CN113156479B - 一种室外乡村道路场景的组合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室外乡村道路场景的组合定位方法，根据室外乡村道路场景的特殊性，首先基于道路场景情况，在树林、天桥和隧道等卫星信号较弱区域布置合适数量的超宽带(UWB)定位标签；其次利用高精定位设备对UWB定位标签进行位置标定；最后在车端搭建由全球导航卫星系统(GNSS)和UWB定位标签形成的组合定位系统，该组合定位系统包含组合定位控制器的微控制单元(MCU)，并在MCU中融合GNSS和UWB的定位信息，输出自车的最终位置信息。与现有技术相比，本发明具有成本较低、定位精确高和定位数据稳定可靠等优点。

Description

一种室外乡村道路场景的组合定位方法

技术领域

本发明涉及一种智能驾驶系统的组合定位方法，尤其是涉及一种室外乡村道路场景的组合定位方法。

背景技术

智能驾驶车辆的定位系统，主要使移动车辆确定当前自车所在的位置，进而根据已经规划的路径驱使车辆移动。智能汽车定位技术作为智能驾驶环境感知中的重要组成部分，是实现决策规划与运动控制的先决条件之一，也是智能交通系统中的一项共性关键技术。当前国内外移动车辆的定位方式主要包括基于电磁导航定位、光学导航定位、GNSS导航定位、激光导航定位、超宽带UWB导航定位和高精地图匹配等方式。在不同的应用场景下,智能车辆通常选用不同的导航定位系统完成自动驾驶的功能。

全球导航卫星定位GNSS是目前应用最为广泛的一种智能汽车定位方式，结合差分定位技术的不断完善和航迹推算、卡尔曼滤波等数据融合算法的改进，卫星定位方法已经能够得到比较精确的估计值。卫星信号在室内将严重被遮挡，从而导致GNSS或是北斗无法实现精准定位。室内定位主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而获取人员、物体等在室内空间中的精确位置。目前室内定位采用一种全新的、与传统通信技术有极大差异的超宽带通信新技术，不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽，从而具有穿透力强、功耗低、安全性高等优点。针对单一定位信号源的局限性，已开发多种多源信息组合定位的方法，进一步提高定位精度和扩展定位系统的应用场景。

室外乡村道路通常位于比较偏远的区域，且通勤车辆和人员相对稀少。特别地，室外乡村道路通常尽量修建在比较开阔的平原区域，该路段通常卫星信号较强，能够提供精准的定位信息，但也经过一些特殊区域包括树林、天桥、隧道等卫星信号较差的场景。针对室外乡村道路场景的特点，目前的定位方法主要表现为：

第一、单一的全球导航卫星定位GNSS在高楼区、隧道内、立交桥下以及茂密林荫道等地方，其信号常常会发生漂移，甚至完全被遮挡，定位数据的完整性与连续性得不到保障；而UWB定位适合于小区域内无遮挡的定位，在窄长的乡村道路上将需要布置大量的定位标签，性价比较低；高精地图的高精定位方式，需要采集乡村道路的地图信息，并人工后处理，同样需要投入巨大的成本。

第二、目前GNSS和UWB的组合定位通常将车辆同时置于GNSS和UWB同时覆盖的区域，并通过融合算法得到自车比较精确的位置坐标。或者，车辆从室外至室内的定位方法，该方法通常将定位系统分为两种状态，无法较好地融合两种定位数据，从而不适合用于室外乡村道路场景。

第三、视觉惯导或者激光雷达惯导的组合定位方式，容易受环境的扰动影响而出现定位失效或不准确的情况。因为在不同季节或者光线条件下，树木或草丛的外形等纹理特征信息将发生较大的变化，容易在点云或者图像匹配过程中出现误匹配的现象，而发生定位失败，同样无法适用于室外乡村道路场景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种室外乡村道路场景的组合定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种室外乡村道路场景的组合定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：于卫星信号较弱区域布置对应数量的超宽带UWB定位标签；

步骤2：针对布置完毕的超宽带UWB定位标签进行位置标定；

步骤3：搭建由全球导航卫星系统GNSS、超宽带UWB定位标签及组合控制两者的微控制单元MCU形成的组合定位系统，于微控制单元MCU中融合GNSS和UWB的定位信息，输出最终组合定位位置信息。

进一步地，所述的步骤1具体包括：于卫星信号较弱区域的道路两侧，等距离布置对应数量的超宽带UWB定位标签，以保证车辆在道路行驶的任意位置能够同时与设定数量的定位标签进行信息交互。

