CN108313125B - 一种转向角传感器的校准方法和装置 - Google Patents

一种转向角传感器的校准方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转向角传感器的校准方法，包括以下步骤：在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；在车辆行驶中对GNSS天线进行精细校准；在车辆行驶中利用精细校准后的GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准。本发明还公开了一种转向角传感器的校准装置，包括：转向角传感器粗略校准单元，用于对转向角传感器进行粗略校准；GNSS天线校准单元，用于对GNSS天线进行精细校准；和转向角传感器精细校准单元，用于利用GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准。本发明不要求驾驶员严格进行直线驾驶，操作过程比较简单而且节省时间，且得到的转向角传感器安装误差更为准确。

Description

一种转向角传感器的校准方法和装置
技术领域
本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种转向角传感器的校准方法和装置。
背景技术
在车辆尤其是农机的自动驾驶系统中，一个关键部件就是转向角传感器，自动驾驶系统通过转向角传感器对车轮的状态进行感知，进而控制车辆的行驶方向。然而，在实践中，由于安装过程中不可避免地会产生一定的偏差，导致转向角传感器本身存在安装误差。因此，要实现高精度的农机自动驾驶控制，必须要对农机的转向角传感器进行高精度的校准。
现有自动驾驶系统中的一种转向角传感器的校准方法为：对转向角传感器的取值区间内所有的角度进行高精度校准。具体步骤包括：根据转向角传感器的取值区间，分别设置向左转向轨迹和向右转向轨迹。但是，该方法需要驾驶员按照预先设置的特定轨迹进行手动驾驶，容易导致转向角传感器校准不准确，并且对场地有特定的要求。
还有一种对转向角传感器的校准方法为：按照预先设置的直线轨迹进行自动驾驶，获取自动驾驶过程中的校准数据；根据直线自动驾驶采集的校准数据，对转向角传感器的高精度校准区间进行校准；采用手动驾驶方式分别进行左转向闭合轨迹驾驶和右转向闭合轨迹驾驶，获取左转向和右转向校准数据；根据采集的左转向和右转向校准数据，对转向角传感器高精度区间外的低精度校准区间进行校准。这种方法的高精度校准区间部分需要依赖自动驾驶，而自动驾驶系统往往需要依赖转向角传感器的高精度校准区间的数据，两者互相依赖；另外，该方法需要混合自动驾驶和手动驾驶两种方式，还需要混合直线和曲线的轨迹，校准过程复杂。
因此，现有技术的校准方法存在以下问题：
1)校准数据的准确性。上述两种校准方式都依赖GNSS的数据，而GNSS的天线安装本身是有误差的。所以准确的转向角传感器的校准，是需要先进行GNSS天线的安装误差校准。无论使用GNSS单天线，还是GNSS双天线，都需要对天线的安装误差进行校准。
2)校准过程复杂，并且对场地有特定的要求。上述两种校准方式的操作过程都比较复杂，甚至还需要混合自动驾驶和手动驾驶；另外，还对驾驶轨迹有特定的要求，要求是预先设置的特定轨迹或直线轨迹。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供一种操作简单、场地要求低、且能够快速精确校准的校准方法和装置。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种转向角传感器的校准方法和装置，首先基于GNSS天线的实际安装误差对GNSS天线进行精细校准，然后再利用校准后的GNSS天线对转向角传感器安装误差进行精确校准，将GNSS天线的实际安装误差和转向角传感器的实际安装误差应用到自动驾驶系统中，从而使得自动驾驶系统能够完成高精度的驾驶任务。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种转向角传感器的校准方法，包括：
步骤1：在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；
步骤2：在车辆行驶中对GNSS天线进行精细校准；
步骤3：在车辆行驶中利用精细校准后的GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准。
进一步的，步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：在车辆静止状态下，读取转向角传感器的测量数据，得到转向角传感器安装误差的初始值；
