CN108957511A - 一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法 - Google Patents

一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法 Download PDF

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韩树丰
何勇
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    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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Abstract

本发明提供了一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法，本发明采用了两套GNSS定位和视觉定位系统，视觉定位系统作为辅助GNSS定位系统使用，当GNSS定位系统出现问题后由视觉定位系统判定修正，精准度更高，系统里采用了GNSS位置质量评估器和视觉位置质量评估进行自评判断，确保数据的精确。

Description

一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法
技术领域
本发明涉及车辆导航领域，特别是一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS) 接收器能提供车辆的位置信息，已被广泛的应用于车载导航系统中。尽管基于差分技术的GNSS接收器在其整个工作过程中的大部分时间内定位精度可达10cm，但是仍有约5％的时间内误差超过10cm。另外，GNSS信号可能会被建筑、树木或其他障碍物遮挡住，这使得单一使用GNSS接收器只能在特定环境中进行定位导航。因此，增加一种或多种定位传感器来辅助 GNSS定位，提高导航系统的准确性和鲁棒性很有必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有的上述问题，提供一种车辆导航转向控制系统和导航修正方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种车辆导航转向控制系统，其特征在于，它包括：
转向系统和转向控制单元；
所述的转向控制单元包括GNSS定位系统和视觉定位系统，当GNSS定位系统出现错误时，所述的视觉定位系统用于修正数据，使转向控制单元得到修正后的数据。
所述转向控制单元还包括：
转向控制器，用于直接控制转向系统；
位置调整器，作为数据处理中心与转向控制器连接并将转动信息发送至转向控制器；
GNSS定位系统包括GNSS定位模块，车辆行走时所述GNSS定位模块的坐标数据反馈至位置调整器和GNSS位置质量评估器；GNSS位置质量评估器用于评估GNSS定位模块的GNSS质量数据，连接至位置调整器用于判定。
视觉定位系统包括视觉定位模块，车辆行走时生成局部的深度坐标数据，深度坐标数据反馈至位置调整器和视觉位置质量评估器；视觉位置质量评估器用于评估视觉定位模块的视觉质量数据。
一种车辆导航转向修正方法：
步骤S100，设定行进路线，GNSS定位模块确定与之相关联的车辆的初步位置数据ygps，ygps被定义为矢量数据，
步骤S110，视觉定位模块获得图像并处理获得的图像得到视觉衍生位置数据yvision，yvision被定义为矢量数据，
步骤S120，GNSS位置质量评估器在评估时间窗口内对初步位置数据进行评估而产生GNSS质量数据Qgps，包括测量GNSS定位信号错误率、信号强度级，设定一个阈值，Qgps小于阈值则ygps判定为位置误差信号，否则为正常位置信号，
步骤S130，视觉位置质量评估器评估产生视觉质量数据Qvision，包括图像时的环境光照强度、视觉定位模块的分辨率、视觉识别物体的可靠性，以及估算被识别物体位置的可靠性，并将其转变为概率值，然后设定一个阈值，Qvision大于阈值则yvision判定为视觉位置误差信号，否则为正常视觉位置信号，
步骤S140，当视觉位置数据质量达到要求时且GNSS位置质量数据小于或等于触发阈值，位置调整器基于视觉衍生位置数据将GNSS初步位置数据调整为修正后的位置数据，GNSS位置数据在经过修正后的一段时间间隙内，与视觉衍生位置数据的差值在最大容差内，最大容差设置为5cm～10cm 内的某个值，
