CN101832779A

CN101832779A - 一种复杂环境下的导航方法

Info

Publication number: CN101832779A
Application number: CN 201010117534
Authority: CN
Inventors: 张飞舟; 朱庄生
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: CN101832779B

Abstract

一种复杂环境下的导航方法，从航空遥感或卫星遥感影像图获取某区域复杂环境下的道路灾情信息；初始化处理；信息融合，生成某区域复杂环境下的实时导航电子地图；监控中心根据新生成的实时导航电子地图，对监控目标进行路径规划，把规划后的路径发给所有监控目标；监控目标利用自身携带的导航系统和实时导航电子地图，实时获取自身真实位置信息；当真实位置信息和估计位置信息间误差大于某个阈值时，监控目标通过复杂环境下特殊的通信手段向监控中心上报监控目标当前真实位置信息及当前期望速度；监控中心利用监控目标上报的目标真实位置信息和目标当前期望速度在实时导航电子地图上对监控目标进行实时显示和监控。本发明实现了对某区域复杂环境下监控目标的实时监控和调度。

Description

一种复杂环境下的导航方法

技术领域

本发明涉及了一种复杂环境下的导航方法，主要针对复杂环境，如自然灾害导致道路破坏、通信系统瘫痪等条件下，解决道路灾情信息的实时获取，以及监控系统能够利用有限的通信信道在监控中心对监控目标进行实时跟踪和显示，从而能做到对监控目标进行实时调度和管理。

背景技术

对于一个目标实时监控系统，它主要包括：监控中心、通信系统以及监控目标三个部分，监控中心通过通信系统实时获取监控目标的位置信息，从而实现远距离的对监控目标进行实时导航和管理；另外，在监控中心和监控目标的各自终端设备内还含有精确的实时导航电子地图，监控中心利用导航电子地图对监控目标进行路径规划、实时位置显示和调度，监控目标导航系统内的实时定位算法可以利用导航电子地图实时修正导航系统硬件设备的累积误差，从而获取高精度的目标位置信息，所以针对实时监控系统通信系统和实时导航电子地图是两个必不可少的部分。

但是，在一种复杂环境(本发明的一种复杂环境主要是指受地震等自然灾害的影响，导致道路破坏、通信系统中断等条件)下，通信系统和原有导航电子地图中的实际道路网络都已受到严重破坏，所有传统的目标实时监控系统同时都处于瘫痪状态。

针对一种复杂环境下的导航电子地图，由于道路受到严重破坏，如果不能实时快捷的获取道路的通行能力，监控系统的监控中心将无法利用导航电子地图对监控目标进行路径规划，从而无法实现对监控目标进行实时调度和管理。目前导航电子地图道路信息获取途径主要有：

(1)现场测绘

现场测绘有人工测绘和车辆测绘。人工测绘即由专门测绘人员，根据导航电子地图制作规范，通过专用的测绘仪器，实地测绘道路信息；车辆测绘即由专门的测绘车辆，车辆上装备有高精度的测绘仪器(如GPS系统、高精度惯性导航系统等)，利用车辆在测绘道路上的行驶，测绘仪器测量车辆实时行驶的轨迹即可作为导航电子地图的道路信息。

(2)纸质地图描绘

纸质地图描绘主要通过专门的电子地图制作人员，根据导航电子地图制作规范，依据纸质地图的信息，绘制导航电子地图的道路信息；纸质地图描绘获取导航电子地图的道路信息是最原始的方法，这是早期的导航电子地图制作方式。

(3)遥感影像图

随着遥感技术的出现，最常用快捷的导航电子地图道路信息获取途径是基于航空遥感或卫星遥感影像图的图像识别技术，它通过一套成熟的图像识别技术直接从遥感影像图中自动识别道路信息，这是目前导航电子地图制作环节中获取道路信息最快捷的一种方法。

