一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法

1.本发明涉及一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，属于地图构建技术领域。


背景技术：

2.粮库、港口、园区、车间和仓储内部等限定场景中的物流需求快速持续增长，但是依靠有人驾驶转运的传统物流方式面临着招工困难、成本高昂等痛点。得益于数字地图与定位、感知预测、决策规划和控制执行等无人驾驶全栈技术的迅速发展，智能轮式移动平台在降低物流成本方面的优势不断增强。而且限定场景降本增效的需求迫切、人员安全因素及立法阻力较小、物流环境与任务较为简单，有利于多智能轮式移动平台无人物流系统的商业化落地。目前多智能轮式移动平台无人物流系统已被应用于港口、园区和仓储内部的转运任务，取得了显著的降本增效物流效果。
3.常用于无人驾驶的高精地图和常用于智能移动机器人的栅格地图均可用于限定场景多智能轮式移动平台的无人物流任务中。高精地图标注有车道级拓扑路网、交通标志和交通规则等详细行驶信息，但是制作成本高昂、标注方法与软件和存储格式多数为国外研发而面临着卡脖子风险。栅格地图按一定分辨率将环境分割为一系列可供导航的栅格。每个栅格的状态相互独立，可与二值占用变量或灰度值对应来表示该栅格是否被占用，被占用的栅格代表地图中的障碍物，空闲的栅格对应地图中的可通行区域，具有创建和维护较为简便、成本低等优点。但是在可通行区域内按照最短路径等约束条件规划的全局路径具有贴近障碍物等缺点，而且多智能移动平台的全局路径彼此无序随意交叉、缺乏一定的交通规则如靠右行驶交通规则、行驶混乱，导致碰撞风险提高、堵塞概率增大。所以，标注有拓扑路网的栅格地图的构建与提取是一个研发热点，通过对可通行区域进行适当约束与规范化，为智能移动平台提供符合一定道路行驶规则的引导信息。但是目前的栅格地图拓扑路网的构建与提取方法普遍存在着复杂度高、人力物力成本较高、场景适应性较低等问题，成为了制约限定场景多智能移动平台无人物流大规模商业化落地的阻碍。
4.例如，公告号为cn110132291b中国专利文件公开了一种用于港口的栅格地图生成方法、系统、设备及存储介质，可基于图纸数据快速准确地生成用于车辆自动驾驶导航的栅格地图。依据包含有港口坐标范围、车道坐标范围和车道参考线坐标范围的港口图纸数据，生成港口的栅格地图，将车道参考线上栅格的中心点坐标采用多项进行拟合并求导，得到参考线上各个栅格的航向角信息、曲率信息和曲率导数等，准确记录整个港口场景的交通网络，便于上层调度系统进行全局路径搜索和自动驾驶车辆进行局部路径规划。但是，该方案依赖包含车道和车道线信息的图纸数据，不适用于无法提供图纸数据的限定场景的栅格地图拓扑路网构建，也不适用于由不具有车道和车道线信息的非结构化道路构成的限定场景内栅格地图拓扑路网的构建，场景适应性较低。
5.此外，申请公开号为cn113405558a的中国专利申请文件公开了一种自动驾驶地图的构建方法及相关装置，根据人工驾驶轨迹数据和/或障碍物栅格图获得道路、路口和车道
信息，并进一步获得道路通行方向、车道通行方向和路口出入点信息；根据路口出入点信息生成虚拟拓扑中心线，构建车辆行驶过的区域的自动驾驶地图，为车辆提供符合行驶规则的引导信息。但是，该方案采用人工驾驶轨迹作为构建拓扑路网的基础数据，存在着随机性强、一致性差、人力物力成本高等缺点，而且对于限定场景而言，其拓扑路网的标注与信息提取较为复杂。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，以解决目前栅格地图车道中心线拓扑网络提取存在适应性差、提取过程复杂的问题。
7.本发明为解决上述技术问题而提供一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，该提取方法包括以下步骤：
