CN106843212B - 自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法 - Google Patents

自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法,包括探测雷达、差分GPS模块、惯导模块、偏航角度检测模块、自动驾驶控制模块和车辆执行机构;探测雷达与偏航角度检测模块连接;差分GPS模块分别与惯导模块、偏航角度检测模块、自动驾驶控制模块连接,惯导模块与偏航角度检测模块连接,偏航角度检测模块与自动驾驶控制模块连接;在系统检测到GPS卫星信号异常时,偏航角度检测模块根据探测雷达所探测的道路边沿与车身的距离,以及偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块,自动驾驶控制模块输出决策指令给车辆执行机构,车辆执行机构执行决策指令。当车辆行驶在卫星信号不良的情况下,本发明能够保证车辆安全行驶。

Description

自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法
技术领域
本发明属于汽车自适应巡航控制技术,具体涉及一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法。
背景技术
如图1所示,现有自动驾驶系统主要包含探测雷达、差分GPS模块、惯导模块、自动驾驶控制模块以及车辆执行机构。自动驾驶车辆通过差分GPS模块确定车辆在道路的精确位置,利用惯导模块确定车辆的实时偏航角,同时依靠自动驾驶控制模块发出控制指令到车辆执行机构,引导车辆跟随规划路径行驶。但这种方案能够保证车辆安全的前提是车辆行进路线空旷,无明显遮挡物阻碍受控车辆接收卫星差分定位信号,且系统搭载的惯导模块的定向精度高,零偏小。但由于大部分道路周边环境复杂,卫星信号不可避免会受到高大建筑物等障碍的干扰和遮挡,在行驶过程中很难满足现有自动驾驶系统的严格环境要求。当GPS卫星信号接收不良时候,若车辆的偏航角不能得到及时修正,定向偏差会逐渐加大,会造成极大的行车安全隐患,导致车辆无法正常行进。
因此,有必要开发一种新的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统及方法,当车辆行驶在卫星信号不良的情况下,也能保证车辆安全行驶。
本发明所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,包括探测雷达、差分GPS模块、惯导模块、偏航角度检测模块、自动驾驶控制模块和车辆执行机构;
所述探测雷达用于探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块,该探测雷达与偏航角度检测模块连接;
所述差分GPS模块分别与惯导模块、偏航角度检测模块、自动驾驶控制模块连接,惯导模块与偏航角度检测模块连接,偏航角度检测模块与自动驾驶控制模块连接,自动驾驶控制模块与车辆执行机构连接;
在系统检测到GPS卫星信号异常时,所述偏航角度检测模块根据探测雷达所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块,自动驾驶控制模块基于该车辆偏航角修正值输出决策指令给车辆执行机构,车辆执行机构执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
所述探测雷达采用激光雷达,或毫米波雷达,其安装在车辆前方的正中间。
本发明所述的一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,本发明所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,其方法包括以下步骤:
步骤1、系统检测GPS卫星信号是否正常,若正常,不启动偏航角度检测模块,若不正常,则启动偏航角度检测模块,并进入步骤2;
步骤2、探测雷达探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块,惯导模块探测车辆的偏航角并发送给偏航角度检测模块;
步骤3、偏航角度检测模块根据探测雷达所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块;
步骤4、自动驾驶控制模块基于该车辆偏航角修正值输出决策指令给车辆执行机构;
步骤5、车辆执行机构执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
所述步骤1中,若系统检测到GPS卫星信号正常时,利用差分GPS模块通过卫星信号对车辆定位,并将定位信息输入给惯导模块和自动驾驶控制模块,利用惯导模块检测车辆的偏航角并输入给自动驾驶控制模块,自动驾驶控制模块基于差分GPS模块输出的定位信息,以及惯导模块所检测的偏航角计算出车辆偏航角修正值,并发送决策指令给车辆执行机构,车辆执行机构执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
所述步骤3中,所述偏航角度检测模块根据探测雷达所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块,具体为:
(3a)判断探测雷达是否能正常检测到道路边沿与车身的距离,若不能,则退出自动驾驶系统,并发送提示信息,如能,则进入步骤(3b);
(3b)判断道路边沿与车身距离的变化情况,若两者距离加大,则表示车向左偏移,结合惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块;若两者的距离缩小,则表示车向右偏移,结合惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块。
在偏航角度检测模块启动后,所述自动驾驶控制模块发送控制指令给车辆执行机构,使车辆低速行驶,直到GPS卫星信号恢复正常。
在偏航角度检测模块启动后,所述自动驾驶控制模块发送控制指令给车辆执行机构,使车辆低速行驶,直到GPS卫星信号恢复正常。
本发明的有益效果:在因卫星信号、周围环境影响等因素下造成的车辆惯导定向误差无法及时修正时,通过偏航角度检测模块对获得的车辆前方道路边沿相对距离变化信息进行处理反馈,实时输出校正惯导定向角偏移补偿到自动驾驶控制模块,使得车辆在行驶在卫星信号不良情况也能够独立依靠本自动驾驶系统,以低速保持行驶在道路上,直至车辆行驶出该路段,从而提高了自动驾驶系统应对这种特殊工况的能力。
附图说明
图1为现有技术的原理框图;
图2为本发明的原理框图;
图3为本发明流程图;
