CN104457718B

CN104457718B - Rsu安装参数标定方法

Info

Publication number: CN104457718B
Application number: CN201410759415.7A
Authority: CN
Inventors: 杨胜姚; 林志杰; 罗汉卿
Original assignee: Beijing Wanji Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Wanji Technology Co Ltd
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104457718A

Abstract

本发明涉及测量技术领域，公开了一种RSU安装参数的标定方法，包括：S1：标定设备在车道平面上选择三个标定点，且所述三个标定点不在同一直线上；S2：对于每个标定点，所述标定设备向所述RSU发送微波信号，所述RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置；S3：RSU根据接收到的标定设备在三个标定点处所发射的微波信号分别计算所述三个标定点各自相对于RSU的方位角(α，β)；S4：根据所述标定点的方位角和所述标定点在车道坐标系的坐标位置计算RSU在车道坐标系中的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1。本发明能够准确测量RSU与车道之间的位置关系。

Description

RSU安装参数标定方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种RSU安装参数标定方法。

背景技术

在ETC(Electronic Toll Collection，电子不停车收费)系统中，需要精确获取RSU(Road Side Unit，路侧单元)的安装位置和安装角度。现有的标定方法都用米尺测量安装位置，先用铅锤线来寻找RSU在路面上的投影点，再测量投影点偏离车道中心线的位置和RSU的高度等；用水平仪或坡度仪测量RSU的安装角度。这种方法测量出来的安装信息精度不高。用铅锤的方法寻找投影点容易受大风天气影响，而且在遇到斜坡路面的车道时，RSU在路面上的投影点与铅锤线找到的点不是同一点，RSU与车道之间的位置关系就很难准确测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何准确测量RSU与车道之间的位置关系。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种RSU安装参数标定方法，包括：

S1：标定设备在车道平面上选择三个标定点，且所述三个标定点不在同一直线上；

S2：对于每个标定点，所述标定设备向所述RSU发送微波信号，所述RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置，所述车道坐标系的原点在车道平面上，X轴在车道平面且垂直于车道方向，Y轴沿车道方向与车道平行，Z轴垂直于车道平面向上；

S3：RSU根据接收到的标定设备在三个标定点处所发射的微波信号分别计算所述三个标定点各自相对于RSU的方位角(α，β)，方位角α是标定点到RSU坐标系原点R的直线与RSU坐标系X＇轴的夹角，方位角β是标定点到点R的直线与RSU坐标系Z＇轴的夹角，所述RSU坐标系以RSU的天线板上的与天线单元相关的几何中心R为原点，三个坐标轴由RSU的天线阵列确定；

S4：根据所述标定点的方位角和所述标定点在车道坐标系的坐标位置计算RSU在车道坐标系中的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1，A1是车道坐标系X轴与RSU坐标系X＇轴夹角，A2是车道坐标系Z轴与RSU坐标系Z＇轴的夹角。

其中，所述步骤S2中所述RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置的方式具体包括：

通过标定设备将所述标定点的坐标位置发送给RSU，或通过上位机输入所述标定点的坐标位置传给RSU，或将所述标定点的坐标位置预先设定到RSU中。

其中，所述步骤S3具体包括：

根据在所述三个标定点处所发射的微波信号，采用DOA算法计算三个标定点各自相对于RSU的三组方位角(α，β)。

其中，所述步骤S4具体包括：

P1为车道平面上任意选取的已知标定点，坐标为P1(x_p1，y_p1，0)，则向量RP1为RP1(x_p1－x_R，y_p1－y_R，－z_R)，根据空间向量夹角公式可得：

|RP1|·cos α1＝e_x＇·RP1 (1)

|RP1|·cos β1＝e_z＇·RP1 (2)

其中，方位角α1为向量e_x＇与向量RP1的夹角，方位角β1为向量e_z＇与向量RP1的夹角，e_x＇为RSU坐标系的X＇轴在车道坐标系下的单位向量e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)，e_z＇为RSU坐标系的Z＇轴在车道坐标系下的单位向量e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)；

对于车道平面上的另外两点P2和P3，可得到：

|RP2|·cos α2＝e_x＇·RP2 (3)

|RP2|·cos β2＝e_z＇·RP2 (4)

|RP3|·cos α3＝e_x＇·RP3 (5)

|RP3|·cos β3＝e_z＇·RP3 (6)

在RSU坐标系下，有如下方程：

|e_x＇|＝1 (7)

|e_z＇|＝1 (8)

e_x＇·e_z＇＝0 (9)

