4.8 定位基础知识

2023-01-05 本文已影响0人 Geniune

4.8.1 概念及术语

地图匹配

导航（路线匹配）

导航是指规划出一条路径，开始引导后的一种有目标地点的路径匹配模式。导航的数据输入是一条有起始点的非闭环路线。
偏航是指实车驶离当前规划路径的一种行为，对定位来说是信号逐渐远离当前路径，并达到一定的预设条件（防止信号漂移导致的误偏航）才确认是偏航。
重算是指一般偏航条件达到后定位会通知引导（或TBT）模块进行重新规划路线，起点是实车的最新位置，以满足用户的实际定位需求。

巡航（路线匹配）

巡航是主图界面下的一种无目标性的路网匹配模式。巡航的数据输入是路网，也就是数据中的所有道路对于巡航来说都是可见的。

定位模式

GNSS

纯GNSS模式

只有GPS或其他卫星定位信号下的地图匹配模式。

GNSS+脉冲车速模式

相对于纯GNSS模式增加了单独的车速脉冲信息输入，目前定位引擎对于车速脉冲的使用仅限于隧道推算场景。这种模式可以优化纯GNSS模式中隧道推算不准确的问题。

DR

DR是dead reckoning的缩写，意为航位推算。在车载导航中，航位推算是使用先前确定的位置，通过测量移动的距离和方位，计算出经过的时间后的位置。

航位推算受误差累积影响，即随着时间的推移，推算出的位置误差会越来越大，需要使用GNSS位置修正。

地图匹配反馈

地图匹配反馈（Map-Matching Feedback）是指将地图匹配的结果通知给 DR 模块。

影响地图匹配精度的因素

路况复杂真实的道路情况是复杂多变的，要保证车辆在各种复杂路况上都能够实现正确定位是比较困难的。下面是地图中经常出现的路口：

（1）普通路：普通就是没有特殊形状的道路，可为高速路，也可为一般路。此时，选择正确道路较容易实现，但也有错误匹配、超前滞后等现象发生。
（2）平行路：所谓平行路，就是两条或两条以上形状相似、距离相近的道路。
（3）微小角分岔路
（4）密集道路
（5）停车场
（6）高架桥
（7）立交桥
（8）隧道
（9）高架下、高楼附近
（10）小区道路
（11）盘山路

底层数据存在误差进行地图匹配需要利用传感器的测量信息（如GPS、DRS）和地图数据，这些数据都可能存在误差。
（1）地图数据误差尽管一般认为地图数据的精度较高，但是在作图中仍可能存在较大的误差。地图误差主要有两种：几何误差和拓扑误差。几何误差是指地图数据与实际道路的位置、形状不相符。地图数据中记录的是道路的中心线，但在实际情况中，道路是有宽度的，道路越宽，车辆行驶的轨迹与道路形状可能就越不一致。另外，地图数据是二维平面的，没有高度信息，与实际情况存在一定的偏差，这种情况常见于立交桥、高架桥、盘山路等。除此之外，地图数据库中的道路和实际情况可能不一致（如新修的道路、现实世界中实际存在，但在地图中没有相应的数据）或连接关系与实际情况不相符。这种误差属于拓扑误差。
（2）传感器误差
就车辆定位导航系统比较常用的传感器GPS和DRS来讲，GPS信号在有电磁干扰、都市内有高大建筑物、车速慢（小于30km/h时误差较大）、GPS接收机性能不好等情况下定位精度很差。即使是在GPS状态较好时（DOP值较小、车速较快）也可能会有较大误差甚至出现突跳。GPS状态不好（DOP值较大、车速慢）的情况又往往出现在复杂路况，这时候即使是较小的误差（30m以内）也会造成错误匹配。航迹推算系统会随着时间推移产生积累误差，如果长时间不进行修正，其测量数据将不可用。
算法引入误差
（1）错误匹配引入的误差在地图匹配过程中不可避免的会发生错误匹配，发生错误匹配必然会对以后的地图匹配产生恶劣的影响。
（2）匹配修正引入的误差可以利用匹配结果（匹配位置、道路方向）修正传感器误差。但是即使在正确选择道路（匹配的道路是车辆真实所在的道路）情况下也会引入误差，尤其在发生超前滞后或地图数据本身存在误差时。
车辆行驶中存在特殊情况地图匹配的基本前提假设是“车辆行驶在道路上”，但实际情况中车辆有时会离开，如路边停车场、加油站等；在车辆行驶过程中，由于超车、变换车道等原因出现S行走现象；司机在驾驶过程中可能会出现违反交通规则的情况，例如在道路中间直接掉头行驶、单行线逆行等，都会影响选择的正确性并引起误差。

