CN104460665A - 基于道路曲率地图的磁导航无人车及其地图的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于道路曲率地图的磁导航无人车及其地图的建立方法，包括车体、磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、存储有曲率地图的控制计算机以及铺设有磁钉的期望行驶轨迹，其中：车体作为载体；磁钉检测传感器和航位推算传感器用来建立道路的曲率地图；磁钉检测传感器用于检测磁钉并计算磁钉相对于磁钉检测传感器中心的偏差；航位推算传感器用于对检测到的磁钉进行跟踪，跟踪的结果用于曲率地图信息的计算；车辆自动驾驶情况下控制计算机结合车辆自身的定位信息和曲率地图的信息实现有前瞻的控制。本发明大大提高了控制性能，保证了驾驶的安全性；曲率地图的建立过程自动化，实现简单。

Description

基于道路曲率地图的磁导航无人车及其地图的建立方法

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶车，具体地，涉及一种基于道路曲率地图的磁导航无人车及道路曲率地图的建立方法。

背景技术

从汽车诞生之日起，汽车与交通安全问题一直是人们致力于解决的重要问题。尤其在现代化社会，随着汽车数量的不断增多，各种与汽车相关的城市问题突显出来，例如交通拥堵，交通事故频发，汽车尾气污染等。在导致这些问题的因素中，人的因素起了很大的作用。所以人们想到利用科技手段通过实现汽车的无人驾驶来解决这些问题。

在众多无人车解决方案中，磁导航技术由于其在可靠性方面的明显优势和广泛的应用场景而成为离实际应用最近的无人车技术。一些成功的应用演示项目，如美国PATH计划、上海交通大学的磁导航无人车演示、荷兰ParkShuttle在阿姆斯特丹机场和鹿特丹的应用、Yamaha在荷兰园艺博览会上的应用、2getthere在迪拜Masdar的应用、中国ITS研究中心在新疆的扫雪车应用等，都证明了磁导航技术的可行性。

现有的磁导航无人车主要有基于横向定位的方法的和基于高精度磁钉GPS坐标地图的方法。基于横向定位的无人车主要应用与高速公路等小曲率道路上，并且需要获得车辆动力学模型参数，对于一些随车辆运行而变化的参数，又需要用参数辨识方法在线辨识系统，这就使得控制器的设计难度大，不易实现。而基于高精度磁钉GPS坐标地图的方法又需要用高精度的GPS(厘米级)测得每一个磁钉的全局坐标。并且在城市环境中，由于GPS信号质量问题，有些应用场景下通过GPS测量的方法不可行。当然磁钉的全局坐标可以通过施工图获得，但这就要求铺设磁钉时的施工精度很高(至少达到10cm以内)。

在车辆无人驾驶技术中，地图是先验信息的有效组织形式，有了地图，车辆的自动驾驶控制变得更加容易。例如，葡萄牙学者Marcio Barata等提出并由上海交通大学已毕业博士徐海贵发展的高精度磁钉GPS坐标地图的使用，使得磁导航这类没有前瞻的导航方法实现了有前瞻控制。然而，他们所用的地图的建立不容易。因此，具体应用中会受到很大限制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于道路曲率地图的磁导航无人车及道路曲率地图的建立方法，使得地图建立过程自动化，实现简单，磁导航无人车适用范围更广。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面，提供一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，包括车体、磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、存储有道路曲率地图的控制计算机以及用于定义期望行驶轨迹的磁钉；所述车体作为磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、控制计算机的载体；其中：

所述磁钉检测传感器，用于检测磁钉并计算磁钉相对于传感器中心的偏差；

所述航位推算传感器，用于对检测到的磁钉进行跟踪，在没有磁钉时由所述航位推算传感器推算车体的位姿；所述航位推算传感器包括惯导和里程计，所述惯导用于测量车辆的偏航角速度，所述里程计用于测量驱动电机转过的圈数，经过折算系数得到车行驶的里程；

