收稿日期:2019 12 23;修回日期:2020 02 12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61803206);产业前瞻与共性关键技术重点项目(
BE2017008 2);南京林业大学青年科学创新基金资助项目(CX2018004);南京林业大学自制实验教学仪器项目(nlzzyq201827);江苏省高等学校大学生创新创业训练计划资助项目(2019NFUSPITP1106)
作者简介:肖广兵(1984 ),男(通信作者),江苏南京人,副教授,博士,主要研究方向为车载网络通信(kevin061084@hotmail.com);王蓝仪(
2000 ),男,河南南阳人,主要研究方向为汽车电子;孙宁(1979 ),女,辽宁沈阳人,讲师,博士,主要研究方向为智能交通运输;季淦(1994 ),男,江苏南通人,主要研究方向为汽车运用工程;张涌(
定位算法发散性研究
肖广兵 ,王蓝仪,孙 宁,季 淦,张 涌
(南京林业大学汽车与交通工程学院,南京210037)
摘 要:针对GPS信号弱或不可用场景下(如隧道、地下停车场等)智能车辆的高精度定位服务问题,分析了一
类基于车载网络通信(VANET)的无线定位算法,通过车辆—智能路基之间的信息交互,以解决现有车辆定位过程中有效精度低、抗干扰能力差等问题。但考虑到车辆移动造成的网络拓扑结构动态变化,车辆与智能路基之间的非对称通信时延往往被忽略,导致协同定位模型过于简化,造成车辆定位精度的损失。通过刻画车辆—智能路基之间的非对称通信模型,从数学角度分析验证了现有车辆协同定位算法的发散性。仿真结果表明,在不考虑非对称通信延迟的条件下,对车辆的定位误差会逐级收敛;但在考虑非对称延迟的条件下,则呈现指数级振荡发散。
关键词:车路协同;高精度定位;车载自组织网络;非对称通信时延中图分类号:TP391 文献标志码:A 文章编号:1001 3695(2021)02 040 0530 04doi
:10.19734/j.issn.1001 3695.2019.12.0687Divergenceofcooperativevehiclelocalizationinundergroundparkinglots
XiaoGuangbing
,WangLanyi,SunNing,JiGan,ZhangYong
(CollegeofAutomotive&TransportationEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China)
Abstract:Aimingattheproblemofhigh precisionlocationserviceofintelligentvehicleinthesituationofweakorunavailable
GPSsignal(suchastunnel,undergroundparkinglot,etc.),thispaperanalyzedakindofwirelesspositioningalgorithmbasedonVANET
,whichusedtheinformationexchangebetweenvehiclesandintelligentsubgradestosolvetheproblemsofloweffec tiveaccuracyandpooranti interferenceabilityintheexistingvehiclepositioningprocess.However,consideringthedynamic
changesofthenetworktopologycausedbyvehiclemovement