8.1)获取栅格地图，在栅格地图中采用灰度值标注车道中心线拓扑网络，所述的车道中心线拓扑网络包括有车道中心线线段和连接点，任意两条车道中心线线段之间为平行或者垂直相交的关系，车道中心线线段由1个起始线段点和多个普通线段点组成，连接点为车道中心线线段之间连接点，连接点、起始线段点和普通线段点采用不同灰度值进行标注；
9.2)根据栅格地图内标注的连接点建立连接点信息库，连接点信息库中的连接点信息包括有连接点坐标；
10.3)遍历连接点信息库中的每个连接点，根据各连接点四个方向上的相邻栅格的灰度值确定中心线的起始线段点及其方向向量；
11.4)以起始线段点所在栅格作为车道中心线的起点栅格，沿着起始线段点的方向向量依次搜寻邻近栅格，根据邻近栅格的灰度值确定是否属于车道中心线点，以此建立车道中心线线段信息数据库，实现对栅格地图中车道中心线拓扑网络的提取。
12.本发明在栅格地图上运用不同的灰度值对车道中心线线段上的点以及车道中心线线段之间的连接点栅格进行标注，基于标注结果，建立连接点信息数据库和车道中心线线段信息数据库，利用建立的两个数据库即可实现车道中心线拓扑网络数据信息的提取，其中连接点信息数据库存储连接点坐标向量，车道中心线线段信息数据库存储车辆行驶方向向量和起始线段点与普通线段点的坐标向量。本发明利用灰度信息进行标注和信息提取，标注和提取过程简单、易行，可适用于具有横平竖直道路网络特性的地图构建，不依赖于车道和车道线，适应性强。
13.进一步地，所述步骤1)的标注过程如下：
14.对栅格地图进行编辑，采用第一灰度值标注出车道中心线线段上的普通线段点；
15.将车道中心线线段之间起连接或者交叉作用的栅格作为连接点，并采用第二灰度值进行标注；
16.将车道中心线线段的第一个栅格设置为该线段的起始线段点，采用第三灰度值标注出各车道中心线线段的起始线段点。
17.本发明在栅格地图上运用不同的灰度值分别对车道中心线线段上的起始线段点与普通线段点栅格和车道中心线线段之间的连接点栅格进行标注，使得后续车道线识别时只需要进行灰度值判断即可，大大提高了识别的效率。
18.进一步地，所述步骤3)中起始线段点及其方向向量的确定过程为：
19.提取连接点信息数据库中的第一个连接点及其坐标信息，
20.遍历该连接点左、上、右、下4个方向的相邻栅格，若该相邻栅格的灰度值不等于第三灰度值，则判定该相邻栅格不是起始线段点，继续探索下一个相邻栅格，直至探索完所有的相邻栅格；若存在有相邻栅格的灰度值等于第三灰度值，将该相邻栅格作为车道中心线线段的起始线段点；
21.将确定的起始线段点的坐标向量减去该连接点的坐标向量作为该起始线段点的方向向量。
22.进一步地，所述步骤4)中车道中心线线段信息数据库的建立过程为：
23.以确定的起始线段点为起点栅格沿着其方向向量依次搜寻邻近栅格，若该邻近栅格的灰度值等于第一灰度值，则判定该邻近栅格是普通线段点，提取该普通线段点的坐标并将该普通线段点的坐标信息计入该车道中心线线段内；若该邻近栅格的灰度值等于第二灰度值，则判定该邻近栅格是该车道中心线线段沿着该方向向量的末端连接点，停止该车道中心线线段的普通线段点搜索；若该邻近栅格的灰度值既不等于第一灰度值也不等于第二灰度值，则舍弃该车道中心线线段。
24.进一步地，所述步骤1)在标注过程中还包括在具有相对行驶方向的两个车道中心线线段之间采用第三灰度值标注出起始线段点，采用第一灰度值标注出普通线段点，分别组成两条具有相对行驶方向的u型转弯车道中心线线段。
25.本发明在标注过程中还考虑了u型转弯车道中心线线段，提高了后续对车道中心线线段识别的全面性和准确性。
附图说明
26.图1是本发明栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法的流程图；
27.图2是本发明实施例中标注出车道中心线线段的栅格地图；
