[0001] 本发明涉及定位导航和车联网技术领域，特别是涉及一种车道级地图匹配方法及系统。

[0002] 随着计算机与信息技术、电子技术的飞速发展，智能交通系统应运而生，把车辆和道路综合起来考虑，运用各种高新技术系统成为当前交通领域的核心。车辆定位技术是智能交通系统的重要部分，车辆位置在电子地图上的准确、完整表达是实现交通诱导、交通拥堵判别、交通管控与控制、车辆监控等应用的前提。由于定位设备存在误差导致，通常情况下车辆无法准确定位至行驶道路中。利用地图匹配方法，可以把车辆的行驶轨迹和电子地图数据库中的道路网进行分析比较，并在地图上找出与行驶轨迹最相近的路线，从而将实际定位数据映射到直观的数字地图上。

[0003] 传统的道路地图匹配方法主要采用普通精度电子地图对常规精度定位数据进行匹配。在此情形下，将交叉口和交叉口间的路段构建一个道路拓扑网，并将交叉口节点和道路连线各视为整体。在进行地图匹配时，通过距离最近等原则选择待匹配道路，并将定位数据在道路连线上进行垂直投影，从而实现地图匹配。普通的电子地图数据和定位数据均无法区分车道信息，传统的地图匹配方法也无法将车辆定位到具体的车道中，无法满足精细化的车辆定位、交通管控和道路交通信息服务需求。

[0004] 因此，如何区分车道信息并实现车道级定位数据的修正成为本领域亟待解决的问题。

[0073] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0074] 本发明的目的是提供一种车道级地图匹配方法及系统，以解决传统的道路地图匹配方法采用定位数据在道路连线上进行位置投影，无法区分车道信息，不能实现车道级定位数据的修正的问题。

[0075] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0076] 如图1所示，本实施例提供的车道级地图匹配方法包括：

[0077] 步骤101：获取车辆的定位数据和道路基础数据；所述定位数据包括实时位置信息和运行工况数据；

[0078] 本步骤中车辆的定位数据和道路基础数据的获取决定着整个车道匹配的精度。因此本实施例中获取车辆的定位数据和道路基础数据具体方法可以是：

[0079] 获取北斗亚米级高精度定位设备采集的车辆行驶过程中的实时位置信息，所述实时位置信息包括UTC时间、经度、经度半球、纬度、纬度半球、车辆运行速度和方向角；其中，UTC时间为实时位置信息的采样时间；经度、纬度、经度半球、纬度半球为车辆的位置信息，精确到亚米级误差；车辆运行速度为利用北斗定位信息估算的车辆实时运行速度；方向角为车辆行驶方向与正北向的夹角；

[0080] 获取车载自动诊断系统采集的车辆CAN总线的运行工况数据，所述运行工况数据包括车速、发动机转速和方向盘转向角；其中，车速为车辆车载电脑系统采集的行驶速度；方向盘转向角为车辆自身方向转向角度，当方向盘正向时角度为0，方向盘左转角度为负值，方向盘右转角度为正值；

[0081] 获取RTK设备采集的道路基础数据，所述道路基础数据精确到厘米级误差。该误差级别能有效区分车道。

[0082] 步骤102：对所述车辆的定位数据进行数据预处理，得到预处理后车辆定位数据；

[0083] 该步骤102具体可以包括：

[0084] (1)冗余数据剔除：在实际采集过程中可能出现同一时刻采集的多条重复定位数据，因此需要剔除所述实时位置信息中多条重复的所述实时位置信息，仅保留一条所述实时位置信息。

[0085] (2)速度错误数据剔除与补偿：错误的速度数据可能是因为瞬时采集而造成的偏差，因此可以根据道路限速和车辆的运行工况数据设定最大速度阈值，并剔除所述运行工况数据中大于最大速度阈值的速度错误数据，再利用历史速度数据采用平滑方法进行对剔除速度错误数据对应时间段进行速度补偿。以减小错误数据对车道匹配精度的影响。

[0086] (3)定位数据缺失补偿：

[0087] 当采样时间内未接收到所述实时位置信息时，确定该采样时间的定位数据缺失；当连续所述定位数据缺失不超过3次时，利用临近的前两段采样时间获得的实时位置信息对缺失的定位数据进行补偿，补偿的定位数据中速度和位置坐标计算如下所示：

[0088] vi＝2vi‑1‑vi‑2                                               (1)[0089]

[0090]

[0091] 其中，(xi,yi,vi)为补偿点的经度、纬度和速度，(xi‑1,yi‑1,vi‑1)、(xi‑2,yi‑2,vi‑2)分别为前两个采样点的经度、纬度和速度；

