一种高速公路行驶车辆的厘米级在线定位方法与流程

本发明涉及道路运输领域，特别涉及一种高速公路行驶车辆的厘米级在线定位方法。
背景技术：
：本发明为《cn201620123453和cn201610087970一种基于gps和gsm平台的高速公路车载群导航系统》补充和外延。检索国家专利库“高速公路+定位”，有几百个相关专利，而检索“高速公路+厘米级”，一个都没有，这是现有的测量技术手段制约了我们的定位精度，而对于在高速公路上100公里/小时行驶车辆而言，在线车辆的精准定位性将事关人员的生死存亡。现有移动目标定位技术手段主要有：1.gps卫星定位，精度50～100米；2.lbs基站定位，精度10～50米;3.wi-fi室内定位，精度0.10～0.5米.现在的技术手段对于大地静态精准座标（如基站、基点），gps可以达到毫米级，但都需要长久的定位时间，大地平面通视卫星监测点越多，检测次数越多，其所得到的计算平均值也就越精确，这对于车长不到2米，横向间距不足0.5米，高速行驶的车辆，其定位手段是显然是难以适应的。同样，对于采用波源定位的leb基站定位，如手机定位，由于波的衍射、反射、干扰、衰减等特性都会影响车辆的快速、精准定位。在同构态车载显示界面下的网络映射矢量图像会发生闪跳，运行轨迹非连贯。当人们仰望星空，苦于寻求高精度的在线车辆定位技术手段时，我们忽略了一个重要位移参照物，那就是脚底下高速公路本身，1.高速公路建造现代大型基础设施普遍采用了国家公路建设标准、cad设计和gps控制网的静态定位（即被定位的对象为定点无位移状态），其设计和定位精度都在毫米级，如水利、电力、高铁、公路和桥梁等等，如总长4778米润扬长江公路大桥，采用了19个gps定位控制网点，误差值小于5毫米；沪杭、沪宁高速的gps控制网导线全长闭合误差为厘米级。参照《gbt18314-2001全球定位系统（gps）测量规范》，高速公路的测量精度都在厘米级，图1、图2、图3是某段高速公路cad设计图和阵列座标图，从中不难看出其设计精度均为毫米级，不仅如此，在每个路段中分别设置了地桩座标（x,y），其均为静态座标值。测量精度远高于人们的动态测量值。此外，现代的高速公路的施工手段，普遍采用了地桩现场模板浇筑、公路面板工厂模块化整体焊接、浇注的建造方法，其质量和精度得以大幅提高。由此可见，以高速公路自身建造座标，作为高速公路上行驶车辆动态定位的精度是可以达到厘米级（含施工误差值）。2.蓝影定位（鼠标定位）蓝影定位是由微软研发的最新的一种精确定位方式，利用bluetrack蓝影技术的鼠标使用的是蓝色可见光，但其不利用漫反射原理，而是利用利用激光引擎的镜面反射点成像的原理，如图3所示，蓝光光源透过高角准直透镜打到任意物体表面后反射光进入汇聚透镜传入cmos芯片中进行处理。而光学传感器（cmosdetector）就如同一台高速连拍照相机一样每秒钟拍摄上千张相片，并将其传入图像处理芯片中，芯片对每张图片进行对比最终得出鼠标的移动轨迹。此外，更为难得的是蓝影鼠标的兼容性非常好，能适应各种桌面，无论是表面光滑的大理石台面上，还是透明的玻璃上，甚至在粗糙的客厅地毯上都能够精确定位。当人们移动平面鼠标时，以vga1024×768显示屏为例，其对应的十字光标显示点精度为（±0.35mm），由此推论：以“鼠标十字光标显示点+cad等比例设计的高速公路原型俯视图”设立模型，便可还原出“cad等比例行驶车辆+cad等比例高速公路”的对应关联，即：将行驶车辆看作一个激光鼠标，把高速公路视为一个栅格化的鼠标垫，当一车辆行驶在高速公路上时，其车盘底部蓝影定位光束垂直投射于地面，相对应行驶轨迹便可同步显现于显示屏的原型高速公路俯视图上，从而实现高速公路行驶车辆的厘米级定位。