CN101408430A - 基于无源射频地标的汽车导航与自动驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于无源射频地标的汽车导航与自动驾驶系统。导航系统从地面信标读取车辆的位置信息，应用坐标算法实现车辆的导航。为实现对导航命令的响应从而实现自主行驶，在实施例中引入了一套自动驾驶系统，重点描述了各部分间的协同。本发明旨在综合利用软件与硬件手段实现可自动寻路与自动驾驶的半智能车辆。

Description

基于无源射频地标的汽车导航与自动驾驶系统

技术领域

本发明涉及一种汽车导航与自动驾驶系统，特别涉及一种基于无源射频地标的汽车导航与自动驾驶系统。

背景技术

目前用得最多的导航方式是GPS导航，而自动驾驶的研制也有应用GPS的趋势。而我国的民用GPS设备多数依赖进口，技术和经济上均受制于别人。

射频识别技术的发展使远距离无源射频识别成为可能，这意味着应用电感耦合技术可以实现阅读器从较远距离以外的无源应答器读取信息。这使得无源应答器作为地面信标成为可能。而主动安全技术在世界汽车领域的发展又为自动驾驶系统提供了坚实的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车导航与自动驾驶系统，同时提供导航算法与系统控制算法。

为实现导航，本发明提供了一套汽车导航系统，该系统包括射频地标识别系统、地磁传感系统；为实现对导航命令的响应从而实现自动驾驶，本发明又将磁道钉传感系统、动力控制系统、制动控制系统、转向控制系统、行人安全系统、距离传感系统和人机交互系统联系在一起构成一个整体。

本发明的特征在于采用了设置在道路交口的无源射频应答器作为地面信标，该地标内含有以坐标形式存在的位置信息、最大行驶速度信息、道路可行进方向信息以及道路曲率等信息。经过路口时，汽车上的阅读器可以读取这些信息。

导航有两种方式，第一种是指定路线，第二种是自动寻找路线。首先定制坐标系，设正东为X轴正方向，正北为Y轴正方向，以某地区中心为(0，0)点，规定X正方向为0度，角度逆时针为正。以米为单位将各路口相对于原点的坐标值依次记录在电子地图上并以特殊标记表示。向各路口的应答器写入位置、速度、方向、路况等信息。

若采取第一种方法，那么乘客先在电子地图上指定出一条特定路线。当阅读器将读取的位置坐标信息传递给计算机时，计算机将调用导航程序，其算法如下：设起点为A1，以下各路口记为Ai(i＝2，3，4......)，通过坐标值计算A(i+1)与Ai连线同X轴正向的夹角，当计算机将该夹角与地磁传感器方向信息对比后，指导行进方向。

若采用第二种方式，则完全由计算机指导行进路线，其算法如下：记终点为B，计算第i(i＝1，2，3，4，......)个路口Ai到B的连线的方向，并计算其与地面信标所给出的可行进方向的夹角，选出与连线夹角最小的行进方向为前进方向，待计算机将该方向与地磁传感器信息比对后，做出转向决策。

地面信标所包含的速度信息是必要的，它限制了汽车在特定路况下的速度，这对安全和舒适是十分重要的。

在有了导航系统后，为实现汽车自主运行，必须引入自动驾驶系统。这里要说明的是，本发明所涉及的自动驾驶的各个系统在国内外已发展得相对成熟或趋于成熟，本发明的目的不在于改进某个分系统，而是试图将它们结合在一起构成一个相互关联的整体。

加速度传感单元的引入是为了限制汽车在正常起停时的加速度，这对于提高乘坐的舒适性是大有帮助的。

下面将结合附图对实施例进行详细说明。

附图说明

图1是本发明导航系统和自动驾驶系统实施例的硬件组成示意图。

图2是坐标系和路口信标设置图。

图3是指定路线方式的导航算法流程图。

图4是自主寻找路线方式的算法流程图。

图5是转向响应流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对导航与自动驾驶系统进行详细说明。

以某城市的公路地图为例，设定中心，定制坐标系，设正东为X轴正方向，正北为Y轴正方向，规定X正方向为0度，角度逆时针为正。据测量和实际路况向各路口的无源射频应答器写入路口中心坐标值、可行进方向信息、速度信息和道路几何信息。由于写入的数据是一段连续的二进制码，所以事先定义每个字节的含义。

