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V2X場景下UWB的融合應用

發布時間:2019/5/31 0:00:00 瀏覽次數:3150

4G改變生活,5G改變社會,我們現在談AIOT都離不開5G。未來沒有5G萬萬不能,但5G也不是萬能的。在車聯網領域,V2X是對5G應用的補充,5G推動邊緣計算,邊緣計算使V2X進入實用期,V2X使道路智能化,道路智能+車輛智能=準自動駕駛。V2X允許車輛通過通信信道彼此共享信息,它可檢測隱藏的威脅,擴大自動駕駛感知范圍,能預見接下來會發生什么,從而進一步提升自動駕駛的安全性、效率和舒適性。車輛位置感知是實現V2X實際應用的關鍵,特別是V2X應用于自動駕駛領域,高精度定位是V2X使用的基礎。


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V2X本質上是一種位置服務,位置信息在整個V2X是應用的基礎。V2X(V2V,V2I)系統中,首先需要確定車輛終端的位置信息,獲得與位置信息相關的服務(如基礎設施狀態、臨車狀態等)。與移動互聯網LBS相比, V2X對位置的精度要求更高,也只有通過精確的定位信息才能獲得對應的服務。位置越精確,服務越精準。

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實際工作場景中,如高樓林立的十字路口、樹木茂密的區域、高架橋下\立交橋下、長隧道、室內停車場、惡劣天氣等環境下,車輛終端接收不到導航信號、或者信號很弱。由于無法部署RTK基站,缺乏高精度位置信息的支持,因此V2X也不是萬能的。智能車定位目前主流的方法GPS+IMU+RTK,90%以上的智能車就是這個方案。


 

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V2X下位置信息缺失的場景


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衛星信號缺失或弱小的原因


RTK(Real - time kinematic,實時動態)工作原理:載波相位差分技術,是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法,將基準站采集的載波相位發給用戶接收機,進行求差解算坐標。能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法,它采用了載波相位動態實時差分方法,是GPS應用的重大里程碑。在已知精準的地點安置參考接收機基準站,如圖所示,安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛星后便可進行三維定位,解算出基準站的測量坐標。然后我們通過測量坐標與已知坐標對比可以計算出誤差?;鶞收驹侔颜`差值發送給方圓100公里內的差分GPS接收器,去糾正它們的測量數據。但V2X應用的重要場景,交通十字路口,高樓林立、樹木茂密,恰恰無法安裝部署RTK基站,也就無法提供高精度實時位置信息。多路徑問題是指由于GPS信號的反射與折射造成信號傳播時間的誤差,這會導致定位的錯誤。特別在城市的環境中,空氣中有許多懸浮介質會反射與折射GPS信號,另外信號也會在高樓大廈的外墻發生反射與折射,這些都造成距離測量的混亂。

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IMU是可以檢測加速度與旋轉運動的傳感器。長距離隧道,IMU慣性傳感器也無法提供。由于制作工藝的原因,慣性傳感器測量的數據通常都會有一定誤差,如偏移誤差、比例誤差、背景白噪聲。為了糾正這些誤差,我們必須對慣性傳感器進行校準,找出偏移誤差、比例誤差,然后使用校準參數對慣性傳感器原數據進行修正。但復雜的是,慣性傳感器的誤差也會隨著溫度而變化。即使我們校準得再好,隨著時間的推進,位移的誤差還是會不斷積累,所以我們很難單獨使用慣性傳感器對無人車進行定位。隨著RTK大量部署,使用費用也將大幅度降低,新能源車安裝北斗/GPS+IMU+RTK將成為是標配。

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采取“分級定位”策略,引入主/輔定位參考信號P-PRS和S-PRS,P-PRS信號以周期性方式進行發送,獲得“時間差TOA”估計值;而S-PRS以超低功耗持續發送,獲得“連續相位估計值”;TOA估計值與相位估計值進行聯合運算,實現精準定位。今后隨著5G大面積部署,基于5G無線接入網的高精度定位技術成為5G拓展應用的使能技術,可在智慧物流、智慧農業、智慧交通等5G場景適配多種終端,實現基于5G蜂窩系統的厘米級定位能力,但這還需要很長一段時間去完善、去部署。

因此目前將用于室內厘米級定位精度的UWB技術使用到車輛上,就是滿足V2X對高精度位置信息缺失區域,提供高精度導航,實現自動駕駛的最有效、最現實、最可靠、最經濟的位置補充方案。

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                                                                                 UWB網絡拓撲圖

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UWB與V2X融合拓撲圖

第一個場景:平面道路交叉(即十字路口)

此場景是車輛最多,交通事故頻發、行駛緩慢的區域而造成堵車,堵車的一個重要原因是因為對車道的利用率不高,主要表現在:一、因交叉路口要等紅綠燈。二、車行速度因堵而過慢,因慢而造堵。紅綠燈的時間不能根據車流量和潮汐特點自動調整時長,加劇堵車現象。2020年中國汽車保有量將超過1億,目前路上行車有70%都是私家車,其中70%在早晚高峰期又只是一個人駕駛,這些車輛占用了50%的交通資源,但只運送了不到5%的出行者,這是對有限道路資源的浪費,如何提高十字路口的通行率是關鍵。十字路口的車都不肯走,是中國城市堵車的最大特點。開車走在十字路的交叉路口。前邊車流受阻。后續而來的車輛一定強行沖過綠燈。停泊在十字路口的中央,堵塞左右來車。這種堵塞現象,應該說比比皆是。在缺乏警察與適當監管的十字路口,往往容易形成擁堵。原因很簡單,即每位駕駛者都按照自己的邏輯,爭取在最短的時間和最佳的空間通過。

