、應用終端六個分系統。該系統具備在全國陸地范圍內提供實時米級、分米級、厘米級、后處理毫米級高精度定位基本服務的能力。北斗衛星導航定位系統02“北斗地基增強系統”著眼于把北斗高精度定位能力變成公共服務，致力于打造物聯網時代的新時空基礎設施，基于國家北斗地基增強系統，采用市場化運作，建設北斗高精度位置服務平臺，構建北斗高精度位置服務生態圈，其示意圖如圖5-29所示。北斗衛星導航定位系統02“北斗地基增強系統高精度應用”交通行業應用。智能駕駛應用。車載導航定位系統03“慣性導航系統”慣性導航系統是一種利用慣性傳感器測量載體的角速度信息，并結合給定的初始條件實時推算速度、位置、姿態等參數的自主式導航系統。具體來說，慣性導航系統的導航方式是推算，即從一已知點的位置根據連續測得的運動載體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續測出運動體的當前位置。車載導航定位系統03“慣性導航系統”慣性導航系統主要采用加速度傳感器和陀螺儀來測量載體參數，其原理如圖5-32所示。車載導航定位系統03加速度傳感器和陀螺儀一個測量速度、一個測量方向，二者結合就是慣性測量單元（IMU）。IMU的一個重要特征在于它以高頻率更新，其頻率可達到1000Hz，所以IMU可以提供接近實時的位置信息。慣性導航系統可以看成IMU與軟件的結合。右圖所示為IMU產品示例。“慣性導航系統”車載導航定位系統03在無人駕駛系統中，GPS的更新頻率一般為10Hz，IMU的更新頻率一般為100Hz。兩者共同工作時，可以給出頻率100Hz的定位輸出。GPS和IMU數據融合的原理如圖5-37所示。“慣性導航系統”車載導航定位系統03

控制器上的軟件對信息的處理流程在時間維度上類似圖5-38所示。在0~100ms的周期中，使用IMU進行9次位置的估計，待新的GPS定位數據進來時，則進行修正，以此實現高頻率的定位結果輸出。GPS與IMU相輔相成地實現了無人駕駛汽車的準確定位。“慣性導航系統”車載導航定位系統03

有了100Hz的準確定位，無人駕駛汽車在處理路徑跟隨問題時，就能像圖5-40所示的一樣，保持極高頻率的定位和控制。每走一小步便重新進行轉向盤轉角的計算，進而控制無人駕駛汽車沿著既定的軌道行駛。“慣性導航系統”車載導航定位系統03“加速度傳感器”按檢測方式：分為電容式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器和壓電式加速度傳感器；按敏感軸數量：分為單軸加速度傳感器、雙軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器；按輸出信號類型：分為模擬式加速度傳感器和數字式加速度傳感器。車載導航定位系統03“電容式加速度傳感器”原理：將電容的可動極板用運動的質量塊來代替，當質量塊在加速度的作用下發生位移時，質量塊與固定極板間的電容量也隨之發生變化，通過外圍的檢測電路即可測出電容的變化量，由此便可間接地測量出物體的加速度大小。電容式加速度傳感器的結構示意圖如圖5-40所示。車載導航定位系統03“電容式加速度傳感器”

電容式加速度傳感器與其他類型的加速度傳感器相比，其優點是具有較高的靈敏度和測量精度、良好的穩定性、較小的溫度漂移、極低的功耗；但它也存在著工作帶寬窄、信號處理電路復雜、抗電磁干擾能力差等缺點。車載導航定位系統03“壓阻式加速度傳感器”

壓阻式加速度傳感器是利用壓阻材料的壓阻效應制成的。當壓阻材料在敏感軸方向受到壓力的作用而發生形變時，壓阻材料的電阻率也隨之發生變化，該現象稱為壓阻效應，利用該效應制成的加速度傳感器被稱為壓阻式加速度傳感器。其結構示意圖如圖5-41所示。當質量塊在壓阻材料敏感軸方向，在加速度作用下，對壓阻材料施加一定的壓力時，相應地，壓阻材料的電阻值就會發生變化，利用惠更斯電橋電路可以對電阻值變化進行測量.以達到間接測量物體加速度大小的目的。車載導航定位系統03“壓阻式加速度傳感器”

壓阻式加速度傳感器具有加工工藝簡單、成本低、結構和輸出電路簡單、線性度好等優點，但同時也存在溫度漂移過大、靈敏度較低的缺點。車載導航定位系統03“壓電式加速度傳感器”