步骤1.2：根据转向角传感器安装误差的初始值，对转向角传感器进行粗略校准。
进一步的，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取GNSS天线的误差数据；
步骤2.2：根据GNSS天线的误差数据，对GNSS天线进行精细校准。
进一步的，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取车辆坐标、GNSS天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值，并进而得到转向角传感器的实际误差；
步骤3.2：根据转向角传感器的实际误差，对转向角传感器进行精细校准。
进一步的，所述步骤2.1包括以下步骤：
步骤2.1.1：在第一个周期内，记录车辆的初始坐标以及GNSS天线的初始朝向角度；
步骤2.1.2：在以后的每一个周期内，更新车辆的坐标和所述GNSS天线的朝向角度，并根据相邻两个周期的坐标和GNSS天线朝向角度获得所述GNSS天线在每个周期内的实时误差；
步骤2.1.3：对所述GNSS天线在所有周期内的实时误差求平均值，得到所述GNSS天线的平均误差。
进一步的，所述步骤3.1包括以下步骤：
步骤3.1.1：在第一个周期内，记录车辆的初始坐标、GNSS天线的初始朝向角度和转向角传感器的初始值；
步骤3.1.2：在以后的每一个周期内，更新车辆的坐标、GNSS天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值，并根据相邻两个周期的坐标、GNSS天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值获得转向角传感器在每个周期内的实时误差；
步骤3.1.3：对所述转向角传感器在所有周期内的实时误差求平均值，得到转向角传感器的平均误差作为其实际误差。
进一步的，在所述步骤2和步骤3中，车辆行驶路径不是预先设定的。
进一步的，在所述步骤2和步骤3中，车辆行驶路径为非直线路径。
一种转向角传感器的校准装置，包括：转向角传感器粗略校准单元，用于在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；GNSS天线校准单元，用于在车辆行驶中对GNSS天线进行精细校准；和转向角传感器精细校准单元，用于在车辆行驶中利用GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准。
进一步的，所述GNSS天线校准单元和所述转向角传感器精细校准单元是在车辆按照非预设路径的条件下工作。
本发明的有益效果是，首先，考虑到了GNSS天线的安装误差，先对GNSS天线进行校准再对转向角传感器校准，显著提高了校准的精确性；其次，对校准场地无特定要求，不要求驾驶员严格进行直线驾驶或者按照预先设定的路径驾驶；再次，操作过程比较简单，而且校准时间短，驾驶员仅需向前有效驾驶一定时间，校准系统便会自动获取对于GNSS天线和转向角传感器的误差数据，并且根据该误差数据对转向角传感器完成精细校准。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种转向角传感器的校准方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明一种转向角传感器的校准装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下描述用于公开本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。
根据本发明的一个实施例，参照图1，一种转向角传感器的校准方法包括以下步骤：
步骤1：对转向角传感器进行粗略校准；
步骤2：对GNSS双天线进行精细校准；
步骤3：利用精细校准后的GNSS双天线数据对转向角传感器进行精细校准。
其中，具体地，步骤1可包括以下步骤：
步骤1.1：在车辆静止状态下，驾驶员大致摆正方向盘，此时，校准系统可以读到当前转向角传感器的数据，校准系统可以得到转向角传感器安装误差的初始值；这里虽然描述了摆正方向盘，但本发明并不限于此，也可以将方向盘转到某一个特定的角度，同样可以获得转向角传感器安装误差的初始值，只是在摆正方向盘的条件下获取该误差初始值更为直观简单。
步骤1.2：校准系统会自动把转向角传感器安装误差的初始值应用到校准系统中，对转向角传感器进行粗略校准。
这里，所述的转向角传感器安装误差的初始值通常在≤±10°的范围内。
进一步地，步骤2可包括以下步骤：