28.图3是本发明实施例中设置有u型转弯车道中心线线段的栅格地图；
29.图4是本发明实施例中标注有连接点的栅格地图；
30.图5是本发明实施例中标注有车道中心线线段的起始线段点的栅格地图；
31.图6是本发明实施例建立有坐标系的栅格地图；
32.图7是本发明中连接点信息数据库的建立流程图；
33.图8是本发明中车道中心点线段信息数据库的建立流程图；
34.图9是本发明实施例中建立的连接点信息数据库示意图；
35.图10是本发明实施例中建立的车道中心点线段信息数据库。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
37.本发明在传统栅格地图上运用不同的灰度值对车道中心线线段上的栅格和车道中心线线段之间的连接点栅格进行标注，建立具有横平竖直连接特性的拓扑路网，然后根据栅格地图内标注的连接点建立连接点信息数据库；再遍历连接点信息库中的每个连接点，根据各连接点四个方向上的相邻栅格的灰度值确定中心线的起始线段点及其方向向量；最后以起始线段点所在栅格作为车道中心线的起点栅格，沿着起始线段点的方向向量
依次搜寻邻近栅格，根据邻近栅格的灰度值确定是否属于车道中心线点，以此建立车道中心线线段信息数据库，实现对栅格地图中车道中心线拓扑网络的提取。该方法的实现如图1所示，下面进行具体说明。
38.1.在栅格地图中标注车道中心线拓扑网络。
39.在栅格地图上标注车道中心线拓扑网络，该网络由车道中心线线段和连接点组成，线段由1个起始线段点和若干个普通线段点组成，按照靠右行驶交通规则该线段上第一个点设置为起始线段点，其余点均为普通线段点；连接点是线段之间连接的点。网络由3种不同属性的点组成，即连接点、起始线段点和普通线段点，并分别用除白色与黑色之外不同的灰度值标注，所有的点在栅格地图上均占1个栅格。
40.步骤101：标注车道中心线线段。
41.对栅格地图进行编辑，将可通行区域的栅格赋予白色(灰度值255)，障碍物区域的栅格赋予黑色(灰度值0)，采用灰度值a即第一灰度值标注出普通线段点，组成具有横平竖直的连接特性的车道中心线线段，即每2条车道中心线线段之间是平行关系或垂直相交关系，本实施例的编辑结果如图2所示。
42.步骤102：设置u型转弯车道中心线线段。
43.在车道中心线线段网络合适位置的具有相对行驶方向的两个车道中心线线段之间，采用灰度值a标注出普通线段点，分别组成2条具有相对行驶方向的u型转弯车道中心线线段，并与那两个车道中心线线段之间的夹角均为直角，本实施例得到的结果如图3所示。
44.步骤103：标注连接点。
45.本发明将车道中心线线段之间起到连接或交叉作用的栅格设置为连接点，将连接点采用灰度值b即第二灰度值进行标注，本实施例得到的标注结果如图4所示。
46.步骤104：标注车道中心线线段的起始线段点。
47.本实施例按照靠右行驶交通规则，将车道中心线线段的第一个栅格设置为该线段的起始线段点，采用灰度值c即第三灰度值标注出各车道中心线线段的起始线段点，得到的标注结果如图5所示。
48.步骤105：保存标注有车道中心线拓扑网络的栅格地图。
49.通过上述过程，可实现对栅格地图中车道中心线拓扑网络的标注，其中灰度值a、b和c均可以根据实际情况进行设置，只需要这三个灰度值不同即可。
50.2.基于标注有车道中心线拓扑网络的栅格地图进行车道中心线拓扑网络数据信息提取。
51.该步骤依据灰度值对应的栅格属性，通过提取连接点位置坐标信息并建立连接点信息数据库，通过提取各车道中心线线段的起始线段点和普通线段点及其位置坐标信息，计算各车道中心线线段的车辆行驶方向，以此建立车道中心线线段信息数据库。
52.步骤201：规定栅格地图平面直角坐标系。以栅格地图左下方为原点，宽度方向为x轴方向，高度方向为y轴方向，使得车道中心线线段与x轴保持平行或垂直的关系，本实施例建立的坐标系如图6所示。
