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一种面向安全辅助预警的车辆相对位置判定方法

文档作者：宋向辉李亚檬赵佳海王新科文档来源：交通运输部公路科学研究院		点击数：	更新时间： 2020年12月04日
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第30卷第10期
2013年10月
公路交通科技
Journal of Highway and Transportation Research and Development
V01．30 No．10
0ct．2013
doi：10．3969／j．issn．1002-0268．2013．10．021
一种面向安全辅助预警的车辆相对位置判定方法
宋向辉，李亚檬，赵佳海，王新科
(交通运输部公路科学研究院，北京100088)
摘要：针对基于位置的车辆安全预警服务对车辆位置的判定精度要求较高，以及目前卫星定位精度在成本约束条件
下通常存在较大定位误差的问题，研究实现了一种用于车辆安全预警的基于条件极值和车辆历史相对位置前溯法的
路上车辆相对位置判定方法，在提高运算效率的同时保证了车辆与车辆或车辆与基准参照物间相对位置的判定精度。
试验研究及试验数据分析表明，该方法可提高车辆相对位置判定精度。通过应用系统测试，验证了该方法适于行车
安全预警应用。
关键词：智能交通系统；安全预警；条件极值；定位精度；辅助驾驶
中图分类号：U491．2 文献标识码：A 文章编号：1002—0268(2013)10—0117—05
A Determination Method of Vehicle Relative Position for Auxiliary Safety Pre-alerting
SONG Xiang—hui，LI Ya—meng，ZHAO Jia-hai，WANG Xin—ke
(Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China)
Abstract：Aiming at the problems that the high accuracy of vehicle relative position determination
requirement of vehicle safety—alerting service based on location information and the existence of large errors of
general satellite positioning due to the cost constraint，a vehicle relative position determination method for
vehicle safety pre—alerting based on conditional extreme and vehicle history relative position prospective
method is researched．This method can improve the efficiency of computation and ensure the relative position
determination accuracy between vehicle to vehicle，vehicle to reference frame at the same time．The
experimental research and data analysis show that this method can improve the determination accuracy
of vehicle relative position．It is proved by systematic test that this method is feasible to the safety pre—
alerting．
Key words：ITS；safety pre—alerting；conditional extreme；location accuracy；assistant driving
0引言
由于目前普通的GNSS单点定位精度不高(通
常误差在15 m内，若用于测量2个移动车辆的相对
距离，则其定位误差就有可能在30 m)¨。4j，使得对
运动中车辆的定位点一般会偏离实际道路。而在基
于位置的车辆安全预警中，尤其是在一些道路结构
比较复杂的地方涉及到车辆与车辆之间的协同预警
时，对车辆位置准确性要求较高。这时，如果不通
过高成本的电子科技手段的提升来提高定位精度，
就一定需要对定位点进行必要的算法处理，才能较
好地满足这类应用对位置准确性的要求。
依托交通运输部综合试验场道路环境，分析实