定位坐标系

WGS84

World Geodetic System 1984，一种国际上采用的地心坐标系，坐标原点为地球质心。GPS芯片或者北斗芯片获取的经纬度一般为WGS84坐标系。

GCJ02

GCJ02是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统。它是一种对经纬度数据的加密算法，即加入随机的偏差。国内出版的各种地图系统（包括电子形式），必须至少采用GCJ-02对地理位置进行首次加密。可以将GCJ02理解成是由WGS84坐标系经某些规则加密后的坐标系。

4.8.2 传感器基础知识

导航坐标系

导航坐标系.png

定位引擎后端融合使用的坐标系为右前上-XYZ坐标系，如上图所示。

X轴正方向指向车辆右侧，因为绕着X轴转动时车辆是在做俯仰的动作，所以也称为俯仰轴-Pitch。
Y轴正方向指向车辆前方，因为绕着Y轴转动时车辆是在做滚转的动作，所以也称为滚转轴-Roll。
Z轴正方形指向车顶上方，因为绕着Z轴滚转时车辆是在做偏航的动作，所以也称为偏航轴-Yaw。
明确了轴正向方向后就可以确认正负值定义。对陀螺仪来说，需借助右手法则，拇指朝向轴正向，屈指方向为输出正值的方向；对加速度计来说，轴正向的加速度为正值。

陀螺仪

定义

陀螺仪，这边指的是三轴陀螺仪，是用于获取车辆三个轴向的角速度值的器件，如果是单轴陀螺仪的话一般就是只有Z轴，用来测量车辆的左右转向角度值。

数据结构

struct SLocGyro
{
    ELocDataType     dataType;    // 本结构体所表示的数据类型，赋值：LocDataGyro 
    ELocThreeAxis    axis;        // 有效数据轴 
    float           valueZ;      // 上，单位：度/秒 
    float           valueX;      // 右，单位：度/秒 
    float           valueY;      // 前，单位：度/秒 
    float           temperature;  // 温度。单位：摄氏度。陀螺仪芯片上的温度传感器的读值
    int         interval;    // 前后两个信号的间隔时间，单位：毫秒 
    unsigned long long        tickTime;    // 时间戳，推荐输入系统滴答数，某些系统取不到系统滴答数时取1970年01月01日00时00分00秒以来的时间戳。单位：毫秒 

};

3D加速度计

定义

加速度计，用于获取车辆三个轴向的加速度值。
//TODO:图标

g为重力加速度，也就是9.8m/s^{2。如果系统方提供的加速度计信号单位是m/s}2，那就需要上层先转换为单位g再传给定位引擎(除以9.8)。

加速度计数据结构

struct SLocGyro
struct SLocAcce3d
{
    ELocDataType     dataType;  // 本结构体所表示的数据类型，赋值：LocDataAcce3D
    ELocThreeAxis    axis;      // 有效数据轴
    float           acceZ;     // 上，单位：g(9.8米/秒^2)
    float           acceX;    // 右，单位：g(9.8米/秒^2)     
    float           acceY;    // 前，单位：g(9.8米/秒^2) 
    int         interval;  // 前后两个信号的间隔时间，单位：毫秒
    unsigned long long        tickTime;  // 时间戳，推荐输入系统滴答数，某些系统取不到系统滴答数时取1970年01月01日00时00分00秒以来的时间戳。单位：毫秒
};

