一种基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法

1.本发明涉及地图匹配和导航定位领域，尤其涉及一种基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法。


背景技术：

2.传统车辆导航系统主要应用惯性卫星组合导航技术，具有低成本、高精度、高鲁棒等优势。但是，在卫星信号不可用或存在信号欺骗等问题时，惯性器件的漂移会给车辆导航带来极大的挑战，难以满足导航系统全自主、长航时、高精度的定位需求。
3.目前抑制惯导发散的常规方法是在道路两侧安装信号地标对惯导系统进行修正，当车辆靠近时来确定车辆的地理位置。此方法需要专门的技术人员对路网进行测绘，并对信号地标设备进行安装和调试，费时费力且后期维护成本高，在道路发生改变时更新升级困难，维护周期长。此外引入数字地图匹配导航信息也可修正惯导误差，但无论是基于图像的全景地图匹配还是基于描述子的点云地图匹配都需要专业人员预先对地图进行测绘，且用于匹配的数字地图往往数据量很大，在大范围场景下对存储空间的要求较高，需要装配超大容量存储介质，不方便对现有作战车辆进行改装，而且由于数据量大，在数据检索和使用时需要耗费更大的算力，实时性较差。
4.路网是某区域内所有道路汇总所形成的网络结构，其中包括长短不一的多条道路及其交汇点(路口)。近年来越来越多的学者引入路网地图在卫星信号拒止的情况下约束车辆导航误差。其中“点—线”式路网地图结构简单，相比于全景地图和点云地图大大降低了存储空间的负担，满足大范围场景下的使用需求。在无卫星情况下，通过先验路网来约束车辆导航累积误差是一种经济有效的手段。在道路网络中定位车辆所属路段是应用先验路网信息的前提条件，是此类方法首先需要解决的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种能够将复杂的原始路网数据简明化，降低车辆所属路段定位难度的基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法。
6.技术方案：本发明的车辆所属路段定位方法，包括如下步骤：
7.s1，已知车辆初始全局位置，根据其经纬位置信息加载osm区域性路网地图；
8.s2，将路网地图转化为最小路段单元组；
9.s3，对路段单元组进行矩形扩展；
10.s4，对路段单元组进行四边形扩展；
11.s5，根据车辆初始位置定位其预所属路段；
12.s6，根据车辆初始阶段行驶航向，采用内部节点正向化方法定位车辆所属路段。
13.进一步，步骤s1中，所述osm区域性路网地图为多段way组成的集合ways，其中各段way长短不一，一段way经过多个路口；way是由一系列node组成的有序列表，表示地图上的一条折线段；node表示地图上具有地理位置的点，使用经纬度来定义该点的位置。
14.进一步，步骤s2中，所述最小路段单元为不可拆分的路段，除了首尾node外与其他最小路段单元没有共同node；对于某段way
cur
，将其转化为最小路段单元组的步骤如下：
15.s21，从集合ways中选择与way
cur
不同的道路way
ath
；
16.s22，选取way
ath
内部一节点node
ai
，逐一与way
cur
内部节点进行位置判断，若way
cur
内部存在节点node
cj
与node
ai
处于同一地理位置，将node
cj
加入分割点集；
17.s23，若way
ath
内部存在未选取的节点，继续步骤s22；若way
ath
内部所有节点均与way
cur
内部节点进行过位置判断，执行步骤s24；
18.s24，若ways内部存在未选取的子项way，重复步骤s21；若ways内部所有子项均已被选取，执行步骤s25；
19.s25，遍历分割点集，按序对way
cur
进行分割；
20.s26，输出way
cur
分割结果，该分割结果为此段道路的最小路段单元组。
21.进一步，步骤s3中，对路段单元组进行矩形扩展的实现如下：以相邻两节点的连线为基准，沿连线垂直方向向两侧扩展宽度为roadwidth/2的矩形，其中，roadwidth为原道路宽度。