[0092] 当连续所述定位数据缺失超过3次时，判定为设备故障或通信故障，不进行补偿，系统提示数据异常。开始设备维修工作，以避免补偿不当对车道匹配的影响。

[0093] (4)定位错误数据剔除与补偿：

[0094] 根据历史数据设置预订路线的有效范围，超出范围则判定为定位错误，剔除该错误数据并补偿。本实施例中采用的判定方法如下：

[0095] 计算当前采样时刻至前一采样时刻的车辆平均速度：

[0096]

[0097] 式中，T时刻车辆坐标为 前一时刻T‑t车辆坐标为 t为GPS数据接收间隔；

[0098] 剔除所述车辆平均速度大于设定最大行驶速度的定位数据：

[0099] ΔvT＞V  (5)

[0100] 其中，V为行驶速度阈值(含定位误差)；

[0101] 对剔除定位数据对应时间内容的定位数据中的位置坐标进行补偿，补偿的定位数据中位置坐标的计算公式为式(2)和(3)。

[0102] 步骤103：根据所述道路基础数据绘制高精度地图，所述高精度地图的地图位置误差应在厘米级以内，能够有效区分行车道；

[0103] 步骤104：根据所述预处理后车辆定位数据和所述高精度地图匹配车辆所在车道；

[0104] 如图2所示，该步骤104的流程具体如下：

[0105] Step1：识别所在车道：将所述实时位置信息在所述高精度地图中进行二维坐标投影，得到车辆投影位置；根据所述车辆投影位置和车道线位置信息确定所述车辆所在车道；即，当车辆实时的定位坐标位于该车道两车道线之间时，判定此时该车辆的定位点属于该车道。

[0106] Step2：计算定位点到车道中心线的距离：经过定位点做垂直于车道方向的垂线，并根据定位点坐标和车道的基础地理位置信息，计算定位点到所在车道中心线的距离d，如图3所示。

[0107] Step3：待匹配车道一次判别：设定第一距离阈值 dL为车道宽度。若确定所述所在车道为匹配后车辆所在车道；若 则执行Step4，进行待匹配车
道的二次判别。

[0108] Step4：待匹配车道二次判别：

[0109] (1)读取车辆的历史运行轨迹数据：读取车辆当前采样点之前连续N个采样点的数据，包括车辆的位置坐标(xi,yi)、方向角αi、速度vi。在实时N个连续采样时刻的定位数据序列中，读取第一个采样时刻距离车道中心线的距离d1小于第二距离阈值 即 其中，为离车道中心线足够小的距离，且

[0110] (2)计算历史轨迹平均方向角、平均径向速度和平均切向速度：

[0111] 历史运行轨迹的平均方向角计算如公式(6)所示，平均径向速度计算如公式(7)所示，平均切向速度计算如公式(8)。

[0112]

[0113]

[0114]

[0115] 其中，β为道路车道前进方向与正北向的夹角， 表示车辆行进方向与车道线的夹角。

[0116] (3)跨越车道线状态判别：

[0117] 计算车辆横向运动距离，如公式(9)所示：

[0118]

[0119] 当 时，判定车辆没有跨越车道线，仍在本车道行驶，即本车道为待匹配车道。

[0120] 当 时，判定车辆跨越车道线，存在变道行为，待匹配车道为相邻车道。

[0121] 通过将车辆进行定位点的转换，再根据定位点与车道中心线的距离和第一距离阈值、第二距离阈值的大小关系来匹配车道，方法简单且车道匹配准确。

[0122] 步骤105：将所述车辆的定位位置在所述车辆所在车道的中心线的垂直投影确定为车辆在车道的匹配位置，如图4所示。

[0123] 本实施例提供的车道级地图匹配方法利用车辆高精度定位数据与车辆自身的方向信息相融合，针对车道级定位需求，实现了高精度地图下的精准车道识别和位置匹配，为车道级定位、车辆路径导航及精准交通管理和控制等上层交通应用技术提供了可靠的支撑。

[0124] 如图5所示，本实施例还提供了与上述车道级地图匹配方法相应的系统，所述系统包括：

[0125] 数据采集模块，用于获取车辆的定位数据和道路基础数据；所述定位数据包括实时位置信息和运行工况数据；

[0126] 数据预处理模块，用于对所述车辆的定位数据进行数据预处理，得到预处理后车辆定位数据；还用于根据所述道路基础数据绘制高精度地图，所述高精度地图的地图位置误差应在厘米级以内，能够有效区分行车道；