所述磁钉检测传感器、所述航位推算传感器根据采集信息建立道路曲率的地图，并将该地图发送给所述控制计算机；

所述方向盘角度传感器，安装在车体的方向盘转轴上，经过折算得到前轮的转角，所述方向盘角度传感器用于前轮转角的闭环反馈控制；

所述动力驱动系统，用于执行控制计算机发出的速度指令；

所述转向驱动系统，用于执行控制计算机发出的转向命令；

所述控制计算机用于存储由磁钉检测传感器、航位推算传感器建立的曲率地图，并结合车辆自身的定位信息和曲率地图的信息控制所述动力驱动系统和所述转向驱动系统，从而实现无人车的自动驾驶。

优选地，所述磁钉检测传感器、所述航位推算传感器建立的道路曲率地图，是用道路的曲率作为地图存储和使用的基本信息，并且其建立过程是全自动化的，即手动驾驶车辆沿期望轨迹行驶一遍即可建立出曲率地图。

更优选地，所述道路曲率地图作为道路先验信息的载体，是以道路曲率作为地图信息，并有序存储在所述控制计算机的地图文件中。

更优选地，所述道路曲率用期望轨迹上间隔一定距离的点确定的割线长度及相邻割线间的夹角表示，所述的期望轨迹上间隔一定距离的点就是用于定义期望轨迹的磁钉点。

优选地，所述磁钉检测传感器采用磁尺，该磁尺上安装有多个等间距的磁传感芯片，每个所述磁传感芯片测量其所在处垂直方向的磁场，并经过AD转换成数字量。

更优选地，所述的磁尺将多个所述磁传感芯片的信号经放大、AD转换、滤波处理后，一起通过CAN总线发送给所述控制计算机。

本发明所述的磁导航是指车的期望行驶轨迹是由铺设于路面下的磁钉定义。

优选地，所述磁钉检测传感器安装于车体车头位置并与前轮轴平行，其中心在所述车体的纵轴上。

优选地，所述惯导安装于车体顶部后轴中心所在的竖直线上；所述里程计安装于车体的驱动电机轴上。

根据本发明第二方面，提供一种道路曲率地图的建立方法，所述方法为磁钉跟踪方法，利用磁钉检测传感器检测结果和航位推算传感器在车辆坐标系下跟踪已经通过磁钉检测传感器的磁钉，这样如果同时跟踪过去的若干个磁钉，则每一时刻，总是知道刚通过磁尺的若干个磁钉在当前车辆坐标系下的坐标，从而可以利用这些跟踪结果计算磁钉之间的相对位置关系，进而得到建立地图的相关信息；通过磁钉跟踪，可以计算车辆相对于磁钉轨迹的相对位置(表示为横向位置偏差和切向角度偏差)和磁钉之间的相对位置，车辆相对于磁钉轨迹的相对位置可以直接用于车辆横向控制，而磁钉之间的相对位置可以用来生成曲率地图。

具体的，所述方法包括如下步骤：

a)当磁钉检测传感器检测到磁钉时，用磁钉检测传感器相对于磁尺的横向偏差和磁尺在车辆坐标系下的位置信息作为该磁钉在当前车辆坐标系下的初始位置。

b)对于位置已作初始化的磁钉，利用航位推算模型进行跟踪。航位推算利用里程计数据和惯导返回的偏航角速度计算本时刻车辆相对于上时刻车辆位置的相对位置。得到车辆相对于上一时刻的相对位置信息后，利用坐标转换推算上一时刻车辆坐标系下的磁钉在本时刻车辆坐标系下的坐标。这里的坐标转换实际是坐标的旋转和平移。

c)对于每一个经过的磁钉都用步骤a)初始化其位置，然后利用步骤b)跟踪，这样就实现同时跟踪若干个磁钉。

上述磁钉跟踪结果可以用来生成磁钉轨迹的曲率地图，曲率地图生成的关键信息是磁钉与其前方磁钉的距离及其与前后两个磁钉连线的夹角信息。而利用磁钉跟踪结果，这些信息都是可以很容易计算出来的。

