CN104460361A - 车辆自动运动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自动控制系统，其移动车辆使得所述车辆可以连接到工具。车辆具有对电子输入信号作出响应的推进和转向控制装置。可见目标被安装在工具上。安装在车辆上的照相机产生目标的图像。运动控制单元接收和处理该图像，并且根据该图像生成被传递到推进和转向控制装置的车辆移动命令。运动控制单元包括连接至照相机的感知器、连接至感知器的控制器、和连接至控制器以及连接至推进和转向控制装置的车辆/操作员界面。所述感知器捕获来自照相机的图像，使得图像不失真，并且搜索目标。如果发现所述目标，则感知器重新获取车辆姿态信息并且向控制器发送所述信息。

Description

车辆自动运动控制系统
技术领域
本公开内容涉及一种系统，该系统感测被牵引的工具上的目标，并且自动地控制车辆的转向和移动，以将车辆与将被连接到该车辆上的诸如货车或拖车之类的被牵引的工具对准。
背景技术
在作业车辆的操作过程中，通常需要将被牵引的工具连接至定位在车辆的后部处的联结器(hitch)。或者，可能需要相对于割台单元定位联合收割机。将车辆与工具手动地对准可能需要很多时间和精力，这依赖于操作员控制车辆的技能和操作员观察工具榫舌和车辆牵引杆(drawbar)二者的能力。特别是诸如农业拖拉机之类的大型非公路用车辆，操作员的视场可能被阻碍，使得操作员可能不会观察到榫舌和/或挂钩中的任一个或二者。可以期望具有基于通过一个或多个照相机获得的图像来使得该对准过程自动化的电子控制机构的系统。
发明内容
根据本发明的一方面，一种系统包括被安装在车辆上的一个或多个照相机。照相机产生将连接至车辆的工具上的目标的图像。图像处理器单元处理所述图像和其它的信息，并且控制系统自动地控制车辆的转向和移动，以将车辆与工具对准，使得工具可以连接到车辆。该系统将车辆的联结器与被牵引的工具(如将被连接的货车或拖车)对准。当联结器与被牵引的装置的榫舌对准时，车辆自动停止。这减少对操作员的技能要求并且克服视场限制。
附图说明
图1是拖拉机和连接到拖拉机的工具的简化示意性侧视图；
图2是安装在图1的工具上的目标的正视图；
图3是用于控制图1的拖拉机的移动的控制系统的示意性框图；
图4是图3的感知器的示意性框图；
图5是图3的控制器的示意性框图；和
图6是图3的操作员界面的流程图表征。
具体实施方式
参见图1，诸如农业拖拉机的牵引车辆10具有用于连接到工具14的常规联结器11和/或牵引杆12。目标16被安装在工具14上，以能够从车辆10的方向观察到目标16。目标16优选地围绕枢轴18可枢转地安装在工具14上，枢轴18具有与工具14的前后轴线横向交叉的枢轴线。一对照相机20和22被安装在牵引车辆的后上部上。优选地，照相机包括近视场照相机20和远视场照相机22。优选地，目标16具有用于容易识别角落位置的棋盘图案。
可以使用多种类型的照相机，如CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)。照相机输出可以是数字的或模拟的，彩色的或单色的。照相机应该具有高的动态范围，使得其可以在最亮的操作条件和最暗的操作条件下成功地捕获目标图像。照相机的视场应该足够大，以能够识别位于从车辆至工具的最远距离和最近距离处的目标。如果单个照相机的视场不能覆盖全部距离范围，则可以使用第二个照相机。优选地，照相机是高清晰度彩色数码照相机。
来自照相机的输出信号被硬件装置和相关联的软件转换成数字格式，用于进行进一步的图像处理。依赖于照相机的输出信号，图像捕获硬件可以具有不同的变种，如ADC(模数转换器)，使用标准协议中的一个标准协议的直接物理接口(即，Camera Link、Firewire(火线接口)、USB等)。数字信号处理器(DSP)或其它的数字处理器用于图像处理。
