CN107728622A - 一种基于超声波阵列的无人驾驶机械车辆位姿测量与追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波阵列的无人驾驶机械车辆追踪方法，特别涉及一种无人跟车行驶过程中的位姿测量与追踪方法。该方法的实现所依赖的硬件包括两个超声波发射器、两个超声波接收器、供电模块、前后车收发控制处理模块等。两个超声波发射器都具备广角发射与脉冲编码功能，布置于有人驾驶的前车上，两个超声波接收器布置于无人驾驶的后车上，构成测量阵列，用于测量解算无人驾驶车辆与前车的位姿与速度关系，从而控制无人驾驶车辆与前车的距离、速度以及角度关系，实现无人驾驶车辆的定位与自动追踪。本发明结构简单，使用方便，对于提高机械车辆无人化物资输送的效率、减少运营成本、降低人员驾乘风险等方面具有很大实用价值。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种无人驾驶机械车辆位姿测量与追踪方法，特别涉及一种无人跟车行驶过程中的位姿测量与追踪方法。
二、背景技术
无人跟车驾驶技术将帮助运输行业增强交通安全，提高运输效率。该项技术是由一辆卡车作为领队，后方车辆通过精密的传感器和通信设备，对与前方车辆之间的车距、速度以及方向等进行实时测量，实现无人跟车驾驶，可将驾驶员从驾驶中解放出来。在运输行业，无人化是大势所趋，相比人工驾驶，无人跟车驾驶卡车大约能降低15％的成本，利用这种新技术能大大降低成本，提高生产效率及安全性。此外，无人跟车驾驶卡车还可以在高海拔、人烟稀少的沙漠地区稳定运行，同时还能节约能源和减少二氧化碳的排放，因此带来了巨大的经济效益与社会效益。国内外各大厂商都投入了巨大的成本，如力拓集团在布局整个无人跟车驾驶卡车上就花费5亿多美元，百度公司目前在无人跟车驾驶领域已经投入200多亿元人民币。无人跟车驾驶过程中关键环节之一是寻找低成本、高可靠性的无人化位姿测量与追踪技术。
目前常用的无人跟车驾驶车辆位姿测量与追踪方法主要采用红外测距仪、激光测距仪、四象限图像追踪仪以及基于GPS的检测定位方式，但上述方式也都存在一定的缺陷，比如红外测距的方式对颜色、光电强度、物体表面反光强度等因素都比较敏感，实际应用过程中检测距离有较大误差；激光测距仪存在检测区域小，为直线的点到点的检测，当被测物体距离较远或晃动较大时很难做到单点准确检测定位；基于四象限的图像追踪定向较好，目前常用在导弹追踪定位中，但这种方法对图像背景质量以及图像处理技术要求较高，即要求背景不能太复杂，否则也容易出现干扰源偏多、目标识别难度大、最终导致目标丢失问题，在导弹四象限的图像追踪过程中，背景图像基本为天空，空中目标少，背景图像简单，易于实现精确的追踪定位，但对于无人跟车驾驶车辆而言，路面的情况要比天空复杂的多，因此这种方法对于无人跟车驾驶车辆难以适用；基于GPS的方法要想实现高精度的追踪定位，需要借助于RTK差分检测定位，即需要建立基准站和前后车移动站，以及相互间的数据通信，成本较高，基准站和移动站距离不能太远，限制了无人跟车驾驶车辆在大范围内有效行驶的实现，而且当无人跟车驾驶车辆在茂密的森林、高楼、陡峭山坡旁行驶时，信号源极易被这些障碍物遮挡而出现丢失，存在隐患。因此急需找到一种简单实用、成本低廉、受干扰因素少的无人跟车驾驶车辆追踪定位方法，以便在运输投送过程中减少人力物力投入、减少人员伤亡率、提高输送效率和社会效益。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声波阵列的无人跟车驾驶车辆位姿测量与追踪定位方法，该方法包括超声波发射器阵列、超声波接收器阵列、供电模块、车载控制模块。超声波阵列发射器通过两只带脉冲编码的超声波传感器组成，其中发射器布置于有人驾驶的前车上，接收器布置于无人跟车驾驶的后车上，借助于车载控制(处理)器，解算无人跟车驾驶车辆与前车的位姿关系，实现对无人跟车驾驶车辆相对前车的距离、角度以及速度的精确测量解算，从而自动调整行驶路线，完成无人跟车行驶任务。