现了一种基于条件极值的车辆位置确认技术。传统
定位匹配的基本思想是利用数字地图在最新轨迹点
坐标的周围寻找最近的道路”J。本文所提出的方法
与传统方法的主要区别在于它在简化道路复杂度的
基础上，综合运用条件极值方法怕1和车辆历史相对
收稿13期：2013—04一叭
基金项目：国家高技术研究发展计划(八六三计划)项目(2011AAll0404—5)
作者简介：宋向辉(1973一)，女，宁夏盐池人，副研究员，硕士．(sxh@itsc．cn)
万方数据
118 公路交通科技第30卷
位置前溯法，并根据具体道路特点进行必要的定位
修正，在提高运算效率的同时保证了车辆与车辆或
车辆与基准参照物间相对位置的判定精度。
1 方法
1．1 道路分割
为保证定位点到实际道路映射的有效性和映射
运算的效率，路段分隔时遵循下述原理：
(1)分割生成的路段可用方程Y=厂(戈)表示，
且方程只有1个实数根，式中舅代表经度，Y代表
纬度。
(2)分割后生成的每条道路的描述方程尽量简
单，目的是尽量降低运算时问，以适应道路安全预
警类应用对时间效率的要求。
以交通运输部试验场的综合试验路为例，实际
道路的4个分割点分别如图l(a)所示，所生成的
任何路段曲线都可用下式表示(不同路段，其o、b、
c的值不同)。
Y=口z2+6菇+c， (1)
式中，口、b、c为一元二次方程的系数。
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3
Co)道路分割
图1试验路段和道路分割示意图
Fig．1 Schematic diagram of experiment road
section and road segment
1．2位置映射
位置映射的基本思路为：求定位点到曲线上①
的距离，并获取该点到曲线的最小距离值和映射点，
所得投影点即为当前定位值在路段上的准确映射。
(1)求定位点到曲线(分割后的任一曲线)的
最短距离
设卫星定位点当前坐标值为P(％，y0)，则该
点到曲线(1)上各点的距离D可表示为函数：
D2(菇，Y)=(戈一凰)2+(Y—Y0)2， (2)
因此，求P(蜀，r0)到曲线上①的最短距离，就是
求式(2)在式(1)条件下的极小值。
作辅助函数：
G(戈，y，A)=(戈一黾)2+(Y—Yo)2+
A(口z2+6菇+c—Y)， (3)
式中实数A为Lagrange乘数。
则有下列方程组： 旦垦蔓掣：(2A口+2)戈+bA一2Xo：0， dx 掣=2(y—Yo)一A=。， ‘4’
Y 2 CtX,2+bx+c。
由方程组(4)解出极值点P(菇，Y)。经过求解，
P(石，Y)点的菇和Y的程序实现可描述如下：
令
A=2a2，
B=3ab，
C=1+b2+2ac一2ayo．
D=bc—Xo—bro．
P=(3AC—B2)／3A2，
q=(B／3A)3一BC／6A2+D／2A， z：Fi丽+Fi丽，
(5)
式中A、曰、C、D、P、q、z均为过程变量。
则P(戈，Y)的坐标点可表示为：
{x～-．，B／3A, ， (6)
【)，=口+(z—B／3A)2+6(孑一B／3A)+c。、。
对辅助函数a(x，Y，A)求二阶导数，得：
102G：2An+2，
磐2：2， (7) ． 一‘-’ ＼。，
o了
一02G：韭OxOy OyOx’
即：d2G=～2(2Aa+2)，
式中，口为方程系数；A为Lagrange乘数。
将JP(戈，Y)代入d2G，得d2G<0，则P(戈，Y)
2
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73
Ⅲ“m“¨硒Ⅲ“Ⅲ硒；墨 舶n硒∞的鲫胁铝筋卯彤
万方数据
第10期宋向辉，等：一种面向安全辅助预警的车辆相对位置判定方法119
是极小值点，即为P(Xo，ro)在道路曲线上①的投
影。将该P(算，Y)代人D2(z，Y)=(戈一％)2+
(Y—Yo)2，便可得到关于(％，y0)到曲线上①的
最小值02j。(菇，Y，Xo，Yo)。
(2)获取定位点在路段上的投影
如图2所示，设当前定位点临近的道路有2条，
定位点(凰，y0)在这2条道路上的投影分别为
(戈。，Y，)和(戈：，Y：)，则(凰，yo)到2条道路
的最短距离分别为：
D：Inl(菇l，Yl，Xo，ro)，D二In2(z2，Y2，Xo，ro)。
图2获取点到道路的投影
n晷2 To get the projection from points to road
理论上，投影点应选择：
min[D：。I(zl，Yl，Xo，ro)，D‰(戈2，Y2，Xo，ro)]，
故这里(瓦，y0)的投影点为(戈。，Y。)。
1．3过滤与修正
实际上，由于卫星定位有误差，在路段分割点
附近有可能会出现如图3所示的情况，即定位点离
其实际所在道路的距离大于定位点到当前邻近道路
的距离，这时就需要借助历史车辆位置数据组和车
辆行驶方向、速度来进行映射修正。