22.进一步，步骤s4中，对节点较多的路段单元进行矩形扩展后，各相邻节点的矩形扩展会存在“重叠区”和“空白区”，位于“重叠区”内的车辆存在多个路段单元定位结果，位于“空白区”的车辆无法定位所属路段单元；
23.对于“重叠区”，以矩形扩展边线交点为新的顶点，进行四边形扩展；
24.对于“空白区”，以矩形扩展边线的延长线交点为新的顶点，进行四边形扩展。
25.进一步，步骤s5中，遍历路段单元组四边形扩展结果，若某路段单元内存在双节点扩展四边形包含车辆初始位置点，则将此路段单元标记为车辆预所属路段。
26.进一步，步骤s6中，在车辆行驶时，不断计算其行驶方向与所处双节点向量夹角，最终求得夹角最小的双节点向量所属路段，为车辆所属路段。
27.本发明与现有技术相比，其显著效果如下：
28.1、本发明设计了一种定位车辆所属路段的全自动化方法，通过读取车辆初始位置和初始阶段行驶航向，在“点—线”式路网地图中定位其所属路段，能够减少导航初始阶段定位所需的人力物力；
29.2、本发明定义了最小路段单元的概念，并提供了将区域性路网地图转化为最小路段单元组的方法，能够将复杂的原始路网数据简明化，降低车辆所属路段定位的难度；
30.3、本发明设计了路段单元矩形扩展方法，通过分析“点—线”式路网地图特性，对路段单元组进行矩形扩展，能够一定程度还原道路形状；
31.4、本发明在路段单元矩形扩展方法的基础上，进一步设计了四边形扩展方法，能够根据地图点线数据准确还原道路形状，为定位车辆所属路段提供建模数据支撑。
附图说明
32.图1是本发明的流程图；
33.图2是osm地图示意图；
34.图3是“点—线”式路网地图示意图；
35.图4是“点—线”式路网地图某道路示意图；
36.图5是局部最小路段单元组示意图；
37.图6是双节点路段矩形扩展结果示意图；
38.图7(a)是路段单元组矩形扩展结果示意图，
39.图7(b)是图7(a)中g的局部放大图；
40.图8是三节点路段四边形扩展结果示意图；
41.图9(a)是路段单元组四边形扩展结果示意图，
42.图9(b)是图9(a)中h的局部放大图。
具体实施方式
43.下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
44.本发明通过扩展“点—线”式路网地图，还原道路形状；通过车辆初始位置(起始点)和各路段几何关系定位车辆可能的所属路段，并基于车辆初始阶段行驶航向和各路段指向最终定位车辆所属路段。
45.如图1所示，为本发明的流程图，详细实现步骤如下：
46.步骤1，根据车辆初始全局位置加载区域性路网地图；
47.已知车辆初始时刻所处地理位置，根据其经纬位置信息从openstreetmap网站下载区域性路网地图。osm可通过人工测量、卫星测量、航拍等免费来源收集数据，这些数据被作为开放的数据库允许全世界用户使用。openstreetmap网站地图如图2所示，其中包含道路、建筑等多个图层。osm地图使用拓扑数据结构表示道路，包含三个核心元素：node、way和relation。其中，node表示地图上具有地理位置的点，使用经纬度来定义其位置；way是由一系列node组成的有序列表，表示地图上的一条折线段；relation表示现有node和way之间的关系。本实施例中，获取的路网地图为“点—线”式，原始数据为way的集合，由2～2000例node连接成线构成，node数据包括其采样位置的纬度和经度(lat,lon)。选取某道路密度较高区域，所加载的区域性路网地图如图3所示。
48.步骤2，将路网地图转化为最小路段单元组；
49.如图4所示，区域性路网地图为多段way组成的集合ways，其中各段way长短不一，一段way可经过多个路口。本发明定义最小路段单元，顾名思义为不可拆分的路段，除了首尾node外与其他最小路段单元没有共同node。对于某段way
cur
，将其转化为最小路段单元组的步骤如下：
50.步骤21，从集合ways中选择与way
cur
不同的道路way
ath
；
51.步骤22，选取way
ath
内部一节点node
ai
，逐一与way
cur
内部节点进行位置判断，若way
cur
内部存在节点node
cj
与node
ai
处于同一地理位置，将node
cj
加入分割点集；
52.步骤23，若way