,theexistingresearchesoftenignoredtheasymmetriccommunica tiondelaybetweenvehiclesandintelligentsubgrades,whichledtotheover simplificationofthecooperativepositioningmodelandthelossofvehiclepositioningaccuracy.Bydescribingtheasymmetriccommunicationmodelbetweenvehicleandintelligentroadbed,itanalyzedandverifiedthedivergenceoftheexistingvehiclecooperativepositioningalgorithmfromamathematicalperspective.Thesimulationresultsshowthatthepositioningerrorofthevehicleconvergesgraduallywithoutconsideringtheasymmetriccommunicationdelay,butitshowsexponentialoscillationdivergencewithconsideringtheasymmetricdelay.Keywords:coope
rationinvehicle roadsideunit;high precisionpositioning;vehicularAdhocnetwork(VANET);asym metriccommunicationlinkdelay
0 引言
高精度定位技术作为未来智能汽车的重要发展方向,在降
低道路风险,提高智能出行的安全性和可靠性方面具有重要的研究意义。然而,在地下停车场等全球定位系统(globalposi tionsystem,GPS)信号弱或者信号缺失的环境下,可能会出现车辆定位偏差过大甚至无法定位的情况。如何在GPS信号弱或者信号缺失的室内环境中为智能车辆提供精准的地理位置服务已经成为当前车辆高精度定位技术的研究热点和难题。
目前主要依靠指纹定位的方法为智能车辆在室内环境下提供定位服务。指纹匹配方式定位方法建立在实验数据基础
上,主要包含离线建库和在线定位两个阶段[1]
。离线训练阶段主要通过采集指纹信息建立指纹库,而定位阶段则将实时采集的信号强度向量与指纹库进行匹配,以估计获得待定位节点
的位置坐标[
2,3]
。文献[4]提出了一种指纹定位参数滤波算法,能够实时去除接收信号强度中的(receivedsignalstrength,RSS)异常点,平滑RSS波形,提高定位精度。但考虑到RSS受环境因素影响明显,是一种不可靠的位置信号特征,容易在室内定位过程中引入较大的误差。
目前业内还提出了一类基于车载自组织网络(VANET)的车辆协同定位方法,即每辆车与智能路基等通过无线通信交互各自观测到的道路信息,并依据交互得到的信息对当前车辆定
位的结果进行修正,提高车辆定位的精度[5]
。由于此类方法
不依赖于G
PS设备且受周围环境因素的影响较小,即使在GPS缺失的条件下也能够有效解决车辆定位实时性低、有效精度差、抗干扰能力弱等问题。例如,文献[6]提出了一种协作定位技术,该技术融合了来自其相邻车辆和路边单元的定位信息以估计定位。为了应对未知且随时间变化的GPS测量条
第38卷第2期2021年2月 计算机应用研究
ApplicationResearchofComputersVol 38No 2
Feb.2021
件,文献[7]提出了一种集成的协作定位系统,将来自RSS的
观测和载波频率偏移自适应地融合到GPS信号中。
虽然利用车—车以及车—路之间的信息交互可以在不依赖于G
PS信号的室内环境下对车辆进行定位,然而现有的车—车以及车—路交互模型过于简单,未能考虑车辆在定位过程中由于地理位置移动所造成传输路径和接收路径的非对称性[
8],容易在协同定位过程中产生振荡发散。本文在建立车—路自组织交互模型的基础上,从数学角度刻画了车辆协同定位算法中的发散因子,阐明了在非对称传输路径下车辆协同定位过程中的发散特性。
1 系统模型
考虑一个GPS信号缺失的地下停车场,在停车场内安装
一个能够获得准确时间和自身地理位置信息的源节点S。假设在源节点S广播覆盖范围内包含n-1(n≥2)个车辆。每个车辆与源节点S均配备无线信号收发装置。车辆与源节点通
过自组织时分复用(
self organizedtimedivisionmediaaccess,STDMA)的方式以T为周期广播合作感知消息(cooperative
