智能網聯汽車概論智能網聯汽車

定位與導航PART3高精地圖在自動駕駛系統中扮演著重要的角色，為定位、環境感知和駕駛規劃提供關鍵支持。在環境感知方面，高精地圖能夠提供大量有效的靜態環境信息以及部分動態環境信息，為自動駕駛控制器節省算力并進行實時計算。在定位方面，高精地圖結合GPS、北斗等全球衛星導航方式，幫助無人駕駛汽車精確地找到自己在地圖上的位置。而在駕駛規劃方面，由于高精地圖包含實時、高精度的交通信息，可精確協助自動駕駛系統進行駕駛規劃。定位技術對于無人駕駛汽車至關重要，它需要在全球高精度地圖上準確找到車輛的位置。情景導入為實現無人駕駛汽車定位，有多種常見的定位方法，如GNSS-RTK、慣性導航、LiDAR定位和視覺定位。這些方法共同協作，確保無人駕駛汽車在復雜的道路環境中能夠精確地找到自己在高精度地圖上的位置，從而實現安全、高效的自動駕駛。智能網聯汽車的定位與導航技術不僅關乎車輛的安全和效率，也關乎國家的戰略和安全。我國在北斗衛星導航系統的建設和應用方面取得了舉世矚目的成就，為智能網聯汽車的發展提供了強大的支撐。我國也在不斷加強智能網聯汽車的標準化、規范化和國際化工作，推動智能網聯汽車技術的創新和發展。情景導入任務描述高精地圖實際是一種數字地圖，用各種細節級別來表示對于世界的抽象。比如當對道路進行建模時，需要以不同的曲線表示無岔路的直道，而以連接點的方式來表示岔路節點，而以各種不同的連線及節點組合一起構成道路網絡的拓撲結構，隨后在利用世界坐標系進行坐標定位。學習單元一高精度地圖一、高精度地圖的定義高精地圖即具有高精確度的地圖，一般需達到厘米級精確度，包含道路信息、交通標識、障礙物等靜態信息及行人、車輛、交通路況、天氣等動態信息。高精地圖主要應用于自動駕駛和輔助駕駛領域，幫助車輛準確識別道路信息，從而做出正確、適當的駕駛行為。

1.高精度地圖的由來地圖經歷了四種主要的演變形式，從最初的紙質地圖逐漸發展到高精度地圖，如圖3-1；高精度地圖比普通電子地圖更準確，更新更快，涵蓋的信息范圍更廣，但收集數據更復雜。2.高精度地圖與傳統地圖的差異隨著自動駕駛等級的升高，其對高精度地圖的要求也就更高，如表3-1。

3.高精度地圖的三大功能高精度地圖主要有以下三大功能：地圖匹配、輔助環境感知和路徑規劃。高精度地圖可以將車輛位置精準的定位于車道之上、幫助車輛獲取更為準確有效全面的當前位置交通狀況并為無人車規劃制定最優路線。

(１)地圖匹配(２)輔助環境感知(３)路徑規劃二、傳感器的局限性與高精度地圖的互補性1.傳感器的局限性（1）檢測范圍受限傳感器的探測距離如表3-3所示。特斯拉采用的是視覺為主的環境方案，其檢測距離如表3-4所示。（2）感知缺陷（3）先驗信息缺失2.高精度地圖的互補性（1）更好的輔助自動駕駛（2）提升感知算法效率（3）靜態對象識別三、高精度地圖采集以國外高精度地圖企業Here的地圖測繪車設備為例，該地圖測繪車車頂安裝的設備包括：四個廣角的24兆像素攝像頭，旋轉式的激光雷達（掃描周圍300英尺范圍內每個目標上的700，000個點）、陀螺儀（計算間距）和GPS系統。車底部有一個50磅重的盒子，里面連接著一個1TB的硬盤用于儲存數據，一臺運行著分析軟件的平板電腦，還有一組用于供電的12V電源。國內來看，百度的高精度地圖采集車的傳感器配置情況為：最頂部的32線激光雷達、三個360°全景攝像頭、一個前置的工業攝像頭、一個包含IMU和GPS裝置的組合式導航系統以及一個GPS天線。

