[发明专利]集成时空邻近与改进权重圆的车载实时地图匹配计算方法

摘要

本发明提出了一种集成时空邻近与改进权重圆的车载实时地图匹配计算方法，通过GPS的采样间隔、位置坐标和行驶速度，构建立体圆锥，利用立体圆锥在二维平面的投影区域，提高候选匹配道路集的准确性；使用改进权重圆的计算方法，综合考虑车辆行驶方向与候选匹配道路的夹角，车辆到候选匹配道路的投影距离和车辆行驶轨迹与道路的相似性，可以选取最佳候选匹配道路，提高地图匹配的时效性和准确性。

主权项

1.一种集成时空邻近与改进权重圆的车载实时地图匹配计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)将GPS定位点数据及矢量路网数据，进行地图投影计算，基于STP计算方法动态选取候选匹配道路：车辆的真实位置与GPS的采样间隔t相关，车辆的真实位置还与汽车的行驶速度v_i相关；STP计算方法使用车载GPS的位置坐标、GPS的定位间隔和车辆行驶速度三个算子构建动态候选区域，进而缩小候选范围筛选匹配道路；STP计算方法具体描述如下：GPS随时间的增长产生成一系列的采样点(t_i,x_i,y_i)，t_i为采样时间，x_i为GPS采样点的X坐标，y_i为GPS采样点的Y坐标，i＝1、2、3、…、N；取连续的两个采样点P_i(t_i,x_i,y_i)，P_i+1(t_i+1,x_i+1,y_i+1)，以P_i(t_i,x_i,y_i)和P_i+1(t_i+1,x_i+1,y_i+1)为两个圆锥的顶点，以递增的时间t汽车的行驶速度v_i积为半径生成上下两个不同的圆锥，取时刻t，其中t_i<t<t_i+1，则t时刻的车辆的真实位置将存在于以点P_i(t_i,x_i,y_i)为中心的下圆锥体以及以点P_i+1(t_i+1,x_i+1,y_i+1)为中心的上圆锥体的相交区域中，需要满足以下三个条件才能保证所述上下两圆锥体能够有相交区域，三个条件如下：t_i<t<t_i+1    (1)(x‑x_i)²+(y‑y_i)²≤v_i²(t‑t_i)²    (2)(x‑x_i+1)²+(y‑y_i+1)²≤v_i²(t‑t_i+1)²    (3)设车载GPS连续的两个定位点p₁(t₁,x₁,y₁)、p₂(t₂,x₂,y₂)，其中t₁<t<t₂，v₁是p₁点的车速，v₂是p₂点的车速；以p₁点为顶点，以递增的乘积量(t‑t₁)*v₁为半径r_t1构建第一立体圆锥，r_t1＝(t‑t₁)*v₁，r_t1为t时刻的瞬时半径；以点p₂为顶点，以递增的乘积量(t₂‑t)*v₂为半径r_t2构建第二立体圆锥，r_t2＝(t₂‑t)*v₂；如此，在x，y，t坐标系中形成以p₁点为顶点下圆锥体和以p₂为顶点的上圆锥体，则在t₁‑t₂时间内的定位点存在于两个圆锥相交的部分，这个相交的部分在二维坐标系投影是一个椭圆，则这个椭圆的两个焦点为p₁(x₁,y₁)、p₂(x₂,y₂)，该椭圆的长半轴为V是取t₁到t₂时刻的最大车速；用这个椭圆的最小外接矩形选取候选匹配道路：设椭圆的最小外接矩形的长为[X₁,X₂]，宽为[Y₁,Y₂]，p_c(x_c,y_c)为椭圆焦点p₁(x₁,y₁)和椭圆焦点p₂(x₂,y₂))的中点，d_f为两个焦点的距离；如果x₁≠x₂，则：其中，s是计算因子；l是前述椭圆的短半轴，如果两椭圆焦点p₁、p₂的横坐标x₁＝x₂，则X₁＝x_c‑l,X₂＝x_c+l,，Y₁＝y_c‑L,Y₂＝y_c+L；若y₁＝y₂，则L＝l；将椭圆的最小外接矩形与矢量道路数据进行叠加，选取候选匹配道路；2)判断候选道路个数是否大于1，若大于1，进入步骤3)，若候选道路个数小于或等于1，进入步骤4)；3)基于IWC计算方法选取最佳匹配道路在动态选取候选匹配