一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法技术

技术编号:15226036 阅读:134 留言:0更新日期:2017-04-27 04:59
一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,属于组合导航定位系统和测量技术领域;该方法包括:采集车辆位置参数、速度参数及姿态参数;提取航向角信息和采样点里程;计算全路段概略曲率分布,将初始公路线形分为直线部分和圆曲线部分;调整直线和圆曲线的窗口大小,并计算缓和曲线线形参数;根据直线线形参数、圆曲线线形参数及缓和曲线线形参数统计全路段曲率随里程的变化,得到全路段最优化线形特征及参数;本发明专利技术数据采集方法能提供载体的姿态信息,提高了效率及精度;利用MFM平滑航向角信息,降低白噪声影响,有效剔除颗粒噪声,克服计算量庞大问题;窗口自动识别方法更大程度降低了人为因素影响,并降低工作量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于组合导航定位系统和测量
,具体涉及一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法
技术介绍
公路线形数据采集与计算是公路普及调查过程中的重要工作。目前,国内外对道路线形计算的研究方法主要分两种:(1)以数学模型为基础研究公路设计基本元素的选取组合及线形拟合;(2)结合CAD技术研究公路设计基本元素的选取组合及线形拟合。国外相关学者倾向于先进行公路线形识别再研究,包括弧长-曲率法,斜率法与综合法。国内相关学者倾向于基于国外研究理论的基础上对道路平面线形进行的深入的研究,其中具有代表性的是:(1)武汉大学的童小华教授提出基于曲率-弧长、斜率判别法的道路线形识别方法,该方法分别建立道路曲线基本单元的基本平差模型,并建立以基本单元组合的道路曲线的联合平差模型,以及分段的道路曲线的整体平差模型。(2)同济大学姚连璧教授提出基于曲率判别法的方位角法的道路线形识别方法,该方法应用于道路无缓和曲线情况下,利用车载GPS获取公路离散坐标,利用方位角法对线形进行识别。计算直线及圆曲线的重心化参数,并利用平差后的直线及圆曲线参数计算缓和曲线参数,最后对三种线形连接处应用加权平均法和道路设计思路相结合得到比较精确的道路平面线形几何参数。(3)同济大学杨轸博士在道路平面线形的研究中,将拟合曲线或最小时得到的拟合曲线作为最佳拟合曲线,其中h为采样点到拟合曲线的垂距。(4)采用CAD样条曲线法,输入测设里程坐标绘制样条曲线,剔除误差较大点后,粗略判断基本元素的位置,绘制CAD直线、圆曲线与样条曲线对比,得到拟合曲线参数。综上所述,采用CAD样条法有较多人为因素干扰,不利于公路线形自动识别与计算理论的研究。建立在曲率法、方位角法及综合法基础之上的联合平差法、方位角法及最小二乘法均采用车载GPS数据进行公路线形参数计算方法研究,相对于传统方法简单有效,但在隧道等复杂环境下,卫星信号受遮挡或多路径影响,且车体无法保证严格按照中线行驶和车体抖动等原因,计算出的曲率或方位角会基于一定趋势波动,即便选取特定的采样步长计算,也会损失判断精度,不利于线形的识别与计算。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足,本专利技术提供一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法。