本发明为解决上述技术问题采用以下步骤：
步骤(1)：构造多个超声波发射器、接收器的特定阵列。其中两个广角脉冲编码超声波发射器设置在前车的尾部(附图1中1、2)，与前车发射控制模块5连接；两个广角超声波接收器(附图1中3、4)设置在无人跟车驾驶车辆的前部，与后车接收控制模块7连接。
步骤(2)：在前车上布置电源、超声波发射控制器，在后车上布置电源、超声波接收控制器以及车载控制器(不是本发明涉及的内容，主要用来控制无人跟车驾驶车辆的方向盘、油门以及刹车)。电源负责给广角脉冲编码超声波收发器、超声波发射和接收控制器、车载控制器供电。
步骤(3)：前车的广角脉冲编码超声波发射器在发射控制器的控制下，采用带脉冲编码的方式进行间歇发射超声波数据，后车每个超声波接收器都可以接收前车两个发射器的编码和距离信息，这些距离信息与两个发射器之间的尺寸和两个接收器之间的尺寸一起构成动态四边形(参考附图5中的a，b，c，d，DE，AB)。
步骤(4)：后车接收控制模块解算上述动态四边形，计算获得无人驾驶机械车辆相对于前车的位姿信息，如相对前车的距离、角度以及速度等；
步骤(5)：后车根据解算得到的两车相对位姿信息，输出车辆控制信息，并通过CAN总线发送给车载控制器，实现对无人跟车驾驶车辆方向盘、油门、刹车等部件的控制，实现无人跟车驾驶车辆根据前后车的相对位姿信息进行自动调整行驶路线，完成规定的无人跟车行驶任务。
本发明采用以上技术方案与现有的追踪定位技术相比，具有以下优点：
(1)基于广角脉冲编码的超声波追踪定位方法计算量小、实时性强，仅仅依靠测量的距离信息就可以快速解算出前后车的相对位姿关系；
(2)识别追踪能力和抗干扰能力强，易于锁定追踪目标，适用于各种场景。采用的带广角发射的超声波发射和接收器，发射、接收有效范围宽，相对于传统的追踪定位方式不易受到红外热源以及复杂背景图像等的干扰；
(3)能够同时实现前后两车的相对距离、角度和速度的测量，易于实现对无人跟车驾驶车辆行驶路线的精确控制；
(4)结构简单，重量更轻，使用方便，减轻了常规追踪定位方式对数据采集设备、高性能嵌入式处理器等硬件设备的要求，使得无人跟车驾驶车辆的机动性更为出色，具有较大的实用价值。
四、附图说明
图1为基于超声波阵列的无人跟车驾驶车辆追踪定位方法总体组成结构示意图，其中1、2均为广角脉冲编码超声波发射器，3、4均为广角脉冲编码超声波接收器，5为超声波发射控制器，6为前车(有人驾驶)电源，7为超声波接收控制器，8为后车(无人跟车驾驶)电源，9为后车车载控制器。
图2为前车(有人驾驶)1号广角脉冲编码超声波发射器发射接收示意图，其中1、2均为广角脉冲编码超声波发射器，3、4均为广角脉冲编码超声波接收器。
图3为前车(有人驾驶)2号广角脉冲编码超声波发射器发射接收示意图，其中1、2均为广角脉冲编码超声波发射器，3、4均为广角脉冲编码超声波接收器。
图4为超声波阵列追踪定位应用示意图，其中1、2均为广角脉冲编码超声波发射器，3、4均为广角脉冲编码超声波接收器，5为前车(有人驾驶)，6为后车(无人驾驶)。
图5为前车后车相对位置关系解算图，其中A和B点为在后车(无人跟车驾驶车辆)前端布置的两个广角超声波接收阵列传感器，D和E点为前车(有人驾驶)尾部布置的两个广角脉冲编码超声波发射阵列传感器，以A点为原点，AB为x轴，建立直角坐标系。已知后车AB宽为l1，前车宽DE为l2，通过超声波测距得AD长为a，DB长为b，AE长为c，EB长为d，F点为DE的中点。
五、具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步描述。
步骤(1)：参考附图4、附图5。在附图4中前车5(有人驾驶)的尾部布置广角脉冲编码超声波发射阵列传感器1和2，设位置点分别为D和E；在后车6(无人跟车驾驶车辆)的前端布置两个广角脉冲编码超声波接收阵列传感器3和4，设位置点分别为A和B，图5中AB的长度为l1，DE的长度为l2；