1.高精度地圖采集設備

（7）ADAS地圖采集車（3）IMU（慣性測量單元，陀螺儀）（5）輪測距器（8）HAD高精度地圖采集車（6）高精度地圖采集車（2）Camera（攝像頭）（4）GPS（全球定位系統）（1）LiDAR（激光雷達）2.高精度地圖采集流程(圖３-２)

（1）數據采集（2）數據處理（3）元素識別（4）人工驗證學習小結1.高精地圖即具有高精確度的地圖，一般需達到厘米級精確度，包含道路信息、交通標識、障礙物等靜態信息及行人、車輛、交通路況、天氣等動態信息。2.高精度地圖可以分為兩個層級：靜態高精度地圖和動態高精度地圖。3.高精度地圖的高精度體現在兩個方面。一是高精度地圖的絕對坐標精度更高，地圖上某個目標和真實世界的事物之間的精度更高；二是高精度地圖所含有的道路交通信息元素更豐富和細致。4.高精度地圖主要有以下三大功能：地圖匹配、輔助環境感知和路徑規劃。5.高精度地圖：最穩定的傳感器。高精度地圖是最穩定的傳感器，也是視覺范圍最大的傳感器。高精度地圖可以提供其他傳感器很多抽象的信息。6.從當前高精度地圖采集設備發展情況來看，其實采集設備的主要核心是攝像頭、毫米波雷達和LiDAR（激光雷達）。知識鞏固知識鞏固學習單元二智能網聯汽車的定位技術

對于無人駕駛汽車來說，準確、可靠地獲取汽車的位置、姿態和其他定位信息，是無人駕駛汽車導航的前提和基礎、是無人駕駛汽車導航的先決條件和基礎。無人駕駛汽車需要高可靠性和安全性的定位技術，并且對定位精度的要求達到厘米級。然而，使用普通的導航地圖和衛星定位很難滿足其需求。因此，新的定位技術，如高精度地圖、多傳感技術融合定位技術，和無線通信輔助定位已成為無人駕駛汽車定位技術的發展趨勢。一、衛星定位系統

衛星定位系統也叫全球衛星導航系統（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS），是獲取車輛位置和行人位置數據的一個重要手段，是實現自動駕駛的一個關鍵技術，可用于實時車輛環境感知地圖的創建、高精度地圖的制作和自動駕駛決策子系統的路徑規劃、行為決策和運動規劃。目前全球有四大衛星導航系統，分別為美國的全球定位系統（GlobalPositioningSystem，GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GlobalNavigationSatelliteSystem，GLONASS）、中國的北斗衛星導航系統（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）與歐盟的伽利略衛星導航系統（GalileoSatelliteNavigationSystem，GALILEO）。1.衛星定位原理

GPS定位系統是利用衛星基本三角定位原理、GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來測量距離。由每顆衛星的所在位置，測量每顆衛星至接受器間距離，便可以算出接受器所在位置的三維空間坐標值。使用者只要利用接受裝置接收到3個衛星信號，就可以定出使用者所在的位置。在實際應用中，GPS接受裝置都是利用4個以上衛星信號，來定位出使用者所在之位置及高度。三角定位的工作原理如下：2.GPS的組成GPS由三部分組成：

（1）衛星（2）控制站（3）GPS接收器3.北斗系統北斗衛星導航系統（BDS，BeidouNavigationSatelliteSystem）是中華人民共和國自主研發、建設與運營的全球衛星導航系統。北斗系統是中國在國際上展現高技術實力、提升國家綜合實力的重要標志之一，彰顯了中國在全球衛星導航領域的重要地位。北斗系統在國民經濟、國防建設、國家安全等領域具有重大意義。在社會主義核心價值觀的指導下，北斗系統不斷發展壯大，為中國人民謀福祉，為世界和平與發展作出貢獻。北斗系統分為三個階段進行建設，如圖3-4所示。二、慣性導航定位系統