本专利技术的技术方案:一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,包括如下步骤:步骤1:在车辆行进过程中,车载POS(PositionandOrientationSystem)实时采集陀螺角速率、比例、伪距及相位信息,并通过后处理解算生成车辆位置参数、速度参数及姿态参数的时间序列;步骤2:根据车辆姿态参数提取航向角信息,并利用车辆坐标参数和车辆速度推算采样点里程;步骤3:利用航向角信息和采样点里程计算全路段概略曲率分布即初始公路线形特征分布,并将初始公路线形暂时分为直线部分和圆曲线部分:步骤3.1:采用均值加速中值滤波方法以20m为步长分段平滑航向角,得到全路段航向角分布:步骤3.1.1:计算滤波子窗口内航向角的均值;步骤3.1.2:将滤波子窗口内航向角分为大于等于该航向角的均值和小于该航向角的均值的两个航向角集合;步骤3.1.3:舍弃元素个数少的航向角集合,对元素个数大于滤波子窗口内航向角的总个数一半的航向角集合重复步骤3.1.1和步骤3.1.2,直到分解得到的两个航向角集合中的元素个数均小于滤波子窗口内原航向角总个数的一半;步骤3.1.4:选择得到的两个航向角集合中元素个数少的航向角集合,对该集合中航向角进行快速排序,并取中间航向角作为该滤波子窗口即步长内的航向角;步骤3.1.5:依次对各滤波子窗口重复步骤3.1.1到步骤3.1.4,得到各滤波子窗口的航向角,统计并生成全路段航向角随里程分布;步骤3.2:根据航向角与里程的关系,以20m为步长求得全路段概略曲率分布,得到初始公路线形特征分布;步骤3.3:设定直线曲率阈值,暂时将初始公路线形分为直线部分和圆曲线部分,所述直线部分和圆曲线两部分均可能包括缓和曲线部分。步骤4:分别调整直线部分中各直线的窗口大小和圆曲线部分中各圆曲线的窗口大小,提取窗口识别过程中筛选出的缓和曲线,并根据直线线形参数与圆曲线线形参数计算缓和曲线线形参数;步骤4.1:取初始公路线形中直线部分中一段直线,构建直线方程:yi=axi+b,其中,(xi,yi)为该段直线的平面坐标即该段直线上采样点的平面坐标,a、b分别为直线方程斜率和截据;步骤4.2:利用最小二乘法计算参数a、b,得到最小二乘法拟合直线方程;步骤4.3:计算(xi,yi)在拟合直线上的投影坐标、拟合残差,并根据拟合残差计算该段直线拟合中误差;步骤4.4:根据拟合中误差大小及直线两端航向角变化确定直线窗口伸缩方向:若拟合中误差小于阈值,说明该直线窗口识别不完整,需要扩展,反之需要缩小,理论上直线曲率为零,则窗口可以向航向角变化较小的一端扩展或在航向角变化较大的一端缩小,并判断拟合中误差是否大于阈值,是,恢复上次窗口扩展程度,执行步骤4.6,否则,执行步骤4.1,所述航向角变化大小即采样点间的航向角差值大小。步骤4.5:重复步骤4.1至步骤4.4,直到完成全路段直线部分中所有直线的线形特征识别与参数计算;步骤4.6:取初始公路线形圆曲线部分中一段圆曲线,构建拟合圆曲线方程:其中,(xj,yj)为该圆曲线的平面坐标即该段圆曲线上采样点的平面坐标,(c,d)为圆心坐标,r为曲率半径;步骤4.7:利用最小二乘法计算参数c、d和c2+d2+r2,得到最小二乘法拟合圆曲线方程;步骤4.8:计算(xj,yj)在最小二乘法拟合圆曲线上的投影坐标、拟合残差和该段圆曲线拟合中误差:步骤4.9:根据拟合中误差大小及该圆曲线两端航向角变化确定圆曲线窗口伸缩方向:若拟合中误差小于阈值,说明该圆曲线窗口识别不完整,需要扩展,反之需要缩小,理论上圆曲线曲率为常值,则窗口可以向航向角变化较大的一端扩展或在航向角变化较小的一端缩小,并判断拟合中误差是否大于阈值,是,恢复上次窗口扩展程度,认为该段线形为圆曲线,计算该圆曲线的曲率为1/r,执行步骤4.10,否则,执行步骤4.6;步骤4.10:重复步骤4.6至步骤4.9,直到完成全路段圆曲线部分中所有圆曲线的线形特征识别与参数计算;步骤4.11:识别计算直线及圆曲线过程中筛选出的连接圆曲线与直线的缓和曲线,并根据直缓点与缓圆点的里程及曲率,建立缓和曲线的曲率-里程方程:k=ms+n,其中,k、s分别表示缓和曲线的曲率和里程;所述直缓点为直线与缓和曲线交点,所述缓圆点为缓和曲线与圆曲线交点;步骤4.12:根据曲率-里程方程,计算该段缓和曲线内采样点曲率,并根据采样点曲率占缓和曲线曲率变化比例结合直缓点与缓圆点平差后的坐标参数内插出缓和曲线离散坐标;步骤5:根据平差后的直线线形参数、平差后的圆曲线线形参数及缓和曲线线形参数统计全路段曲率随里程的变化,得到全路段最优化线形特征及参数。