步骤2.1：采用手动驾驶方式向前驾驶，获取GNSS双天线的安装误差数据；其中，要求驾驶员向前有效驾驶一段时间，即：时间要达到一定长的时间，例如大于或等于一分钟；驾驶速度要达到一定速度，例如大于5公里/小时。这里虽然描述驾驶员向前驾驶，但并不要求驾驶员严格进行直线驾驶，也不要求按照预先设定好的路线驾驶。
在本步骤中，将有效驾驶的时间分为多个周期，例如可以以0.1秒为1个周期；校准系统在每个周期内都会得到车辆的实时坐标以及GNSS双天线的朝向角度，即(X,Y,θgnss)。
具体的过程如下：
(1)在第一个周期内，初始化校准系统，记录车辆的初始坐标以及GNSS双天线的初始朝向角度(X0,Y0,θgnss(0))；
(2)在以后的每一个周期内，获取每个周期内的车辆的实时坐标和GNSS双天线的朝向角度值(Xn,Yn,θgnss(n))，进行如下计算，可以得到GNSS双天线在每个周期内的实时误差，以第n个周期为例，在第n个周期得到的天线误差为
Figure BDA0001533501790000081
其中，n≥1；
(3)对上述GNSS双天线在有效驾驶时间内所有周期的实时误差求平均值，得到GNSS双天线的平均安装误差。
步骤2.2：校准系统根据上述获得的GNSS双天线的平均安装误差数据，对GNSS双天线进行精细校准。
校准完成后，系统会提示GNSS双天线精细校准完成，告知驾驶员或操作员可以进入下一步。然后，驾驶员或操作员可以发出指令，使系统进入步骤3，即转向角传感器精细校准阶段。
具体地，步骤3可包括以下步骤：
步骤3.1：采用手动驾驶方式向前有效驾驶一段时间，实时获取车辆的坐标、GNSS双天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值，并进而得到转向角传感器的实际安装误差。
其中，与步骤2.1相同，一般要求驾驶达到一定长的时间，例如大于或等于一分钟；驾驶速度达到一定速度，例如大于5公里/小时。这里虽然描述驾驶员向前驾驶，但并不要求驾驶员严格进行直线驾驶，也不要求按照预先设定好的路线驾驶。
在本步骤中，同样将有效驾驶的时间分为多个周期，例如可以以0.1秒为1个周期；在每个周期内，校准系统都会得到车辆的实时坐标以及GNSS双天线的朝向角度，即(X,Y,θgnss)，并且还会读取到转向角传感器的实时测量数值θwheel。
具体过程如下：
(1)在第一个周期内，初始化校准系统，记录车辆的初始坐标以及GNSS双天线的初始朝向角度(X0,Y0,θgnss(0))；
(2)进入以后的每一个周期内，获取每个周期内的车辆的新坐标以及GNSS双天线新的朝向角度(Xn,Yn,θgnss(n))，进行如下计算，可以得到转向角传感器在每个周期内的实时测量误差，以第n个周期为例，
Xdiff(n)＝Xn-Xn-1
Ydiff(n)＝Yn-Yn-1
Figure BDA0001533501790000101
Figure BDA0001533501790000102
其中n≥1，Xdiff(n)和Ydiff(n)是相邻两个周期内的车辆坐标的差值，Distancen是车辆在第n个周期所处位置与车辆在第n-1个周期所处位置之间的距离，wheelbase是车辆前后轴之间的轴距；
(3)对上述转向角传感器在有效驾驶时间内所有周期的实时测量误差求平均值，得到转向角传感器的平均误差，作为转向角传感器的实际安装误差；
步骤3.2：把转向角传感器的实际安装误差应用到校准系统中，对转向角传感器进行精细校准。
通过上述实施例的校准方法，得到的GNSS双天线安装误差和转向角传感器的安装误差会自动应用到自动驾驶系统中，从而帮助驾驶系统完成高精度的自动驾驶任务。
根据本发明的另一个实施例，参照图2，提供了一种转向角传感器的校准装置，包括：转向角传感器粗略校准单元，用于在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；GNSS双天线校准单元，用于在车辆行驶中获取GNSS双天线安装误差数据，并对GNSS双天线进行精细校准；和转向角传感器精细校准单元，用于在车辆行驶中利用GNSS双天线数据对转向角传感器进行精细校准。
大致上，转向角传感器粗略校准单元用于执行上述校准方法中的步骤1，GNSS双天线校准单元用于执行上述校准方法中的步骤2，转向角传感器精细校准单元用于执行上述校准方法中的步骤3。具体工作过程与前述的校准方法过程一致，在此不再赘述。
进一步的，所述GNSS双天线校准单元和所述转向角传感器精细校准单元也不要求车辆按照预先设定的路径行驶或者按照某一特定的直线路径行驶。
上述实施例虽然以GNSS双天线为例对本发明进行说明，但是本发明并不限于此，也可以利用GNSS单天线和惯性测量单元(IMU)的组合来实现本发明，具体实现方式与GNSS双天线类似。
本发明提供的上述校准方法和装置可以应用在农机、清扫车等自动驾驶车辆上。