ath
内部存在未选取的节点，继续步骤22；若way
ath
内部所有节点均与way
cur
内部节点进行过位置判断，执行步骤24；
53.步骤24，若ways内部存在未选取的子项way，重复步骤21；若ways内部所有子项均已被选取，执行步骤25；
54.步骤25，遍历分割点集，按序对way
cur
进行分割；
55.步骤26，输出way
cur
分割结果，即此段道路的最小路段单元组。
56.如图5所示为图4中标识way分割结果，由5例最小路段单元组成，区域性路网地图
转化形成的最小路段单元组由集合ways中所有道路分割结果汇总而成。
57.步骤3，对路段单元组进行矩形扩展
[0058]“点—线”式路网地图通过节点之间的连线来表示道路形状，节点通常位于道路中央，节点连线为道路中线。如图3所示，长直路段可近似由首尾节点连线表示，所需节点数量少；高曲率路段由多段节点连线表示，所需节点数量多。为了更直观地对道路进行几何表示，本发明设计对路段单元进行矩形扩展。
[0059]
如图6所示为双节点路段矩形扩展结果，以节点node1和node2连线为基准，沿连线垂直方向向两侧扩展宽度为roadwidth/2的矩形，其中，roadwidth为原道路宽度，此扩展结果可初步还原道路形状。路段单元的矩形扩展为其内所有相邻节点路段的矩形扩展结果总和，路段单元组的矩形扩展为其内所有路段单元的矩形扩展结果总和。
[0060]
步骤4，对路段单元组进行四边形扩展
[0061]
对于节点较多的路段单元，其内节点连线分散，不存在共线的可能，各相邻节点的矩形扩展结果如图7(a)所示。对图7(a)左下圆形区域g进行放大，效果如图7(b)放大图所示。对图7(b)中两矩形区域再次进行放大，左上矩形为矩形扩展的“重叠区”，“重叠区”会增加路段内部的定位难度，位于“重叠区”内的车辆存在多个路段单元定位结果；右下矩形为矩形扩展结果的“空白区”，“空白区”会造成道路形状缺失，位于“空白区”的车辆无法定位路段单元，导致车辆所属路段定位失败。为了避免“重叠区”和“空白区”的存在对车辆所属路段定位造成的影响，本发明在矩形扩展的基础上对路段单元进行四边形扩展。
[0062]
如图8(a)所示，本发明利用步骤3中矩形扩展的结果，对于“重叠区”，以矩形扩展边线交点为新的顶点，例如图8(a)所示顶点a；对于“空白区”，以矩形扩展边线的延长线交点为新的顶点，例如图8(a)所示顶点b，与原矩形扩展结果组成四边形如图8(b)所示。在图7(a)所示路段矩形扩展结果的基础上进行四边形扩展，扩展结果如图9(a)所示；图7(b)所示放大部分的扩展结果如图9(b)所示。
[0063]
步骤5，根据车辆初始位置定位其预所属路段
[0064]
本发明根据车辆初始位置点与路段基元组四边形扩展结果的包含关系对车辆所属路段进行定位。遍历路段单元组四边形扩展结果，若某路段单元内存在双节点扩展四边形包含车辆初始位置点，则将此路段单元标记为车辆预所属路段，将路段与车辆的包含关系转化为质点与四边形的包含问题。
[0065]
假设车辆初始位置为p(x
p
,y
p
)，四边形的四个点按逆时针顺序分别为a(xa,ya)、b(xb,yb)、c(xc,yc)和d(xd,yd)。若的值同号，即四个值同为正或者同为负，则判断点p位于四边形abcd内部。
[0066]
最终，所有可能的路段组成预所属路段集。
[0067]
步骤6，根据车辆初始阶段行驶航向最终定位车辆所属路段
[0068]
处于道路交叉口的车辆，经过上述步骤5后可能得到多个预所属路段，本发明进一步根据车辆初始阶段行驶航向最终定位车辆所属路段。首先通过车辆所携带的自主传感器获取车辆行进方向，根据车辆行进方向对其预所属路段进行内部节点正向化，具体实现如下：如车辆位于路段way{node1,node2,node3,node4}内双节点node
1-node2扩展四边形内，车辆行进方向与向量的夹角为θ
+
，与向量的夹角为θ-；若θ
+
＞θ-，则保
持原节点顺序；若θ
+
＜θ-，则逆转原节点顺序。
[0069]
随着车辆的行驶，不断计算其行驶方向与所处双节点向量夹角，最终可求得夹角最小的双节点向量所属路段，即为车辆所属路段。

技术特征：