如最佳地在图2中所示，目标具有可以由照相机20和22观察到或感知的具体的设计或图案。例如，该形式可以是图2所示的棋盘图案。
此外参照图3，近视场照相机20和远视场照相机22连接至电子控制单元(ECU)30。ECU处理来自照相机20和22的图像，并且生成促使拖拉机移动至允许工具14连接到拖拉机10的位置的拖拉机移动命令。ECU30被编程以操作感知器(perception engine)32、控制器34和机器/车辆和操作员界面36。感知器32处理来自照相机20和22的图像，并且生成相对的(拖拉机与工具)姿态信息，包括3维位置(x、y、z)和3维旋转(偏转、纵倾和侧倾)。相对的姿态信息随后被控制器34处理。控制器34的输出进一步地被机器/车辆和操作员界面36处理。可选的惯性导航传感器38可以向控制器34提供偏转角速度、加速度和纵倾速度信息。惯性传感器38可以在ECU 30的内部或外部。诸如ISO11783或SAE J19239总线40之类的数字数据通信总线将界面36连接至操作员显示器42、连接至控制拖拉机10的转向的常规的车辆转向控制器44、以及连接至控制拖拉机10的移动的常规的车辆推进控制器46。
照相机20和22可以是以电线连接至ECU30的可购买到的构件，或其可以是专用的并结合在ECU壳体(未示出)中。优选地，照相机应该具有HDTV的速度和分辨率。远视场照相机22可以看得更远以识别工具，并且从距该工具更长的距离和横向偏移量开始自动连接操作。当拖拉机10靠近工具14时，近视场照相机20将提供较高的定位精度。
现在参照图4，感知器32包括被主动地训练或编程以识别定位在工具14上的目标16的尺寸、几何形状、和/或颜色的图像处理软件。图像处理软件还能够校准由于照相机光学元件和制造公差引起的图像误差和失真。
感知器32包括接收来自照相机20和22的图像的图像捕获过程50。图像由于图像未失真过程52而未失真。该未失真过程52发现图像像素坐标和照相机坐标系中对应的坐标之间的关系。该过程还可以校准由光学元件导致的几何失真。使用两组参数：固有的照相机参数和失真系数。这些参数通过使用诸如经典的黑白棋盘之类的已知图像图案基于标准的照相机校准过程而获得。固有的照相机参数仅与照相机相关(焦距f、透镜畸变)。固有的照相机参数被存储在存储装置中，并且当图像处理程序开始时被加载。
由变换数据计算过程54获得和计算变换数据。该过程发现照相机坐标系中的坐标和真实世界坐标系中的对应的坐标(即，目标物体的位置和定向)之间的关系。该关系被非固有的照相机参数(平移矩阵和旋转矩阵)限定。非固有的照相机参数可以存储在存储装置中，或者可以使用校准面板在现场操作过程中获得非固有的照相机参数。非固有的照相机参数与照相机安装位置和被选择的真实世界坐标系相关。当照相机在操作过程中移动时，该照相机必须被再校准以获得一组新的非固有的照相机参数。
过程56确定图像中的初始的感兴趣区域(ROI)。过程58随后搜索ROI中的目标16。该过程根据车辆10和目标16之间的现有的(相对的)位置来计算平移矩阵和旋转矩阵。该过程58基于感兴趣区域(ROI)产生子图像，将子图像的图像转换成黑白图像，发现目标图案的角落的像素坐标，改进角落的像素坐标，估算非固有的照相机参数(平移矩阵和旋转矩阵)。因为目标物体具有与用于校准的一种图案类似的棋盘图案，因此用于发现该目标的功能非常类似于之前步骤中的照相机校准程序。
如果未发现目标，随后步骤60指示该过程返回至图像捕获过程50。如果发现目标，随后步骤60指示该过程与过程70和72二者并行。
过程70更新ROI并且指导该过程返回至图像捕获过程50。为加速图像处理，系统不处理来自照相机或多个照相机的整个图像。而是，系统仅处理仅包括目标16的图像的ROI。因为车辆10相对于目标16移动，因此视场(FOV)不断地改变。因此，FOV由以下算法确定：
Xmin_new＝Xmin_old-dX