壓電式加速度傳感器的結構與壓阻式加速度傳感器結構類似，只是將壓阻材料替換為壓電材料，以此來完成對物體加速度的測量。壓電式加速度傳感器利用了壓電材料的壓電效應，其結構示意圖如圖5-42所示。當質量塊受到加速度作用以后，會對壓電材料產生一定的壓力，這壓力使得壓電材料的表面積累一定量的電荷，通過外圍放大電路可對這些電荷加以檢測，由于輸出電荷信號與物體加速度大小成比例，因此便可達到測量物體加速度大小的目的。車載導航定位系統03“壓電式加速度傳感器”

壓電式加速度傳感器具有結構簡單、穩定性好、耐高溫、輸出線性好等優點；但由于壓電材料極化產生的是直流電荷，故在低頻下進行壓電測量時就變得很困難，而且很難對壓電材料進行COMS工藝集成。車載導航定位系統03思考還有哪些加速度傳感器車載導航定位系統03“陀螺儀”

陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。

微機械陀螺儀屬于微電子機械范疇，它是利用科里奧利力現象制成的?？评飱W利力現象是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。車載導航定位系統03按制作材料可將微機械陀螺儀分為：硅陀螺儀和非硅陀螺儀。按振動方式可將微機械陀螺儀分為：角振動陀螺儀和線振動陀螺儀。按有無驅動結構可將微機械陀螺儀分為：有驅動結構和無驅動結構兩種。按檢測方式可將微機械陀螺儀分為：壓電式陀螺儀、壓阻式陀螺儀、電容式陀螺儀和光學陀螺儀。按加工方式可將微機械陀螺儀分為：體加工工藝微機械陀螺儀、表面加工工藝陀螺儀及微電子加工工藝陀螺儀。“微型陀螺儀分類”車載導航定位系統03“慣性導航系統作用”

一是在GPS信號丟失或很弱的情況下，暫時填補GPS留下的空缺，用積分法取得最接近真實的三維高精度定位，如圖5-44所示。即便是BDS、GPS和GLONASS組合，衛星導航信號還是有很多無法覆蓋的地方，所以無人駕駛汽車必須配備慣性導航系統。車載導航定位系統03“慣性導航系統作用”

二是與激光雷達組合定位，如圖5-45所示。GPS和IMU為激光雷達的空間位置和脈沖發射姿態提供高精度定位，建立激光雷達點云的三維坐標系。慣性導航系統可用于定位，與其他傳感器融合時，也需要統一到一個坐標系下。當激光雷達實時掃描單次的點云數據后，結合單次的點云數據進行匹配，并進行特征提取。這些特征包括路沿、車道線、高度等周圍點線面的特征。對于高精度地圖，提取過的特征與實時提取的特征進行匹配，最終得到精準的車輛位置，這是激光雷達的定位過程。車載導航定位系統03“慣性導航系統優點”1)是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導航系統，故隱蔽性好，也不受外界電磁干擾的影響。2)可全天候在全球任何地點工作。3)能提供位置、速度、航向和姿態角數據，所產生的導航信息連續性好而且噪聲低。4)數據更新率高，短期精度和穩定性好。車載導航定位系統03“慣性導航系統缺點”1)由于導航信息經過積分產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差。2)每次使用之前需要較長的初始校準時間。3)不能給出時間信息。車載導航定位系統03

GPS或BDS和慣性導航系統的融合是智能網聯汽車一種重要的定位技術。

GPS與慣性導航系統的融合可以解決很多單純傳感器帶來的誤差，比如在隧道中行駛時可能出現GPS信號丟失，此時利用慣性導航系統也可以實現短暫的定位分析。GPS與慣性導航系統融合實際能夠達到米級精度的定位，但是對于自動駕駛來講，需要定位達到分米級甚至厘米級精度，這就需要更加優化的策略進行建圖定位。車載導航定位系統03“航跡推算定位”

定義

航跡推算（DeadReckoning，DR)是一種常用的自主式車輛定位技術。

DR是利用載體上某一時刻的位置，根據航向和速度信息，推算得到當前時刻的位置，即根據實測的汽車行駛距離和航向計算其位置和行駛軌跡。它一般不受外界環境影響，但由于其本身誤差是隨時間積累的，所以單獨工作時不能長時間保持高精度。

航跡推算系統一般由里程計和電子羅盤或慣性測量單元組成，其中里程計用于測量車輛的行駛距離和速度，電子羅盤或慣性測量單元用于測量車輛的姿態角和加速度。

組成車載導航定位系統03“航跡推算的原理”DR的主要原理是利用DR傳感器測量位移矢量，從而推算車輛的位置。航跡推算原理圖如圖5-47所示。其中，（

，

）（

0,1,2,···)是車輛在

時刻的初始位置，航向角

和行駛距離分別是車輛從時刻到時刻的絕對航向和位移矢量長度。由圖可推得：時刻的絕對航向和位移矢量長度。車載導航定位系統03“航跡推算定位”

