CN103370669B - 用于无人驾驶的机动的车辆自主的定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运用在无人驾驶的机动的车辆上设置的测距的传感器在已知的环境内部对车辆进行自主的定位的方法，传感器的测量方向或测量平面能通过至少一个传感器电机的驱动来改变，其中，该方法具有以下步骤：借助自然的地标创建环境的地图；确定预定的路线，车辆应沿着该路线运动；确定这些地标，其沿着预定的路线能用作定位辅助；当车辆沿着预定的路线运动时，运用检测预定的地标的传感器在不同的时刻扫描环境；以及通过比较检测到的地标与地图上标记的地标来定位车辆；其中，传感器电机的速度和/或旋转方向至少在仅具有少量预定的地标的环境区域内这样主动地控制，即传感器对准这些地标，以便确保对这些地标的检测。

Description

用于无人驾驶的机动的车辆自主的定位的方法
技术领域
本发明涉及一种运用至少一个传感器在已知的环境内部对无人驾驶的机动的车辆进行自主的定位的方法。
背景技术
这种方法在现有技术中在各种设计方案内是已知的。其用于，确定无人驾驶的机动的车辆的位置，由此能实现车辆的无人驾驶的导航。
这种定位方法例如用于仓储物流领域。在那里越来越多地使用无人驾驶的机动的车辆用于运输货物，以实现较高的自动化程度。
所存在的定位方法，使用附加的如反射器标志、导线、无线电台或类似物的安装形式的所谓的人工地标。这些人工地标这样放置在已知的环境内，在这些环境内部车辆应进行定位，即一方面为可靠的定位提供足够多的地标，然而另一方面使与地标定位随之出现的的安装和成本消耗尽可能地小。例如可以使用安装在车辆上的测距的传感器作为用于检测人工地标的传感器，例如以激光扫描仪的形式，其在使用传感器电机的情况下，均匀地围绕摆动轴线来回摆动。
相反，自主的定位方法不使用人工地标，而是使用自然的地标，如存在于环境内的几何结构件，如管道、梁、柱子或是类似的形式。通过这种方式，在不影响环境的情况下实现了高精度定位下的最大程度的灵活性。这特别是具有这一优点，即不用花费太多的时间和费用支出就可以改变车辆路线。这里同样可以使用安装在车辆上的激光扫描仪作为传感器，其在使用传感器电机的情况下，均匀地围绕摆动轴线来回摆动。
只要有足够的、可被相应的传感器检测到的自然的地标形式的环境信息，这种自主的定位方法就可以运行良好。当然，在实际中经常出现的情况是，一些环境区域只具有非常少量的可用于车辆定位的自然的地标。在这些环境区域中由此特别重要的是，能够有效地检测并使用这些少量存在的信息。通过所使用的传感器进行的按规定的地标的检测当然只有在相应的高测量数据密度下才能确保，由此这需要一定的持续时间。相应地，车辆的整个环境不是同时检测的，而是只能逐个地利用一定的时间偏差被检测。这会导致，一些环境区域由于车辆运动根本没有或至少不能充分地被检测到。换句话说可能发生的是，在没有检测的情况下驶过地标。在有足够地标的区域内，通常不存在问题。相反，在只有少量地标的区域内，没有检测地标会导致，车辆不能再进行定位，而这会导致车辆停车。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是提供一种前述类型的方法，这种方法确保，即使在一些只有少量地标的关键的区域内也能够可靠地检测，以便通过这种方式避免车辆停车。