本发明采用上述方法建立道路曲率地图，提供了一种定义简单、获取容易、使用方便的地图，能够容纳导航和控制所用的道理信息，该地图可以被用于磁导航无人车的控制，并可以方便的实现磁导航无人车的前瞻控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明控制计算机结合车辆自身的定位信息和曲率地图的信息实现对前瞻的控制；大大提高了控制性能，保证了驾驶的安全性，在自动驾驶性能上与基于高精度磁钉GPS坐标的磁导航无人车相媲美，同时曲率地图的建立过程自动化，实现简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较佳实施例的结构示意图；

图中：1为车体，2为惯导，3为磁尺，4为里程计，5为磁钉，6为方向盘角度传感器，7为方向盘，8为动力驱动系统，9为转向驱动系统，10为控制计算机(工控机)；

图2为本发明一实施例中磁尺上一个磁传感单元的电路图；

图3为本发明实施例中曲率地图定义的示意图；

图4为本发明实施例中曲率地图创建过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明基于道路曲率地图的磁导航无人车的一个优选实施方式示意图，包括车体1、惯导2、磁尺3(磁钉检测传感器)、里程计4、磁钉5、方向盘角度传感器6、方向盘7、动力驱动系统8、转向驱动系统9、控制计算机10，车体1为惯导2、磁尺3、里程计4、方向盘角度传感器6、方向盘7、动力驱动系统8、转向驱动系统9、控制计算机10的载体，其中：

所述磁尺3横向安装于车体1的车头位置，离地高度0.2-0.3米处，并与前轮轴平行，中心在车体纵轴上；磁尺3长度为80-100厘米，共装有M个等间距的磁传感芯片；每个磁传感芯片测量其所在处垂直方向的磁场，并经过AD转换成数字量；

所述里程计4安装于驱动电机轴上，即测量的是驱动电机转过的圈数，经过折算系数得到车行驶的里程；

所述惯导2装于车顶后轴中心所在的竖直线上，用于测量车辆的偏航角速度；

所述里程计4和所述惯导2用于航位推算，亦即在没有磁钉5时由所述里程计4和所述惯导2的数据推算车的位姿；

所述方向盘角度传感器6安装在方向盘7转轴上，经过折算得到前轮的转角；所述方向盘角度传感器6用于前轮转角的闭环反馈控制；

所述转向驱动系统9包括微控制器、转向电机和功率放大器，其中，微控制器通过CAN总线与控制计算机相连，转向电机和方向盘转轴通过皮带相连，用于执行控制计算机的转向命令；

所述动力驱动系统8包括微控制器、动力电机和功率放大器，其中，微控制器通过CAN总线与控制计算机相连，用于执行控制计算机的速度指令；

所述控制计算机用于存储由磁钉检测传感器、航位推算传感器建立的曲率地图，并结合车辆自身的定位信息和曲率地图的信息控制所述动力驱动系统和所述转向驱动系统，从而实现无人车的自动驾驶。

如图2所示，为磁尺中单个磁传感单元的电路图，其中：微处理器需要提供数字信号CLK，此信号经过由包含两个MOSFET的芯片IRF7105及R5，C1，C2搭建的微分电路对其微分后得到幅值大于3V，宽度大于2微秒的正向置位脉冲和反向复位脉冲，这两种脉冲分别完成磁传感芯片HMC1021置位复位操作。只有HMC1021可靠的置位或复位状态下，才能准确检测磁尺信号。HMC1021的1、4端口输出反应磁场强度大小的电信号，此电信号进过差分放大器AMP04后，从Vout端输出。将Vout输出信号通过微控制器自带的ADC采样转换成数字信号后与其它磁传感单元数据一起通过CAN总线发送到整车信息处理及控制单元(这里用控制计算机10来完成整车的信息处理与控制)，这样每次通信控制计算机10得到的是横向M个不同点处垂直方向上的磁场数据。通过这M个数据，可以检测磁钉5的有无，并当有磁钉5时，计算磁钉5相对于磁尺3中心的横向偏差。