Xmax_new＝Xmax_old+dX
Ymin_new＝Ymin_old-dY
Ymax_new＝Ymax_old+dY
dX＝c*(Xmax_old-Xmin_old)
dY＝c*(Ymax_old-Ymin_old)，
其中c是基于实验的常数，如0.8。
过程72分析包括目标的图像并且生成拖拉机位置和姿态信息。该过程获得目标16在真实世界坐标系中的位置和定向。目标16的位置和定向是根据现有的平移和旋转以及初始的平移和旋转之间的差异来计算的。目标16的位置是三维世界坐标(其中z＝0)。目标16的定向包括旋转角、纵倾角、侧倾角、和偏转角。
过程74向控制器34输出该信息。目标16的位置和定向(例如x、y、旋转角、纵倾角、侧倾角、和偏转角)被发送至用于自动导航的车辆转向控制器44和推进控制器46。
因此，感知器32基于之前的目标位置来更新现有的ROI。这改进了向控制器34输出的输出速度以满足实时要求。在目标附近选择大的ROI和选择更小的ROI之间存在权衡。更小的ROI可以改善图像处理速度，但是更大的ROI使得更容易发现下一个目标位置。在水平和垂直方向上是目标的尺寸的120％的ROI尺寸是优选的。
现在参照图5，联结器11和工具14的相对位置和定向由控制器34读取。控制器34计算联结器11和工具14之间的距离、拖拉机10的偏离轨迹和方向误差。该信息由控制器34处理，以产生转向和速度命令，以操作拖拉机10。距离计算用于控制速度，并且当联结器11对准工具14时使拖拉机10停止。偏离轨迹和方向误差被处理以定位拖拉机10，使得拖拉机10的中心轴线对准工具的中心轴线，同时继续地或同时地控制联结点的集中，用于对准多接触点的联结器(例如拖拉机三点式联结器)，或者偏离轨迹和方向误差被处理以简单地驱动拖拉机10移动最短路径，以使得联结点之间的距离集中，用于单接触点式联结器(牵引杆-榫舌应用)。
控制器34接收以下数据：包括联结器变换、联结器高度、和惯性变换的车辆数据库信息；包括联结器变换和联结器高度的工具数据库信息；包括X、Y、Z位置、侧倾、纵倾和偏转的感知器信息；包括3D加速度和旋转速度的惯性传感器信息；和包括车轮曲率和车轮速度、和惯性变换的车辆遥感勘测信息。控制器34处理该信息并且生成这些输出：包括偏离轨迹误差、法线误差、方向速度和方向误差的导航控制器信息；和包括方向误差、期望的速度和期望的(向前的或相反的)方向的速度限制信息。
车辆数据库存在于拖拉机10的控制器中，自动运动控制系统被安装该控制器中。数据库可以包括关于拖拉机的以下(和更多)信息。联结器变换是从照相机或多个照相机的焦点到牵引杆上的销孔的欧几里德转换矩阵和旋转变换矩阵。联结器高度是垂直于真实世界的基准地平面到联结器的中心的向量的大小。惯性传感器变换是惯性传感器38与联结器或照相机之间的欧几里德转换。
工具数据库存在于拖拉机的控制器上，并且包括关于车队中的所有工具的信息。该工具数据库可以包括关于车队中的工具或多个工具的以下(和更多)信息。联结器变换是从目标上的点到工具联结器的中心的欧几里德转换矩阵和旋转变换矩阵。联结器高度是垂直于真实世界的基准地平面到联结器的中心的向量的大小。
感知器信息包含观察系统数据。该数据包括车辆相对于工具14上的目标16的x、y、z位置、侧倾、纵倾、偏转。
可选的惯性传感器38提供车辆姿态信息，该车辆方位信息包括但是不限于罗盘方向、三维加速度、和3轴线旋转速度(侧倾、纵倾、和偏转)。拖拉机10上的车轮的向前的或相反的速度、和拖拉机10的向左或向右转向曲率由车辆10上的现有传感器提供。一个或多个惯性传感器可以在快速移动和指向地球的仪器运载卫星的感知之间的插值处理期间被使用以改善控制器34的稳定性。惯性信息还可以代替感知用于间断的感知丢失。