以图2为例，在圆形点1处向应答器存储芯片写入坐标值(m，n)，可行进方向90、180、270度，合理速度v和道路几何信息；在2点写入坐标值(m，n)，可行进方向30、180、270度，合理速度v’和道路几何信息。3、4点以此类推。在三角标记5、6、7、8处的应答器作为转向结束标记，写入新路况速度信息即可。待将整个城市道路的各个路口标定完毕，将结果录入数据库，地点名称与距其最近的路口的坐标值一一对应。

下面进行导航分析。导航有两种方式，第一种是指定路线，第二种是自动寻找路线。

若采取第一种方法，那么乘客先在电子地图上指定出一条特定路线，这条路线所经过的路口坐标值被从数据库中调出来，起点路口被系统标记为A1，以后各路口记为Ai(i＝2，3，4，......)。以下结合图3对导航过程进行具体说明。将车辆开至起始路口，启动自动驾驶。装载在汽车底盘的阅读器从应答器读取坐标、方向、速度等信息送至计算机，与此同时，计算机根据所选路线调出下一路口位置，并根据坐标值计算出行进方向，在将行进方向和电子罗盘的实时方向比较后做出转向响应。转弯结束后由转向结束应答器(图2中三角标志)重新规定速度。此后计算机操纵车辆寻磁道钉行驶至下一路口，重复以上过程，直至终点。

若采用第二种方式，则直接向系统输入目的地即可。下面结合图4说明。将车辆开至起始路口，启动自动驾驶。阅读器读取坐标、方向、速度等信息送至计算机，与此同时，计算机计算该路口与终点路口的矢量方向。选取与该矢量夹角最小的可行进方向为前进方向，并读取电子罗盘实时方位信息，由计算机控制转向系统完成转向，转弯结束后，由转向结束应答器重新规定行驶速度。此后车辆寻磁道钉行驶至下一路口，重复以上过程，直至终点。

在以上两种导航方式中都涉及到方向的计算和转向响应，下面分别说明。方向矢量与X正向的夹角是通过对坐标的计算实现的，因sinα＝Δy/|Δx^2+Δy^2|，cosα＝Δx/|Δx^2+Δy^2|，且规定矢量方向由现在坐标指向下一坐标(或终点坐标)，所以Δx＝x(i+1)-xi，Δy＝y(i+1)-yi。计算的各种可能性如下所示。

正弦值    余弦值     α取值范围    α值

sinα＞0  cosα＞0    0-90度       arcsinα+0

sinα＞0  cosα＜0    90-180度     arcsinα+90

sinα＜0  cosα＜0    180-270度    arcsinα+180

sinα＜0  cosα＞0    270-360度    arcsinα+270

sinα＝0  cosα＝1                 0

sinα＝1  cosα＝0                 90

sinα＝0  cosα＝-1                180

sinα＝-1 cosα＝0                 270

据此算法编程即可求得所需结果。

转向响应是指计算机根据车辆现在行进方向与新目标方向的角度差距，计算转向方向并对转向系统进行控制的过程。该过程主要涉及以下两个变量：现在行进方向与X正向的夹角α，新的目标方向与X正向夹角β。流程图如图5所示。编程时应注意，角度差值越大，转向角越大，控制转向机构的电机转过的角度应越大。应用过程中应根据实际情况，建立较为准确的数学模型。

在实际导航中还会遇到一些细节问题，以下补充说明。

红绿灯：在距离路口一段距离的地面设置无线信号发生装置，车辆经过时可以接收该信号。有信号时代表红灯，车辆停止；无信号时代表绿灯，车辆通行。

道路优先级：实际道路有多种形式，比如高速公路、环城路、主路、辅路等。采用自动导航模式时系统默认优先级是环路-高速路-主路，具体算法：定义环路为li(i＝1，2，3，......)，高速路为hi(i＝1，2，3，......)。当起点与终点坐标在坐标系平面拉成的矩形内包含这些道路的至少一对入口和出口坐标时，系统优先选择快速路线出行。

