CN110085023A - 一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统和方法，该编队行驶车队为无人驾驶车队，车队呈前后纵向排列行驶，测量系统包括多个测量单元，车队的每辆车上安装一个测量单元；方法具体包括以下步骤：测量系统数据初始化；车队中前后相邻两车的四个UWB模块互相收发信号，获取各天线两两之间的距离信息；根据距离信息计算获取两辆车的相对位置信息。与现有技术相比，本发明可以方便准确地测量出前后两车的相对位置，为多智能车辆的编队行驶提供相应必要的信息，从而提高车队行驶的稳定性和安全性。

Description

一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统和方法

技术领域

本发明涉及智能汽车领域控制领域，尤其是涉及一种编队行驶车队的车辆间 相对位置测量系统和方法。

背景技术

智能交通系统中多智能车辆的编队行驶是无人驾驶汽车的未来发展趋势。多智能车辆的编队行驶一般要求在保持队形的情况下，跟踪上一个目标轨迹到达目标区 域。在车辆编队行驶过程中，如何保证车辆之间的同步行驶和行驶队形非常重要， 因此需要准确获取车辆的方位信息获取相对位置。

现有的相对位置获取方法一般为基于图像处理技术的视觉定位，或基于激光雷达的测距定位，这两种方式受恶劣环境的影响均较大，如在雨天积水反射灯光、冬 天路面积雪覆盖等情况下，利用摄像头和激光雷达很难进行相对定位；并且利用图 像识别和激光点云算法，数据存储量巨大，运算复杂，器件成本高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种编队行驶车 队的车辆间相对位置测量系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统，该编队行驶车队为无人驾驶车队，车队呈前后纵向排列行驶，测量系统包括多个测量单元，车队的每辆车上安装 一个测量单元；

其中，每个测量单元包括第一UWB模块、第二UWB模块、第一天线、第二 天线和处理器，所述第一天线连接第一UWB模块，所述第二天线连接第二UWB 模块，所述处理器分别连接第一UWB模块，第二UWB模块和所在车辆的车控系 统，所述第一天线和第二天线安装在所在车辆的大顶两侧。

进一步地，所述测量单元的第一天线和第二天线的连线和所在车辆的车前方向垂直。

进一步地，所述的车队至少包括两辆车。

一种如上述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：

S1、测量系统数据初始化；

S2、车队中前后相邻两车的四个UWB模块互相收发信号，获取各天线两两之 间的距离信息；

S3、根据距离信息计算获取两辆车的相对位置信息。

进一步地，所述步骤S2中，具体包括：

S21、校准并获取所在车辆的第一天线和第二天线之间的距离；同时，校准并 获取前车的第一天线和第二天线之间的距离；

S22、获取所在车辆第一天线和前车第一天线的距离、所在车辆第一天线和前 车第二天线的距离、所在车辆第二天线和前车第一天线的距离、以及所在车辆第二 天线和前车第二天线的距离。

进一步地，所述步骤S3中，具体包括：

S31、判断所在车辆第一天线和前车第一天线的距离与所在车辆第二天线和前 车第二天线的距离的差值是否小于设定的阈值，若是，则判断前后两车前进方向相 同；若否，则判断前后两车前进方向存在夹角；

S32、计算获取所在车辆的第一天线和第二天线的连线与所在车辆的第一天线 和前车第二天线的连线形成的夹角大小；

S33、对步骤S32中的夹角大小进行判断，若大于设定区间，则判断前车位于 第一天线侧；若小于设定区间，则判断前车位于第二天线侧；若在设计区间范围内， 则判断前车位于前方；

S34、结合步骤S31和步骤S33的定性判断前车所在的相对位置并且根据几何 法定量获取距离和角度的具体数值。

进一步地，所述的设定区间为85～95度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过在车队的每辆车上设置测试单元，测试单元内设有两个UWB (无载波通信技术)模块，并且将天线设置在车辆大顶的两侧，利用UWB通讯可 以方便准确地测量出前后两车的相对位置，为多智能车辆的编队行驶提供相应必要 的信息，从而提高车队行驶的稳定性和安全性。

