CN109828577B - 无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，其特征是：采用激光雷达和视觉传感器将无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相对定位区间调整至10米以内；通过自动化场桥拖挂定位检测信息，修正无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相互位置，根据相对定位信息，利用定位有限状态机和步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车场桥作业的高精度定位。有益效果：本发明解决了无人驾驶集装箱卡车在堆场作业时GPS/北斗定位误差的问题，可以实现无人驾驶集装箱卡车和自动化场桥的相对精确定位，同时减少无人驾驶集装箱卡车位置姿态调整的次数，实现精确停车，提高自动化场桥与集装箱卡车之间完成装箱、卸箱的效率。

Description

无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法

技术领域

本发明属于无人驾驶汽车技术领域，尤其涉及一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法。

背景技术

港口平面运输效率主要取决于岸桥和场桥与集装箱卡车之间完成装箱、卸箱的效率。目前岸桥、场桥与集装箱卡车之间进行装箱、卸箱操作时，对桥吊与集装箱卡车之间的相对位置和姿态要求比较高，误差范围比较小，往往需要驾驶员多次调整相对位置与姿态，对驾驶技术要求较高，同时也会影响装卸效率。

港口自动化改造主要涉及港口作业调度系统改造、场桥自动化改造和无人驾驶集装箱卡车等。港口作业调度系统发出作业指令，场桥和集装箱卡车分别要移动到指定的作业贝位，因此，在自动化改造过程中，场桥一般通过磁钉实现精确定位，集装箱卡车一般通过GPS/北斗定位系统增加定位能力，但是限于GPS/北斗的定位精度，还需要通过增加激光雷达和视觉传感器提高定位精度。在实际使用过程中，场桥和集装箱卡车到达作业贝位，开始进行装卸箱操作之前，需要场桥和集装箱卡车互相配合，分别或者同时移动场桥和集装箱卡车，逐步优化场桥和集装箱卡车各自的停车位置以及相互位置和姿态关系，最终保证场桥到达正确的贝位位置，集装箱卡车到达该场桥能够正确装卸箱的位置，并保持正确的停车姿态。无人驾驶集装箱卡车在港口平面运输中发挥作业，需要具备相对自动化场桥精确定位停车装卸箱的能力。

实现上述方案的难点主要包括：无人驾驶集装箱卡车在堆场作业时，由于自动化场桥或者集装箱遮挡，会造成GPS/北斗定位误差增大；自动化场桥和无人驾驶集装箱卡车同时运动时，如何协调两者之间的相互运动，提供优化控制策略，减少无人驾驶集装箱卡车位置姿态调整的次数和距离；由于无人驾驶集装箱卡车拖挂尺寸变化，会导致利用激光雷达或者视觉传感器实现的卡车与场桥之间的定位位置与实际装卸箱位置存在一定的偏移，无法正确完成装卸箱操作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，利用激光雷达和视觉传感器，通过无人驾驶集装箱卡车共享自动场桥拖挂定位检测信息，可以控制无人驾驶集装箱卡车厘米级精确定位停车。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，其特征是：采用激光雷达和视觉传感器将无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相对定位区间调整至10米以内；通过自动化场桥拖挂定位检测信息，修正无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相互位置，增加无人驾驶集装箱卡车和自动化场桥之间的定位信息交互，根据相对定位信息，利用定位有限状态机和步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车场桥作业的高精度定位，具体步骤如下：

步骤一、自动化场桥接收调度系统指令，开始向指定贝位运动；自动化场桥到达指定贝位，停止运动，等待无人驾驶集装箱卡车；

步骤二、无人驾驶集装箱卡车利用定位有限状态机调整自车运动，实现与自动化场桥的互定位以及精确停车，有限状态机的状态以及状态转移关系如下：

1)准备：无人驾驶集装箱卡车接收调度系统指令，查询指定贝位定位信息，规划行驶轨迹，发送开始运行指令；

2)运行：无人驾驶集装箱卡车接收指令，开始向指定贝位运动；此时无人驾驶集装箱卡车并没有进入能够与自动化场桥相互定位检测的距离，无人驾驶集装箱卡车根据指定贝位及GPS/北斗定位位置的规划轨迹运动；

3)低速运行：无人驾驶集装箱卡车继续移动，当进入与自动化场桥相对定位区域，进入低速运行状态，降低无人驾驶集装箱卡车的运行速度，无人驾驶集装箱卡车根据自车配备的激光雷达或者视觉传感器检测自动化场桥，计算得到与自动化场桥的相对定位信息，更新相对定位；

4)微调定位：无人驾驶集装箱卡车进入自动化场桥的拖挂定位有效区间，无人驾驶集装箱卡车通过无线局域网接收自动化场桥发出的拖挂偏移信息，根据偏移信息移动，利用步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车的步进运动，最终实现精确停车；