本实施例中，所述磁尺3和航位推算传感器(里程计4和惯导2)建立曲率地图，所述的曲率地图，是用道路的曲率作为地图存储和使用的基本信息，并且其建立过程是全自动化的，亦即手动驾驶车辆沿期望轨迹行驶一遍即可建立出曲率地图。

本实施例中，所述的曲率地图作为道路先验信息的载体，以道路曲率作为地图信息，有序存储在地图文件中。

本实施例中，所述的道路曲率用期望轨迹上间隔一定距离的点确定的割线长度及相邻的这样的割线间的夹角表示。所述的期望轨迹上间隔一定距离的点就是用于定义期望轨迹的磁钉点。

如图3所示，圆的曲率半径可以通过相邻的几段弧线和它们两两间的夹角计算。

对于图3所示圆的半径r，可以按(1)式计算：

$r=\frac{S_{m-1}+s_m}{2{\mathrm{\α}}_m}=\frac{S_{m-1}+2S_m+S_{m+1}}{2{\mathrm{\α}}_m+2{\mathrm{\α}}_{m+1}}=\frac{S_{m-1}+2S_m+2S_{m+1}+S_{m+2}}{2{\mathrm{\α}}_m+2{\mathrm{\α}}_{m+1}+2{\mathrm{\α}}_{m+2}}---\left(1\right)$

其中：S_m-1,S_m,...是圆上相邻的几段弧线，α_m-1,α_m...是它们对应的相邻两段弦线的夹角。

因此，对于一段由3个点确定的圆弧，例如图3中的点m-1，m,m+13个点确定的圆弧，其曲率可以用向量(S_m-1,S_m,α_m)表示；对于一段由4个点确定的圆弧，例如图3中的点m-1，m,m+1，m+2确定的圆弧，其曲率可以用向量(S_m-1,S_m,α_m,S_m+1,α_m+1)表示；以此类推，对于一段由p个点：m-1,m,m+1,…,m+p-2确定的弧线轨迹，其曲率可以用向量(S_m-1,S_m,α_m,S_m+1,α_m+1...,S_m+p-2,α_m+p-2)表示。

将上述表示应用在磁导航无人车中，那么，对于由p个编号为m-1,m,m+1,…,m+p-2的磁钉确定的轨迹，其曲率可以用(S_m-1,S_m,α_m,S_m+1,α_m+1...,S_m+p-2,α_m+p-2)表示。因此，这段轨迹的曲率地图实际上就可以用向量(S_m-1,S_m,α_m,S_m+1,α_m+1...,S_m+p-2,α_m+p-2)。如果将这一信息按照磁钉编号对应存储，那么对于磁钉m，需要存储的信息就是S_m,α_m。使用时结合m-1号磁钉的地图存储信息，就可以计算轨迹在m点处的曲率。实际应用中，按照下面向量(2)式的形式存储一个磁钉处的曲率地图信息：

(m,S_m,α_m)              (2)

曲率地图的建立：

为了生成如上的曲率地图，对于每一个磁钉m(m＝1,2,3,…).，需要计算其与前后磁钉的相对位置信息S_m和α_m，为此目的，在磁尺检测结果和航位推算的基础上，提出磁钉跟踪方法。

磁钉跟踪的目的是为了计算车相对于磁钉轨迹的相对位置(表示为横向位置偏差和切向角度偏差)和磁钉之间的相对位置。车辆相对于磁钉轨迹的相对位置可以直接用于车辆横向控制，而磁钉之间的相对位置可以用来生成曲率地图。下面介绍磁钉跟踪方法。