为了实现该目的，本发明提供一种运用在无人驾驶的机动的车辆上设置的测距的传感器在已知的环境内部对车辆进行自主的定位的方法，该传感器的测量方向或测量平面能通过至少一个传感器电机的驱动来改变，该方法具有以下步骤：借助自然的地标创建环境地图；确定预定的路线，车辆应沿着该路线运动；确定这些地标，该地标沿着预定路线能用作定位辅助；当车辆沿着预定路线移动时，运用检测预定的地标的传感器在不同的时刻扫描环境；通过比较检测到的地标与地图上标记的地标来定位车辆；其中，传感器电机的速度和/或旋转方向至少在仅具有少量预定地标的环境区域内这样控制，即传感器主动地对准这些地标，以便确保对该地标的检测。换句话说，通过相应地改变传感器电机的速度和/或旋转方向，使传感器至少在仅具有少量预定地标的环境区域内主动引导并对准这些地标。通过这种方式确保关键的环境区域内的地标检测得到保证，因此，车辆不会丢失其当前位置。相应地，既不会出现车辆停车也不会出现车辆导航中止。
根据本发明的一个设计，使用在平面内测量的激光扫描仪作为传感器，该激光扫描仪的测量平面能通过传感器电机的驱动来偏转。通过电机运动和激光平面的组合，测量空间相应地被三维地检测到。
替代地使用单光束激光器作为传感器，该单光束激光器围绕两个摆动轴线摆动地固定在电机上。可替换地该单光束激光器的光束也通过能围绕两个摆动轴摆动地布置在电机上的镜子发生偏转。
优选地，在定位车辆时要考虑通过其它的传感器检测到的车速。在考虑到当前车速情况下，一方面可以非常准确地检测速度，传感器电机必须以这一速度来运行，以确保特定地标的可靠检测。另一方面，在不同的时刻进行的扫描可以通过这个车速在逻辑上彼此连接。
根据一个实施例，传感器电机的速度和/或旋转方向这样控制，即特别是在一段较长的持续时间内传感器至少将在仅具有少量预定的地标的环境区域内的地标与其它的地标相比更密集地扫描。通过测量数据密度的提高，车辆的位置不确定性的期望值可最小化，因为几何结构件或者说自然的地标的错误在测量数量增加的情况下可以减少。
相反，优选的是以较低强度考虑或根本不考虑得不到信息的区域。因此，不必要的测量的数量明确下降，检测到的测量数据的处理由此得以简化，因为通过仅考虑重要区域，对于车辆定位的计算范围缩小。
附图说明
本发明的其它的特征和优点将参照附图、借助下面的根据本发明的自主定位方法的一个优选的实施方式的描述而变得明确。附图示出：
图1是要进行定位的电机驱动的车辆的示意性的俯视图；
图2至图4是示意性的俯视图，借助该俯视图示出已知的自主定位方法的工作原理和随之出现的缺点；以及
图5至图8是示意性的俯视图，借助该俯视图示出根据本发明的实施方式的定位方法的工作原理和随之出现的优点。
在下面，相同的或是相同设计的组件使用相同的参考标号。
具体实施方式
图1示出了无人驾驶的机动的车辆10的示意性的俯视图，该车辆在已知的环境12内使用自主的定位方法来定位，该环境在此由两个彼此相对布置的壁14和16限制。车辆10的定位借助壁14和16形式以及环境12内的存在的几何结构件18a，b，c，d，e，f形式的，如管道、梁、柱子或诸如此类的自然的地标来实现。当车辆10在通过箭头20所指示的运动方向运动时，借助布置在车辆10上的测距的传感器22来检测这些自然的地标14，16，18a至f，该传感器涉及一种激光扫描仪。传感器22布置在传感器电机24上，使得其测量平面25通过传感器电机的驱动24能围绕没有详细示出的摆动轴线偏转。通过传感器22的偏转，如箭头26所示，环境12可相应地被三维地扫描，以便通过这种方式检测地标14，16，18。圆环28在此代表车辆10在x方向和y方向上的位置不确定性。
在一种已知的自主的定位方法中，用于检测地标14，16，18a至f的传感器电机24以恒定速度v0在箭头26方向上运行。在此这样选择速度v0，即传感器22利用足够高的数据密度检测区域12。换句话说，传感器22并不是随意地快速旋转，否则就可能无法检测地标18a至f。为了在环境12内定位车辆10，将所检测到的地标14，16，18与在事先创建的地图上标记的地标比较。通过这种方式可以导航车辆10。
在检测壁或者说地标14，16时，提供关于车辆10的y位置和方向的基本的定位信息。如果检测到地标18a至f，则提供关于车辆的x位置的基本的定位信息。