5)到达目的地：当无人驾驶集装箱卡车达到停车误差合理范围内，无人驾驶集装箱卡车停止运动，并向调度系统反馈到达目的地信号，开始装卸箱。

步骤二中的状态3)所述低速运行为将无人驾驶集装箱卡车的运行速度降至2km/h。

步骤二中的状态5)所述到达目的地后无人驾驶集装箱卡车停车的合理误差范围为2-3cm。

所述步进停车控制器是实现车辆在空载、重载等不同载重情况下，通过控制车辆油门刹车动作，完成车辆步进行进；其中：油门刹车动作是指固定油门开度f的油门输出一段时间interval，然后立即输出刹车控制量b；步进停车控制器的控制量为油门输出时间interval；反馈量为一次油门刹车动作后车辆实际行进距离d_t，由激光或者视觉传感器测量得到，固定油门开度f为怠速时的油门开度，刹车控制量b为最大刹车控制量；初始油门输出时间interval_init是车辆载重量w和期望的行进距离d的二次函数，通过参数拟合获得不同载重条件下车辆行进距离与油门输出时间的关系，

interval_init＝αw²+βw+γd²+δd+∈。

有益效果：与现有技术相比，本发明解决了无人驾驶集装箱卡车在堆场作业时GPS/北斗定位误差的问题，可以实现无人驾驶集装箱卡车和自动化场桥的相对精确定位，同时减少无人驾驶集装箱卡车位置姿态调整的次数，实现精确停车，提高自动化场桥与集装箱卡车之间完成装箱、卸箱的效率。

附图说明

图1是初始状态下无人驾驶集装箱卡车、自动化场桥与指定贝位位置的示意图；

图2是无人驾驶集装箱卡车进入准备状态示意图；

图3是无人驾驶集装箱卡车运行状态示意图；

图4是无人驾驶集装箱卡车低速运行状态示意图；

图5是无人驾驶集装箱卡车微调定位状态示意图；

图6是无人驾驶集装箱卡车定位有限状态机的状态及状态转移关系框图。

(摘要附图)

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

详见附图，本实施例提供了一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，采用激光雷达和视觉传感器将无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相对定位区间调整至10米以内；通过自动化场桥拖挂定位检测信息，修正无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相互位置，增加无人驾驶集装箱卡车和自动化场桥之间的定位信息交互，根据相对定位信息，利用定位有限状态机和步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车自动化场桥作业的高精度定位。初始时，无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥的位置如图1所示，无人驾驶集装箱卡车位于A点，自动化场桥位于B点。具体步骤如下：

步骤一、自动化场桥接收调度系统指令，得到指定贝位C点坐标，开始向指定贝位运动；自动化场桥到达指定贝位C点后停止运动，等待无人驾驶集装箱卡车；

步骤二、无人驾驶集装箱卡车利用定位有限状态机调整自车运动，实现与自动化场桥的互定位以及精确停车，有限状态机的状态以及状态转移关系如下：

1.准备：无人驾驶集装箱卡车接收调度系统指令，查询指定贝位定位信息，得到指定贝位C点坐标，A点与C点距离约50m，根据A点与C点坐标规划行驶轨迹，发送开始运行指令，如图2所示；

2.运行：无人驾驶集装箱卡车接收指令，开始向指定贝位C运动，由于此时无人驾驶集装箱卡车并没有进入能够与自动化场桥相互定位检测的距离，如图3，无人驾驶集装箱卡车根据C点坐标及自车配备的GPS/北斗定位系统得到自车坐标，按规划轨迹运动，此时车速在10km/h左右；

3.低速运行：无人驾驶集装箱卡车不断向C点移动，当与C点距离小于10m时，如图4，进入与自动化场桥相对定位区域，从运行状态进入低速运行状态。无人驾驶集装箱卡车的运行速度降低至2km/h。无人驾驶集装箱卡车根据自车配备的Basler aca1920-40彩色相机采集视觉传感器图像数据，利用图像检测算法检测自动化场桥，并计算得到与自动化场桥的相对定位信息，根据相对距离调整自车运动，继续向C点靠近；

4.微调定位：无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥的相对距离小于2m时，如图5，进入自动化场桥的拖挂定位有效区间，从低速运行状态转入微调定位状态，此时无人驾驶集装箱卡车为步进行进。无人驾驶集装箱卡车通过无线局域网接收自动化场桥发出的拖挂偏移信息，根据偏移信息移动，利用步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车的步进运动，最终实现精确停车；

5.到达目的地：当无人驾驶集装箱卡车达到停车误差合理范围(2-3cm)内，无人驾驶集装箱卡车停止运动，并向调度系统反馈到达目的地信号，开始装卸箱。装卸箱完成后，无人驾驶集装箱卡车复位，重新进入准备状态，等待下一次指令。