2、测试单元的天线设置在车辆大顶的两侧，并且第一天线和第二天线的连线 和所在车辆的车前方向垂直，能够有效的排除障碍物的阻挡，实现更好的测距和测 向。

3、本发明由于UWB的超宽频带的特性，从而可以实现车辆相对位置的精确 测量，并且由于UWB无线电本身抗干扰能力强，穿透力强，所以本发明的方位测 量系统具有很强的稳定性。

4、本发明的测量方法算法简单，数据储存量小，计算速度快，仅仅需要采集 相邻车辆间的天线距离信息即可精确计算出所需的位置信息，同时，通过前进方向 是否存在夹角的预判，以及前车所在侧的预判，能够合理进行几何法的调取，进一 步地简化所需计算量和计算过程。

附图说明

图1为本发明测量单元的结构示意图；

图2为第一天线和第二天线在车辆上的安装示意图；

图3a为行驶方向一致且前车位于正前方的示意图；

图3b为行驶方向一致且前车位于右前方的示意图；

图3c为行驶方向一致且前车位于左前方示意图；

图3d为行驶方向存在夹角且前车位于右前方的示意图；

图3e为行驶方向存在夹角且前车位于左前方的示意图；

图3f为行驶方向存在夹角且前车位于正前方的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统和方法。车队呈前后纵向排列行驶，测量系统包括多个测量单元，车队的每辆车上安装一个测量单 元。测量单元用于对车队里相邻的前后车进行测距、定位和数据交换。

测量单元从1到N按顺序编号。具体地说，第1测量单元安装在车队第一辆 车上，第2测量单元安装在第二辆车上，第3测量单元安装在第三辆车上。以此类 推，第N测量单元安装在车队第N辆车上。本实施例采用四辆车的车队，因此N 为4。

如图1所示，每个测量单元包括第一UWB模块、第二UWB模块、第一天线、 第二天线和处理器。第一天线连接第一UWB模块，第二天线连接第二UWB模块。 处理器分别连接第一UWB模块，第二UWB模块和所在车辆的车控系统。第一 UWB模块和第二UWB模块和处理器之间的通讯方式为SPI(串行外设接口)或 者I2C。每个测量单元处理器所输出的数据，通过CAN总线与所安装车辆的车控 系统进行通信。

如图2所示，在在实际车队控制应用中，为了排除障碍物的阻挡以及更好的测 距和测向，同一测试单元上的第一天线和第二天线分别安装在车辆大顶两侧，并且 两个天线的相对位置连线与车前方向垂直。

以第一辆车和第二辆车之间的相对方位测量为例，具体的系统工作流程如下， 其余车辆间的相对方位测量可依次类推。

步骤一、首先对系统的数据初始化，第1测量单元的第一天线记为天线A，第 1测量单元的第二天线记为天线B，第1测量单元的第一UWB模块和第二UWB 模块进行互相通讯，从而对第1测量单元天线A和天线B的安装距离进行校正， 得到校正后的距离AB。第2测量单元的第一天线记为天线A’，第2测量单元的第 二天线记为天线B’，第2测量单元的第一UWB模块和第二UWB模块进行互相通 讯，从而对第2测量单元天线A’和天线B’的安装距离进行校正，得到校正后的距 离A’B’。

步骤二、第1测量单元的第一UEB模块分别对第2测量单元的第一UEB模块 和第二UEB模块进行通讯，得到距离AA’和AB’。与此同时，第1测量单元的第 二UEB模块分别对第2测量单元的第一UEB模块和第二UEB模块进行通讯，得 到距离BA’和BB’。

步骤三、第2测试单元的处理器获取步骤二中所获得的距离AB和距离AB’ 以及步骤一中所获得的距离AB，在三角形AA’B中根据余弦定理得到∠AA’B’、 ∠AB’A’、∠B’AA’；根据步骤二所获得距离BA’、距离BB’、步骤S1所获得的 距离A’B’，在三角形BA’B’中根据余弦定理得到∠BA’B’、∠BB’A’、∠B’BA’。