磁钉跟踪方法是建立在车辆航位推算模型基础上的一种相对定位方法，其主要思想是利用磁尺检测结果和航位推算在车辆坐标系下跟踪已经通过磁尺的磁钉，这样如果同时跟踪过去的若干个磁钉，则每一时刻，总是知道刚通过磁尺的若干个磁钉在当前车辆坐标系下的坐标，从而可以利用这些跟踪结果计算磁钉之间的相对位置关系，进而得到建立地图的相关信息。

磁钉跟踪方法的具体步骤如下：

a)当磁尺检测到磁钉时，用其相对于磁尺的横向偏差和磁尺在车辆坐标系下的位置信息作为该磁钉在当前车辆坐标系下的初始位置；

b)对于位置已作初始化的磁钉，利用航位推算模型进行跟踪；航位推算利用里程计数据和惯导返回的偏航角速度计算本时刻车辆相对于上时刻车辆位置的相对位置；得到车辆相对于上一时刻的相对位置信息后，利用坐标转换推算上一时刻车辆坐标系下的磁钉在本时刻车辆坐标系下的坐标，这里的坐标转换实际是坐标的旋转和平移；

c)对于每一个经过的磁钉都用步骤a)初始化其位置，然后利用步骤b)跟踪，这样就实现同时跟踪若干个磁钉。

磁钉跟踪结果可以用来生成磁钉轨迹的曲率地图，曲率地图生成的关键信息是磁钉与其前方磁钉的距离及其与前后两个磁钉连线的夹角信息。而利用磁钉跟踪结果，这些信息都是可以很容易计算出来的。

如图4所示，已经经过磁尺的磁钉用黑色实体圆表示，而未经过磁尺的磁钉用空心圆表示，坐标系xoy表示当前车辆坐标系。图中S_m-1表示编号为m-1的磁钉到编号为m的磁钉之间的距离，α_m-1表示磁钉m-2和m-1连线与磁钉m-1和m连线的夹角。设最近通过磁尺的磁钉编号为m,通过磁钉跟踪方法，可以得到已经过往的若干个磁钉的坐标(如图中的黑色实心圆所示，但并不局限于跟踪3个)。于是就可以利用磁钉跟踪结果计算出m-1号磁钉的地图存储信息S_m-1和α_m-1。同理，当最近通过磁尺的磁钉是m+1号时，可以计算m号磁钉的地图存储信息S_m和α_m。那么如果手动驾驶车沿着磁钉轨迹行驶一遍，就可以得到每一个磁钉的地图存储信息。这样就可以生成磁钉轨迹的曲率地图。

曲率地图使用：

建立曲率地图的目的是为了在磁导航无人车控制中引入前方道路曲率的先验信息从而提高车辆横向控制的性能。磁钉跟踪方法能够得到车辆相对于磁钉轨迹的相对位置信息，通过磁钉编码及计数可以知道最近通过的磁钉编号，再通过磁钉编号查询曲率地图中前方磁钉对应的曲率信息，就可以计算前方未经过的磁钉在当前车辆坐标系下的坐标，从而实现车辆的预瞄控制。

按照上面传感器配置和所述曲率地图实现的磁导航无人车，在自动驾驶性能上与基于高精度磁钉GPS坐标的磁导航无人车相媲美，同时又具有地图建立过程自动化的优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，包括车体、磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、存储有道路曲率地图的控制计算机以及用于定义期望行驶轨迹的磁钉；所述车体作为磁钉检测传感器、航位推算传感器、方向盘角度传感器、动力驱动系统、转向驱动系统、控制计算机的载体；其中：

所述磁钉检测传感器，用于检测磁钉并计算磁钉相对于传感器中心的偏差；

所述航位推算传感器，用于对检测到的磁钉进行跟踪，在没有磁钉时由航位推算传感器推算车体的位姿；所述航位推算传感器包括惯导和里程计，惯导用于测量车辆的偏航角速度，所述里程计用于测量驱动电机转过的圈数，经过折算系数得到车行驶的里程；