步骤S150，修正后的误差值被输入到位置调整器再到转向控制器中以获得控制信号，控制信号又用于校正转向系统对车辆的控制。
位置误差信号ygps内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差，视觉位置误差信号yvision内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差。
GNSS定位模块的数据以以下格式输出：
式中，Eoff_gps是横向误差，Ehead_gps是航向误差；
视觉衍生定位数据的格式为：
其中Eoff-vision为视觉定位模块得到的横向误差，Ehead-vision为视觉定位模块得到的航向误差。
视觉衍生位置数据可以通过一个或多个已知具体位置的可视参考标记或特征得到。
如果视觉定位模块在一段较长时间内无法确定参考图像中的参考标记，视觉定位系统会给视觉位置质量评估器发报警信号，评估器接到信号后会降低视觉衍生定位数据的质量等级。
位置调整器包括一种嵌入式处理器或可编程的设备，还包括一个规则管理器，当视觉质量低于最小阈值时，规则管理器会将GNSS位置数据当作误差控制信号，除非GNSS位置数据和视觉衍生位置数据的差异大于最大容差，否则不需要进行调整。
本发明采用了两套GNSS定位和视觉定位系统，视觉定位系统作为辅助 GNSS定位系统使用，当GNSS定位系统出现问题后由视觉定位系统判定修正，精准度更高，系统里采用了GNSS位置质量评估器和视觉位置质量评估进行自评判断，确保数据的精确。
附图说明
图1是本发明的各个模块连接示意图；
图2是本发明修正方法的流程图；
图3是修正路线示意图；
图中，10、GNSS定位系统；11、GNSS定位模块；20、视觉定位系统；21、视觉定位模块；30、GNSS位置质量评估器；40、视觉位置质量评估器；50、位置调整器；60、转向控制器；70、转向系统
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是车辆导航系统的结构框图。该系统可以安装在车辆上，包括一个视觉定位系统20和一个与位置调整器50通信的GNSS定位系统10。
视觉定位系统20与视觉位置质量评估器40相连，GNSS定位系统10 与GNSS位置质量评估器30相连，位置调整器50与转向控制器60进行通信，转向控制器60与转向系统70相连。
一、GNSS定位系统10
包括GNSS定位模块11，GNSS定位模块11中设有差分接收器，可以提供车辆的位置信息(坐标)。GNSS定位模块11的数据以以下格式输出：
式中，Eoff_gps是横向误差，Ehead_gps是航向误差。
GNSS定位模块11在行进中会产生的问题有以下两个：(1)GNSS定位模块11在哪一个评估时间间隔内其位置数据不可用或被损坏；(2)在哪一个评估时间间隔内其定位数据的精度低于某个阈值。
针对以上问题，GNSS位置质量评估器30用于评估GNSS定位系统10输出的初步位置数据或GNSS质量数据Qgps。GNSS位置质量评估器30可根据下列因素之一进行质量评估：(1)某个区域可以接收到的卫星信号数量； (2)获得良好信号质量的定位接收器所需要的卫星数目；(3)每个卫星信号是否具有可接受的误码率或帧错误率。
二、视觉定位系统20
视觉定位系统20包括视觉定位模块21，视觉定位模块21包括图像采集系统和图像处理系统。其中图像采集系统包含下述的一项或几项：(1) 一个或多个单目成像系统用于采集图像组获得物体的二维坐标；(2)一个立体视觉系统获得物体的深度信息或三维坐标。经过图像采集系统得到的图像可能是彩色的、单色的、黑白的或者灰度图像。
视觉定位模块21可以根据物体在图像中的特征位置来辅助位置信息的采集(在二维或者三维的坐标系中)，从而产生视觉衍生位置数据。视觉定位模块21适用于车辆周围环境具有与车辆位置有关的局部特征。局部特征包括以下的一个或多个：作物行位置、栅栏的位置、田梗位置、边界位置、土壤脊沟、作物行边缘位置。局部特征的视觉衍生位置信息可以用于周期性的调整(如校正漂移)GNSS定位模块11获得的初步位置数据。
视觉定位模块21将状态或位置信息传递给位置调整器50或者视觉位置质量评估器40，从而获得以下的一个或多个信息：(1)视觉定位模块21 是否能用；视觉衍生位置数据是否稳定或有无错误；(3)图像数据是否满足性能、准确性、可靠性要求。
在具体实例中，视觉定位模块21可用于识别作物行的位置，其中检测大豆的作物行的误差在1cm左右，检测玉米的误差在2.4cm左右。该模块输出的视觉衍生定位数据的格式为：