awarenessmessage
,CAM)。每个CAM消息包含当前车辆的瞬时速度、地理位置信息、本地信息发送时间等,用以实现源节点与车辆间的信息共享。同时,车辆通过累加法对当前的地理位置进行估计,并依据交互得到的信息对地理位置估计值进行修
正。考虑到国际车载自组织网络通信标准C
ITS以及IEEE802.11p对CAM消息传输实时性的要求,规定广播周期T≤
100ms。用无向图G=(V,E)来描述停车场内车辆与源节点之
间的网络拓扑结构,其中V={vi
|i≤n-1,n∈ +
}表示源节点广播覆盖范围内所有的车辆,边集E={(i,j)|i≤n,j≤n,i,j∈
+
}
表示在源节点广播覆盖范围内所有可实现信息交互的无线通信链路。定义t为真实时间,网络中所有节点维护一个线
性时钟[9,10]
:
τi(t)=αit+βi
(1)
其中:αi为本地时钟漂移;βi为本地时钟偏差。
以源节点S为原点建立二维平面坐标系,车辆vi在源节
点S的广播范围内运动,其中L^i(t)=[L^ix(t),L^
iy(t)]T为车辆vi在τi(t)时刻的二维(x、y轴分量)定位估计值,τi(t+)-τi
(t)=100ms表示车速的更新间隔,即为车辆的CAM消息广播周期。考虑到车辆vi的车速vi
(t)的更新间隔足够小,可认为更新间隔内车辆vi的车速vi(t)=[vix(t),viy(t)]T
保持恒定。定义mi(τi(t+
))为二维随机定位误差,则车辆vi的本地
定位估计值可以表示为
汽车漂移技术L^i(τi(t+))=vi(τi(t))·(τi(t+)-τi(t))+L^i(τi(t))+mi(τi(t+))(2)
在同一时间间隔内,源节点S对于车辆vi位置的观测值为
L^s(τs(t+))=vi(τi(t))·(τs(t+)-τs
(t))+L^s(τs(t))+ms(τs
(t+))(3)
由于路基S可以获得准确时间,所以可以认为其本地时间
为绝对时间,即τs
(tk)=tk
。此时式(3)可化简为L^s(t+)=vi(τi(t))·(t+-t)+L^s(t
)+ms(t+)(4)
故可认为源节点S对车辆vi位置的观测值为真实地理位
置改变值,车辆vi收到源节点S对于车辆vi位置的观测值后
对本地定位估计值L^i(τi(t+))进行调整,得到L^′i(τi
(t+))。对于任意给定的ε
>0,在t>0的条件下有‖L^s(τi(t+))-L^′i(τi
(t+))‖∞<ε(5)
则认为完成了对车辆vi的高精度定位。
2 敛散性分析
定义tk
为第k轮信息交互的绝对时间,只取x轴方向的定位估计,定义ΔL^sx(k)为(tk+1-tk)时间内源节点S对车辆vi地理位置改变值的观测值,ΔL^ix(k)为(tk+1-tk)时间内车辆vi地理位置改变值的估计值,则式(3)可转换为
ΔL^sx(k+1)=L^sx(tk+1)-L^sx(tk)=vsx(τi
(tk))·(tk+1-tk)+msx
(tk+1
)(6)
式(2)可化为
ΔL^ix(k+1)=L^ix(τi(tk+1))-L^ix(τi(tk))=vix(τi(tk))·(αitk+1-αitk)+mix
(tk+1
)(7)
在收到车辆vi的消息后,立即记录下对于车辆vi位
置的观测值,以(ΔL^sx(k+1),ΔL^
ix
(k+1))的形式记录在内存中。引入一个权重参数为ρη的低通滤波器。
ηk+1is=ρη·ηk
is+(1-ρη
)·ΔL^sx(k
)ΔL
^ix
(k)(8)
将式(5)(6)代入式(7)中可得
ηk+1is=ρη·ηk
is+(1-ρη
)·1
αi
考虑到由白噪声引起的随机定位误差无法消除,定义
ΔL^
′ix
(k)为第k轮本地定位改变值的调整值,且源节点S的观测值无须调整。当车辆vi接收到源节点S
的消息后,通过^αi(k+1)=ρc^αi(k)+(1-ρc
)ηkis(9)^oi(k+1)=(1-ρo)(L^sx(tk)-L^ix(τi(tk)))+^oi
(k)(10)
补偿车辆vi地理位置改变值的估计值的相对漂移量与相对偏
移量,其中^αi(k+1)为第k+1轮相对漂移量补偿,^oi