航跡推算的誤差隨距離和時間積累，不能長期單獨使用，可以借助GPS對其定位誤差進行補償。

利用GPS精準定位信息對導航傳感器的誤差進行校正。采用卡爾曼濾波技術對陀螺儀信息進行濾波處理，減少干擾和漂移誤差。減小航跡推算累積誤差主要有以下方法：車載導航定位系統03“電子羅盤”

電子羅盤是利用地磁場固有的指向性測量空間姿態角度的，是一種重要的導航器件。是通過測量地球磁場確定方位。原理

定義車載導航定位系統03“電子羅盤”磁通門式電子羅盤霍爾效應式電子羅盤磁阻效應式電子羅盤平面電子羅盤三維電子羅盤電子羅盤也可以分為:

按其測量磁場的傳感器種類不同分：車載導航定位系統03“電子羅盤”磁偏角航向角姿態角

測量參數：地球本身是塊大磁鐵，地球內部的穩定磁場決定了地磁南北極；地理南北極則位于地球自轉的軸線上，其兩極是地球上經線的匯聚處，以子午線形式在地圖上標出。實際上，地磁南北極與地理南北極并不重合，它們之間存在一個夾角，大約為11.5°，被稱為磁偏角。隨著電子羅盤所處的緯度和經度變化，磁偏角也產生變化，可根據以地理位置為基礎的查找表確定。磁偏角示意圖如圖5-48所示。車載導航定位系統03“電子羅盤”磁偏角航向角姿態角

測量參數：地球本身是塊大磁鐵，地球內部的穩定磁場決定了地磁南北極；地理南北極則位于地球自轉的軸線上，其兩極是地球上經線的匯聚處，以子午線形式在地圖上標出。實際上，地磁南北極與地理南北極并不重合，它們之間存在一個夾角，大約為11.5°，被稱為磁偏角。隨著電子羅盤所處的緯度和經度變化，磁偏角也產生變化，可根據以地理位置為基礎的查找表確定。磁偏角示意圖如圖5-48所示。車載導航定位系統03“電子羅盤”磁偏角航向角姿態角

測量參數：磁阻效應式電子羅盤用在載體上時，載體縱軸方向在水平面上的投影與地理北極（真北）的夾角被定義為地理航向角，用

表示；載體縱軸方向在水平面上的投影與地磁北極（磁北）的夾角被定義為地磁航向角，用

表示，如圖5-49所示。車載導航定位系統03“電子羅盤”磁偏角航向角姿態角

測量參數：

對載體傾斜姿態的描述稱為姿態角，它包括橫滾角和俯仰角。橫滾角是指電子羅盤在水平面的投影與其前進方向的垂直方向之間的夾角，用

表示，并指定右轉為正，左轉為負；以水平面為基準，電子羅盤載體的前進方向同水平面之間的夾角稱為俯仰角，用

表示，并指定上仰為正，下俯為負，如圖5-50所示。車載導航定位系統03“三維磁阻式電子羅盤”磁阻傳感器加速度傳感器微處理器顯示模塊

組成：

原理：

車載導航定位系統03“電子羅盤”

特點與應用：

示意圖：

電子羅盤具有體積小、航向精度高、傾斜范圍寬、頻響高、功耗低等優點，很適合用于對航向精度要求較高同時又對功耗、體積有限制的場合，廣泛應用于航天、航空、航海、機器人、車輛自主導航等領域。車載導航定位系統03“GPS/DR組合導航定位系統”

組成：

GPS電子羅盤里程計導航計算機等。GPS獨立給出車輛所在位置的絕對經度、緯度和海拔高度；電子羅盤作為航向傳感器測量車輛的航向；里程計測量汽車單位時間內行駛的里程；導航計算機采集各傳感器數據，并做航跡推算、GPS坐標變換及相關數據預處理，由融合算法估計出車輛的動態位置。GPS/DR組合導航定位系統是一種相對低成本的導航系統，在這個系統上進行GPS/DR數據融合，可以實現較高精度的導航定位。車載導航定位系統03“GPS/DR組合導航定位系統”

卡爾曼濾波方法：

將卡爾曼濾波應用于GPS/DR組合導航定位系統當中，就是將GPS和DR的定位信息綜合用于定位求解，通過卡爾曼濾波來補償修正DR系統的狀態，同時濾波之后的輸出又能夠為DR系統提供較為準確的初始位置和航向角，從而能夠獲得比單獨使用任意一種定位方法都更高的定位精度和穩定性車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM：