其中Eoff-vision为视觉定位模块21得到的横向误差，Ehead-vision为视觉定位模块21得到的航向误差。
视觉位置质量评估器40用于评估视觉定位模块21输出的视觉衍生位置数据或视觉质量数据Qvision。光照强度的强弱以及光的频率(近红外，紫外，可见光频率)会对视觉质量数据造成相应的影响。视觉质量评估还与图像处理中的置信度度量有关。如果所需的特征(如作物行)在一幅或多幅图像中很明显，那么视觉位置质量评估器40会认定相应图像具有高图像质量或高置信水平，相反的如果特征在一幅或多幅图像中不明显，那么会认定低图像质量或低置信水平。
如果视觉定位模块21在一段较长时间内(大于最大阈值)无法确定参考图像中的参考标记，视觉定位系统20会给视觉位置质量评估器40发报警信号，评估器接到信号后会降低视觉衍生定位数据的质量等级。
三、位置调整器50
位置调整器50包括一种嵌入式处理器或其他任何可编程的设备。在当前的发明中，位置调整器50还包括一个规则管理器。当视觉质量低于最小阈值时，规则管理器会将GNSS位置数据当作误差控制信号。除非GNSS位置数据和视觉衍生位置数据的差异大于最大容差，否则不需要进行调整。视觉的权重决定了视觉定位模块21得到的视觉衍生位置数据yvision对误差控制信号的贡献程度，位置的权重决定了GNSS定位模块11得到的GNSS位置数据ygps对误差控制信号的贡献程度。在本发明中，位置调整器50中的处理器用于安排以下的一个或多个内容：(1)视觉衍生位置数据的权重； (2)GNSS位置数据的权重；(3)某一评估时间间隔内GNSS位置数据与视觉衍生位置数据的混合比率表达式。
误差控制信号中的误差是指通过视觉定位系统20和GNSS定位系统10 测量到的车辆位置与车辆设定位置之间的偏差，该信号被输入到转向控制器60中以获得控制信号，控制信号又用于校正转向系统70对车辆的控制。
一种车辆导航转向修正方法如图2：
步骤S100，设定行进路线(设定位置数据)，GNSS定位模块11确定与之相关联的车辆的初步位置数据ygps，ygps被定义为矢量数据，
步骤S110，视觉定位模块21获得图像并处理获得的图像得到视觉衍生位置数据yvision，yvision被定义为矢量数据，
步骤S120，GNSS位置质量评估器30在评估时间窗口内对初步位置数据进行评估而产生GNSS质量数据Qgps，包括测量GNSS定位信号错误率、信号强度级，设定一个阈值，Qgps小于阈值则ygps判定为位置误差信号，否则为正常位置信号，位置误差信号ygps内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差，视觉位置误差信号yvision内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差，
GNSS定位模块11的数据以以下格式输出：
式中，Eoff_gps是横向误差，Ehead_gps是航向误差；
步骤S130，视觉位置质量评估器40评估产生视觉质量数据Qvision，包括图像时的环境光照强度、视觉定位模块21的分辨率、视觉识别物体的可靠性，以及估算被识别物体位置的可靠性，并将其转变为概率值，然后设定一个阈值，Qvision大于阈值则yvision判定为视觉位置误差信号，否则为正常视觉位置信号，视觉衍生定位数据的格式为：
其中Eoff-vision为视觉定位模块21得到的横向误差，Ehead-vision为视觉定位模块21得到的航向误差，视觉衍生位置数据可以通过一个或多个已知具体位置的可视参考标记或特征得到。
步骤S140，当视觉位置数据质量达到要求时且GNSS位置质量数据小于或等于触发阈值，位置调整器50基于视觉衍生位置数据将GNSS初步位置数据调整为修正后的位置数据，GNSS位置数据在经过修正后的一段时间间隙内，与视觉衍生位置数据的差值在最大容差内，最大容差设置为5cm～ 10cm内的某个值，如果视觉定位模块21在一段较长时间内无法确定参考图像中的参考标记，视觉定位系统20会给视觉位置质量评估器40发报警信号，评估器接到信号后会降低视觉衍生定位数据的质量等级。当视觉质量低于最小阈值时，规则管理器会将GNSS位置数据当作误差控制信号，除非GNSS位置数据和视觉衍生位置数据的差异大于最大容差，否则不需要进行调整。
步骤S150，修正后的误差值被输入到位置调整器50再到转向控制器60 中以获得控制信号，控制信号又用于校正转向系统70对车辆的控制。