道路后，车辆处于复杂交叉口时，候选道路的角度差距较大，选择车辆行驶轨迹与道路角度的角度相似度b作为新的参数，基于定位点到候选匹配道路的投影距离d、行驶方向与道路的夹角a以及车辆行驶轨迹与道路角度的夹角相似度b这三个参数的IWC计算方法，具体如下：当车辆处于道路交叉口时，车辆转弯的可能性对候选道路的选择具有更大的决定作用，因此，依据距离道路交叉口越近的定位点的角度权值比远离交叉口的定位点的角度权值越大的原理，提出一种可随路况实时调整权重的权重圆计算方法：权重圆计算方法以道路交叉口O为圆心，以权重圆半径R为半径作圆，动态分配参数权重值，其中，权重圆半径R是根据矢量路网的折点设置的值；权重圆计算方法具体流程如下：设在道路交叉口O附近，STP计算方法选取三条候选匹配道路R¹,R²,R³，a¹、b¹、c¹、d¹是四个道路转折点，权重圆计算方法以道路交叉口O为圆心，分别以权重圆半径R＝|oa¹|为半径作圆、以权重圆半径R＝|ob¹|为半径作圆、以权重圆半径R＝|oc¹|为半径作圆，|oa¹|是道路交叉点O到点a¹的距离，|ob¹|是道路交叉点O到点b¹的距离，|oc¹|是道路交叉点O到点c¹的距离，则该范围被这些圆分成四个区域：区域1,区域2,区域3,区域4；则权重圆计算方法分配距离权值w_d与角度权值w_a的规则如下：规则1：当车辆处于区域1，表明车辆远离道路交叉口O，距离对道路选择具有决定性的作用，此种情况设置距离的权重值为1；规则2：当车辆处于区域2、区域3、区域4，权重圆计算方法定义距离的权重值w_a＝1‑w_d，其中，op是交叉点O到车辆定位点的距离，R是包含定位点的最小外接圆的半径，即权重圆半径，设如果车辆处于区域3，则权重圆的半径R＝|ob|；规则3：如果R>R_MAX,设置R²＝R_MAX，R是根据道路折点所做最大圆的半径，这里的权重圆半径R是根据矢量路网的折点设置的，矢量路网均由折线组成，R_MAX为STP计算方法所限定的最大外围圆半径，由于STP计算方法得出的是一个矩形区域，该区域与地图数据叠加，会有交集，该交集最外的折点就是最大外围圆半径；STP‑IWC计算方法具体如下：在使用STP计算方法动态界定候选道路集的基础上，利用IWC计算方法确定最佳匹配道路，具体匹配流程如下：(31)、简单道路的匹配若STP计算方法选取的候选道路只有一条，则认为车辆行驶在直道上，此时使用直接匹配计算方法将定位点匹配到道路上；(32)、复杂道路的匹配若STP计算方法选取的候选道路不止一条，则认为车辆行驶在复杂道路的道路交叉口上，设汽车沿着一条道路R¹行驶而来，依次经过两个已定位点p1(x₁,y₁)、p2(x₂,y₂)，还未经过待定位点p3(x₃,y₃)，在IWC计算方法中，p3点的实时匹配具体如下：首先，计算p3点到第i条候选匹配道路R²、第i+1条候选匹配道路R³(这里的i是序号，当前i＝R²，i+1＝R³)的垂直投影距离|op|,如果|op|<Rmax，则距离的权重值反之，w_d＝1；其次，计算车辆行驶方向与候选匹配道路i的夹角a，计算公式如下：其中，m是道路的方向，m是取道路与地理坐标系X轴的夹角，(x₂,y₂)为点p₂的坐标，(x₃,y₃)为p₃点的坐标；行驶轨迹与候选匹配道路i的角度相似度b计算如下：m是道路的方向，(x_i,y_i)是点p1、p2、p3的坐标，i＝1/2/3；最后，计算候选道路i的权重值w_qi，计算如下：式(8)中：w_a＝1‑w_d，w_a，w_d为权值，为定位点到候选道路i垂直投影距离的计算值，为车辆行驶方向与候选道路i的夹角计算值，为车辆行驶轨迹与候选道路i角度相似度的计算值，d_i为定位点到候选匹配道路i的垂直投影距离；选择权重最大值者为匹配道路；4)按照行车路线，循环进行步骤1)至步骤4)。