图中:1、探测雷达, 2、差分GPS模块,3、惯导模块,4、自动驾驶控制模块,5、车辆执行机构,6、偏航角度检测模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,包括探测雷达1、差分GPS模块2、惯导模块3、偏航角度检测模块6、自动驾驶控制模块4和车辆执行机构5。探测雷达1与偏航角度检测模块6连接。所述差分GPS模块2分别与惯导模块3、偏航角度检测模块6、自动驾驶控制模块4连接,惯导模块3与偏航角度检测模块6连接,偏航角度检测模块6与自动驾驶控制模块4连接,自动驾驶控制模块4与车辆执行机构5连接。
所述探测雷达1用于探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块6。
在系统检测到GPS卫星信号异常时,所述偏航角度检测模块6根据探测雷达1所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块3输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块4,自动驾驶控制模块4基于该车辆偏航角修正值输出决策指令给车辆执行机构5,车辆执行机构5执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
本发明所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统是自动驾驶系统的一部分,其中的探测雷达1采用激光雷达,或采用毫米波雷达,其安装在车辆前方的正中间,以固定周期扫面前方道路信息。探测雷达1除了探测道路边沿与车身的距离外,还用于探测车辆前方障碍物信息并发送至自动驾驶控制模块4,自动驾驶控制模块4基于该信息与自动驾驶系统的其他传感器所检测的信息相融合进行路径规划。
如图3所示,本发明所述的一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,本发明所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,其方法包括以下步骤:
在执行步骤1之前,首先判断自动驾驶系统是否保持工作,若是,则进入步骤1,若不是,退出自动驾驶系统,提醒驾驶员系统风险,请求驾驶员接管。
步骤1、系统检测GPS卫星信号是否正常,若正常,不启动偏航角度检测模块6,利用差分GPS模块2通过卫星信号对车辆定位,并将定位信息输入给惯导模块3和自动驾驶控制模块4,利用惯导模块3检测车辆的偏航角并输入给自动驾驶控制模块4,由于惯导特性原因存在漂移,因此需要实时接收GPS卫星信号,用于修正车辆定向偏移误差。自动驾驶控制模块4基于差分GPS模块2输出的定位信息,以及惯导模块3所检测的偏航角计算出车辆偏航角修正值,并发送决策指令给车辆执行机构5,车辆执行机构5执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。此部分内容为现有技术。若不正常,则启动偏航角度检测模块6,并进入步骤2。
步骤2、探测雷达1探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块6;惯导模块3探测车辆的偏航角并发送给偏航角度检测模块6。
步骤3、偏航角度检测模块6根据探测雷达1所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块4。
步骤4、自动驾驶控制模块4基于该车辆偏航角修正值输出决策指令给车辆执行机构5;即自动驾驶控制模块4根据车辆偏航角修正值计算车辆所需的控制量,并生成对应的决策指令通过CAN总线发送至车辆执行机构5。
步骤5、车辆执行机构5执行该决策指令,如:ESP响应减速度,EMS响应扭矩信息等,使车辆回到目标行驶方向(即:保持道路边沿与车身距离在允许误差范围内)。
所述步骤3中,所述偏航角度检测模块6根据探测雷达1所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块4,具体为:
(3a)判断探测雷达1是否能正常检测到道路边沿与车身的距离,若不能,则退出自动驾驶系统,并发送提示信息,如能,则进入步骤(3b);
(3b)判断道路边沿与车身距离的变化情况,若两者距离加大,则表示车向左偏移,结合惯导模块3输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块4。以下以实例说明:
假定车辆按照v=1m/s车速行进在直道上,探测雷达扫描周期为1s,在10个探测周期内,车辆行进路程为:
S = vt = 1×10=10m;
10个周期内探测到车辆与道路边沿距离为:
D(t)= [0.5、0.55、0.58、0.62、0.66、0.70、0.73、0.77、0.82、0.86、0.90]m;
可以得到,距离变化率为:
V = (0.5-0.9)/10 = -0.04m/s;
根据三角函数关系,可得到,偏航角偏差为:
α=arctan(-0.04) = -2.3°;
此时,惯导输出的偏航角为:
β= 0.12°;
那么,最终实际偏航角偏差值为:
γ= α- β= -2.3°–0.12° = -2.42°;
将计算出来的当前偏航角偏差值γ作为修正值给自动驾驶模块4,完成本次运算。
若两者的距离缩小,则表示车向右偏移,结合惯导模块3输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块4,以下以实例说明:
假定车辆按照v=1m/s车速行进在直道上,探测雷达扫描周期为1s,在10个探测周期内,车辆行进路程为:
S = vt = 1×10=10m;
10个周期内探测到车辆与道路边沿距离为:
D(t)= [0.6、0.57、0.58、0.62、0.66、0.70、0.73、0.77、0.82、0.86、0.30]m;
可以得到,距离变化率为:
V = (0.6-0.3)/10 = 0.03m/s;
根据三角函数关系,可得到,偏航角偏差为:
α=arctan(0.03) = 1.7°;
此时,惯导输出的偏航角为:
β= 0.14°;
那么,最终实际偏航角偏差值为:
γ= α-β= 1.7°–0.14°= 1.56°;
将计算出来的当前偏航角偏差值γ作为修正值给自动驾驶模块4,完成本次运算。
在偏航角度检测模块6启动后,所述自动驾驶控制模块4发送控制指令给车辆执行机构5,使车辆低速行驶(即减速至10KM/H以下匀速行驶),保持车辆低速通过该路段,直到GPS卫星信号恢复正常,若通过偏航角检测模块输出的偏航角也无法修正车辆前进的方向,则降低车速直至停车,提醒系统危险,请求驾驶员接管车辆,并退出自动驾驶系统。