SLAM是SimultaneousLocalizationandMapping的縮寫，中文譯作“即時定位與地圖構建”。SLAM是指搭載特定傳感器的主體，在沒有環境先驗信息的情況下，于運動過程中建立環境的模型，同時估計自己的運動。如果這里的傳感器為相機，則為“視覺SLAM”；如果傳感器為激光雷達，則為“激光SLAM”。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM過程：

SLAM包含了感知、定位、建圖這三個過程。①感知。感知是指通過傳感器獲取周圍的環境信息。②定位。定位是指通過傳感器獲取的當前和歷史信息，推測出自身的位置和姿態。③建圖。建圖是指根據自身的位姿以及傳感器獲取的信息，描繪出自身所處環境的樣貌。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM基本流程：

圖中的圓圈表示大地坐標系的路標點，也可以認為是環境中的特征點。車輛在某一位置點觀測到一些路標點，在下一時刻車輛在新的位置點又觀察到一些路標點，這些路標點包括之前部分已經觀測到的路標點和新發現的路標點，由于兩個時刻下兩個位置觀測到了一些相同的路標點，這樣就可以估算出兩個相鄰時刻下車輛位姿的變換，依次類推就可以推斷出其他時刻的位姿，同時根據車輛位姿，將車輛不同時刻觀測的環境信息融合在一個統一的坐標系下，從而實現了環境地圖的創建。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM研究方法：

實際環境往往都是動態的。在動態環境中進行定位以及密集地圖重建常需要進行動態目標檢測。動態環境中的SLAM方法主要有深度學習方法、多視圖幾何方法以及二者的結合。車載導航定位系統03“視覺定位”

深度學習方法：

①深度學習方法有語義分割和實例分制技術等。視覺SLAM方法是將語義分割網絡與移動一致性檢驗方法相結合，濾除了動態對象，從而在動態環境中提高了定位精度，語義地圖構建效果圖如圖5-57所示。車載導航定位系統03“視覺定位”

多視圖幾何方法：

②其是利用一定的多視圖幾何約束，構造一個多視圖幾何模型。靜態像素滿足該多視圖幾何模型，而動態像素不滿足，因此可以將動態目標與靜態目標分割開來。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM研究方法對比結果：

多視圖幾何方法不能檢測到桌子后面的人，深度學習方法不能將人拿著的書也分割出來，而二者結合的方法有最好的動態目標檢測與分割效果。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM系統架構：

主要包括：傳感器數據前端里程計后端非線性優化回環檢測和建圖車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM地圖種類：

按照地圖的特性分：柵格地圖拓撲地圖特征地圖點云地圖車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM地圖種類：

按照地圖的特性分：柵格地圖拓撲地圖特征地圖點云地圖把周圍環境劃分成大小相等的正方形柵格結構，每個柵格賦予一個表示的屬性值、表示柵格被占據的概率和沒被占據概率之間的比例。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM地圖種類：

按照地圖的特性分：柵格地圖拓撲地圖特征地圖點云地圖撲撲地圖是一種基于拓撲結構的地圖表示方法，節點代表環境的地點或者狀態信息，用節點之間的連線表示它們之間的關系。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM地圖種類：

按照地圖的特性分：柵格地圖拓撲地圖特征地圖點云地圖特征地圖是從傳感器的感知信息中提取的幾何特征，如點、線和面等，并把很多環境特征的集合定義為地圖。車載導航定位系統03“視覺定位”

SLAM地圖種類：

按照地圖的特性分：柵格地圖拓撲地圖特征地圖點云地圖點云地圖是將密集的點云形成地圖，能夠反映豐富的環境信息。車載導航定位系統03“視覺SLAM”

視覺SLAM就是利用視覺傳感器信息實現的SLAM，是當下SLAM研究中有應用前景的方向。

定義：

分類：

單目相機雙目相機深度相機（RGB-D）車載導航定位系統03“視覺SLAM”

特點：

車載導航定位系統03“視覺SLAM”

框架：

視覺SLAM的框架如圖5-63所示，它由視覺傳感器數據、視覺里程計、后端非線性優化、回環檢測和建圖構成。車載導航定位系統03“視覺SLAM”

地圖：

地圖是對環境的描述，但這個描述并不是固定的，依視覺SLAM的應用而定。地圖主要有2D棚格地圖、2D拓撲地圖、3D點云地圖和3D網格地圖，如圖5-64所示。車載導航定位系統03“激光定位”

特點：

分