本发明获得了如下有益效果：首先，考虑到了GNSS天线的安装误差，先对GNSS天线进行校准再对转向角传感器校准，显著提高了校准的精确性；其次，对校准场地无特定要求，不要求驾驶员严格进行直线驾驶或者按照预先设定的路径驾驶；再次，操作过程比较简单，而且校准时间短，驾驶员仅需向前有效驾驶一定时间，校准系统便会自动获取对于GNSS天线和转向角传感器的误差数据，并且根据该误差数据对转向角传感器完成精细校准。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种转向角传感器的校准方法，其特征在于，包括：
步骤1：在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；
步骤2：在车辆行驶中对GNSS天线进行精细校准；
步骤3：在车辆行驶中利用精细校准后的GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准；
其中，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取GNSS天线的误差数据；
步骤2.2：根据GNSS天线的误差数据，对GNSS天线进行精细校准；
步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取车辆坐标、GNSS天线朝向角度和转向角传感器的测量数值，并进而得到转向角传感器的实际误差；
步骤3.2：根据转向角传感器的实际误差，对转向角传感器进行精细校准。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：
步骤1.1：在车辆静止状态下，读取转向角传感器的测量数据，得到转向角传感器安装误差的初始值；
步骤1.2：根据转向角传感器安装误差的初始值，对转向角传感器进行粗略校准。
3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述步骤2.1包括以下步骤：
步骤2.1.1：在第一个周期内，记录车辆的初始坐标以及GNSS天线的初始朝向角度；
步骤2.1.2：在以后的每一个周期内，更新车辆的坐标和所述GNSS天线的朝向角度，并根据相邻两个周期的车辆坐标和GNSS天线朝向角度获得所述GNSS天线在每个周期内的实时误差；
步骤2.1.3：对所述GNSS天线在所有周期内的实时误差求平均值，得到所述GNSS天线的平均误差。
4.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述步骤3.1包括以下步骤：
步骤3.1.1：在第一个周期内，记录车辆的初始坐标、GNSS天线的初始朝向角度和转向角传感器的初始值；
步骤3.1.2：在以后的每一个周期内，更新车辆的坐标、GNSS天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值，并根据相邻两个周期的车辆坐标、GNSS天线的朝向角度和转向角传感器的测量数值获得转向角传感器在每个周期内的实时误差；
步骤3.1.3：对所述转向角传感器在所有周期内的实时误差求平均值，得到转向角传感器的平均误差作为其实际误差。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的校准方法，其特征在于，在所述步骤2和步骤3中，车辆行驶路径不是预先设定的。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的校准方法，其特征在于，在所述步骤2和步骤3中，车辆行驶路径为非直线路径。
7.一种转向角传感器的校准装置，其特征在于，包括：
转向角传感器粗略校准单元，用于在车辆静止状态下对转向角传感器进行粗略校准；
GNSS天线校准单元，用于在车辆行驶中对GNSS天线进行精细校准；和
转向角传感器精细校准单元，用于在车辆行驶中利用精细校准后的GNSS天线数据对转向角传感器进行精细校准；
其中，所述GNSS天线校准单元用于执行以下操作：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取GNSS天线的误差数据；根据GNSS天线的误差数据，对GNSS天线进行精细校准；
转向角传感器精细校准单元步骤还用于执行以下操作：采用手动驾驶方式驾驶车辆，实时获取车辆坐标、GNSS天线朝向角度和转向角传感器的测量数值，并进而得到转向角传感器的实际误差；根据转向角传感器的实际误差，对转向角传感器进行精细校准。
8.根据权利要求7所述的校准装置，其特征在于，所述车辆行驶是按照非预设路径行驶。
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