由以上三种方法可以看出，在一种复杂环境下，时间就是生命，所以第(1)、(2)中导航电子地图道路信息获取方法无法满足需求，只有从遥感影像图上获取。传统的从遥感影像图中获取电子地图道路信息都是按照导航电子地图制作规范进行，它一般仅包括道路段的位置坐标属性、道路方向属性、道路路口的转向限制属性、道路的通行能力属性等，这里的道路通行能力属性主要是定义道路的车道数。而在一种复杂环境下，由于某些道路段受到严重破坏，电子地图制作规范规定的道路属性已不能满足需求，对人们最重要的道路信息是：道路通行能力以及道路恢复通行的能力，这里的通行能力不再是定义道路的车道数，而是定义道路在当前受损条件下能够通过车辆类型(如小轿车、中型货车、大型货车、大型吊车等)的能力。

针对一种复杂环境下的通信系统，由于无线通信基站的破坏，常用的通信系统已无法在短时间内恢复通信功能，此时只能依靠特殊的有限的通信设备(如卫星通信)来进行通信。这些有限的通信设备还要提供其它服务，所以真正留给监控系统的通信资源更是微乎其微。

传统的目标实时监控系统，监控目标通过约定的时间间隔(如3s时间间隔、8s时间间隔等)由通信系统向监控中心实时上报监控目标的真实位置信息，监控中心接收监控目标上报的实时位置信息并实时显示在导航电子上，从而实现对监控目标的实时监控和调度。假设监控目标当前以60km/h速度在道路上匀速行驶，如果以约定的间隔时间为3s，那么因时间间隔导致的定位误差为50m；如果以约定的间隔时间为8s，那么因时间间隔导致的定位误差为133m。所以传统的目标实时监控系统都要求监控目标必须通过通信系统实时上报监控目标的位置信息，无法在短期内得到实时保障。

发明内容

本发明的技术解决问题：根据实时监控系统的特点，并结合监控系统在一种复杂环境下某些必要条件(如导航电子地图、通信系统等)无法在短期内得到实时保障的条件下，克服现有技术的不足，提供一种复杂环境下的导航方法，该方法利用监控目标对自身位置信息的实时评估，以及在监控中心采用一种基于控目标当前期望速度的导航方法对监控目标进行实时导航，以达到在同样定位精度条件下，大大减少监控中心与监控目标之间的信息交换量，在短期内得到实时保障，实现对某区域复杂环境下监控目标的实时监控和调度。

本发明采用的技术方案步骤如下：一种复杂环境下的导航方法，所述复杂环境是指自然灾害导致道路破坏、通信系统瘫痪的环境，实现步骤如下：

第一步，从航空遥感或卫星遥感影像图获取某区域复杂环境下的道路灾情信息；

第二步，对所述道路灾情信息进行初始化处理，所述初始化处理过程为：首先根据影像图对道路灾情信息进行定位处理，获取道路灾情信息的位置信息；然后根据道路灾情信息的严重性分析受灾道路段的可通行性及可恢复性；最后形成道路灾情信息的初始化格式，所述道路灾情信息的初始化格式包括：灾情经纬度坐标、灾情所在位置处的道路方向角、道路可通行性和道路可恢复性；

第三步，利用道路灾情信息的初始化格式中的灾情经纬度坐标和灾情所在位置处的道路方向角这两个参数，把所述道路灾情信息与某区域的原有导航电子地图进行信息融合，即把灾情信息匹配到原有导航电子地图中的某个道路上，生成某区域复杂环境下的实时导航电子地图；

第四步，监控中心根据新生成的实时导航电子地图，对监控目标进行路径规划，通过复杂环境下通过卫星通信手段，把规划后的路径发给所有监控目标；

第五步，监控目标利用自身携带的导航系统和所述实时导航电子地图，实时获取自身真实位置信息；另外，监控目标以当前期望速度对自身位置进行估计，获取自身的估计位置信息，实时评估自身的估计位置精度，获得真实位置信息和估计位置信息间误差：

第六步，当真实位置信息和估计位置信息间误差大于某个阈值时，监控目标通过复杂环境下通过卫星通信手段向监控中心上报监控目标当前真实位置信息及当前期望速度；

第七步，监控中心利用监控目标上报的目标真实位置信息和目标当前期望速度在实时导航电子地图上对监控目标进行实时显示和监控。

所述第五步实时评估自身估计位置精度：在监控目标的终端设备中包含有两套目标导航定位算法，它们将沿着监控中心发布的规划路径分别对目标进行实时导航定位，第一套导航算法是：监控目标利用自身携带的导航定位软、硬件系统，采用目前已公开成熟的导航定位方法实时获取自身精确的位置信息；第二套导航算法是：监控目标根据自身周围的复杂环境，设定监控目标在当前环境下期望的运行速度为v，把监控目标看作以速度v做匀速运动，实时估计监控目标的位置信息；监控目标以第一套导航算法获取的精确位置信息和第二套导航算法获取的估计位置信息两者位置之间的距离实时评估自身估计位置精度；

