[发明专利]一种面向车道级导航定位的城市道路路网模型

摘要

一种面向车道级导航定位的城市道路路网模型，该模型主要由道路地理信息层、道路两侧建筑物信息层和道路平面车道线信息层三部分组成。同时该模型中的道路平面车道线信息层使用三次Cardinal样条插值算法拟合目标道路的平面车道线，使得线形具有较好的光滑性、连续性和可塑性，该样条曲线能够较好地适应城市道路曲率变化大的特点，获取的参数能够更真实地反映城市道路的平面车道现状。本发明所提出的城市道路路网模型，扩展了传统道路级数字地图的属性，提高了传统道路级数字地图的精度，具有信息量全、精度高、适用性广等优点，在复杂的城市交通环境下，实现车辆精确、持续、实时导航定位，满足车道级导航定位的需求。

主权项

1.一种面向车道级导航定位的城市道路路网模型，其特征在于：所述模型对城市道路进行分段建模；将任意两个相邻交叉路口之间的路段且不包含交叉路口定义为一个独立的目标道路，对于每一个目标道路，其模型由该目标道路的道路地理信息层、道路两侧建筑物信息层和道路平面车道线信息层三部分组成，同时该模型中的道路平面车道线信息层使用三次Cardinal样条插值算法拟合目标道路的平面车道线，来获取的参数能够更真实地反映城市道路的平面车道现状；该模型具体如下：该模型M由三部分组成：道路地理信息层G，道路两侧建筑物信息层J，道路平面车道线信息层T，即：Μ＝(G,J,T)                           (1)；1)道路地理信息层G：G＝(R_id,O,U,V,W)                        (2)；式(2)中，R_id表示目标道路的编号；表示目标道路起始点的坐标，其中和λ分别是起始点的经度和纬度；U表示目标道路的地理属性集，U＝(R_e,R_l,R_w)，其中R_e表示目标道路的名称，R_l表示目标道路的长度，R_w表示目标道路的宽度；V表示目标道路两侧建筑物的编号集，其中α与β分别表示目标道路左侧和右侧建筑物的数目，表示目标道路左侧第i个建筑物的编号，i＝1,2,…,α，表示目标道路右侧第j个建筑物的编号，j＝1,2,…,β；W表示目标道路所包含车道线的编号集，W＝(N₁,…,N_r,…,N_d)，其中d表示目标道路所包含车道线的数目，N_r表示目标道路上第r条车道线的编号，r＝1,2,…,d；2)道路两侧建筑物信息层J：式(3)中，R_id表示目标道路的编号，α与β分别表示目标道路左侧和右侧建筑物的数目，表示目标道路左侧第i个建筑物的信息，i＝1,2,…,α，表示目标道路右侧第j个建筑物的信息，j＝1,2,…,β；可以进一步表示为：式(4)中，表示目标道路左侧第i个建筑物的编号，表示此建筑物平面几何中心点的坐标，和分别表示此建筑物平面几何中心点在以目标道路起始点O为原点的高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置和纵坐标即北向位置；则表示此建筑物平面几何在目标道路方向上两个端点的坐标集，是端点在以目标道路起始点为原点的高斯平面直角坐标系下的横坐标，是端点在以目标道路起始点为原点的高斯平面直角坐标系下的纵坐标，H_left表示此建筑物的高度；同理，可以进一步表示为：式(5)中，表示目标道路右侧第j个建筑物的编号，表示此建筑物平面几何中心点的坐标，和分别表示此建筑物平面几何中心点在以目标道路起始点O为原点的高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置和纵坐标即北向位置；则表示此建筑物平面几何在目标道路方向上两个端点的坐标集，是端点在以目标道路起始点为原点的高斯平面直角坐标系下的横坐标，是端点在以目标道路起始点为原点的高斯平面直角坐标系下的纵坐标，H_right表示此建筑物的高度；3)道路平面车道线信息层T：式(6)中，R_id表示目标道路的编号，d表示目标道路所包含车道线的数目，L_r表示目标道路上第r条车道线的信息，其中r＝1,2,…,d；L_r可以进一步表示为：L_r＝(P,Q)                              (7)；式(7)中，P＝{S₁＝(x₁,y₁),…,S_k＝(x_k,y_k),…,S_m＝(x_m,y_m)}是在第r条车道中心线上顺序选取的节点坐标集，其中k＝2,3,…,m‑2，S₂和S_m‑1分别是该车道的起点和终点，S₁是在该车道延长线上与S₂相邻的一点，S_m是在该车道延长线上与S_m‑1相邻的一点，x和y分别是在以目标道路起始点O为原点的高斯平面直角坐标系下的横坐标即东向位置和纵坐标即北向位置，Q是该车道使用三次Cardinal样条插值后所得曲线参数的集合；4)道路车道线的拟合获取：对于目标道路中任意一条车道中心线上所选取的节点坐标集P＝{S₁＝(x₁,y₁),…,S_k＝(x_k,y_k),…,S_m＝(x_m,y_m)}，根据三次Cardinal样条插值算法拟合其平面线形；三次Cardinal样条曲线由4个连续的节点完全确定，中间两个节点是曲线段的端点，其余相邻的两个点用于计算该曲线段端点的斜率；设4个连续的节点为S_k‑1,S_k,S_k+1,S_k+2，其中k＝2,3,…,m‑2，设S(μ)是节点S_k和S_k+1之间曲线段的向量式，其中μ为参变量，0≤μ≤1，则从S_k‑1到S_k+2间的4个点用于建立三次Cardinal样条曲线段的边界条件为：式(8)中，S(0)与S(1)分别为S(μ)在节点S_k和S_k+1之间曲线段两个端点的位置向量，S′(0)与S′(1)分别为曲线段在两端点处的切向量，曲线参变量μ是在两个端点取值0和1之间变化；参数t为张力(tension)系数，t控制Cardinal样条曲线与输入节点的松紧程度，t＞0时Cardinal样条曲线为紧曲线，t＜0时Cardinal样条曲线为松曲线，该模型设定张力系数t的初始值为0，后期不断调整t的取值使得样条曲线满足目标道路地形、地物及周边环境的控制要求和精度要求；由式(8)可知节点S_k和S_k+1处的斜率分别与弦和成正比；求解式(8)中的四个方程，并将之转换成矩阵形式，如下：Cardinal矩阵I_c如下：其中s＝1‑t/2；将式(9)中的矩阵方程展开成多项式形式，有：进一步将S_k‑1,S_k,S_k+1,S_k+2分解成二维平面上x,y方向上的分量，得到节点S_k和S_k+1之间曲线段的参数三项函数式在x,y方向上的表达式，如下：将式(12)展开后按μ的升幂排列，得到节点S_k和S_k+1之间的三次Cardinal样条曲线的参数形式，如下：式(13)中参数如下：其中，s＝1‑t/2；定义参数矩阵同时在节点S_k和S_k+1之间等间距地选取8个节点，并将这10个节点作为三次样条插值函数的插值点，并将此样条函数值作为基准值；计算节点S_k和S_k+1之间的曲线段通过三次Cardinal样条插值法得到的样条函数值与基准值间的偏差值，若偏差值为正，则将t往负数方向调节，若偏差值为负，则将t往正数方向调节，直至将偏差值控制在0.3m之内；通过式(8)‑(14)可得该车道中心线经过三次Cardinal样条插值后所得曲线参数集合Q＝(t,Y₂,…,Y_k,…,Y_m‑2)，其中t为张力系数，k＝2,3,…,m‑2。