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3
图3投影修正
n昏3 Projection position correction
这里设用于修正映射误差的数组深度为5。将当
前定位点记作P(墨，y5)，则历史定位数组可表
示为I
[P(X5，y5)，P(丘，y4)，P(X3，y3)，
P(X2，y2)，P(X。，Y1)]。(8)
以图3所示为例，将P(墨，y5)～P(戈。，Y。)
置人数组，则如果数组(8)中：
(1)各点均处在同一条路段上；
(2)各点的x值为单调递增(如果路段分割时
以y轴为基础，则应判断各点的y值变化规律是否
为单调递增或单调递减)；
(3)各点的x值同时小于图3中①分割点
P(名n，yn)的戈，l，则不能继续按照min[D‰(石。，
Y。，Xo，ro)，D：112(x2，Y2，Xo，ro)]的原则来选
择P(x：，Y：)为映射点，而是应该选P(戈。，Y。)为
当前定位点在道路上的映射点。
2方法可用性验证
2．1 可提高车辆相对位置判断精确度
在交通运输部综合试验场，对基于本文所提方
法(以下简称有修正方法)的车辆相对位置判定精
确度进行评价试验。
在2个车载设备中装载本文所述的相对位置处
理算法，在另外2个车载设备中装载GPS定位值直
接计算距离的算法(以下简称无修正方法)，对2组
车载设备同步开展试验。
试验时，设备间的相对距离在1～35 S之间调整，
以l S为步进值，以车载设备的实际距离值为基准。
基于2种不同算法的相对距离判定数据如图4所示。
图4相对距离精度比较
n晷4 Comparison of relative distance accuracies
试验数据分析表明：运用定位点无修正方法进
行相对距离计算，相对距离判定平均误差在4．37 S；
运用定位点有修正方法进行相对距离计算，可使相
对距离判定平均误差缩小到1．73 S。
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万方数据
120 公路交通科技第30卷
2．2在基于位置的安全预警系统中应用效果良好
在交通运输部道路综合试验场进行了为期半年
的功能性能试验，试验过程如图5所示。
图5安全预警路上试验示意图
Fig．5 Schematic diagram of afety pre-alerting
road testing system
分别利用本文所述的方法和GPS定位值直接计算
距离的方法进行车辆跟踪定位，并通过下面3项车辆
安全预警试验同步对这2种方法的可靠性进行验证。
(1)特殊路段报警：当车辆驶近特殊路段时，
预警器语音提示“危险路段”。
(2)转弯报警：当车辆驶近弯道路段时，根据
顺行或逆行对应报警“前方左转弯，请注意安全”、
“前方右转弯，请注意安全”。
(3)前后车安全距离报警：前车以速度移．、加
速度o，行驶，后车以速度口：、加速度n：追赶前车，
用△P表示后车与前车的距离。当l≤△P／(秽。一口：)≤
4 S或l≤△P／秽：≤4 S时，后车给出预警信号，语音
提示“请与前车保持安全车距”。
试验时车速控制在40—120 km／h范围"'10’1 21。
由于目前普通的GPS单点定位精度通常误差在15 m
内，若用于测量2 veh移动车辆的相对距离，则其定
位误差就有可能在30 S【ln 14]，所以取多组相对距离
不同的数据(每组有500个测试数据)进行分析。
预警正确率分别如表1所示。
通过表1中的试验数据可以看出，当移动中的2
veh车之间的相对距离大于30 S时，或移动车辆与固
定参照物间的相对距离大于15 S时，采用本文提出
的有修正方法和采用传统的无修正方法，在基于位
置的车辆安全预警应用中都没有出现预警错误。但
当2 veh车之间的相对距离或车辆与固定参照物间的
相对距离小于GPS定位差时，采用本文中所提出的
有修正方法可将预警可靠性的平均值提高到99．4％。
与无修正方法的预警可靠性平均值相比，预警可靠
性提高了11．2％；特别是当2 veh移动车辆的间距小
于10 S时，采用本文中所提出的修正方法可将预警
可靠性提高25％。
表1试验结果表
Tab．1 Test result
3结论
本文介绍了一种基于条件极值和车辆历史相对
位置前溯法的路上车辆相对位置判定方法。该方法
首先通过道路分割使得复杂曲线相关问题变为可用
一元二次方程表示的曲线相关问题，在简化的道路
上利用条件极值方法获得GNSS定位点到道路的有效
映射点，并在特殊位置进行定位修正。试验表明，
这种方法对比较复杂的道路有较强的将车辆轨迹匹
配到正确路径上的能力，有效地提高了移动中的车
辆与运动参照物或静止参照物间的相对距离判定精
度；在基于位置的车辆安全预警应用中时，该方法
能大幅提高安全预警的可靠性，故适于在基于位置
的车辆安全预警应用中运用。
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