Lanelet2 学习笔记

Posted 2023-02-02 taotao1233

之前做的L2项目，都是高速、高架场景，地图传输格式ADASISv3就够了。现在要推广到城市场景，原来的框架或协议可能不够用了，所以打算学习下Lanelet2这套新的高精度地图框架。

参考资料：

• Lanelet2: A high-definition map framework for the future of automated driving
• Pathfinding and Routing for Automated Driving in the Lanelet2 Map Framework
• Lanelet Primitives
• Lanelet Maps

现有地图格式框架的问题

在自动驾驶领域，高精地图常被应用于以下几个方面：

 比如：

• 对于定位问题和地图验证，需要依赖路面元素的位置，比如地面标记，交通牌，马路沿线。
• 对于行为决策，需要依赖于特定车道下的交通信号灯。
• 对于交通参与者运动的预测，必须先知道适用于它们的交通规则，明天这些目标接下来可能往哪这里运动，而不是单单借助于传感器感知，不然对于行人运动预测来说是不可能的。
• 对于路径导航，需要清晰的知道道路链接拓扑关系以及交通法规限制。

以往的地图框架，比如openstreetmap(OSM)，采用自上而下的设计思路。道路road被一条虚拟车道中心线center line表达。它已被广泛使用于导航设备。其他车道信息，比如交通线和道路边界的位置，都以属性的形式附加到这条中心线上。

随着ADAS需求的增加，越来越多的属性将被增加。这使得地图信息极度复杂且无法直接被表示。比如，路边目标的绝对位置，只能通过中心线左右边界的偏移量以及道路宽度间接推算出来。如果是十字路口，没有中心线的，那将变得更加困难。 作者认为opendrive也有同样的问题。

Lanelet2 组件及概念

Lanelet2主要包含如下图层：

• physical layer 包含真实的，所有可以被观测到的地图元素，比如路面标记、交通灯、路边石头等等。
• relational layer 包含所有对pyhical layer元素的抽象表述，比如对于车道的交通规则，这样所有的地图信息都有道路实体元素承载。
• topological layer 邻居关系和上下文关系，通过relational layer隐式获取。

上述层级结构主要由Points, linestrings, polygons, lanelets, areas and regulatory elements 共六个元素表达，每个元素的实体都拥有独立的ID号，数据属性通过键值对储存。

Points

包含ID， 3D坐标和属性。关于高程，天朝图商不让发布高程信息，所以可以采用2.5D的形式，主要用于区分隧道和桥梁，一般的路面高程为0，碰到隧道或桥梁，可以设置为1，表示这里有新的图层，这对于路径规划很重要。

另外，单个点是没有意义的，在lanelet2中必须同其他对象一起使用才有意义。

point可以由osm格式中的node表示。

Linestrings

也被认为是多项式曲线，由一系列的point通过线性插值表达，如下图所示。linestring由三个绿色的point经过插值后表达。包含ID，类型，以及point数组。 

lanelstring可以由OSM格式中的way来表示。

Polygons

多边形同linestring类似，只是它构成了一个区域，言下之意是它的point数组中，第一个point和最后一个point是相互链接的。它通常被用于描述自定义区域或交通牌。

它同样可以由OSM中的way表示。

Lanelets

lanelet 是对车道的原子描述。原子意味着交通规则在这条lanelet上不会改变。

lanelet可以有OSM格式中的relation表示，包含多种way以及交通元素

lanelet由左右边界构成，边界由linestring表达，同一条车道的两条linestring方向必须相同。另外lanelet还包含车道中心线，且默认是单向的。相邻的lanelet需要共享linestring。

每个lanelet可以绑定交通元素，比如限速、限行

如下图所示，9个点，三条linestrings构成了两条Lanelets，包含2个ID，以及车辆可以通信的标记

Areas 

area同lanelet的区别是，area可以用于表达无向的交通环境(比如停车场)，而lanelet只能表达有向的交通环境。同一个area内的交通规则不可更改。

Area内部运行有空洞，表示改区域不可访问。但是空洞内部不允许有别的area或linestring

area由一组linestring按照顺时针顺序描述，如下图所示，ID 126和 ID 127是两片用于停车的区域。 

Regulatory element

交通元素被lanelet或area索引，用tag表示具体的交通规则。如下图所示，交通元素ID 126为红绿灯。

下面是一则综合案例，表达了6个元素与3个图层之间的关系。

Lanelet 距离公式理解

如何计算lanelet外一点X距离该lanelet的距离？

给定外点X，其坐标(x,y)已知，假设linestring的端点b和t的位置和梯度方向也是知道的。

我们知道lanelet是有多个points的线性插值得到polyline表述，我们无法知道X到这条polyline的解析解（缺乏polyline的曲线系数）

 为此，我们对梯度方向和位置同时插值有下式：

另外，根据向量关系有：

同时，我们知道垂直约束关系：

 假设在原点(0,0)，坐标为(l,0)，它们对应的梯度方向为(1,)和(1,)，那么联立上面所有公式，整理得到变量为：

 有了这个插值比例后，我们就知道了，从而可以知道模长，也就是距离。