所述第七步监控中心对监控目标进行实时显示和监控：监控中心根据最新收到的监控目标当前真实位置信息及当前期望速度v，首先利用监控目标的当前真实位置信息重新初始化监控目标的实时显示位置信息；然后，以初始化后的位置信息为起点，把监控目标看作以速度v做匀速运动，重新对监控目标进行实时导航定位。

本发明与现有的技术方法相比有益的效果是：

(1)针对实时导航电子地图的生成，本发明根据一种复杂环境下的导航对导航电子地图道路属性的要求不同，采用了从遥感影像图，利用成熟的图像识别技术高效快捷的获取道路灾情信息，并重新定义了导航电子地图的道路属性，在导航电子地图道路的原有属性基础上增加了一个道路灾情信息属性；并创建一新的表格式数据库存储这一属性，这样道路灾情信息属性数据库与原导航电子地图一起形成一种复杂环境下的实时导航电子地图；利用本发明方法在高效快捷的实现一种复杂环境下的实时导航电子地图生成的同时，还没有破坏原有的导航电子地图，这样在满足一种复杂环境下对实时导航电子地图应用需求的同时还有利于灾情恢复后导航电子地图的维护。

(2)针对在监控中心基于监控目标当前期望速度的导航方法，本发明根据一种复杂环境下通信资源匮乏的特点，监控目标除了利用自身携带的数据采集系统实时获取自身真实位置信息之外，还与监控中心一样，应用监控目标当前期望速度实时估计自身的位置信息，当监控目标真实位置与估计位置间的距离误差大于某个阈值时，监控目标将通过无线通信系统把当前的真实位置信息和期望速度上报给监控中心，监控中心利用监控目标上报的信息实时修正监控目标的估计位置。与现有技术相比，利用本发明的导航方法，监控中心与监控目标之间仅需输送传统导航方法2％的信息量，就能实现与传统导航技术相同的定位精度。

附图说明

图1为监控系统结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明从影像图获取的道路灾情信息与已有导航电子地图匹配示意图；

图4为本发明的监控中心功能结构模块示意图；

图5为本发明监控目标终端功能结构模块示意图；

图6为本发明监控目标终端中目标真实位置与估计位置间误差识别示意图。

具体实施方式

如图1所示，传统的实时监控系统主要分成监控中心、监控目标以及无线通信系统三大部分。监控中心和监控目标分别位于不同地点的两个独立部分，无线通信系统是架设在它们间的桥梁，负责它们间的信息传输。另外，监控中心和监控目标内还包括：导航电子地图、数据采集系统(仅包含在监控目标中)、软件功能模块等。本发明主要针对一种复杂环境下通信系统和道路受到严重破坏条件下，在短期内能使传统的监控系统对该复杂环境区域内的监控目标进行实时监控和调度功能。

如图2所示，本发明将按照以下步骤实现：

在自然灾害发生后，国家甚至于全世界各国都会尽可能的调集所有遥感设施获取受灾区域的遥感影像图，利用已成熟的图像处理技术，获取该区域的道路灾情信息。

第二步，对道路灾情信息进行初始化处理；

因为在一种复杂环境下，为了更好地实现对监控目标的实时监控和调度，按照传统的导航电子地图制作规范中规定的道路属性制作道路已不能满足需求，必须根据当前环境以及当前环境下的道路破坏情况实时修订道路属性。初始化处理过程为：首先根据实时拍摄的某区域复杂环境下的影像图(亦叫实测影像图)和该区域正常环境下的影像图(亦叫参照影像图)，通过对实测影像图与参照影像图二者的比对，获取道路灾情的经纬度坐标信息和灾情处的道路方向信息；然后根据道路灾情信息的严重性分析受灾道路段的可通行性及可恢复性；最后形成道路灾情信息的初始化格式为：灾情经纬度坐标、灾情所在位置处的道路方向角、道路可通行性、道路可恢复性。