(k+1)为第k+1轮相对偏移量补偿,ρc与ρo为权重参数。定义dis(tk
)为第k轮信息交互中源节点S将消息发送给车辆的非对称随机通信时延,且为服从正态分布的有界
独立随机变量,则式(
6)可转换为ΔL^sx(k+1)=vsx(τi
(tk))·(tk+1-tk+dis(tk+1)-dis(tk))+msx
(tk+1
)(11)
源节点S与车辆vi在k
+1轮的地理位置改变调整值用向量表示为
L^is(k+1)=L^sx(k
+1)0
0
L^ix
(k+1
)·1
^αi
(k+1
)+0^oi
(k+1
)(12)
式(9)(10)可用向量形式表示为
^αi(k+1)=1^αi(k+1
)=10(1-ρc)ηk+1
isρ c
·
1^αi(k )(13)^oi(k+1)=0^oi(k+1 )=00(1-ρo)L^sx(k+1)(ρo-1)L^ix
(k+1
)·^αi(k)+101-ρo
ρ
o
·0^oi
(k
)(14)
令
Pc(k)=10(1-ρc)ηk
is
ρ
c
,Po=101-ρoρ
o
H(k)=0
0
(1-ρo)ΔL^sx(k
)(ρo-1)ΔL^ix
(k
)将式(13)(14)代入到式(12)中可得
L^is(k+1)=ΔL^sx(k
+1)0
0
ΔL^ix
(k+1
)·Pc(k+1)·^αi(k)+Po·^oi(k)+H(k+1)·^αi
(k)=·135·第2期肖广兵,等:基于车路协同的地下停车场车辆定位算法发散性研究
Po·L^is(k)+(ΔL^sx(k
+1)0
0ΔL^ix(k+1
)·Pc(k+1)+H(k)-Po·ΔL^sx(k
)0
0
ΔL^ix
(k
))·^αi(k)(15)
可得迭代关系式为
L^is(k+1)=Po·L^is(k)+f(k+1)·^αi
(k)(16)
考虑Po·L^
is
(k)的敛散性,令Po·L^is(k)=101-ρo
ρ
o·L^sx(k
)L^ix
(k
)=L^sx(k
)L^ix(k
)当L^is(k)满足对于任一常数ε>0都有‖L^
is
(k)‖∞<ε,则有
‖Po·L^is(k
)‖∞<ε(17)
考虑f(k+1)·^αi
(k)的敛散性,令f(k+1)·^αi
(k)=f(k+1)·1001α
i·100α i
·^αi(k)(18)定义
g(k+1)=f(k+1)·1001α
i,其中gij
(k+1)为g(k+1)中的元素,可得
存在一个常数M>0,对于所有的k>0均有
|(1-ρc
)·(ηk+1
isαi
-1)|·tk
-M≤|g11(k+1)+g12(k+1)-g21(k+1)-g22
(k+1)|≤|(1-ρc
)·(ηk+1
is
αi
-1)|·tk
+M
将式(8)递推可得
(1-ρc
)·(ηk+1
is
αi
-1)=1-ρcαi(ρk+1η-ρkηαi+(1-ρη)∑k+1l=1(ρk-l+1
η
·E(ΔL^sx(k))E(ΔL^ix
(k))))(19)考虑车辆读取本地定位估计值时不存在非对称随机通信
时延,将式(7)(11)代入式(19)中并化简可得
(1-ρc
)
·(ηk+1
is
αi-1)=1-ρcαi(ρk+1
η-ρk
η
αi
)+(1-ρη)∑k+1l=1
(ρk-l+1
η
)·dis(tk
)-dis(tk+1
)
T+dis(tk+1
)-dis
(tk
)(20)
用方差来描述其误差,有
D((1-ρc)·(ηk+1isαi-1))=(E((1-ρc
)2·(ηk+1
isαi
-1)2
)-E((1-ρc
)·(ηk+1
isαi
-1))2)12(21)
考虑到dis(tk
)是服从正态分布的有界独立随机变量,可得当k→∞时,D((1-ρc
)·(ηk+1
is
αi
-1))→2(1-ρc
)2
(1-ρ2η
)·((tk+1-tk)2+2槡
)
>0且为一常数,故此时|(1-ρc
)·(ηk+1
isαi
-1)|·tk
→∞,则|g11(k+1)+g12(k+1)-g21(k+1)-g22
(k+1)|→∞(22)
考虑fij(k+1)为f(k+1)中的元素,将f(k+1)·^αi
(k)其两行作差,由式(16)(18)可得,当k→∞时,