1.一种基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，已知车辆初始全局位置，根据其经纬位置信息加载osm区域性路网地图；s2，将路网地图转化为最小路段单元组；s3，对路段单元组进行矩形扩展；s4，对路段单元组进行四边形扩展；s5，根据车辆初始位置定位其预所属路段；s6，根据车辆初始阶段行驶航向，采用内部节点正向化方法定位车辆所属路段。2.根据权利要求1所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s1中，所述osm区域性路网地图为多段way组成的集合ways，其中各段way长短不一，一段way经过多个路口；way是由一系列node组成的有序列表，表示地图上的一条折线段；node表示地图上具有地理位置的点，使用经纬度来定义该点的位置。3.根据权利要求2所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s2中，所述最小路段单元为不可拆分的路段，除了首尾node外与其他最小路段单元没有共同node；对于某段way
cur
，将其转化为最小路段单元组的步骤如下：s21，从集合ways中选择与way
cur
不同的道路way
ath
；s22，选取way
ath
内部一节点node
ai
，逐一与way
cur
内部节点进行位置判断，若way
cur
内部存在节点node
cj
与node
ai
处于同一地理位置，将node
cj
加入分割点集；s23，若way
ath
内部存在未选取的节点，继续步骤s22；若way
ath
内部所有节点均与way
cur
内部节点进行过位置判断，执行步骤s24；s24，若ways内部存在未选取的子项way，重复步骤s21；若ways内部所有子项均已被选取，执行步骤s25；s25，遍历分割点集，按序对way
cur
进行分割；s26，输出way
cur
分割结果，该分割结果为此段道路的最小路段单元组。4.根据权利要求2所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s3中，对路段单元组进行矩形扩展的实现如下：以相邻两节点的连线为基准，沿连线垂直方向向两侧扩展宽度为roadwidth/2的矩形，其中，roadwidth为原道路宽度。5.根据权利要求4所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s4中，对节点较多的路段单元进行矩形扩展后，各相邻节点的矩形扩展会存在“重叠区”和“空白区”，位于“重叠区”内的车辆存在多个路段单元定位结果，位于“空白区”的车辆无法定位所属路段单元；对于“重叠区”，以矩形扩展边线交点为新的顶点，进行四边形扩展；对于“空白区”，以矩形扩展边线的延长线交点为新的顶点，进行四边形扩展。6.根据权利要求5所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s5中，遍历路段单元组四边形扩展结果，若某路段单元内存在双节点扩展四边形包含车辆初始位置点，则将此路段单元标记为车辆预所属路段。7.根据权利要求5所述基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，其特征在于，步骤s6中，在车辆行驶时，不断计算其行驶方向与所处双节点向量夹角，最终求得夹角最小的双节点向量所属路段，为车辆所属路段。

技术总结
本发明公开了一种基于四边形扩展的车辆所属路段定位方法，包括如下步骤：S1，已知车辆初始全局位置，根据其经纬位置信息加载OSM区域性路网地图；S2，将路网地图转化为最小路段单元组；S3，对路段单元组进行矩形扩展；S4，对路段单元组进行四边形扩展；S5，根据车辆初始位置定位其预所属路段；S6，根据车辆初始阶段行驶航向，采用内部节点正向化方法定位车辆所属路段。本发明通过读取车辆初始位置和初始阶段行驶航向，在“点—线”式路网地图中定位其所属路段，能够减少导航初始阶段定位所需的人力物力。物力。物力。


技术研发人员：许舒晨 孙永荣 王帅帅
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/7