图3所示，是一张利用视觉定位系统20调整GNSS定位系统10后所产生的动态导航误差图。图中纵轴表示导航误差中的横向偏差，横轴表示时间，实心圆点代表未经调整的GNSS初步定位误差，空心点代表经过修正后调整后的定位误差。误差修正可以按照固定的时间间隔，利用视觉衍生位置数据对GNSS位置数据进行调整。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种车辆导航转向控制系统，其特征在于，它包括：
转向系统和转向控制单元；
所述的转向控制单元包括GNSS定位系统和视觉定位系统，当GNSS定位系统出现错误时，所述的视觉定位系统用于修正数据，使转向控制单元得到修正后的数据。
2.根据权利要求1所述的一种车辆导航转向控制系统，其特征在于，所述转向控制单元还包括：
转向控制器，用于直接控制转向系统；
位置调整器，作为数据处理中心与转向控制器连接并将转动信息发送至转向控制器。
3.根据权利要求1或2所述的一种车辆导航转向控制系统，其特征在于，GNSS定位系统包括GNSS定位模块，车辆行走时所述GNSS定位模块的坐标数据反馈至位置调整器和GNSS位置质量评估器；GNSS位置质量评估器用于评估GNSS定位模块的GNSS质量数据，连接至位置调整器用于判定；
视觉定位系统包括视觉定位模块，车辆行走时生成局部的深度坐标数据，深度坐标数据反馈至位置调整器和视觉位置质量评估器；视觉位置质量评估器用于评估视觉定位模块的视觉质量数据。
4.一种车辆导航转向修正方法：
步骤S100，设定行进路线，GNSS定位模块确定与之相关联的车辆的初步位置数据ygps，ygps被定义为矢量数据，
步骤S110，视觉定位模块获得图像并处理获得的图像得到视觉衍生位置数据yvision，yvision被定义为矢量数据，
步骤S120，GNSS位置质量评估器在评估时间窗口内对初步位置数据进行评估而产生GNSS质量数据Qgps，包括测量GNSS定位信号错误率、信号强度级，设定一个阈值，Qgps小于阈值则ygps判定为位置误差信号，否则为正常位置信号，
步骤S130，视觉位置质量评估器评估产生视觉质量数据Qvision，包括图像时的环境光照强度、视觉定位模块的分辨率、视觉识别物体的可靠性，以及估算被识别物体位置的可靠性，并将其转变为概率值，然后设定一个阈值，Qvision大于阈值则yvision判定为视觉位置误差信号，否则为正常视觉位置信号，
步骤S140，当视觉位置数据质量达到要求时且GNSS位置质量数据小于或等于触发阈值，位置调整器基于视觉衍生位置数据将GNSS初步位置数据调整为修正后的位置数据，GNSS位置数据在经过修正后的一段时间间隙内，与视觉衍生位置数据的差值在最大容差内，最大容差设置为5cm～10cm内的某个值，
步骤S150，修正后的误差值被输入到位置调整器再到转向控制器中以获得控制信号，控制信号又用于校正转向系统对车辆的控制。
5.根据权利要求4所述的一种车辆导航转向修正方法，其特征在于，位置误差信号ygps内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差，视觉位置误差信号yvision内容包括实际车辆位置与预设路径车辆位置之间的偏差，以及实际车辆航向角与预设车辆航向角之间的偏差。
GNSS定位模块的数据以以下格式输出：
式中，Eoff_gps是横向误差，Ehead_gps是航向误差。
6.根据权利要求4或5所述的一种车辆导航转向修正方法，其特征在于，视觉衍生定位数据的格式为：
其中Eoff-vision为视觉定位模块得到的横向误差，Ehead-vision为视觉定位模块得到的航向误差。
7.根据权利要求6所述的一种车辆导航转向修正方法，其特征在于，视觉衍生位置数据可以通过一个或多个已知具体位置的可视参考标记或特征得到。
8.根据权利要求6所述的一种车辆导航转向修正方法，其特征在于，如果视觉定位模块在一段较长时间内无法确定参考图像中的参考标记，视觉定位系统会给视觉位置质量评估器发报警信号，评估器接到信号后会降低视觉衍生定位数据的质量等级。
9.根据权利要求6所述的一种车辆导航转向修正方法，其特征在于，如果视觉定位模块在一段较长时间内无法确定参考图像中的参考标记，视觉定位系统会给视觉位置质量评估器发报警信号，评估器接到信号后会降低视觉衍生定位数据的质量等级，位置调整器包括一种嵌入式处理器或可编程的设备，还包括一个规则管理器，当视觉质量低于最小阈值时，规则管理器会将GNSS位置数据当作误差控制信号，除非GNSS位置数据和视觉衍生位置数据的差异大于最大容差，否则不需要进行调整。
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