[0127] 车道匹配模块，用于根据所述预处理后车辆定位数据和所述高精度地图匹配车辆所在车道；

[0128] 车辆投影匹配模块，用于将所述车辆的定位位置在所述车辆所在车道的中心线的垂直投影确定为车辆在车道的匹配位置。

[0129] 具体的，所述数据采集模块具体包括：

[0130] 北斗亚米级高精度定位设备，用于采集的车辆行驶过程中的实时位置信息，所述实时位置信息包括UTC时间、经度、经度半球、纬度、纬度半球、车辆运行速度和方向角；其中，UTC时间为实时位置信息的采样时间；经度、纬度、经度半球、纬度半球为车辆的位置信息，精确到亚米级误差；车辆运行速度为利用北斗定位信息估算的车辆实时运行速度；方向角为车辆行驶方向与正北向的夹角；

[0131] 车载自动诊断系统，用于采集的车辆CAN总线的运行工况数据，所述运行工况数据包括车速、发动机转速和方向盘转向角；其中，车速为车辆车载电脑系统采集的行驶速度；方向盘转向角为车辆自身方向转向角度，当方向盘正向时角度为0，方向盘左转角度为负值，方向盘右转角度为正值；

[0132] RTK设备，用于采集的道路基础数据，所述道路基础数据精确到厘米级误差。

[0133] 所述数据预处理模块具体包括：

[0134] 冗余数据剔除单元，用于剔除所述实时位置信息中多条重复的所述实时位置信息，仅保留一条所述实时位置信息；

[0135] 速度错误数据剔除与补偿单元，用于剔除所述运行工况数据中大于最大速度阈值的速度错误数据，利用历史速度数据采用平滑方法进行对剔除速度错误数据对应时间段进行速度补偿；所述最大速度阈值根据道路限速和所述运行工况数据设定；

[0136] 数据缺失补偿单元，用于当采样时间内未接收到所述实时位置信息时，确定该采样时间的定位数据缺失；当连续所述定位数据缺失不超过预设次数时，利用临近的前两段采样时间获得的实时位置信息对缺失的定位数据进行补偿，补偿的定位数据中速度和位置坐标计算如下所示：

[0137] vi＝2vi‑1‑vi‑2                                               (1)[0138]

[0139]

[0140] 其中，(xi,yi,vi)为补偿点的经度、纬度和速度，(xi‑1,yi‑1,vi‑1)、(xi‑2,yi‑2,vi‑2)分别为前两个采样点的经度、纬度和速度；

[0141] 定位错误数据剔除与补偿单元，用于计算当前采样时刻至前一采样时刻的车辆平均速度；剔除所述车辆平均速度大于设定最大行驶速度的定位数据，并对剔除定位数据对应时间内容的定位数据中的位置坐标进行补偿，补偿的定位数据中位置坐标的计算公式为式(2)和(3)。

[0142] 所述车道匹配模块具体包括：

[0143] 坐标投影单元，用于将所述实时位置信息在所述高精度地图中进行二维坐标投影，得到车辆投影位置；

[0144] 定位车道单元，用于根据所述车辆投影位置和车道线位置信息确定所述车辆所在车道；

[0145] 距离计算单元，用于计算所述车辆的定位点到所述所在车道的中心线的距离；

[0146] 第一车道判别单元，用于判断所述距离是否小于第一距离阈值，得到第一判断结果；所述第一距离阈值小于车道宽度的一半；

[0147] 当所述第一判断结果表示是时，确定所述所在车道为匹配后车辆所在车道；

[0148] 当所述第一判断结果表示否时，获取所述车辆当前采样时刻之前连续N个采样时刻的所述定位数据，实时N个连续采样时刻的定位数据序列中，第一个采样时刻距离车道中心线的距离小于第二距离阈值；其中，所述第二距离阈值为离车道中心线足够小的距离，且所述第二距离阈值远小于所述第一距离阈值；

[0149] 第二车道判别单元，用于利用公式 计算历史轨迹平均方向角，利用公式计算平均径向速度，利用公式 计算平均切向速度；其中，β为道路
车道前进方向与正北向的夹角， 表示车辆行进方向与车道线的夹角；

[0150] 利用公式 计算车辆横向运动距离L；

[0151] 判断车辆横向运动距离是否大于车道宽度的一半，若是，确定所述车辆跨越车道线，存在变道行为，确定相邻车道为匹配后车辆所在车道；若否确定车辆未跨越车道线，则确定当前车道为匹配后车辆所在车道。

[0152] 对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0153] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。