求解上述9个方程，得到R(x_R，y_R，z_R)、e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)和e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)；

根据如下公式得到所述俯仰角A2和旋转角A1：

A1＝arccos(e_x·e_x＇)

A2＝arccos(e_z·e_z＇)

其中，·表示向量的点积运算，||表示向量取模运算，e_x为在车道坐标系中X轴的单位向量e_x(1，0，0)，e_z为在车道坐标系中Z轴的单位向量e_z(0，0，1)。

其中，所述步骤S1中在车道平面上选择的三个标定点，其中一点位于Y轴上，另外两点位于Y轴两侧，且三点形成等腰三角形。

其中，在所述步骤S1之前还包括在车道平面预选数量多于三个的标定点，每次从预选的标定点中选择三个不在同一条直线上的三个标定点为一组执行步骤S1～S4多次，以得到多组不同的RSU的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1，对所述多组不同的RSU的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1分别求平均值得到最终结果。

其中，所述步骤S1中在车道平面上选择九个标定点，九个标定点均匀分布在车道平面上，组成方阵或长方阵。

(三)有益效果

本发明的RSU安装参数的标定方法可精确获取RSU与车道路面之的位置关系，包括RSU的安装高度、RSU偏离车道中心线的距离、RSU安装俯仰角和旋转角，且不需要借助水平仪、铅锤线等工具到RSU安装架上去测量，降低工程施工难度，且该方法不受车道路面水平度的影响，可应用于车道为斜坡的路面上，适应性强，测量准确。

附图说明

图1是本发明实施例的RSU安装参数标定方法中RSU安装相关参数示意图；

图2中(a)、(b)和(c)分别是三种不同的天线阵列确定的RSU坐标系示意图；

图3是本发明实施例的RSU安装参数标定方法中所采用的设备位置示意图；

图4是本发明实施例的RSU安装参数标定方法标定原理示意图；

图5是基于图4中原理的三个标定点计算RSU安装参数的示意图；

图6是基于图4中原理的九个标定点计算RSU安装参数的示意图；

图7是RSU的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，车道坐标系XYZ是以车道平面为XY平面、垂直于车道平面向上为Z轴的坐标系，位于车道平面任一点为坐标原点O。RSU坐标系X＇Y＇Z＇是根据RSU自身的特性建立起来的坐标系，坐标原点为RSU的天线板上与天线单元相关的几何中心R，X＇和Z＇坐标轴在天线板所在平面上，Y＇垂直天线板平面。X＇和Z＇坐标轴具体根据天线单元的排布决定，例如图2中给出的RSU坐标系确定方式。RSU坐标系原点在车道平面上的投影点为R＇。

在工程中需要精确测量RSU的安装高度、RSU偏离车道中心线的距离、RSU安装俯仰角和旋转角。如图1中所示的RSU高度h，RSU偏离车道中心线的距离d，RSU的俯仰角A2和旋转角A1。

根据坐标系的关系可知，h是RSU在车道坐标系中的Z轴坐标，d是RSU在车道坐标系中的X轴坐标，A1是车道坐标系X轴与RSU坐标系X＇轴的夹角，A2是车道坐标系Z轴与RSU坐标系Z＇轴的夹角。

设RSU坐标系原点R在车道坐标系中的坐标为R(x_R，y_R，z_R)；RSU坐标系X＇轴在车道坐标系下的单位向量为e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)；RSU坐标系Z＇轴在车道坐标系下的单位向量为e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)。

根据单位向量特性和坐标轴相互垂直的特性，有：

|e_x＇|＝1

|e_z＇|＝1

e_x＇·e_z＇＝0

其中，|e_x＇|表示向量e_x＇的模，|e_z＇|表示向量e_z＇的模，e_x＇·e_z＇表示向量e_x＇和向量e_z＇的点积。

在车道坐标系中：

X轴的单位向量为e_x(1，0，0)；

Y轴的单位向量为e_y(0，1，0)；

Z轴的单位向量为e_z(0，0，1)。

根据两个坐标系之间的关系可知，A1是向量e_x和向量e_x＇夹角，A2是向量e_z和向量e_z＇的夹角，根据空间向量夹角公式，两个单位向量夹角的余弦值等于这两个向量的点积，得到如下关系：

cos A1＝e_x·e_x＇

cos A2＝e_z·e_z＇

e_x和e_z为已知，只要求出e_x＇和e_z＇两个单位向量，便可得到俯仰角和旋转角。同样，只要求出RSU的坐标R(x_R，y_R，z_R)，便可得到RSU的高度h(即z_R)和偏离车道中心线的距离d(即x_R)。