可通行性信息用5个等级表示，等级1表示行人可以通行，等级2表示小汽车可以通行，等级3表示不大于四吨位的车辆可以通行，等级4表示大于四吨且小于八吨位的车辆可以通行，等级5表示处于正常状态。

可恢复性信息可用3个等级表示，等级1表示道路被山体滑坡覆盖，仅通过人工或简单的机械化设备2天内即可恢复道路通行；等级2表示道路被山体滑坡覆盖，在有吊车或起重机辅助情况下若干天(如4天内)可以恢复道路通行；等级3表示道路凹陷或桥梁断裂，需要进行现场重新勘测施工后才能恢复道路通行。

道路灾情信息经初始化格式后数据库存储结构为：

(A)影像图获取的道路灾情信息数据结构

编号ID

方向角Angle

经度PLon

纬度PLat

可通行性iType

可恢复性iType

第三步，把道路灾情信息与某区域的原有导航电子地图进行信息融合，生成某区域复杂环境下的实时导航电子地图；

利用道路灾情信息初始化格式中的灾情经纬度坐标和灾情所在位置处的道路方向角这两个参数，利用基于概率估计的地图匹配算法，为了提高匹配算法在地图密集区的可靠性，该匹配算法除了利用所需匹配点的位置信息之外，还利用了所需匹配点的方向信息，把从遥感影像图中获取的道路灾情信息匹配到导航电子地图中的某个道路上，具体方法如下：

如图3所示，从遥感影像图中获取的道路灾情信息位于图中的A点处，其方向如图中指向；A点周围有道路1、道路2、道路3和道路4共4条道路，A点到道路1、道路2、道路3和道路4这4条道路的距离分别为L1、L2、L3和L4，道路灾情信息的指向与道路1、道路2、道路3和道路4间的夹角分别为θ1、θ2、θ3和θ4。现设定代价函数为：

COST = \sqrt{W_{1} L^{2} + W_{2} θ^{2}}

式中：L表示道路灾情信息到某条道路(图3中的道路1、道路2、道路3和道路4)的距离，θ表示道路灾情信息方向角与某条道路(图3中的道路1、道路2、道路3和道路4)方向角的夹角，W₁和W₂表示加权系数。

根据代价函数分别计算道路灾情信息与道路1、道路2、道路3和道路4这四条道路间的匹配代价，以代价值最小匹配的那条道路(如图3种的道路1)即是道路灾情发生的道路，道路灾情信息的精确位置坐标是A点在匹配道路上的投影点(如图中道路1上的_A1点)。

根据匹配结果，重新定义导航电子地图受灾道路的道路属性，其数据存储结构为：

(B)导航电子地图受灾道路数据结构

从导航电子地图受灾道路数据结构可以看出，重新定义后的受灾道路属性其原有导航电子地图中的道路属性和当前道路灾情信息分开存储，它们之间通过道路唯一标识符ID建立一一对应关系。从而保证新生成的实时导航电子地图没有破坏原有导航电子地图的原始结构，所以，一旦灾情解除，道路恢复正常状态，该区域的复杂环境也恢复了正常环境，实时导航电子地图可以立即恢复成原有导航电子地图，便于导航电子地图的维护。

第四步，监控中心根据新生成的实时导航电子地图，对监控目标进行路径规划，通过复杂环境下卫星通信手段，把规划后的路径发给所有监控目标；

路径规划可以采用的路径规划算法，如时间最优路径规划法、距离最优路径规划法、最省油路径规划法；或者现场指挥员根据不同的监控目标类型(如小轿车、中型货车、大型货车、大型吊车等)，结合实时导航电子地图中的道路灾情信息中的道路可通行性以及可恢复性，直接在地图上规划行车路径，这种方法一般在复杂环境下是比较常用，最终得到规划后监控目标的行驶路径。

一般情况下，导航电子地图内道路段的数据结构应包含如下信息：

CMapRoadInfo

{

....