Claims (7)

1.一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,其特征在于:包括探测雷达(1)、差分GPS模块(2)、惯导模块(3)、偏航角度检测模块(6)、自动驾驶控制模块(4)和车辆执行机构(5);
所述探测雷达(1)用于探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块(6),该探测雷达(1)与偏航角度检测模块(6)连接;
所述差分GPS模块(2)分别与惯导模块(3)、偏航角度检测模块(6)、自动驾驶控制模块(4)连接,惯导模块(3)与偏航角度检测模块(6)连接,偏航角度检测模块(6)与自动驾驶控制模块(4)连接,自动驾驶控制模块(4)与车辆执行机构(5)连接;
在系统检测到GPS卫星信号异常时,所述偏航角度检测模块(6)根据探测雷达(1)所探测的道路边沿与车身的距离,并结合车辆的车速v计算出车辆在横向上的距离变化率V,并基于距离变化率V计算出偏航角偏差α,α= arctan(V),同时基于惯导模块(3)输出的偏航角β计算出车辆偏航角修正值γ给自动驾驶控制模块(4),其中γ=α-β;自动驾驶控制模块(4)基于该车辆偏航角修正值γ输出决策指令给车辆执行机构(5);车辆执行机构(5)执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,其特征在于: 所述探测雷达(1)采用激光雷达,或毫米波雷达,其安装在车辆前方的正中间。
3.一种自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,其特征在于,采用权利要求1或2所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向系统,其方法包括以下步骤:
步骤1、系统检测GPS卫星信号是否正常,若正常,不启动偏航角度检测模块(6),若不正常,则启动偏航角度检测模块(6),并进入步骤2;
步骤2、探测雷达(1)探测道路边沿与车身的距离并发送给偏航角度检测模块(6),惯导模块(3)探测车辆的偏航角并发送给偏航角度检测模块(6);
步骤3、偏航角度检测模块(6)根据探测雷达(1)所探测的道路边沿与车身的距离,并结合车辆的车速v计算出车辆在横向上的距离变化率V,并基于距离变化率V计算出偏航角偏差α,α= arctan(V),同时基于惯导模块(3)输出的偏航角β计算出车辆偏航角修正值γ给自动驾驶控制模块(4),其中γ=α-β;
步骤4、自动驾驶控制模块(4)基于该车辆偏航角修正值γ输出决策指令给车辆执行机构(5);
步骤5、车辆执行机构(5)执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
4.根据权利要求3所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,其特征在于:
所述步骤1中,若系统检测到GPS卫星信号正常时,利用差分GPS模块(2)通过卫星信号对车辆定位,并将定位信息输入给惯导模块(3)和自动驾驶控制模块(4),利用惯导模块(3)检测车辆的偏航角并输入给自动驾驶控制模块(4),自动驾驶控制模块(4)基于差分GPS模块(2)输出的定位信息,以及惯导模块(3)所检测的偏航角计算出车辆偏航角修正值,并发送决策指令给车辆执行机构(5),车辆执行机构(5)执行该决策指令,使车辆回到目标行驶方向。
5.根据权利要求3或4所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,其特征在于:
所述步骤3中,所述偏航角度检测模块(6)根据探测雷达(1)所探测的道路边沿与车身的距离,以及惯导模块输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块(4),具体为:
(3a)判断探测雷达(1)是否能正常检测到道路边沿与车身的距离,若不能,则退出自动驾驶系统,并发送提示信息,如能,则进入步骤(3b);
(3b)判断道路边沿与车身距离的变化情况,若两者距离加大,则表示车向左偏移,并结合惯导模块(3)输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块(4);若两者的距离缩小,则表示车向右偏移,并结合惯导模块(3)输出的偏航角计算出车辆偏航角修正值给自动驾驶控制模块(4)。
6.根据权利要求4所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,其特征在于:在偏航角度检测模块(6)启动后,所述自动驾驶控制模块(4)发送控制指令给车辆执行机构(5),使车辆低速行驶,直到GPS卫星信号恢复正常。
7.根据权利要求5所述的自动驾驶基于偏航角修正的车辆应急辅助定向方法,其特征在于:在偏航角度检测模块(6)启动后,所述自动驾驶控制模块(4)发送控制指令给车辆执行机构(5),使车辆低速行驶,直到GPS卫星信号恢复正常。
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