技术实现要素：针对传统技术手段存在缺陷，本发明旨在运用原有高速公路自身建造座标参数，提出一种高速公路行驶车辆的厘米级在线定位方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种高速公路行驶车辆的厘米级在线定位方法，包括高速公路数字地图云库模块、矢量车型图库模块、射频器（rf）、测距传感器、测速传感器、蓝影定位模块和座标电子桩，所述的高速公路数字地图云库模块中存储的数字地图为建造高速公路的原始cad工程图，或由该图衍生的ar（augmentedreality）增强技术图，而非光学技术成像图，该图所示精度单位为毫米级；所述的矢量车型图库模块中存储的矢量车型图为原始车辆cad标准产品图，或由该图衍生的ar（augmentedreality）增强技术图，而非光学技术成像图，该图所示精度单位为毫米级；所述的射频器（rf）可设置于高速公路收费闸口、服务区、弯道、匝道等车速较慢路段，且有电源处；所述的测距传感器、测度传感器、蓝影定位模块，设置于行驶车辆上。所述的高速公路数字地图和矢量车型图分别以图层形式等比例合成、显示于数字显示屏，其中数字地图为栅格化底层图，矢量车型图为上浮层图。所述的测距传感器、测速传感器，为激光、毫米波、微波、超声波等波源性传感器。所述的座标电子桩可设置于高速公路收费闸口、服务区、弯道、匝道等车速较慢路段，且有电源处；座标电子桩的外形可以是龙门框架式或杆式，感应的形式可以是交互式或波源式。所述的高速公路行驶车辆的厘米级在线定位方法，包括以下步骤：a.高速公路数字地图云库模块建立以原始cad工程图中俯视平面图，栅格化后，按高速公路编号设立地图云库，云库设置于路政检测公共平台；b.路段数字地图下载车辆驾驶员在入闸前输入的行驶目的地，通过无线网络下载对应路段数字地图至车载计算机系统；c．闸口射频器（rf）初始化车辆导入初始座标参数(t0,x0,y0)，确立行驶方向（矢量），车辆导出本体车参数（车号、车型、颜色、车重、姓名、手机号和时间等）；d.车辆定位各车辆依次循序并道，自动开启测距传感器、测速传感器、蓝影定位模块，二次座标参数校正；e．本体车座标确立本体车座标参数后，上传且由矢量车型图库模块中导出矢量车型图，跳闪于显示屏对应位置，语音提示：“二次定位完成”；f.车辆群建立下载周边车辆座标参数，在车载矢量车型图库模块中导出周边车辆对应矢量车型图，非跳闪显示于显示屏，根据间隔距离自动建立行驶群，语音提示：“车辆群建立完成，系统开始导航，请保持间距、控制车速！”；g.本体车cpu群车距阵列运算本体车上计算机cpu对周边群车辆进行车距阵列运算，一旦发生异常，本体车计算机系统发出预警、且上传；h．车辆群交流当周边车辆发生自燃、坠物、泄漏等异常情形，可实现车辆群之间的交流和呼叫。本发明采用激光鼠标定位和屏幕显示对应原理，利用原有高速公路自身建造座标作为行驶车辆定位参数，从而实现高速公路行驶车辆的高精度定位。传统的高速公路cad建造、设计，在建造项目完成后，所有的资料便进入了档案室，为的是日后的维护和存档，同样汽车制造也如此，整体车辆的所有参数更是不到质量出问题。一般是不会再去查阅原始数据的，本发明运用大数据理论，将这些已尘封于档案的原始数据，进行二次开发利用，以达到人们的终极目标——安全。附图说明图1为某段高速公路设计参数图；图2、图3为高速公路cad阵列座标图；图4为蓝影定位结构原理示意图；图5为本发明栅格定位（主视）示意图；图6为本发明栅格定位（俯视）示意图；图7为激光雷达测距定位原理示意图；图8为某段高速收费站前航拍实景图；图9为高速收费站栅格化定位实景图；图10为本发明显示屏群导航（俯视）示意图；图11为本发明结构原理流程图；图12为本发明车辆行驶矢量（俯视）示意图；图13为本发明车辆行驶矢量（偏向角）示意图；图14为本发明车辆行驶轨迹（正常变道）示意图；图15为本发明车辆行驶轨迹（“之”字形变道）示意图；图16为本发明车辆行驶轨迹（连续变道）示意图；图17为传统频谱识别技术阴影图像识别误差示意图；图18为卫星航拍拼接示意图；图19为本发明显示屏群导航（道路局部关闭）示意图；图20为本发明使用效果（闸机部分）示意图；图21为本发明使用效果（车载部分）示意图；图22为本发明使用分体结构（车载部分）示意图.