整数型：m_ID； //道路段的唯一标识符；

浮点型数据数组：m_pArray；//存储构成道路段的所有点的经纬

//度坐标；

道路段数据型数组：m_BeginLink；//存储道路段起始节点连

//接的道路段信息；

道路段数据型数组：m_EndLink；//存储道路段终止节点连

//接的道路段信息；

浮点型数据数组：m_VectType； //存储道路段内每一点处的

//道路方向角

……

}

为了减少监控中心与监控目标之间的信息交换量，监控中心获取监控目标的规划路径后，提取规划路径中每条道路段的唯一标识符ID并构成数组形成最终的规划路径信息，通过无线通信系统发送给各个监控目标，监控目标根据接收到的规划路径信息内的道路段唯一标识符ID，从自身携带的导航电子地图数据库中重新获取每条道路段的详细信息。

复杂环境下的通信手段取决于不同国家在不同灾害、不同阶段的通信保障手段，譬如，中国常用的通信手段是：北斗卫星通信系统+3G/CDMA/GPRS的复合通信保障手段。由于北斗卫星通信系统自身的一些限制因素，如系统容量有限、信道资源有限、通信带宽较低等问题，不适合长期无限制地使用。所以，本发明最核心的目标就是减少监控中心与监控目标之间的信息交换量。对于灾害初期，由于地面通信系统瘫痪，且短时间内无法得到恢复，一般采用北斗卫星进行通信，一旦地面移动通信系统能正常工作时则接入移动通信网络。

第五步，在复杂环境下，监控目标利用自身携带的导航系统和实时导航电子地图，实时获取自身真实位置信息；另外，监控目标以当前期望速度对自身位置进行估计，获取自身的估计位置信息；实时评估监控目标的估计位置精度；

如图6所示，在监控目标的终端设备中包含有两套目标导航定位算法，它们将沿着监控中心发布的规划路径分别对目标进行实时导航定位，第一套导航算法是：监控目标利用自身携带的导航定位系统直接获取自身精确的位置信息。第二套导航算法是：监控目标的驾驶员根据当前复杂环境下的条件，设定监控目标在当前环境下运行的期望速度v，把监控目标看作以速度v做匀速运动，另外，监控目标在已知的规划道路上行驶，而导航电子地图是矢量地图，地图中的道路具有方向；这样已知监控目标在某一时刻的起始位置x0、y0，根据监控目标的匀速运行速度v以及监控目标所行驶道路的方向属性

利用航位推算原理，如下公式

即可实时估计监控目标在每一时刻的位置信息。式中：T表示采样周期，k表示1，2，3，…，N的连续自然数，x_k，y_k表示在k*T时刻监控目标的位置信息，

表示监控目标在(k-1)*T时刻所处位置道路的方向角。

假设在k时刻，监控目标真实位置(x，y)位于图6中A点处，监控目标的估计位置(x_k，y_k)位于图6中的A1点或A2点处，计算A点和A1或A2点的距离误差：

d = \sqrt{{(x - x_{k})}^{2} + {(y - y_{k})}^{2}}

现设定误差区域为一圆形区域，圆形半径为R，当R＞d时，如图6所示，此时A1点和A2点位于A点的阈值范围内，此时监控中心实时显示的监控目标位置信息满足系统导航定位精度要求。

第六步，当真实位置信息和估计位置信息间误差大于某个阈值时，这里的阈值即是下面介绍的误差区域的圆形半径R，监控目标通过复杂环境下卫星通信手段向监控中心上报监控目标当前真实位置信息及当前期望速度；

假设在k时刻，监控目标真实位置(x，y)位于图6中A点处，监控目标的估计位置(x_k，y_k)位于图6中的B1点或B2点处，计算A点和B1或B2点的距离误差：

d = \sqrt{{(x - x_{k})}^{2} + {(y - y_{k})}^{2}}

现设定误差区域为一圆形区域，圆形半径为R，当R＜d时，如图6所示，此时B1点和B2点位于A点的阈值范围之外，此时监控中心实时显示的监控目标位置信息不能满足系统导航定位精度要求，监控目标需要向监控中心重新上报当前真实的A点位置信息以及监控目标的当前期望速度v。