进一步地，所述的卫星信号较弱区域包括树林、天桥和隧道，所述设定数量至少为3个。

进一步地，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤201：将额外数量的定位标签置于布置完毕的现有某一定位标签覆盖区域周围，同时暴露于卫星信号较强的区域，通过定位设备完成位置标定，得到额外定位标签的位置坐标；

步骤202：通过与额外定位标签的位置坐标之间的几何关系得到覆盖区域内现有布置完毕的超宽带UWB定位标签的位置坐标。

进一步地，所述的额外定位标签的位置坐标，其计算公式为：

式中，x_i和y_i分别为定位设备在不同时刻多次获取定位标签的横坐标和纵坐标，x_k和y_k分别为额外定位标签的位置横纵坐标，n为采集次数。

进一步地，所述的步骤3具体包括：于微控制单元MCU中根据信号的可行度加权融合GNSS和UWB的定位信息，得到对应融合后的坐标，其所对应的计算公式为：

式中，x_f和y_f分别为加权融合GNSS和UWB的定位信息后的坐标，x_U和y_U分别为通过UWB获取的自车横坐标和纵坐标，w_G和w_U分别为GNSS位置信号和UWB位置信号的可信度。

进一步地，所述的通过UWB获取的自车横坐标和纵坐标为自车搭载的标签通过接收多个路面定位标签的信号，在道路环境中所构造的复合概率分布中的概率最大点，其所对应的计算公式为：

式中，(x_U,y_U)表示通过UWB获取的自车横纵坐标，max为最大值函数，Π为连乘函数，Φ为标准正态分布函数，L_j为自车与第j个道路定位标签的估算距离，σ_j为定位标签的标准差。

进一步地，所述的自车与第j个道路定位标签的估算距离，其所对应的计算公式为：

式中，v_s为无线信号传播速度，T_reply为无线信号发送和接受的时间差。

进一步地，所述的GNSS位置信号和UWB位置信号的可信度，其所对应的计算公式为：

式中，σ_U为自车坐标位置的标准差，σ_thr1和σ_thr2分别为标准差的阈值。

进一步地，所述的自车坐标位置的标准差，其所对应的计算公式为：

式中，σ_r1、σ_r2和σ_r3分别为三个自车与第j个道路定位标签的估算距离L_j最小的道路定位标签标准差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点

1)本发明方法只在一些特殊区域包括树林、天桥、隧道等卫星信号较差的场景下布置UWB定位标签，能够节省大量的经济成本，同时保证车辆在整个道路上均可获取良好的位置信号。

2)本发明方法能够保证车辆在进入信号较差场景的附近区域时，同时被GNSS和UWB覆盖，使得定位信息过渡更加平稳，从而车辆在驾驶过程中不容易出现急转弯等异常驾驶行为。

3)本发明方法在获取UWB定位信号时，充分考虑数据的不确定性，并生成位置概率形式确定车辆的最终位置。该定位方式充分利用UWB定位标签的数据可信度，使得定位结果更加可靠。同时，融合后的数据可信度进一步确定与GNSS定位信号之间数据融合的权重，增加车辆定位系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明组合定位信息融合的流程示意图；

图2为本发明室外乡村道路场景定义示意图；

图3为本发明UWB定位标签的数据融合示意图；

图4为本发明车辆行驶过程中定位信号获取示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种室外乡村道路场景的组合定位方法，该方法主要利用全球导航卫星系统(GNSS)和超宽带UWB定位系统的定位信息，通过MCU组合定位控制器进行信息融合，使进入组合定位区域的车辆可获取自车的精确位置。

如图2所示，室外乡村道路通常经过一些特殊区域包括树林、天桥、隧道等。这些区域通常卫星信号较差，若智能车辆在该道路上行驶时，仅使用GNSS定位将无法实现自动驾驶功能。针对这种情况，本发明在这些卫星信号较差区域布置UWB定位标签，从而在整条乡村道路区域均实现高精定位。

如图3所示，智能车辆在UWB覆盖区域中行驶时，可同时通过自车搭载的定位标签与至少3个道路上的定位标签通信，并通过信号的飞行时间估计出道路定位标签与自车的距离，自车与第j个道路定位标签的距离估算公式为：

式中，v_s为无线信号传播速度，T_reply为无线信号发送和接受的时间差。

由于定位标签的精度影响，自车与第j个道路定位标签的距离可认为服从正态分布N(L_j，

)，其中σ_j为定位标签的标准差，与L_j成正比，即自车离标签越远，测量数值越不可信。以第j个道路定位标签的坐标中心为圆心，L_j为半径作圆，此时自车位置出现在圆上的概率最大，并向圆的径向两个方向概率减少，从而形成一个平面概率分布。