有|f11(k+1)+f12(k+1)-f21
(k+1)-f22(k+1)|(^αi
(k+1)+1)→∞(23)
结合式(16)(17)(23)可得
当k→∞时,|L^s(τi(tk))-L^
′i(τi
(tk))|→∞,即存在非对称随机通信时延时,该算法无法完成对车辆的高精度定位。
3 实验与仿真
3 1 实车道路实验
考虑在一个如图1所示的地下停车场进行车辆定位的实
车道路实验。其中位于停车场矩形长边的中心位置,车辆沿着虚线路径驶离停车场。车辆装备无线接收装置,与通
过周期性广播C
AM消息的方式进行无线协同定位。车速v均值为10km/h,车辆与之间的非对称随机通信时延d彼此相互独立。定义平均定位误差(meanpositioningerror,
MPE)[11,12]
对车辆与协同定位过程中的误差进行分析,具体公式为
MPE=
1n∑ni=0
(xs-^xi)2+(ys-^yi
)槡2(24)
其中:n为参与无线协同定位的车辆总数;xs与ys分别为
在x轴方向上与y轴方向上的定位观测值;^xi与^yi分别为车辆
在x
轴方向上与y
轴方向上的定位估计值。图1 地下停车场中车辆与的协同定位
Fig.1 Cooprativepositioningofvehiclesandbasestations
inundergroundparkinglot
如图2所示,设定车辆的起始位置为(0,0),绘制车辆的
真实行驶轨迹如红实线所示,实测得到每轮交互定位所产生的平均误差MPE如蓝点所示(见电子版)。
!"
#$%$
&$'$$
(&)('$$'$
&$%$
*)+$$,'),&)
-"
图2 车辆行驶轨迹(红实线)和平均定位误差(蓝点)
Fig.2 Vehicledrivingtrajectory(redsolidline)and
averagepositioningerror(bluepoint)
实验结果表明,在地下停车场中,使用该算法对车辆定位
时,其平均定位误差沿车辆的运动轨迹发散。3 2 定位性能仿真
为验证无线定位算法在非对称通信路径(时间延迟)下的性能,利用MATLAB对车辆的协同定位算法进行仿真验证。考虑将模型建立为包含一个和一个车辆的无线交互网络。
与车辆之间分别以1
00ms为周期进行CAM消息广播,通过彼此之间状态信息的交互进行协同定位。设置车辆以36km/h的速度做匀速直线运动,与之间的非对称随机通信时延分别为毫秒级d2≤10ms,微
秒级d3≤10μs,与无通信时延d4=0s。定义车辆的起始位置为(0,0),车辆的本地时间漂移速度αi=0.9866,初始偏移量βi=0.5。其产生的平均定位误差分别如图3(a)~(c)所示。
通过比较分析图3
(a)~(c)可以看出,当车辆与路基之间·235·计算机应用研究
第38卷
存在非对称通信时延时,平均定位误差沿车辆的运动轨迹呈指
数级振荡发散,不符合车辆高精度定位服务的要求。随着非对称随机通信时延的增加,平均定位误差的发散趋势也随之增加。仅在理想情况下,即当车辆与路基之间不存在通信时延时,平均定位误差为稳态且收敛至厘米级。
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054/012,
图3 非对称随机通信时延下车辆的平均定位误差
Fig.3 Averagevehiclepositioningerrorunderasymmetricrandomcommunicationdelay
4 结束语
本文研究了对于存在非对称通信时延的情况下,基于车载
自组织网络的无线协同定位技术在地下停车场中的应用。通过建立车—路协同交互模型,刻画了无线定位算法中的发散因子,证明了由于网络拓扑结构在车辆行驶过程中随时改变引起的随机通信时延,会导致定位误差在同步过程中振荡发散,为实现GPS信号缺失环境下移动节点的高精度定位提供了解决思路。参考文献:
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·
335·第2期肖广兵,等:基于车路协同的地下停车场车辆定位算法发散性研究
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