一种面向AR-HUD导航的引导线生成方法及系统与流程

本发明属于车载导航与增强现实显示，尤其涉及一种面向ar-hud导航的引导线生成方法及系统。

背景技术：

1、随着智能驾驶技术和车载人机交互技术的不断发展，抬头显示（head-updisplay，hud）系统逐渐应用于汽车驾驶辅助领域。hud系统能够将车速、导航信息等关键驾驶信息投射至驾驶员前方视场范围内，使驾驶员在无需低头查看仪表盘或中控显示屏的情况下即可获取相关信息，从而减少视线转移，提高驾驶安全性和驾驶便利性。

2、在传统hud技术的基础上，增强现实抬头显示（augmentedrealityhead-updisplay，ar-hud）进一步引入增强现实技术，通过将虚拟导航路线、车道引导线、交通标志等信息与真实道路场景进行空间叠加，使导航信息能够以与实际道路位置相对应的方式显示在驾驶员前方视场中，从而提高导航信息的直观性、可理解性以及人机交互体验。

3、在ar-hud导航系统中，地理坐标信息的空间映射与可视化渲染是实现增强现实导航显示的关键技术之一。现有的ar-hud导航系统基于车端采集或云端提供的车道线、经纬度、道路拓扑、停止线等高精道路要素，结合gnss、rtk、imu和路径规划，当车辆到达对应位置时触发并投射相应ar元素。如车辆行驶在路口场景时，ar-hud导航系统根据高精度地图中已知路口的车道数量、左转专用道位置、停止线、转弯曲线及出口道路拓扑，结合rtk高精定位确定车辆所在车道；在车辆接近路口时，将左转箭头和引导轨迹准确投射到左转车道，并连续延伸至转弯后的目标车道。

4、因此现有的ar-hud导航系统在实际应用时，需要依赖专门采集的高精度地图，以及依赖高精地图覆盖与持续更新，尤其是车辆行驶在转弯路口、环岛路径等环境时；再者高精gnss/rtk的硬件和运维成本较高；在实际应用时的适应性较差。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种不依赖高精度地图且适用性强的面向ar-hud导航的引导线生成方法。

2、本发明的第二目的是提供一种面向ar-hud导航的引导线生成系统。

3、技术方案：本发明公开的一种面向ar-hud导航的引导线生成方法，包括以下步骤，

4、获取沿目标行驶路线的完整的原始路径规划数据，并对原始路径规划数据进行预处理，获得目标路径规划数据；目标路径规划数据包含沿目标行驶路线按行驶顺序排列的所有路径节点，以及路径节点在wgs-84大地坐标系下的节点地理坐标；

5、车辆动态行驶过程中以车辆当前时刻所在位置为原点建立车辆坐标系，综合车辆在wgs-84大地坐标系下的地理方位角和车辆imu测量的偏航角，构建路径节点在wgs-84大地坐标系与车辆坐标系之间的坐标转换关系式；

6、从目标路径规划数据中提取车辆当前时刻所在道路段以及车辆即将驶入的下一道路段的所有路径节点，构成前方路径节点序列；基于坐标转换关系式计算前方路径节点序列中各路径节点在车辆坐标系下的局部平面坐标；

7、基于前方路径节点序列中各路径节点的局部平面坐标，将前方路径节点序列中各路径节点从车辆坐标系映射至车辆前视相机的像素坐标系上，对路径节点进行插值和曲线拟合，在像素坐标系中生成连续的导航引导线；

8、采用逆透视映射将航引导线映射至hud显示平面，实现虚拟导航信息与真实道路场景的叠加显示。

9、进一步的，对原始路径规划数据进行预处理的方式如下：

10、实时获取车辆当前时刻的前方路径节点序列；

11、提取与前方路径节点序列中各路径节点关联的导航引导信息；

12、基于前方路径节点序列中各路径节点的节点类型，将路径节点标记为对应的引导场景；

13、删除前方路径节点序列中重复的路径节点；

14、对前方路径节点序列中缺失属性的路径节点进行补全或默认赋值。

15、进一步的，构建路径节点在wgs-84大地坐标系与车辆坐标系之间的坐标转换关系式的方式如下：

16、实时获取车辆当前时刻在wgs-84大地坐标系下的车辆地理坐标，且，其中表示车辆当前时刻的经度，表示当前时刻车辆的纬度；

17、以车辆当前时刻所在位置为原点建立局部东北天坐标系enu，其中东向为e轴正方向，北向为n轴正方向；

18、基于路径节点的节点地理坐标与车辆当前时刻的车辆地理坐标，计算路径节点和车辆在局部东北天坐标系enu下的平面位移；平面位移的计算公式如下：

19、，

20、，

21、其中指地球半径；其中表示第i个路径节点的经度，表示第i个路径节点的纬度，表示目标路径规划数据中的第i个路径节点在wgs-84大地坐标系下的节点地理坐标；指第i个路径节点相对于车辆当前位置的东向平面位移；指第i个路径节点相对于车辆当前位置的北向平面位移；