设备安装角

什么是安装角？

传感器芯片在车辆上安装后(芯片安装在主板，主板安装在设备，设备安装在车辆上)的坐标系定义，一般跟定位引擎本身的基本车辆坐标系定义是存在角度差，并且三个轴向都有可能有角度差，这些角度差就叫做安装角。
安装角会导致传感器输出值计算过程中的误差。
传感器芯片按照安装角信息，依次绕三个轴向转动一定角度，形成新的坐标系就是定位引擎定义的右前上-XYZ坐标系。（上图是只考虑两个轴向的安装角示意图）

安装角如何获取?

为了消除或减小这个误差的影响，传感器芯片在目标车辆上安装后会形成一个坐标系，集成商、设备商或车厂根据传感器坐标系与定位引擎定义的车辆坐标系（右前上-XYZ坐标系，需要将这个定义提供给外部）的差异，就可以得到从传感器坐标系旋转到车辆坐标系的安装角。安装角的正负值也遵循右手法则。
关于安装角的顺序，从传感器坐标系转换到定位引擎所定义的右前上坐标系轴向顺序是：Z轴（Yaw偏航轴）-->X轴（Pitch俯仰轴）-->Y轴（Roll翻滚轴），系统方需要按照该转换顺序提供安装角的欧拉角定义，然后上层通过setMountAngle接口将具体角度数值和信息设置给引擎。
而欧拉角，是指用三个旋转角度 ψ，θ，φ 来标示旋转姿态的。如图，图中红色坐标系是起始坐标系，蓝色的坐标系是最后旋转完成的坐标系。

设备安装角数据结构

typedef struct LocInstalledDegree
{
    bool            isValid;
    double          roll;                 // 单位:度 陀螺仪或者ACC 翻滚角 敏感轴y轴的安装角度，绕X轴旋转的角度
    double          pitch;                // 单位:度 陀螺仪或者ACC 俯仰角 敏感轴Z轴的安装角度, 绕Y轴旋转的角度
    double          yaw;                  // 单位:度 陀螺仪或者ACC 偏航角 敏感轴x轴的安装角度，绕Z轴旋转的角度
} SLocInstalledDegree;

对接陀螺和加速度

陀螺仪和加速度计的对接需要额外注意。对接之前需要先确认已了解如下信息

芯片坐标系
导航坐标系，即SDK定义的车身坐标系
芯片相对于设备的位置及姿态
设备相对于车辆的位置及姿态
安装角
系统侧输出的值如何与芯片坐标系对应上

4.8.3 参数持久化

存储的信息

当车辆停止时会保存当前车辆最后的位置、航向、传感器标定等信息

存储位置

//TODO:保存文件格式、目录修改
保存在 model.bin 文件

4.8.4 位置回调说明

开始条件

GNSS 模式下，收到GNSS （包括网络定位）信号时，启动位置回调定时器，触发位置回调接口。

回调频率

位置回调定时器时间间隔设定为 100ms，即理论上（排除系统、导航应用卡顿等原因）定位引擎一秒钟会回调 10 次。
在位置信息未发生变化的情况下，不会重复回调，会改为间隔一分钟回调一次。

首次坐标

GNSS 模式下，定位首次回调的位置会在收到的第一个 GNSS （包括网络定位）信号的坐标附近（一般而言，就是信号坐标）。
融合模式下，定位首次回调的位置会在收到的第一个前端融合信号的坐标附近（一般而言，就是信号坐标）。

注：客户端对接saveLocStorage()用以保存定位上下文信息。

车标纠正

GNSS 或者融合模式下，实际上不使用最后保存的位置。只要收到的 GNSS 或者前端融合信号坐标位置是正确的，车标就会纠正回正确位置。

由于台测时，一般是没有接入车速信号，会导致车标无法纠正回实际位置。