地标14，16的检测由于其扩展在本实施例中不是关键的。驶过而没有对地标进行检测是不可能的。这样在任何时候都可以进行y位置和方向的车辆定位。相反关键的是车辆的x位置的定位，如在以下的说明中所示。
由于车辆10的运动和以所需要的数据密度来进行环境扫描所需的时间，可能会发生的是，地标18a至f中的一些没有被检测到。这是这种情况，即当车辆10驶过地标18a至f中的一个时，传感器22刚好对准另一方向。因此相应的地标18a至f被“驶越”。在有足够多的地标18a至f的环境区域内，这是没问题的，因为足够的其它的地标18a至f被检测到，借助其车辆10可实现定位。相反，关键的是“驶越”仅具有少量地标的环境区域，如接下来借助图2至图4来说明。
图2至4示出了在扫描环境区域时的瞬间记录，在该环境区域中仅仅有一个单独地标18g，该地标可用于车辆10在该环境区域内部的定位。图1示出了在第一位置的、在箭头20方向上运动的车辆10，在该第一位置中传感器22对准壁14的方向。现在，如果车辆10从在图2中所示出的位置继续在箭头20方向上运动到图3所示出的位置，而传感器22在传感器电机24的控制下以恒定速度v0在箭头26方向旋转，这样在y方向的位置不确定性由于这一事实而得到改善，即与壁14之间的距离由传感器22检测到。相反，在x方向上位置不确定性增加，因为在这一部段中不能检测到地标。现在，如果车辆10从在图3中所示出的位置出发继续在箭头20方向上运动到图4所示出的位置，可以明确的是，地标18g被驶越，而其没有被传感器22检测到。在此x方向上位置不确定性这样增加，即车辆10在环境12内部的定位不再可能，因此车辆10停止。
这个问题通过根据本发明的自主的定位方法来解决，接下来将参照图5至图8、借助根据本发明的方法的实施例进一步阐述。
在根据本发明的自主的定位方法的第一步骤中，根据本发明的实施方式，环境12的地图借助存在于其中的自然的地标14，16，18得以创建。在进一步的步骤中，确定预定的路线，车辆10应沿着该路线在环境12内运动。由此确定沿着预定的路线的、可用作定位辅助的这些地标18。在此，鉴定关键的环境区域，在这些环境区域内仅仅存在少量预定的地标18。
从现在开始，车辆10在箭头20的方向上以均匀的速度沿着预定的路线运动，其中，传感器电机24以恒定速度v0运行，以用于传感器22的偏转。如果现在车辆10到达事先经过鉴定的关键的环境区域，在该区域内仅仅有少量地标（仅有一个单独的地标18g，如在图2中所示出的那样）那么传感器电机24主动地从速度v0加速到速度v1，使得传感器22明显更快地在箭头26的方向上旋转。在此，在y的方向上位置不确定性降低，如在图6中所示出的那样，而在x方向上位置不确定性增加，如之前已经参照图2和图3所描述的那样。在传感器22检测地标18g的那个时刻不久前，传感器电机24被重新主动地控制，以便速度v1减少到速度v2，其中v2小于v0。这导致，传感器22以极高的测量数据密度检测地标18g，从而使在x方向上位置不确定性极大地降低，如在图7中所示出的那样。在传感器22完成对地标18g的检测之后，传感器电机24被重新主动地控制，以便再次提高其速度，例如提高到速度v0，如在图8中所示出的那样。
应该清楚的是，为了确保地标检测传感器电机速度和传感器电机24的旋转方向都可以发生改变。可替换地传感器22也可以是单光束激光器，该单光束激光器围绕两个摆动轴能摆动地固定在电机上，或者该单光束激光器的测量光束通过能围绕两个摆动轴摆动地固定在电机上的镜子发生偏转。