其图中：1-座标电子桩；2-闸机；3-预埋式感应传感器；4-射频器（fr）；5-摄像机；6-收费亭；7-中心线；8-隔离墩；9-前置三维传感器；10-后置三维传感器。具体实施方式如图11所示作为本发明最佳实施例具体阐述实施方式：人们对于传统高速公路行驶状况的检测有：预埋式传感器、固定摄像头、直升飞机航拍、无人飞行器航拍和卫星航拍等技术手段，都普遍存在者诸多缺陷：1.像素高清图像与人眼识别密切相关，如果采用无人飞行器上的摄像头，必须考虑砸坏问题，所以不会采用价格很高的，相对应的像素也就不会很高（一般在几个k）;2.焦距由于是高速动态拍摄，难以定点和变焦，所以无论直升飞机和无人飞行器航拍的图像都会存在图像模糊的可能性;3.鱼眼效应由于凸透镜的光学效应，其广角的边缘都会产生图像的变形;4.行程限制无论直升飞机和无人飞行器的航拍，由于燃料、电源的制约，都会存在时空限制，航拍半径难以长距离;5.地域限制由于直升飞机和无人飞行器航拍的飞行高度限制，对于崇山峻岭的地理环境就难以适用，同时也由于《航空管理条例》，其适用将受到很大的制约。此外，直升飞机和无人飞行器航拍的飞行高度，还受到高压电网限制，一般高速公路的沿线都分布有高压输变电塔，尤其在山区二者间距是不适应飞行器飞行的;6.气候限制对于直升飞机和无人飞行器的航拍，气候因素十分重要，对于风雪雨天而言，航拍几乎是难以实现;7.旁光污染由于凸透镜的成像依赖于光学效应,对于环境的光污染无法过滤,最后都成像在合成图上;8.时间限制直升飞机和无人飞行器的航拍大都在白天，如果在夜晚则无法进行，尤其在缺少照明的飞行场合;9.色彩缺陷依赖于光学效应的图像识别，在色彩分辨上同样存在缺陷，众所周知大自然的彩虹和海市蜃楼效应，是由于不同介质、密度带来的光折射，如水、空气和玻璃（凸透镜），都会引起光谱频率的改变，日光在分解为七色时，赤橙黄绿青蓝紫的各色边缘，均呈渐变色，难以用固定的频谱识别仪器去加以区分，图17所示的是国外因图像识别引起的交通处罚误判案例，在该案例中，监控系统将车影误为车压线;10.成本限制预埋式传感器则是成本大，对于偏远山区、缺电的高速公路而言，难以推广和维护。本发明则采用数字化方法，将当今热门的ar（augmentedreality）增强技术应用于高速公路车辆定位，对于地域、气候等条件干扰因素都较传统技术手段来得少，其成像、定位精度都要比直升飞机和无人飞行器的航拍效果好（见图8、图10、图18）。对比三图，不难看出本发明的优越性：1．动态化本发明采用的是即时状况、毫秒级刷新、同构同态的技术手段，可使得每辆的驾驶员都能了解沿线路况和自身位置，而航拍图像还要传到交通管理中心，再通过电台广播粗略通报。不但时间上滞后，且其效果相差甚远。2．数字量化传统的技术手段大都只能定性，难以做到定量，如：某辆车抛锚在高速公路，其报警电话打到监管部门，首先车主对于自身位置便难以播报（尤其在夜晚），即便是在白天对于该路段的标记，大部分驾驶员也是不一定识别的到，从而会耽误很多时间，对于危及事故的处理造成延误,而本发明则可一键一秒钟搞定,无论是监控后台还是驾驶者本身都一目了然。3．车辆寻查我国的高速公路基本覆盖成网，对于盗抢、绑架等案发事件，一旦涉案车辆驶入高速，公安部门想要在短时间内找到该车辆，有时需要动用大量人力、物力在沿线摄像资料中一帧一帧的查看，无疑是大海捞针，时常徒劳而返。本发明对于驶入高速公路闸口的每辆车都实现了数字化定位，只要输入该车牌参数，便可快速在相关路段找到该车辆，即便是已经驶出高速公路网，也能查到该车的行驶轨迹。