结果，控制器34使用校准数据和来自感知器32的输出来执行3D平移和旋转，并且将工具联结点的位置投射到拖拉机正在行驶的平面上，以产生侧向偏移和方向误差。控制器34优选地基于同时收敛的偏移和方向误差来生成转向命令以对准联结点。控制器34优选地使用距离和方向误差作为输入基于查找表生成速度控制信号。控制器34还优选地被编程，以在控制车辆的同时，防止产生使拖拉机在感知信息丢失或存在误差的情况下“失控”或加速的速度控制信号。
现在参照图6，界面36(从控制器34)接收之前被描述的输出信息，并且根据图6示出的处理步骤来处理该信息。如果车辆在步骤100处启动，随后步骤102停用联结器和对准控制装置。步骤104防止进一步的动作，除非操作员启用联结器对准过程。
如果操作员启用联结器对准过程，随后步骤106促使操作员朝向工具14驱动车辆10。
如果步骤108检测到工具，则该步骤108指示控制过程至步骤110，否则返回至步骤106。
步骤110在数据库112中搜索校准数据。如果发现校准数据，步骤114指示控制过程至步骤116，否则返回至步骤102。
步骤116向控制器34发送校准数据。
随后步骤118促使操作员启动自动的联结过程。
如果操作员启动自动的联结过程，步骤120指示控制过程至步骤122，否则返回至步骤118。
步骤122启动自动的转向控制和自动的速度限制。
如果汽车对准过程正在进行，并且操作员提供手动输入至控制装置(转动方向盘，踩下离合器，使传动装置换挡，或施加制动)，则步骤124指示控制过程至步骤126，因而停用自动控制。结果，操作员具有优先级使得操作员能够控制该机器。
步骤126退出自动模式，使得拖拉机10返回至手动控制模制并且指示控制过程回到步骤102。
如果拖拉机挂钩12和工具14的联结器对准，则步骤128指示控制过程至步骤130，否则返回至步骤102。
步骤130退出自动模式，促使操作员将拖拉机10停止，并且指示控制过程回到步骤102。
界面36使用标准的虚拟终端技术实现人机界面，并且执行第3等级的工具车辆控制。在标准ISO11783中对这二者进行了定义。可替换地，存在实现人机界面的其它装置。
将上文的流程图转化成标准语言用于在数字计算机中或微处理器中执行由流程图描述的算法对本领域技术人员而言将是显而易见的。
如果来自机械透镜位置和摇摄倾角的反馈具有足够的精确，则可以使用许多其它的摄像机结构，如立体成像、自动跟踪、自动对焦PTZ(摇摄倾斜变焦(Pan Tilt Zoom))。目标16可以包括用于工具14的自动识别的代码，使得来自存储装置的校准参数可以被自动地加载。
本文中描述的感知系统提供工具相对于拖拉机的位置。由观察系统检测到的车辆的移动可以结合现有的拖拉机上的速度和加速度传感器，包括根据GPS的计算。这种结合的信号可以用于改善对车辆穿越的路径的控制。该感知系统还可以被自动导航的拖拉机-工具对使用，以使用相反的运动旋转来执行方向反转，以完成自动的三点旋转。当沿相反方向推动工具时，导航控制系统可以控制车辆和工具的路径。感知系统还提供关于拖拉机-工具对中的工具的三维信息。可以通过参照工具相对于正在地面上操作的拖拉机的高度测量工具的装载高度或地面接合工具的刺入深度。本发明还可以与自动联结系统一起使用，使得当拖拉机对准工具时不需要人力对拖拉机进行联结。本发明还被应用于单点式联结器(例如牵引杆)的和多点(例如三点)式联结器二者，用于在车辆上的任何地方(前方、后方、上方和下方)执行联结活动。
尽管本发明已经在附图中和之前的描述中被具体地说明和描述，但是该说明和描述本质上被认为是示例性的而非限制性的，应该理解示例性的实施例已经被示出和描述，并且在本发明的精神范围内的所有改变和修改被期望受到保护。将注意到本公开内容的可替换的实施例可以不包括所有被描述的特征，然而仍然通过该特征的至少一些优点获益。本领域技术人员可以很容易地设计他们自己的、包含本公开的一个或多个特征并且应列入由随附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的实现方式。