有益效果:一种基于车载POS数据采集的公路线形特征识别与参数计算方法与现有技术相比,具有如下优势:1、采用的数据采集方法在提供了高精度的坐标信息的同时,还能提供载体的姿态信息,提高了公路线形初步识别与线形窗口调节的效率及精度;2、利用的坐标及姿态信息有车载POS系统差分G本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:在车辆行进过程中,车载POS实时采集陀螺角速率、比例、伪距及相位信息,并通过后处理解算生成车辆位置参数、速度参数及姿态参数的时间序列;步骤2:根据车辆姿态参数提取航向角信息,根据车辆坐标参数和车辆速度计算采样点里程;步骤3:利用航向角信息和采样点里程计算全路段概略曲率分布初始公路线形特征分布,并将初始公路线形暂时分为直线部分和圆曲线部分;步骤4:分别调整直线部分中各直线的窗口大小和圆曲线部分中各圆曲线的窗口大小,提取窗口识别过程中筛选出的缓和曲线,并根据直线线形参数与圆曲线线形参数计算缓和曲线线形参数;步骤5:根据直线线形参数、圆曲线线形参数及缓和曲线线形参数统计全路段曲率随里程的变化,得到全路段最优化线形特征及参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1:在车辆行进过程中,车载POS实时采集陀螺角速率、比例、伪距及相位信息,并通过后处理解算生成车辆位置参数、速度参数及姿态参数的时间序列;步骤2:根据车辆姿态参数提取航向角信息,根据车辆坐标参数和车辆速度计算采样点里程;步骤3:利用航向角信息和采样点里程计算全路段概略曲率分布初始公路线形特征分布,并将初始公路线形暂时分为直线部分和圆曲线部分;步骤4:分别调整直线部分中各直线的窗口大小和圆曲线部分中各圆曲线的窗口大小,提取窗口识别过程中筛选出的缓和曲线,并根据直线线形参数与圆曲线线形参数计算缓和曲线线形参数;步骤5:根据直线线形参数、圆曲线线形参数及缓和曲线线形参数统计全路段曲率随里程的变化,得到全路段最优化线形特征及参数。2.根据权利要求1所述的基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,其特征在于,所述步骤3包括如下步骤:步骤3.1:采用均值加速中值滤波方法分段平滑航向角,得到全路段航向角分布;步骤3.2:根据航向角与里程的关系,分段求得全路段概略曲率分布,得到初始公路线形特征分布;步骤3.3:设定直线曲率阈值,暂时将初始公路线形分为直线部分和圆曲线部分,所述直线部分和圆曲线两部分均可能包括缓和曲线部分。3.根据权利要求1所述的基于车载POS的公路线形特征识别与参数计算方法,其特征在于,所述步骤4包括如下步骤:步骤4.1:取初始公路线形直线部分中一段直线,构建直线方程:yi=axi+b,其中,(xi,yi)为该段直线的上采样点的平面坐标,a、b分别为直线方程斜率和截据;步骤4.2:利用最小二乘法计算参数a、b,得到最小二乘法拟合直线方程;步骤4.3:计算(xi,yi)在拟合直线上的投影坐标、拟合残差,并根据拟合残差计算该段直线拟合中误差;步骤4.4:根据拟合中误差大小及该段直线两端航向角变化确定直线窗口伸缩方向;步骤4.5:重复步骤4.1至步骤4.4,完成全路段直线部分中所有直线的线形特征识别与参数计算;步骤4.6:提取初始公路线形中圆曲线部分中一段圆曲线,构建拟合圆曲线方程:其中,(xj,yj)为该圆曲线的平面坐标即该圆曲线上采样点的平面坐标,(c,d)为圆心坐标,r为曲率半径;步骤4.7:利用最小二乘法计算参数c、d和c2+d2+r2,得到最小二乘法拟合圆曲线方程;步骤4.8:计算(xj,yj)在最小二乘法拟合圆曲线上的投影坐标、拟合残差和该段圆曲线的拟合中误差:步骤4.9:根据拟合中误差大...

【专利技术属性】
技术研发人员:郝雨时徐爱功隋心王长强杨东辉刘韬郭哲
申请(专利权)人:辽宁工程技术大学
类型:发明
国别省市:辽宁;21

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