一、车辆在线定位在驶入闸口时，带有射频器（rf）闸口机，会自动激活群导航系统，确立初始座标(x0,y0)，图9为高速收费站栅格化定位实景图；因为存在着时间、距离上的差异，所以每辆出入各个闸机车辆，都具有唯一的<时机-距离>三维座标值(t0,x0,y0)，如以a1～a6车道为驶出车道，b1～b6为驶入车道，在t0时刻，其各车的初始座标分别为表1所示：表1传统车辆里程计算，采用了车轴传动计数方法，但实际车辆的行驶时，走的是平面曲线形里程，所以车辆实际行驶里程却要远大于道路设计里程。因此，采用传统直线运动计算方法：δs=vδt，对于厘米级定位标准而言，其累积误差是很大的，本发明利用原有的cad高速公路和汽车设计、制造精度，采用车身本体长度（l值）丈量的方法，对车辆的实际行驶里程，实施在线定位（见图12）；如前所述，高速公路建造时，利用了gps卫星静态定位，先以阵列式地桩座标确立中心线，随后以中心对称形式，向左右二侧确立双向车道，继而依次是划线、隔离和封闭，因此，高速公路上的隔离桩线、车道分隔线、封闭墩线，乃至电器、路灯、照明、控制的分布线，都与中心线呈异面平行，所以每个路段采用gps卫星矢量定位，便可确立该路段的中性线走向。在高速公路上快速行驶的车辆，理论上其行驶轨迹也都应是与中心线平行而驰（见图5、图6），然而与安全系数较高的高铁不同，高铁有轨道制约，而汽车则没有，它可以随意变道，绝大部分事故都是因变道所造成。本发明在车辆的轴心线上，前后各设置有一个三维测距传感器，根据前后x轴向二激光传感器可对左右二侧固定的隔离和封闭敦的测距值，确定车辆轴心线与高速公路中心线的异面夹角（偏向角）的β值、（x、y）座标值、车速、行驶里程等参数，与传统gps卫星定位、lbs基站定位不同，本发明为实时在线数据采样，没有前二者的波源性精度干扰因素，当车辆驶入高速公路闸口时，带有射频器（rf）闸机，会自动激活群导航系统，并对车辆输入(x0,y0)座标初始值，在车辆驶出高速公路闸口时，带有射频器（rf）闸机，会自动关闭群导航系统，并对车辆输入(xm,yn)座标终止值（见图9）。根据前后z轴向（对地）二激光传感器（蓝影定位模块）可对车辆在一定时间段内的变道次数、车速等参数实施采样和监控。前后y轴向二激光传感器用来安装时车辆轴心线的基准校正（见图22）。在《cn201620123453和cn201610087970一种基于gps和gsm平台的高速公路车载群导航系统》中，原先的车辆事故预警表2中，在引入上述β值后，便可即时显示车辆的在线姿态，得出下列表2：表2非停车区域气囊传感器电子陀螺仪双跳灯β值事故属性停车打开侧翻闪烁大于限定值撞车/翻车/故障/失控高速公路的随意变道、“之”字形驾驶、连续变道，都会给自身和其他车辆的行驶带来威胁，预示着事故的随时会发生；此外，现代车辆的刹车系统虽然都具备防抱死功能，为的是防止车辆在刹车制动时的侧翻和漂移，但究其制动方式而言，无论是气动还是液动，无论是后轮驱动还是四轮驱动，各车轮刹车时所受到的制动力，存在着力度和时间的差异，继而带来的是车辆的姿态和行进轨迹的改变；当高速行驶的车辆一旦发生爆胎、漂移、失控时，本能反应往往会促使驾驶员反向猛打方向盘，致使车辆以更大的偏向角（β），冲向隔离墩、侧翼车辆、逆行车辆，或翻下高架，酿成重大事故。当车辆的行驶轨迹都会发生剧烈变化，这时的计算机预警系统会根据β值所设定的限定值范围，向周边车辆发出事故警告，如:前方车辆已失控，减速—避让—停车！(见图13)在高速公路上行驶，心态良好的驾驶者，其车辆的行驶轨迹大都呈直线或是平滑曲线形系统便可通过速度（v）、单位时间(δt)、偏向角（β）、偏离值（δx）、发生频率、偏离幅度等参数，予以识别和监控，并向违规车辆发出警告：你已在短时间内连续（频繁）变道，系统将上传此次违章行为！