53.步骤202：建立连接点信息数据库。
54.本发明基于步骤1标注的栅格地图进行连接点提取，将将栅格地图内灰度值等于灰度值b的栅格的坐标信息提取出来，提取出的栅格对应的点即为连接点，将提取出的信息
存储到连接点信息数据库，一条连接点信息数据由连接点编号、连接点x轴坐标和连接点y轴坐标构成。该步骤的实现流程如图7所示，对本实施例而言，获取标注有车道中心线拓扑网络的栅格地图，按照设定顺序遍历该栅格地图中的每一栅格，例如，可按照从上到下、从左到右的顺序进行遍历，判断每个栅格中的灰度值，记录灰度值等于b的栅格信息，灰度值等于b的栅格即为所要提取出的连接点，将连接点信息存储到一个数据库中，并对各连接点进行编号，形成连接点信息数据库，如图9所示，连接点信息数据库中包括有l个连接点，存储有每个连接点的x轴坐标和y轴坐标。
55.步骤203：建立车道中心线线段信息数据库。
56.根据提取出的连接点信息，基于连接点周围的相邻栅格的灰度值找到起始线段点，基于起始线段点和方向提取出车道中心线线段，该方法的实现流程如图8所示，下面进行详细说明。
57.首先获取连接点信息数据库和标注有车道中心线拓扑网络的栅格地图，从连接点信息数据库中提取第一个连接点及其坐标信息；遍历该连接点左、上、右、下4个方向的相邻栅格，若该相邻栅格的灰度值不等于灰度值c，则判定该相邻栅格不是起始线段点，继续探索下一个相邻栅格；若该相邻栅格的灰度值等于灰度值c，则判定该相邻栅格是起始线段点，提取该起始线段点的坐标并计算其方向向量信息，该起始线段点的坐标向量减去该连接点的坐标向量即为该起始线段点的方向向量，并将该起始线段点的方向向量设置为该起始线段点所在车道中心线线段的车辆行驶方向向量，将该起始线段点计入该车道中心线线段的起始位置。
58.然后以该起始线段点为起点栅格沿着该车辆行驶方向向量依次搜寻邻近栅格，若该邻近栅格的灰度值等于灰度值a，则判定该邻近栅格是普通线段点，提取该普通线段点的坐标并将该普通线段点的坐标信息顺序计入该车道中心线线段内；若该邻近栅格的灰度值等于灰度值b，则判定该邻近栅格是该车道中心线线段沿着该车辆行驶方向向量的末端连接点而不被计入在该车道中心线线段内，停止该车道中心线线段的普通线段点搜索，将包含有该起始线段点与普通线段点的坐标信息和该车辆行驶方向向量的该车道中心线线段信息保存下来，存储进车道中心线线段信息数据库；若该邻近栅格的灰度值既不等于灰度值a也不等于灰度值b，则舍弃该车道中心线线段。
59.按照上述过程遍历连接点信息数据库中的其余连接点，找到该连接点所连接的车道中心线线段，并将其保存车道中心线线段信息数据库。通过上述过程，本实施例得到的车道中心线线段信息数据库如图10所示，包括有提取出的多条车道中心线线段，每条车道中心线线段包括有车辆行驶方向向量(包括有x轴方向向量和y轴方向向量)、以及该线段上的起始线段点和普通线段点的坐标。
60.通过上述过程，本发明在栅格地图上运用不同的灰度值分别对车道中心线线段上的起始线段点与普通线段点栅格和车道中心线线段之间的连接点栅格进行标注，车道中心线线段的符合靠右行驶交通规则的车辆行驶方向由起始线段点到普通线段点的方向向量决定，构建具有横平竖直连接特性的车道中心线拓扑网络，并依据灰度值对包括连接点信息数据库和车道中心线线段信息数据库在内的车道中心线拓扑网络数据信息进行提取，其中连接点信息数据库存储连接点坐标向量，车道中心线线段信息数据库存储车辆行驶方向向量和起始线段点与普通线段点的坐标向量。

技术特征：