慣性導航定位系統（InertialNavigationSystem）是通過測量加速度來解算運載體位置信息的自主導航定位方法，該方法不向外部輻射能量、不依賴于外部信息，因而具備不與外界交互而自主獨立工作的能力。慣性導航系統能實時、準確地測量位置、加速度及轉動量（角度、角速度）等信息，是唯一可輸出完備六自由度數據的設備。1.慣性導航系統的構成

“全球導航衛星系統（GNSS）+慣性測量單元（IMU）”是最常見的慣性導航組合方案，如圖3-5和3-6所示。2.慣性導航系統工作原理

慣性導航系統以牛頓力學定律為基礎，利用IMU測量載體的比力及角速度信息，結合給定的初始運動條件，與GNSS等系統進行信息融合，從而實時推算速度、位置、姿態等參數。基于該技術的慣性導航系統可裝備于運載體（如飛機、船舶、汽車、無人機等）并用于實現導航定位，系統通過連續測得運載體角速度和線速度并進行積分運算即可連續、實時預測運載體的當前位置。IMU是融合了陀螺儀、加速度計、磁力計和壓力傳感器的多軸組合，如圖3-7所示。3.慣性導航系統的核心部件

加速度計及陀螺儀等慣性傳感器為慣性導航系統的核心器件（以MEMS慣性導航為例，兩者成本占比約50%），分別用于測量運載體的加速度和角速度，對系統精度起決定性作用，如圖3-8所示。(１)加速度計作用分析(２)陀螺儀作用分析4.慣性導航陀螺儀定義與分類

目前自動駕駛常用的慣性測量單元（IMU），如圖3-9所示，按照精度分可以為兩類：第一類是基于光纖陀螺（FOG）的IMU，第二類是基于微機電系統（MEMS）器件的IMU。三、地圖匹配定位系統

無論是衛星定位(GNSS)還是慣性導航定位(INS)，自動駕駛定位系統的誤差都不可避免，定位結果通常偏離實際位置。引入地圖匹配可以有效消除系統隨機誤差，校正傳感器參數，彌補在城市高樓區、林蔭區、立交橋、隧道中長時間GNSS定位失效而INS誤差急劇增大的定位真空期。1.地圖匹配定位技術原理2.地圖匹配定位誤差分析（1）路況引起的誤差（2）傳感器誤差（3）高精度地圖誤差（4）算法誤差四、多傳感器融合定位

多傳感器數據融合是20世紀80年代出現的一門新興學科，它是將不同傳感器對某一目標或環境特征描述的信息融合成統一的特征表達信息及其處理的過程。1.多傳感器融合簡述2.多傳感器的配準（1）時間配準（2）空間配準3.多傳感器融合誤差分析五、Apollo定位方法系統主要采用了三種定位方式，如圖3-13：（1）基于信號的定位它的代表就是GNSS，其實就是全球導航衛星系統；（2）航跡推算依靠IMU等，根據上一時刻的位置和方位推斷現在的位置和方位；（3）環境特征匹配基于Lidar的定位，用觀測到的特征和數據庫里的特征和存儲的特征進行匹配，得到現在車的位置和姿態。4．IMU坐標系2．導航坐標系1．車輛坐標系3．慣性坐標系5．激光雷達坐標系學習小結1.衛星定位系統通過三角測量原理定位，其包含控制臺、衛星、接收器三個主要組成部分。2.衛星定位系統通過RTK（實時運動定位）減小誤差，將定位誤差限定在10厘米以內。3.衛星定位系統（GNSS）相比于慣性導航系統（INS）的優點為長期精度高，成本低，缺點為數據輸出頻率低、短期精度低、抗干擾性差。4.GNSS+INS系統兩者結合可實現應用場景和定位精度的互