二、测距传感器、测速传感器本发明栅格化定位方式，依赖于车载测距传感器、测速传感器对车辆左右和前后的精准测距、测速，它不仅反映出各个车辆间的行驶速度、里程和姿态；还有车辆在高速公路中的位置座标，表3显示的是1、2、3维激光雷达的部分功能及其应用，除了激光原理传感器，还有毫米波、微波、超声波等波源性传感器等，许多原用于军用、航天方面的传感技术手段，现在正逐步应用于民用产品（见图7）。三、导航地图现在导航仪器大都采用图像电子地图，如卫星航拍、飞机航拍、无人机航拍、车载全景拍等等（见图8、图18），不仅其中的高速公路图像分辨率受到限制，而且光学影像受到拍摄角度、阳光投影、板块拼接、立交覆盖等影响，品质不高（见图18中虚线圆标出），难以实现精准导航。本发明采用的是原始高速公路cad建造设计图，其不存在上述图像电子地图带来的技术缺陷,即便是遇到隧道、立交、桥梁、涵洞等覆盖建筑,也能做到精确显现和精准导航。四、道路预警当高速公路遇到突发事故、灾害性天气、公路保养和维护等原因，对道路实施临时关闭、改道等措施时，传统手段是配置大量人力、物力，上路进行疏导排堵，或是用电台广播、道路电子显示牌告知，往往效果不佳（如迷雾、雨雪天气）和信息滞后，车载群导航系统便可轻易解决这一难题，只要在路政检测公共平台上输入相关信息，将要经过该路段车辆上的车载显示屏上会立刻闪烁显示关闭警示，同时语音提示:前方1000米左侧车道施工关闭,注意警示标记!减速!改道行驶!从而确保了行驶车辆和施工作业人员的安全(见图19)。同样，对于通过手机或系统查询路况的未驶入该路段人员，可提前得知该路段关闭信息，从而避免道路拥堵现象的发生。五、座标校正由于高速公路在实际建造、维护、使用过程中，其各个参数存在着精度误差、沉降误差、修补误差、划线误差，车辆在高速公路行驶时，车载传感器所显示的参数，与原始高速公路cad设计图参数存在偏差，行驶里程越长，累积误差也会越大，本发明在有条件的地方，如服务区、弯道、匝道等车速较慢路段，且有电源处,设置用于校正座标参数的座标电子桩,座标电子桩的外形可以是龙门框架式或杆式，感应的形式可以是交互式或波源式。六、匝道口避险图11为本发明结构原理流程图，当驾驶者在驶入高速闸口前，系统会根据驾驶员输入的行驶目的地，下载对应的路段行驶数字地图，由于高速公路的出闸口500米距离为事故高发地段，系统在目的地匝道口前1000米向驾驶者通报：前方1000米已经到达目的地出匝道口，你可以修改和确认，请根据路况作出选择，可提前更改为下一出匝道口，如行驶至出匝道口前方500米内，你将无权更改，必须驶出匝道口，否则将视作违章上传！我国的汽车社会拥有量近2亿辆，高速公路总里程也已位居世界首位，高速公路在我国国民经济中，已占据重要地位，每天都有大量物资、人员在高速公路上流动，涉及到千家万户，每天又有许多交通事故发生在高速公路发生，仅2016年3月短短23天内，公诸于众的重大事故就有：2016年3月1日新疆乌鲁木齐至奎屯高速公路，约70辆车先后发生追尾事故，事故造成至少5人重伤多人轻伤。年3月19日晚8时30分左右，在京港澳高速公路发生一起油罐车爆炸事故，目前已经确认事故导致7辆车被毁，5人死亡，21人受伤，其中4人重伤。年3月19日，沪渝高速发生多处车辆连环相撞事故。事故现场连绵近1公里，100多辆车辆在多起相撞事故中不同程度受损。年3月23日，京昆高速四川广元段发生一起严重的多车追尾交通事故，造成7人死亡，6人受伤。生命不可重来，每年全球有120万人死于公路交通事故，其中有相当部分来自于高速公路，在每个事故的背后，都凝聚着家庭的不幸和社会财产的损失，无法挽回和弥补，本发明旨在最大限度地降低高速公路交通事故的发生率，拯救人类最宝贵的财富—生命！以上所述仅为本发明的一较佳实施例，不能以其限定本发明的保护范围,本发明还可有其他的结构变化,只要是依本发明的保护范围所作的均等变化与修饰,均应属本发明涵盖的范围内。。当前第1页12