Claims (12)

1.一种自动控制系统，其用于相对于将被连接到车辆的工具移动该车辆，该车辆具有对电子输入信号作出响应的推进和转向控制装置，自动控制系统包括：
可见目标，所述可见目标被安装在所述工具上；
照相机，所述照相机被安装在所述车辆上，所述照相机生成所述目标的图像；和
运动控制单元，所述运动控制单元接收来自照相机的图像，所述运动控制单元处理所述图像并且根据所述图像生成车辆移动命令信号，并且所述运动控制单元将所述车辆移动命令信号发送至所述推进和转向控制装置，并且所述推进和转向控制装置响应于所述车辆移动命令信号移动车辆至连接位置，使得所述工具能够连接到所述车辆。
2.根据权利要求1所述的自动控制系统，其中所述运动控制单元包括：
感知器，所述感知器连接至所述照相机；
控制器，所述控制器连接至所述感知器；和
车辆/操作员界面，所述车辆/操作员界面连接至所述控制器并连接至所述推进和转向控制装置。
3.根据权利要求2所述的自动控制系统，其中：
所述感知器确定感兴趣区域，并且基于目标位置周期性地更新感兴趣区域。
4.根据权利要求3所述的自动控制系统，其中：
所述感兴趣区域是从所述照相机接收的图像的一部分。
5.根据权利要求3所述的自动控制系统，其中：
所述感兴趣区域在每个方向上的尺寸近似是所述目标的尺寸的120％。
6.根据权利要求2所述的自动控制系统，其中：
所述感知器捕获来自所述照相机的图像，使得图像未失真，并且搜索所述目标。
7.根据权利要求6所述的自动控制系统，其中：
如果发现所述目标，则感知器重新获取车辆姿态信息并且将所述车辆姿态信息发送至所述控制器。
8.根据权利要求1所述的自动控制系统，其中：
所述目标呈现为棋盘图案。
9.根据权利要求1所述的自动控制系统，进一步地包括：
近视场照相机和远视场照相机。
10.一种控制系统，其用于相对于将连接至车辆的工具移动该车辆，所述车辆具有对电子输入信号作出响应的推进和转向控制装置，所述控制系统包括：
可见目标，所述可见目标被安装在所述工具上；
照相机，所述照相机被安装在所述车辆上，所述照相机生成所述目标的图像；和
运动控制单元，所述控制单元接收来自所述照相机的图像，所述运动控制单元处理所述图像并且根据所述图像生成车辆移动命令信号，并且所述运动控制单元将所述车辆移动命令信号发送至所述推进和转向控制装置，并且所述推进和转向控制装置响应于所述车辆移动命令信号移动所述车辆至连接位置，使得所述工具能够连接到所述车辆，所述运动控制单元包括：
感知器，所述感知器连接至所述照相机；
控制器，所述控制器连接至所述感知器；和
车辆/操作员界面，所述车辆/操作员界面连接至所述控制器并连接至所述推进和转向控制装置，所述感知器捕获来自所述照相机的图像，使得图像不失真，并且搜索所述目标，并且如果发现所述目标，则感知器重新获取车辆姿态信息并且将所述车辆姿态信息发送至所述控制器。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中：
所述目标呈现为棋盘图案。
12.一种自动控制系统，其用于相对于将连接至车辆的工具移动该车辆，所述车辆具有对电子输入信号作出响应的推进和转向控制装置，所述自动控制系统包括：
可见目标，所述可见目标被安装在所述工具上；
安装在所述车辆上的近视场照相机和远视场照相机，所述照相机生成所述目标的图像；和
运动控制单元，所述运动控制单元接收来自所述照相机的图像，所述运动控制单元处理所述图像并且根据所述图像生成车辆移动命令信号，并且所述运动控制单元将所述车辆移动命令信号发送至所述推进和转向控制装置，并且所述推进和转向控制装置响应于所述车辆移动命令信号移动所述车辆至连接位置，使得所述工具能够连接到所述车辆。
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