所述磁钉检测传感器、所述航位推算传感器根据采集信息建立道路曲率的地图，并将该地图发送给所述控制计算机；

所述方向盘角度传感器，安装在车体的方向盘转轴上，经过折算得到前轮的转角，所述方向盘角度传感器用于前轮转角的闭环反馈控制；

所述动力驱动系统，用于执行控制计算机发出的速度指令；

所述转向驱动系统，用于执行控制计算机发出的转向命令；

所述控制计算机用于存储由磁钉检测传感器、航位推算传感器建立的曲率地图，并结合车辆自身的定位信息和曲率地图的信息控制所述动力驱动系统和所述转向驱动系统，从而实现无人车的自动驾驶。

2.根据权利要求1所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述磁钉检测传感器使用磁尺，所述磁尺和所述航位推算传感器建立所述的道路曲率地图，并且控制计算机基于所述道路曲率地图，实现无人车的有前瞻的自动驾驶。

3.根据权利要求2所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述的道路曲率地图是用道路的曲率作为地图存储和使用的基本信息，并且其建立过程是全自动化的，即手动驾驶车辆沿期望轨迹行驶一遍即可建立出曲率地图，所述的道路曲率地图作为道路先验信息的载体，是以道路曲率作为地图信息，并有序存储在地图文件中。

4.根据权利要求3所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述的道路曲率用期望轨迹上间隔一定距离的点确定的割线长度及相邻割线间的夹角表示，所述的期望轨迹上间隔一定距离的点就是用于定义期望轨迹的磁钉点。

5.根据权利要求2所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述的磁尺上安装有多个等间距的磁传感芯片，每个所述磁传感芯片测量其所在处垂直方向的磁场，并经过AD转换成数字量。

6.根据权利要求5所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述的磁尺上多个所述磁传感芯片一起将数字信号通过CAN总线发送给所述控制计算机。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述磁钉检测传感器安装于车体车头位置并与前轮轴平行，其中心在所述车体的纵轴上。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于道路曲率地图的磁导航无人车，其特征在于，所述惯导安装于车体顶部后轴中心所在的竖直线上；所述里程计安装于车体的驱动电机轴上。

9.一种用于磁导航无人车的道路曲率地图的建立方法，其特征在于，所述方法利用磁钉检测传感器检测结果和航位推算传感器在车辆坐标系下跟踪已经通过磁钉检测传感器的磁钉，这样如果同时跟踪过去的若干个磁钉，则每一时刻，总是知道刚通过磁尺的若干个磁钉在当前车辆坐标系下的坐标，从而利用这些跟踪结果计算磁钉之间的相对位置关系，进而得到建立地图的相关信息；通过磁钉跟踪，可以计算车辆相对于磁钉轨迹的相对位置和磁钉之间的相对位置；所述车辆相对于磁钉轨迹的相对位置表示为横向位置偏差和切向角度偏差，该相对位置可以直接用于车辆横向控制，而磁钉之间的相对位置可以用来生成曲率地图。

10.根据权利要求9所述的道路曲率地图的建立方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

a)当磁钉检测传感器检测到磁钉时，用磁钉检测传感器相对于磁尺的横向偏差和磁尺在车辆坐标系下的位置信息作为该磁钉在当前车辆坐标系下的初始位置；

b)对于位置已作初始化的磁钉，利用航位推算模型进行跟踪，航位推算利用里程计数据和惯导返回的偏航角速度计算本时刻车辆相对于上时刻车辆位置的相对位置；得到车辆相对于上一时刻的相对位置信息后，利用坐标转换推算上一时刻车辆坐标系下的磁钉在本时刻车辆坐标系下的坐标，这里的坐标转换实际是坐标的旋转和平移；

c)对于每一个经过的磁钉都用步骤a)初始化其位置，然后利用步骤b)跟踪，这样就实现同时跟踪若干个磁钉。