步骤(2)：在附图1中前车上布置电源6、超声波发射控制器5，在后车上布置电源8、超声波接收控制器7以及车载控制器9(不是本发明涉及的内容，主要用来控制无人跟车驾驶车辆的方向盘、油门以及刹车)。电源负责给广角脉冲编码超声波传感器、超声波发射、接收控制器和车载控制器供电；
步骤(3)：附图1中前车的广角脉冲编码超声波发射器1、2在发射控制器5的控制下，采用带脉冲编码的方式进行间歇发射超声波数据，后车的超声波接收器3、4在接收控制器7的作用下接收前车发来的超声波数据；
步骤(4)：后车将采集到的超声波阵列数据进行滤波、解码后缓存为距离数值，即得到了附图5中AD的距离值为a，DB的距离值为b，AE的距离值为c，BE的距离值为d，并进行前后车相对位置的解算。以A点为原点，AB为x轴，建立直角坐标系。
设∠DAB为α，由三角形的余弦公式可得：
b2＝a2+l1 2-2*a*l1*cosα
则
设∠EAB为β，同理可得
在直角三角形△ADC和△AEG中，可得AC和AG的长度l3为l4，则：
由三角形的勾股定理可得DC和EG的长为l5，l6，则：
则点D坐标为D(l3，l5)，E点(l4，l6)，由几何学中点的特性结合函数知识可得F点坐标为：
代入已知参数可得F点的坐标为：
设DE的函数方程为：
y＝k*x+b
其中：
由微积分可得F点在x方向和y方向上的速度为：
vy＝dy
参考附图5，由前车DE的直线方程中斜率，即k1值，可以解算出前车相当于后车的偏转角度。即可根据广角超声波阵列接收器采集到的距离信息和安装几何信息，解算得到前后车的相对位置、速度和角度信息，而且前车每行驶改变一次位置，则重新解算得到新的坐标位置。
步骤(5)：后车根据解算得到的两车相对位置信息，输出车辆控制信息，并通过附图1中的CAN总线发送给车载控制器9，实现对后车(无人跟车驾驶车辆)方向盘、油门、刹车等部件的控制，即根据设定的阈值来控制无人跟车驾驶车辆该刹车还是加油门、方向盘是向左打还是向右打，从而实现无人跟车驾驶车辆根据前后车的相对位置信息进行自动调整行驶路线，完成规定的行驶任务。
本具体实施方式通过广角脉冲编码超声波阵列传感器实现无人跟车驾驶车辆根据前车行驶情况进行精确的追踪定位，实现无人跟车驾驶车辆的自动驾驶。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，且描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.基于超声波阵列的无人驾驶位姿测量与追踪定位方法，该方法的实现所依赖的硬件包括：两个超声波发射器、两个超声波接收器、供电模块、前后车收发控制处理模块等；其特征在于由多个超声波发射器、接收器构成特定的阵列，相互间易于辨识，实现无人驾驶机械车辆相对前车的距离、角度以及速度信息的有效检测。
2.根据权利要求1所述的两个超声波发射器，其特征在于都具备广角发射与脉冲编码功能，设置在前车的尾部，脉冲编码功能不仅有利于这两个发射器之间的相互辨识，而且有助于提高无人驾驶机械车辆的识别追踪能力和抗干扰能力，易于锁定追踪目标，适用范围广；采用的带广角发射的超声波发射和接收器，发射、接收有效范围宽，可有效解决前后车相对位姿变化较大时的位姿测量和定位问题。
3.根据权利要求1所述的多个超声波发射器、接收器构成特定的阵列，其特征在于，两个广角脉冲编码超声波发射器设置在前车的尾部，与前车发射控制模块连接；两个广角超声波接收器设置在无人驾驶机械车辆的前部，与后车接收控制模块连接，每个接收器都可以接收前车两个发射器的编码和距离信息，构成动态四边形，该阵列可方便检测无人驾驶机械车辆相对于前车的位姿信息。
4.根据权利要求1所述的多个超声波发射器、接收器构成特定的阵列，其特征还在于，仅仅依靠测量的距离信息就可以快速解算出前后车的相对位姿关系，追踪定位方法计算量小、实时性强。
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