第七步，监控中心利用监控目标上报的目标真实位置信息和目标当前期望速度在实时导航电子地图上对监控目标进行实时显示和监控；

监控中心根据最新收到的监控目标当前真实位置信息(x0，y0)及当前期望速度v，首先利用监控目标的当前真实位置信息(x0，y0)重新初始化监控目标的实时显示位置信息；然后，以初始化后的位置信息(x0，y0)为起点，根据监控目标的匀速运行速度(v)以及监控目标所行驶道路的方向属性

利用航位推算原理，如下公式

重新对监控目标进行实时导航定位。式中：T表示采样周期，k表示1，2，3，…，N的连续自然数，x_k，y_k表示在k*T时刻监控中心所显示的监控目标位置信息，表示

监控中心所显示的监控目标在(k-1)*T时刻所处位置道路的方向角。

为了验证本发明，进行了一次跑车试验，具体试验及试验结果如下：

试验条件：

导航电子地图区域选取南京市到上海市的沪宁高速公路部分；监控目标所采用的车辆为南京IVECO；监控目标携带的导航系统为自行研制的导航系统，其定位精度优于10m；规划路径为：南京市到上海市的沪宁高速段。

试验方法：

监控目标起点设为南京市沪宁高速入口处，终点设为上海市沪宁高速出口处，全程大约280km；监控目标以期望速度90km/h匀速行驶；监控中心直接设在监控目标的车辆上，监控中心的PC机和监控目标的PC机通过串口通信相连，监控目标通过串口向监控中心上报信息。

试验结果分析：

在试验过程中，分别设定了100m、200m、500m三个不同的误差阈值，在整个试验过程中，误差阈值设为100m时，为了保证监控系统的导航精度，监控目标需要向监控中心上报3次信息，以修正监控中心的定位误差；误差阈值设为200m时，为了保证监控系统的导航精度，监控目标需要向监控中心上报1次信息，以修正监控中心的定位误差；误差阈值设为500m时，在整个试验过程中，监控中心和监控目标之间不需要上报信息。

通过上述试验可以看出：对于一个监控系统，利用本发明提出的方法，监控目标和监控中心之间仅需交换极少量监控目标的状态信息或者不需要交换任何信息，监控中心就能实现对监控目标的实时监控，从而保证在一种复杂环境下通信系统处于瘫痪条件下监控系统的监控中心对监控目标的实时监控；另外，对传统的监控系统，在保证监控系统的监控中心对监控目标实时监控精度不变的条件下，不需进行任何硬件设备的升级，采用本发明提出的方法，即可升级传统监控系统的容量。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述仅是针对一种复杂环境下导航方法的实施方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，此方法还可以对原有的监控系统在不改变硬件环境的条件下进行升级和增容，这些使用也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种复杂环境下的导航方法，所述复杂环境是指自然灾害导致道路破坏、通信系统瘫痪的环境，其特征在于步骤如下：

第五步，监控目标利用自身携带的导航系统和所述实时导航电子地图，实时获取自身真实位置信息；另外，监控目标以当前期望速度对自身位置进行估计，获取自身的估计位置信息，实时评估自身的估计位置精度，获得真实位置信息和估计位置信息间误差；

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的导航方法，其特征在于：所述第五步监控目标实时评估自身估计位置精度的过程为：在监控目标的终端设备中包含有两套目标导航定位算法，目标导航定位算法将沿着监控中心发布的规划路径分别对目标进行实时导航定位，第一套导航算法是：监控目标利用自身携带的导航定位软、硬件系统，采用目前已公开成熟的导航定位方法实时获取自身精确的位置信息；第二套导航算法是：监控目标根据自身周围的复杂环境，设定监控目标在当前环境下期望的运行速度为v，把监控目标看作以速度v做匀速运动，实时估计监控目标的位置信息；监控目标以第一套导航算法获取的精确位置信息和第二套导航算法获取的估计位置信息两者位置之间的距离实时评估自身估计位置精度；

3.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的导航方法，其特征在于：所述第七步监控中心对监控目标进行实时显示和监控的过程为：监控中心根据最新收到的监控目标当前真实位置信息及当前期望速度v，首先利用监控目标的当前真实位置信息重新初始化监控目标的实时显示位置信息；然后，以初始化后的位置信息为起点，把监控目标看作以速度v做匀速运动，重新对监控目标进行实时导航定位。