如图3所示，本发明实施例采用的标定系统包括：标定设备(带有特定电子标签的OBU，可以发送微波，并可以输入当前所在的坐标一起发送出去给RSU)、RSU、RSU控制器。标定设备用于RSU安装信息的标定，向RSU发送微波信号，并将标定设备所在的标定点的坐标发给RSU。RSU用于同OBU(On board Unit，车载单元)的通信，定位OBU的位置，完成ETC收费。在标定过程中，RSU用于接收标定设备发来的信号，提取出标定设备所在的坐标，通过标定设备所发射的微波信号用DOA(Direction Of Arrival，波达方向)定位算法计算出标定设备相对于RSU的方位角。根据方位角和标定设备的坐标，计算出RSU的安装位置与安装角度，并将这些安装信息保存在RSU中。RSU控制器用于RSU参数设置，给RSU提供电源，实现与车道计算机等外部设备的通信。

基于上述原理，本发明实施例的RSU安装参数的标定方法，包括：

S1：标定设备在车道平面上选择三个标定点，且三个标定点不在同一直线上。

S2：对于每个标定点，所述标定设备向所述RSU发送微波信号，所述RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置。具体地，RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置的方式具体包括：通过标定设备将所述标定点的坐标位置发送给RSU，或通过上位机输入所述标定点的坐标位置传给RSU，或将所述标定点的坐标位置预先设定到RSU中。在实际运用中，优选通过标定设备将所述标定点的坐标位置发送给RSU，这样不需要额外的输入或配置RSU的步骤。

S3：RSU根据接收到标定设备的在三个标定点处所发射的微波信号分别计算所述三个标定点各自相对于RSU的方位角(α，β)，方位角α是标定点到RSU坐标系原点R的直线与RSU坐标系X＇轴的夹角，方位角β是标定点到RSU坐标系原点R的直线与RSU坐标系Z＇轴的夹角。具体由DOA(DOA算法属于雷达定位技术的方法，其算法包括延迟相加法、CAPON算法和MUSIC算法等)算法可求出三组方位角(α1，β1)、(α2，β2)和(α3，β3)。

具体如图4所示，P为车道平面上任意选取的已知标定点，坐标为P(x_p，y_p，0)，方位角α是标定点P到点R的直线与RSU坐标系X＇轴的夹角，方位角β是标定点P到点R的直线与RSU坐标系Z＇轴的夹角。向量RP为RP(x_p－x_R，y_p－y_R，－z_R)。

α为向量e_x＇与向量RP的夹角，β为向量e_z＇与向量RP的夹角，根据空间向量夹角公式可得：

|RP|·cos α＝e_x＇·RP

|RP|·cos β＝e_z＇·RP

在车道平面上选择不在同一直线上的三个标定点P1(x_p1，y_p1，0)、P2(x_p2，y_p2，0)和P3(x_p3，y_p3，0)，根据空间向量夹角公式得到方程组为：

|RP1|·cos α1＝e_x＇·RP1 (1)

|RP1|·cos β1＝e_z＇·RP1 (2)

|RP2|·cos α2＝e_x＇·RP2 (3)

|RP2|·cos β2＝e_z＇·RP2 (4)

|RP3|·cos α3＝e_x＇·RP3 (5)

|RP3|·cos β3＝e_z＇·RP3 (6)

在RSU坐标系下，有如下方程：

|e_x＇|＝1 (7)

|e_z＇|＝1 (8)

e_x＇·e_z＇＝0 (9)

在方程(1)到(9)中，R(x_R，y_R，z_R)、e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)和e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)共9个未知数，其他参数均为已知数，通过求解这9个方程可以得到R(x_R，y_R，z_R)、e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)和e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)。最终可求得RSU的俯仰角和旋转角为：

A1＝arccos(e_x·e_x＇)

A2＝arccos(e_z·e_z＇)

其中，e_x为在车道坐标系中X轴的单位向量e_x(1，0，0)，e_z为在车道坐标系中Z轴的单位向量e_z(0，0，1)。

进一步地，如图5所示，为三个标定点求解RSU的安装信息示意图，车道坐标系的原点在车道正中间，且位于龙门架的正下方，X轴在车道平面且垂直于车道方向，Y轴在车道平面沿车道正中间方向与车道平行，Z轴垂直车道平面向上。三个标定点其中一个在Y轴上，另外两个在Y轴两侧，三点形成等腰三角形分布在XY平面上。这种分布方式可以减小标定误差，使标定更准确，是采用三个标定点较合理的分布。