自车搭载的标签通过接收多个路面定位标签的信号，在道路环境中可构造一个复合概率分布，概率最大点即为通过UWB估计获取的自车坐标位置，计算公式为：

式中，(x_U,y_U)表示通过UWB获取的自车横纵坐标，max为最大值函数，Π为连乘函数，Φ为标准正态分布函数，L_j为自车与第j个道路定位标签的估算距离，σ_j为定位标签的标准差。

类似于三边测量方法，估计自车坐标位置的标准差可表示为：

式中，σ_r1、σ_r2和σ_r3分别为三个自车与第j个道路定位标签的估算距离L_j最小的道路定位标签标准差。

如图4所示，智能车辆在室外乡村道路场景行驶时，当进入开阔的平原区域，该路段通常卫星信号较强，能够提供精准的定位信息，此时车辆直接使用GNSS定位信号。当智能车辆进入一些特殊区域包括树林、天桥、隧道等，该路段通常卫星信号较差，此时智能车辆将同时收到GNSS定位信号和UWB定位信号。车载组合定位控制器根据信号的可信度进行加权融合GNSS定位信号和UWB定位信号，融合后的坐标计算公式为：

式中，x_f和y_f分别为加权融合GNSS和UWB的定位信息后的坐标，x_U和y_U分别为通过UWB获取的自车横坐标和纵坐标，w_G和w_U分别为GNSS位置信号和UWB位置信号的可信度，GNSS定位信号和UWB定位信号的可信度权重计算公式为：

式中，σ_U为自车坐标位置的标准差，σ_thr1和σ_thr2分别为标准差的阈值。

本发明方法只在一些特殊区域包括树林、天桥、隧道等卫星信号较差的场景下布置UWB定位标签，能够节省大量的经济成本，同时融合算法使得定位信息过渡更加平稳，且充分考虑数据的不确定性，通过位置概率形式确定车辆的最终位置。故本发明具有成本较低、定位精确高和定位数据稳定可靠等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：于卫星信号较弱区域布置对应数量的超宽带UWB定位标签；

步骤2：针对布置完毕的超宽带UWB定位标签进行位置标定；

步骤3：搭建由全球导航卫星系统GNSS、超宽带UWB定位标签及组合控制两者的微控制单元MCU形成的组合定位系统，于微控制单元MCU中融合GNSS和UWB的定位信息，输出最终组合定位位置信息；

所述的步骤3具体包括：于微控制单元MCU中根据信号的可信度加权融合GNSS和UWB的定位信息，得到对应融合后的坐标，其所对应的计算公式为：

式中，x_f和y_f分别为加权融合GNSS和UWB的定位信息后的坐标，x_U和y_U分别为通过UWB获取的自车横坐标和纵坐标，w_G和w_U分别为GNSS位置信号和UWB位置信号的可信度；

所述的通过UWB获取的自车横坐标和纵坐标为自车搭载的标签通过接收多个路面定位标签的信号，在道路环境中所构造的复合概率分布中的概率最大点，其所对应的计算公式为：

式中，(x_U,y_U)表示通过UWB获取的自车横纵坐标，max为最大值函数，Π为连乘函数，Φ为标准正态分布函数，L_j为自车与第j个道路定位标签的估算距离，σ_j为定位标签的标准差。

2.根据权利要求1所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：于卫星信号较弱区域的道路两侧，等距离布置对应数量的超宽带UWB定位标签，以保证车辆在道路行驶的任意位置能够同时与设定数量的定位标签进行信息交互。

3.根据权利要求2所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的卫星信号较弱区域包括树林、天桥和隧道，所述设定数量至少为3个。

4.根据权利要求1所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下分步骤：

步骤201：将额外数量的定位标签置于布置完毕的现有某一定位标签覆盖区域周围，同时暴露于卫星信号较强的区域，通过定位设备完成位置标定，得到额外定位标签的位置坐标；

步骤202：通过与额外定位标签的位置坐标之间的几何关系得到覆盖区域内现有布置完毕的超宽带UWB定位标签的位置坐标。

5.根据权利要求1所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的自车与第j个道路定位标签的估算距离，其所对应的计算公式为：

/>

式中，v_s为无线信号传播速度，T_reply为无线信号发送和接受的时间差。

6.根据权利要求1所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的GNSS位置信号和UWB位置信号的可信度，其所对应的计算公式为：

式中，σ_U为自车坐标位置的标准差，σ_thr1和σ_thr2分别为标准差的阈值。

7.根据权利要求6所述的一种室外乡村道路场景的组合定位方法，其特征在于，所述的自车坐标位置的标准差，其所对应的计算公式为：

式中，σ_r1、σ_r2和σ_r3分别为三个自车与第j个道路定位标签的估算距离L_j最小的道路定位标签标准差。

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