步进停车控制器是实现车辆在空载、重载等不同载重情况下，通过控制车辆油门刹车动作，完成车辆步进行进。油门刹车动作是指固定油门开度f的油门输出一段时间interval，然后立即输出刹车控制量b。步进停车控制器的控制量为油门输出时间interval；反馈量为一次油门刹车动作后车辆实际行进距离d_t，由激光或者视觉传感器测量得到。固定油门开度f为怠速时的油门开度，刹车控制量b为最大刹车控制量。初始油门输出时间interval_init是车辆载重量w和期望的行进距离d的二次函数，通过参数拟合获得不同载重条件下车辆行进距离与油门输出时间的关系如下式。

interval_init＝αw²+βw+γd²+δd+ε

其中，α,β,r,δ,ε等参数需要离线进行标定。本例中参数取值为α＝0.001,β＝0.01,r＝0.03,δ＝0.2,ε＝0.18。

步进停车控制器采用了PID控制算法，计算公式如下：

e_t＝d-d_t

其中，PID参数根据经验进行调节。本例中参数取值为k_p＝0.04,k_i＝0.006,k_d＝0.1。

本方法所述有限状态机(FSM)是表示有限个状态及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，在计算机领域有着广泛的应用。通常FSM包含几个要素：状态的管理、状态的监控、状态的触发、状态触发后引发的动作。

上述参照实施例对该一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，其特征是：采用激光雷达和视觉传感器将无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相对定位区间调整至10米以内；通过自动化场桥拖挂定位检测信息，修正无人驾驶集装箱卡车与自动化场桥之间的相互位置，增加无人驾驶集装箱卡车和自动化场桥之间的定位信息交互，根据相对定位信息，利用定位有限状态机和步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车场桥作业的高精度定位，具体步骤如下：

步骤一、自动化场桥接收调度系统指令，开始向指定贝位运动；自动化场桥到达指定贝位，停止运动，等待无人驾驶集装箱卡车；

步骤二、无人驾驶集装箱卡车利用定位有限状态机调整自车运动，实现与自动化场桥的互定位以及精确停车，有限状态机的状态以及状态转移关系如下：

1)准备：无人驾驶集装箱卡车接收调度系统指令，查询指定贝位定位信息，规划行驶轨迹，发送开始运行指令；

2)运行：无人驾驶集装箱卡车接收指令，开始向指定贝位运动；此时无人驾驶集装箱卡车并没有进入能够与自动化场桥相互定位检测的距离，无人驾驶集装箱卡车根据指定贝位及GPS/北斗定位位置的规划轨迹运动；

3)低速运行：无人驾驶集装箱卡车继续移动，当进入与自动化场桥相对定位区域，进入低速运行状态，降低无人驾驶集装箱卡车的运行速度，无人驾驶集装箱卡车根据自车配备的激光雷达或者视觉传感器检测自动化场桥，计算得到与自动化场桥的相对定位信息，更新相对定位；

4)微调定位：无人驾驶集装箱卡车进入自动化场桥的拖挂定位有效区间，无人驾驶集装箱卡车通过无线局域网接收自动化场桥发出的拖挂偏移信息，根据偏移信息移动，利用步进停车控制器，实现无人驾驶集装箱卡车的步进运动，最终实现精确停车；所述步进停车控制器是实现车辆在空载、重载等不同载重情况下，通过控制车辆油门刹车动作，完成车辆步进行进；其中：油门刹车动作是指固定油门开度f的油门输出一段时间interval，然后立即输出刹车控制量b；步进停车控制器的控制量为油门输出时间interval；反馈量为一次油门刹车动作后车辆实际行进距离d_t，由激光或者视觉传感器测量得到，固定油门开度f为怠速时的油门开度，刹车控制量b为最大刹车控制量；初始油门输出时间interval_init是车辆载重量w和期望的行进距离d的二次函数，通过参数拟合获得不同载重条件下车辆行进距离与油门输出时间的关系，

interval_init＝αw²+βw+γd²+δd+ε；

5)到达目的地：当无人驾驶集装箱卡车达到停车误差合理范围内，无人驾驶集装箱卡车停止运动，并向调度系统反馈到达目的地信号，开始装卸箱。

2.根据权利要求1所述无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，其特征是：步骤二中的状态3)所述低速运行为将无人驾驶集装箱卡车的运行速度降至2km/h。

3.根据权利要求1所述无人驾驶集装箱卡车相对自动化场桥高精度定位停车方法，其特征是：步骤二中的状态5)所述到达目的地后无人驾驶集装箱卡车停车的合理误差范围为2-3cm。

Images