22、实时获取车辆当前时刻在wgs-84大地坐标系下的地理方位角，通过车辆imu的陀螺仪积分得到车辆当前时刻的偏航角增量，综合地理方位角和偏航角增量计算得到车辆当前时刻的航向角；

23、基于当前时刻的航向角和平面位移建立节点地理坐标与局部平面坐标之间的坐标转换关系式；坐标转换关系式如下：

24、，

25、其中指第i个路径节点在车辆坐标系的x轴上的坐标，指第i个路径节点在车辆坐标系的y轴上的坐标，第i个路径节点的局部平面坐标为；表示车辆当前时刻的航向角。

26、进一步的，计算得到车辆当前时刻的航向角的方式如下：

27、获取车辆前一时刻的航向角和当前时刻的偏航角增量，并综合二者计算车辆当前时刻的预测航向角，计算公式如下：

28、，

29、其中表示当前时刻k的预测航向角，表示前一时刻的航向角，表示由陀螺仪积分得到的当前时刻k的偏航角增量；

30、结合前一时刻的航向角、当前时刻的偏航角增量和预测航向角，计算车辆当前时刻的航向角，计算公式如下：

31、，

32、其中，表示车辆当前时刻的航向角；表示权重，；用于将角度误差约束至区间。

33、进一步的，将前方路径节点序列中各路径节点从车辆坐标系映射至车辆前视相机的像素坐标系上的方式如下：

34、获取车辆前视相机安装在车辆上的外参参数，基于外参参数将路径节点从车辆坐标系转换至前视相机的相机坐标系，获得路径节点的平面坐标；

35、获取车辆前视相机的内参矩阵，基于内参矩阵将路径节点从相机坐标系转换至前视相机的像素坐标系，获得路径节点的像素坐标。

36、进一步的，对路径节点进行插值和曲线拟合的方式如下：

37、当相邻两个路径节点之间的距离大于预设阈值时，按照固定步长进行插值，从而生成多个中间路径点，所有的路径节点和中间路径点沿目标行驶路线排列构成导航路径点序列；

38、对导航路径点序列进行曲线拟合，生成平滑的导航引导线；其中导航引导线包括直线引导线、转弯引导线和环岛引导线；采用bezier曲线生成直线引导线。

39、进一步的，生成转弯引导线的方式如下：

40、基于车辆当前行驶状态和前方路径节点序列中路径节点的类型，判断是否满足生成转弯引导线条件；若不满足生成转弯引导线条件，则继续生成直线引导线；若满足生成转弯引导线条件，则执行以下步骤生成转弯引导线；

41、将当前时刻车辆所在道路记为第一道路，车辆转弯后进入的道路记为第二道路；

42、从目标路径规划数据中获取第二道路包含的所有路径节点的节点地理坐标；

43、基于坐标转换关系式计算第二道路包含的所有路径节点在车辆坐标系下的局部平面坐标，将局部平面坐标转换为像素坐标系下的像素坐标；计算第二道路包含的所有路径节点的像素坐标的平均值；

44、车辆处于第一道路时，以为起点、为控制点、为终点生成bezier曲线，其中d为固定值表示前视相机到车辆前机舱盖的距离；bezier曲线为车辆处于第一道路内的转弯引导线；

45、车辆进入转弯路口区域时，以为起点、为控制点、为终点生成bezier曲线，其中；bezier曲线为车辆进入转弯路口区域时的转弯引导线；

46、车辆驶入第二道路时，导航引导线逐渐过渡为直线引导线，并与第二道路的车道中心线对齐，引导车辆平滑并入第二道路。

47、进一步的，判断是否满足生成转弯引导线条件的方式如下：

48、当前方路径节点序列中某路径节点的节点类型为转弯时，设置引导车辆由当前直线路段行驶至下一个转弯路口的引导预留时间；

49、基于车辆所在道路的当段道路距离s、车辆行驶在当前直线路段的平均速度v、引导预留时间，计算预设距离；

50、基于预设距离、车辆与下一个转弯路口之间的基准距离判断是否满足生成转弯引导线条件，当基准距离大于或等于预设距离时，判断不满足生成转弯引导线条件；当基准距离小于预设距离时，判断满足生成转弯引导线条件。

51、进一步的，生成环岛引导线的方式如下：

52、当前方路径节点序列中某路径节点的节点类型为环岛时，获取车辆当前时刻所在位置的车辆地理坐标、环岛入口节点的节点地理坐标，基于转换关系式计算当前时刻环岛入口节点在车辆坐标系下的局部平面坐标；