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每年,十字路口交通碰撞事故占美國總交通碰撞事故的近40%,占交通致死人數(3.5萬人)的近20%。2019年5月16日,深圳一輛轎車行駛時失控,撞向安全島,造成過街行人3人死亡、1人重傷、5人輕傷等嚴重后果。2019年5月21日,廣州一輛轎車在十字路口肇事車輛闖紅燈并撞上行人及兩輛汽車。據初步了解,事故造成13人受傷,其中2人傷勢較重。

在安裝V2X設備的十字路口,“智能十字路口”技術利用安裝在十字路口的攝像頭及V2X通信相結合,使車輛能夠在看到建筑物及墻壁周邊的道路情況,適用于全天候環境,旨在幫助駕駛員識別潛在的危害并給予警示。配備該系統的兩輛汽車也可相互警告不在視野范圍內的危險。汽車可以通過分析駕駛員輸入的信息,如轉彎信號、剎車或加速,將車主的意圖傳達給其他車輛或行人。也可以向其他車輛發送一系列警告,包括當直行的汽車可能對試圖超車的車輛造成危險時,警告車輛不要超車。具體場景體現在視線不良的情況下轉彎、通過視線不良的十字路口、道路施工警告和輔助轉向等功能。

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    安裝有V2X設備的連續十字路口,同時可以很好實現綠波帶功能,滿足安裝有V2X設備的特種車輛(如救援車、120救護車、消防車等)快速駛過,提高車輛通行效率。綠波帶就是在指定的交通線路上,當規定好路段的車速后,要求信號控制機根據路段距離,把該車流所經過的各路口綠燈起始時間,做相應的調整,這樣一來,以確保該車流到達每個路口時,正好遇到“綠燈”。

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第二個場景:高架橋(立交橋)

高架橋下是導航信號很弱,甚至沒有信號,也就無法給出位置信息,更別說位置精度了。在山城重慶有個五層立交8方向,傳說中的高德、百度導航軟件在此都要失靈,不說外地司機,就是本地人都會迷途。

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    因此再橋上關鍵位置部署UWB基站,安裝有UWB車載標簽的車輛(今后的導航信息中UWB與北斗都是無縫切換的,車載設備可同時輸出時間戳與坐標值)能清晰識別出左右上下的方向,從而提高車輛通行速度,減少交通事故發生。

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第三個場景:長隧道

車輛在短時間內經歷明亮和昏暗兩種環境轉換,光線變化很容易導致事故發生。且隧道內,光線較弱,GPS/北斗信號消失,這也對路徑識別、車輛定位提出挑戰,與此同時長隧道導致IMU慣導誤差增加而定位導航失效。

隧道部署UWB基站,給車輛提供厘米級的定位精度,賦能V2X。同時把發生交通事故的位置等信息借助V2X發到隧道外面的交通顯示屏幕上,及時通知隧道外面的車輛注意減速避讓。

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第四個場景:自動駕駛場景

自動駕駛場景對位置精度要求更高,沒有位置精度,即使依賴攝像頭視覺也不能保證車輛完全安全行駛。在密林區域、高樓林立的城區、長隧道、室內泊車、機場、園區等低速場景,導航信息弱甚至沒有,同時兼顧低成本的考慮,UWB都是很好的選擇,尤其是現在能讓自動駕駛落地的AVP場景,目前“智能的車+智慧的路”是個很好的嘗試。

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第五個場景:大彎道越線超車/越道超車

彎道超聲、越道超車,都由于視線的遮擋,無法知曉對方的位置,從而導致車禍的發生。在彎道的V2X路側RSU設備部署UWB,安裝UWB車載標簽的車輛,通過TOF測距,知曉車輛各自位置及前方來車信息,做好防范預警。在直行并道超車,前后三車都安裝UWB標簽,通過TOF測距,知曉車輛各自位置及前方來車信息。

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第六個場景:室內UWB與V2X應用融合場景

在此場景下,安裝有UWB標簽/V2X的車輛進入安裝UWB基站車庫,通過V2XRSU設備下載獲取本車庫高精度地圖,完成定位、軌跡規劃、路線導航、空閑車位選取、地鎖開啟,完成自動泊車等功能。同時對于多進出口的停車場,通過V2XRSU設備獲取進口/出口附近的交通信息,了解交通流量狀況,選取沒有車輛堵塞的進口/出口離開或進入,避免車輛在進口/出口處滯留,加劇干道、支路的交通擁堵。

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精位科技2012年開發出國內第一套具有自主知識產權的UWB定位系統-“位RU高精度定位系統和設備”,可深度定義相關參數,滿足客戶對精度的極致需求。2017年開發出全球第一套主動定位系統--“尋ME移動互聯定位系統”,徹底顛覆傳統UWB定位系統的工作方式,無限容量,厘米級定位精度,與移動互聯網深度融合。2018年完成了UWB與北斗的融合定位,實現室內室外定位無盲區的商用。2019年3月開發出國內第一顆UWB定位芯片-“精位一號JW3401”(全球第二顆)。目前精位科技針對自動計時開發出專門的車載終端,具備航向角和自我解算,在多家車廠實現主動駕駛系統的部署,為AVP規模商用提供高可靠、低成本、車規級的UWB產品和方便快捷部署的解決方案。


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