1.一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，其特征在于，该提取方法包括以下步骤：1)获取栅格地图，在栅格地图中采用灰度值标注车道中心线拓扑网络，所述的车道中心线拓扑网络包括有车道中心线线段和连接点，任意两条车道中心线线段之间为平行或者垂直相交的关系，车道中心线线段由1个起始线段点和多个普通线段点组成，连接点为车道中心线线段之间连接点，连接点、起始线段点和普通线段点采用不同灰度值进行标注；2)根据栅格地图内标注的连接点建立连接点信息库，连接点信息库中的连接点信息包括有连接点坐标；3)遍历连接点信息库中的每个连接点，根据各连接点四个方向上的相邻栅格的灰度值确定中心线的起始线段点及其方向向量；4)以起始线段点所在栅格作为车道中心线的起点栅格，沿着起始线段点的方向向量依次搜寻邻近栅格，根据邻近栅格的灰度值确定是否属于车道中心线点，以此建立车道中心线线段信息数据库，实现对栅格地图中车道中心线拓扑网络的提取。2.根据权利要求1所述的栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，其特征在于，所述步骤1)的标注过程如下：对栅格地图进行编辑，采用第一灰度值标注出车道中心线线段上的普通线段点；将车道中心线线段之间起连接或者交叉作用的栅格作为连接点，并采用第二灰度值进行标注；将车道中心线线段的第一个栅格设置为该线段的起始线段点，采用第三灰度值标注出各车道中心线线段的起始线段点。3.根据权利要求2所述的栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，其特征在于，所述步骤3)中起始线段点及其方向向量的确定过程为：提取连接点信息数据库中的第一个连接点及其坐标信息，遍历该连接点左、上、右、下4个方向的相邻栅格，若该相邻栅格的灰度值不等于第三灰度值，则判定该相邻栅格不是起始线段点，继续探索下一个相邻栅格，直至探索完所有的相邻栅格；若存在有相邻栅格的灰度值等于第三灰度值，将该相邻栅格作为车道中心线线段的起始线段点；将确定的起始线段点的坐标向量减去该连接点的坐标向量作为该起始线段点的方向向量。4.根据权利要求2所述的栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，其特征在于，所述步骤4)中车道中心线线段信息数据库的建立过程为：以确定的起始线段点为起点栅格沿着其方向向量依次搜寻邻近栅格，若该邻近栅格的灰度值等于第一灰度值，则判定该邻近栅格是普通线段点，提取该普通线段点的坐标并将该普通线段点的坐标信息计入该车道中心线线段内；若该邻近栅格的灰度值等于第二灰度值，则判定该邻近栅格是该车道中心线线段沿着该方向向量的末端连接点，停止该车道中心线线段的普通线段点搜索；若该邻近栅格的灰度值既不等于第一灰度值也不等于第二灰度值，则舍弃该车道中心线线段。5.根据权利要求2-4中任一项所述的栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，其特征在于，所述步骤1)在标注过程中还包括在具有相对行驶方向的两个车道中心线线段之间采
用第三灰度值标注出起始线段点，采用第一灰度值标注出普通线段点，分别组成两条具有相对行驶方向的u型转弯车道中心线线段。

技术总结
本发明涉及一种栅格地图车道中心线拓扑网络提取方法，属于地图构建技术领域。本发明在栅格地图上运用不同的灰度值对车道中心线线段上的点以及车道中心线线段之间的连接点栅格进行标注，基于标注结果，建立连接点信息数据库和车道中心线线段信息数据库，利用建立的两个数据库即可实现车道中心线拓扑网络数据信息的提取，其中连接点信息数据库存储连接点坐标向量，车道中心线线段信息数据库存储车辆行驶方向向量和起始线段点与普通线段点的坐标向量。本发明利用灰度信息进行标注和信息提取，标注和提取过程简单、易行，可适用于具有横平竖直道路网络特性的地图构建，不依赖于车道和车道线，适应性强。适应性强。适应性强。


技术研发人员：冯天培 张成龙 吴心平 郏国中 孙朋 陈新明
受保护的技术使用者：河南工业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/5