53、基于环岛入口节点的局部平面坐标计算车辆与环岛入口节点之间的距离dis；直至距离dis小于预先设定的阈值距离时，车辆进入环岛路径跟踪阶段；

54、车辆进入环岛路径跟踪阶段时，获取车辆当前时刻所在位置的车辆地理坐标，基于坐标转换关系式计算当前时刻环岛入口节点在车辆坐标系下的局部平面坐标，将环岛入口节点的局部平面坐标转换为像素坐标系下的像素坐标；

55、以为起点、为控制点、为终点生成bezier曲线，其中d为固定值表示前视相机到车辆前机舱盖的距离；；bezier曲线为车辆进入环岛路径跟踪阶段时的环岛引导线；

56、车辆进入环岛路径后，从目标路径规划数据中获取环岛路径的多个路径点并记为环岛路径节点；获取车辆当前时刻的车辆地理坐标，基于坐标转换关系式计算当前时刻各环岛路径节点在车辆坐标下的局部平面坐标；

57、在车辆坐标下对所有的环岛路径节点进行最小二乘圆拟合，得到拟合圆的方程；其中为拟合圆的圆心，为拟合圆的半径；

58、将拟合圆的方程展开得到，将环岛路径节点的局部平面坐标代入，基于代入计算结果并采用最小二乘法计算得到参数d、e、f；且，；

59、获取环岛出口节点的节点地理坐标，基于坐标转换关系式计算当前时刻环岛出口节点在车辆坐标系下的局部平面坐标；将车辆当前位置在车辆局部坐标系中的局部平面坐标记为；

60、计算车辆当前位置相对于拟合圆圆心的极角，；计算环岛出口节点相对于拟合圆圆心的极角，且；

61、基于极角和极角计算车辆当前位于与环岛出口节点之间的圆心角，并将该圆心角记为剩余圆心角，剩余圆心角的计算公式为；

62、当剩余圆心角大于或等于90°时，生成标准90°的圆弧导航引导线，并将标准90°的圆弧导航引导线作为环岛引导线；当剩余圆心角大于60°且小于90°时，车辆进入出口过渡阶段，并基于剩余圆心角对圆弧导航引导线的圆心角进行缩减；

63、其中对圆弧导航引导线的圆心角进行缩减的方式如下：

64、将剩余圆心角由弧度转换为角度值，转换计算公式为；

65、设置角度缩放系数，且；

66、综合剩余圆心角及其角度值设置圆弧显示角度控制规则：；其中表示最终的圆弧显示角度；

67、与最终圆弧显示角度对应的ar引导圆弧表示式为，其中；剩余圆心角大于60°且小于90°时，将ar引导圆弧作为环岛引导线；

68、车辆驶出环岛时，导航引导线逐渐过渡为直线引导线，并与环岛出口节点连接的车道中心线对齐，引导车辆平滑并入车道。

69、基于同样的发明构思，本发明还公开一种面向ar-hud导航的引导线生成系统，包括，

70、数据获取单元，获取沿目标行驶路线的完整的原始路径规划数据，并对原始路径规划数据进行预处理，获得目标路径规划数据；目标路径规划数据包含沿目标行驶路线按行驶顺序排列的所有路径节点，以及路径节点在wgs-84大地坐标系下的节点地理坐标；

71、坐标转换单元，在车辆动态行驶过程中以车辆当前时刻所在位置为原点建立车辆坐标系，综合车辆在wgs-84大地坐标系下的地理方位角和车辆imu测量的偏航角，构建路径节点在wgs-84大地坐标系与车辆坐标系之间的坐标转换关系式；

72、数据提取单元，从目标路径规划数据中提取车辆当前时刻所在道路段以及车辆即将驶入的下一道路段的所有路径节点，构成前方路径节点序列；基于坐标转换关系式计算前方路径节点序列中各路径节点在车辆坐标系下的局部平面坐标；

73、引导线生成单元，基于前方路径节点序列中各路径节点的局部平面坐标，将前方路径节点序列中各路径节点从车辆坐标系映射至车辆前视相机的像素坐标系上，对路径节点进行插值和曲线拟合，在像素坐标系中生成连续的导航引导线；

74、引导线映射单元，采用逆透视映射将航引导线映射至hud显示平面，实现虚拟导航信息与真实道路场景的叠加显示。

75、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明不需要专门采集的高精度地图，而是采用现有技术中常规导航地图提供的路径规划数据作为主要导航输入，结合车辆在wgs-84大地坐标系下的位置、车辆imu和车辆前视摄像头，在路口、环岛等场景根据常规导航地图和实时感知生成ar引导，实际应用时的适用性强。