与参照图2至图4所描述的方法相比，根据本发明的自主的定位方法的一个基本的优点在于，通过对传感器电机24的主动控制确保，即，使得在仅仅存在少量地标的环境区域内的地标也得到检测，使得车辆10在环境12内可以始终定位。车辆位置的失去以及与此相关的导航中断得以排除。为了地标的可靠检测，车辆速度在关键的区域的减速也是不必要的。在关键的环境区域内、在地标18g区域内，传感器电机的速度从速度v1降低到速度v2，能实现测量数据密度的提高，并且通过这种方式能实现相应的地标18g的可靠检测。传感器电机速度从v0到v1的提高，以及与之相关联的测量数据密度的降低导致，相应的环境部段以较低密度被扫描。这一点是没有问题的，因为对预定的路线预先进行的分析表明，当传感器电机24加速时，在传感器22所扫描的环境部段内不存在重要的地标18。在没有地标18的环境部段内，只要在y方向上位置不确定性不太大，也可完全取消扫描。对不必要的测量数据检测得越少，车辆10在环境12内部的定位就越快并且越简单。
如果车辆速度不是恒定的，那么该速度优选地由相应的传感器检测，例如使用检测车轮转速的传感器。在车辆10进行定位时，考虑当前检测到的车速。

Claims (6)

1.一种运用在无人驾驶的机动的车辆(10)上设置的测距的传感器(22)在已知的环境(12)内部对所述车辆(10)进行自主的定位的方法，所述传感器的测量方向或测量平面能通过至少一个传感器电机(24)的驱动来改变，所述方法具有以下步骤：
-借助自然的地标(14，16，18a至g)创建所述环境(12)的地图；
-确定预定的路线，所述车辆(10)应沿着所述路线运动；
-确定这些所述地标(14，16，18a至g)，所述地标沿着预定的所述路线能用作定位辅助；
-当所述车辆(10)沿着预定的所述路线运动时，运用检测预定的所述地标(14，16，18a至g)的所述传感器(22)在不同的时刻扫描所述环境(12)；以及
-通过比较检测到的所述地标(14，16，18a至g)与所述地图上标记的所述地标(14，16，18a至g)来定位所述车辆(10)；
其特征在于，所述传感器电机(24)的速度和/或旋转方向至少在仅具有少量预定的所述地标(18g)的环境区域内这样主动地控制，即所述传感器(22)对准这些所述地标(18g)，以便确保对所述地标的检测，其中，所述传感器电机(24)的所述速度和/或所述旋转方向这样控制，即在一段较长的持续时间内所述传感器(22)至少将在仅具有所述少量预定的地标的环境区域内的所述地标(18g)与其它的地标(14，16，18a至f)相比更密集地扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用在平面内测量的激光扫描仪作为所述传感器(22)，所述激光扫描仪的测量平面能通过所述传感器电机(24)的驱动来偏转。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用单光束激光器作为所述传感器(22)，所述单光束激光器围绕两个摆动轴线摆动地固定在电机上或所述单光束激光器的测量光束通过能围绕两个摆动轴线摆动地固定在电机上的镜子发生偏转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在定位所述车辆(10)时要考虑通过其它的传感器检测到的车速。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器电机(24)的所述速度和/或所述旋转方向这样控制，即与其它的环境区域相比，所述传感器(22)以较低强度扫描或根本不扫描那些没有预定的地标的不重要的环境区域。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器电机(24)的所述速度和/或所述旋转方向这样控制，即与其它的环境区域相比，所述传感器(22)以较低强度扫描或根本不扫描那些没有预定的地标的不重要的环境区域。
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