桥梁：桥梁定义为bi(i＝1，2，3，......)，实际运行过程中采用分段思想，寻找最近桥梁的入口与起点形成第一段路径；在出口和终点在之间建立第二条路径。

立交桥：大型立交桥事先定义在数据库中，在其入口处设置射频地标，存入行驶信息(可通向哪一方向，如要去该方向该如何行驶)。

死胡同：对于死胡同，应让系统忽略其存在，即在胡同路口处不再标定死胡同方向为可行进方向。

跨地区行驶：在不同地区行驶时，导航系统使用不同的地图。地区边界设置的射频应答器可以提示车辆调用相应地区的地图数据库。

虽然以上对典型问题进行了分析，但实际运行中不免还会遇到这样那样的问题。不过只要利用分段思想，大部分路径问题还是应该可以解决的。所谓分段思想就是将整个路径分为若干小段，最基本的单位就是两个路口间的路线。而特殊问题则需特殊对待，在任何需要的地方都可以设置地标，充分利用射频通信的灵活性。射频识别系统采用电感耦合技术，有效距离在1米左右，本实施例采用13.56MHz的频率。

以上是对导航系统的说明，接下来对自动驾驶部分进行说明。

首先介绍自动驾驶各个系统的构成及功能。

磁道钉传感系统：主要由磁传感器和模数转换器构成，为计算机提供车辆与道路中心线的偏差信息，为车辆寻磁线行驶提供实时横向位置信息支持。

动力与制动力控制系统：主要由节气门控制单元和制动力控制单元构成，二者受计算机协调，控制车速。

转向控制系统：主要由电机和光栅编码器构成，电机与转向机构相连，光栅编码器用于位置反馈。

行人安全系统：由红外监控系统来识别行人，并指导转向系统和制动系统实现对行人的躲避。

距离和速度传感系统：主要由超声测速测距传感器构成，用来保持车距。

人机交互系统：使用触摸屏，提供电子地图路线选择服务，个性化参数设置服务等。

各个系统并不孤立，其中转向系统和行人安全系统之间、距离速度传感系统和动力-制动力系统之间、射频地标识别和动力控制系统之间都存在信息共享与数据通信。本发明关心如何将磁道钉传感系统、动力控制系统、制动控制系统、转向控制系统、行人安全系统、距离传感系统和人机交互系统联系在一起并让它们协调地运行，所以这里就涉及到优先级仲裁，现阐述如下(由高到低排列)。

制动部分优先级：行人安全系统-距离速度传感系统-舒适加速度传感系统-磁道钉传感系统。

动力部分优先级：行人安全系统-距离速度传感系统-舒适加速度传感系统-磁道钉传感系统。

转向部分优先级：行人安全系统-磁道钉传感系统。

实施过程中要综合利用软件与硬件手段，实现各系统的协调工作，从而实现可自动寻路与自动驾驶的半智能车辆。

Claims (5)

1.一种基于无源射频地面信标的汽车导航与自动驾驶系统。为实现导航，本发明提供了一套汽车导航系统，该系统包括射频地标识别系统、地磁传感系统；为实现对导航命令的响应从而实现自动驾驶，本发明又将磁道钉传感系统、动力控制系统、制动控制系统、转向控制系统、行人安全系统、距离传感系统和人机交互系统联系在一起构成一个整体。本发明的特征在于采用了设置在道路交口的无源射频应答器作为地面信标，该地标内含有以坐标形式存在的位置信息、最大行驶速度信息、道路可行进方向信息以及道路曲率等信息。经过路口时，汽车上的阅读器可以读取这些信息。

2.根据权利要求1所述的导航系统，在指定路线模式下，乘客先在电子地图上指定出一条特定路线。当阅读器将读取的位置坐标信息传递给计算机时，计算机将调用导航程序，其算法如下：设起点为A1，以下各路口记为Ai(i＝2，3，4……)，通过坐标值计算A(i+1)与Ai连线同X轴正向的夹角，当计算机将该夹角与地磁传感器方向信息对比后，指导行进方向。

3.根据权利要求1所述的导航系统，在自动寻找路线模式下，完全由计算机指导行进路线，其算法如下：记终点为B，计算第i(i＝1，2，3，4，……)个路口Ai到B的连线的方向，并计算其与地面信标所给出的可行进方向的夹角，选出与连线夹角最小的行进方向为前进方向，待计算机将该方向与地磁传感器信息比对后，做出转向决策。

4.根据权利要求1所述的地面信标，其所包含的速度信息是必要的，它限制了汽车在特定路况下的速度，用于提高安全性和舒适性。

5.根据权利要求1所述的自动驾驶系统，加速度传感单元的引入是为了限制汽车在正常起停时的加速度，用于提高乘坐的舒适性。

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