如图6所示，为九个标定点求解RSU安装信息示意图。车道坐标系的原点在车道正中间，且位于龙门架的正下方，X轴在车道平面且垂直于车道方向，Y轴在车道平面沿车道正中间方向与车道平行，Z轴垂直车道平面向上。九个标定点均匀分布在XY平面上，组成方阵或长方阵。

其标定过程如下：

从标定点P1到P9依次测量出每个点的坐标Pj(x_pj，y_pj，0)和对应的方位角(αj，βj)。

从九个标定点中任意选取三个不在同一直线上的点，共有m个组合方式，即重复执行上述步骤S1～S4共m次，m大于1。

对每个组合进行计算，可得到m组安装信息R(x_R，y_R，z_R)、e_x＇(x_x＇，y_x＇，z_x＇)和e_z＇(x_z＇，y_z＇，z_z＇)，即m组安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1；

对m组安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1计算平均值，得到最终安装信息。

采用九个标定点对RSU安装信息进行标定所得到的结果更准确，更接近车道的实际情况。

其他非九个标定点或非均匀分布的情况与本实施例相同，都是本实施例的扩展应用。

如图7所示，本实施例中的RSU具备DOA测向定位功能，接口模块用于RSU与RSU控制器的数据交互，并从RSU控制器中获取电源。处理器模块用于控制射频收发模块和DOA定位模块，完成数据和信号处理。处理器模块通过射频收发模块发送数据给OBU，接收OBU和标定设备的信号，配置DOA定位模块的参数，在交易过程中接收DOA定位模块对OBU的定位结果，在标定过程中用于计算RSU的安装信息并保存在存储器中。

射频收发模块用于在交易过程中跟OBU通信，发射和接收交易数据，对数据进行编解码、调制解调等处理。在标定过程中，接收标定设备的信号并解调解码，提取标定设备传来的标定点坐标，将坐标传处理器模块。

DOA定位模块用于接收OBU和标定设备的信号，在交易过程中对OBU进行精确定位，将定位结果传给处理器模块。在标定过程中用于计算标定设备的方位角，将方位角传给处理器模块。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种RSU安装参数标定方法，其特征在于，包括：

S3：RSU根据接收到的标定设备在三个标定点处所发射的微波信号采用DOA算法分别计算所述三个标定点各自相对于RSU的方位角(α，β)，方位角α是标定点到RSU坐标系原点R的直线与RSU坐标系X＇轴的夹角，方位角β是标定点到点R的直线与RSU坐标系Z＇轴的夹角，所述RSU坐标系以RSU的天线板上的与天线单元相关的几何中心R为原点，三个坐标轴由RSU的天线阵列确定；

2.如权利要求1所述的RSU安装参数标定方法，其特征在于，所述步骤S2中所述RSU获取所述标定点对应在车道坐标系中的坐标位置的方式具体包括：

3.如权利要求1所述的RSU安装参数标定方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

|RP1|·cosα1＝e_x＇·RP1 (1)

|RP1|·cosβ1＝e_z＇·RP1 (2)

对于车道平面上的另外两点P2和P3，可得到：

|RP2|·cosα2＝e_x＇·RP2 (3)

|RP2|·cosβ2＝e_z＇·RP2 (4)

|RP3|·cosα3＝e_x＇·RP3 (5)

|RP3|·cosβ3＝e_z＇·RP3 (6)

在RSU坐标系下，有如下方程：

|e_x＇|＝1 (7)

|e_z＇|＝1 (8)

e_x＇·e_z＇＝0 (9)

根据如下公式得到所述俯仰角A2和旋转角A1：

A1＝arccos(e_x·e_x＇)

A2＝arccos(e_z·e_z＇)

4.如权利要求1～3中任一项所述的RSU安装参数标定方法，其特征在于，所述步骤S1中在车道平面上选择的三个标定点，其中一点位于Y轴上，另外两点位于Y轴两侧，且三点形成等腰三角形。

5.如权利要求1～3中任一项所述的RSU安装参数标定方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括在车道平面预选数量多于三个的标定点，每次从预选的标定点中选择三个不在同一条直线上的三个标定点为一组执行步骤S1～S4多次，以得到多组不同的RSU的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1，对所述多组不同的RSU的安装位置R(x_R，y_R，z_R)、俯仰角A2和旋转角A1分别求平均值得到最终结果。

6.如权利要求5所述的RSU安装参数标定方法，其特征在于，所述步骤S1中在车道平面上选择九个标定点，九个标定点均匀分布在车道平面上，组成方阵或长方阵。