步骤四、第2测试单元的处理器利用步骤二所获得的距离AA’、距离AB’、距 离BA’、距离BB’，以及步骤三所获得的∠AA’B’对前车辆相对位置进行定性判断。

(1)判断距离AA’与BB’的差值是否小于设定的阈值，若是，则判断前后两 车前进方向相同；若否，则判断前后两车前进方向存在夹角；

(2)对∠AA’B’大小进行判断：

若∠AA’B’大于等于85度或小于等于95度，则判断前车位于前方；

若∠AA’B’大于95度，则判断前车位于第一天线侧；

若∠AA’B’小于85度，则判断前车位于第二天线侧。

步骤五、结合步骤四的定性判断前车所在的相对位置并且根据几何法定量获取距离和角度的具体数值。

若定性结果如图3a所示，行驶方向一致且前车位于正前方，则两辆车为直线 行驶，中心轴线夹角β为0°，中心连线与水平线之间的夹角α为90°。两辆车之 间的车距为距离AA’或者BB’。

若定性结果如图3b所示，行驶方向一致且前车位于右前方，则前车在后车的 右侧，中心轴线夹角β为0°，中心连线与水平线之间的夹角α等于∠AA’B’，两 辆车之间的车距为距离AA’或者BB’。

若定性结果如图3c所示，行驶方向一致且前车位于左前方，则前车在后车的 左侧，中心轴线夹角β为0°，中心连线与水平线之间的夹角α等于∠AA’B’的补 角，两辆车之间的车距为距离AA’或者BB’。

若定性结果如图3d所示，行驶方向存在夹角且前车位于右前方，则前车相对 后车旋转了一定角度。中心连线与水平线之间的夹角α则可以根据步骤二得到的距 离信息计算得到的距离OO’、距离OB’和距离O’B’，然后在三角形OO’B’中计算 出夹角α。两辆车之间的车距为距离OO’。中心轴线的夹角β则可以根据距离OO’、 距离OA、距离O’A，以及夹角α计算得出。其具体计算过程如下：

在三角形ABB’中，使用余弦定理通过BB’、AB和AB’获取∠ABB’；

通过∠ABB’、BB’和BO获取OB’；

通过AA’、AB和BA’获取∠BAA；

通过∠ABB’、BB’和BO后去OB’；

通过AA’、AB和BA’获取∠BAA’；

通过∠BAA’AA’和AO获取OA’；

通过OA’、OB’和A’B’获取∠OB’A’；

通过∠OB’A’、OB’和O’B’获取OO’；

通过OO’、O’B’和OB’获取∠OO’B’(α)；

通过AO、AO’进而OO’获取∠AOA’；

最后，β＝180-(90-α)-90-∠AOA’＝α-∠AOA’。

若定性结果如图3e所示，行驶方向存在夹角且前车位于右前方，则前车相对 后车旋转了一定角度。中心连线与水平线之间的夹角α则可以根据步骤二得到的距 离信息计算得到的距离OO’、距离OB’和距离O’B’，然后在三角形OO’B’中计算 出夹角α的补角。两辆车之间的车距为距离OO’。中心轴线的夹角β则可以根据距 离OO’、距离OA、距离O’A，以及夹角α计算得出。

若定性结果如图3f所示，行驶方向存在夹角且前车位于正前方，则前车相对 后车旋转了一定角度。两辆车之间的车距为距离OO’。中心轴线的夹角β则可以 根据距离OO’、距离AA’、距离BB’计算得出。基体具体计算过程如下：

通过BB’、AB和AB’获取∠ABB’；

通过∠ABB’、BB’和BO获取OB’；

通过AA’、AB和BA’获取∠BAA’；

通过∠BAA’、AA’和AO获取OA’；

通过OA’、OB’和A’B’获取∠OB’A’；

通过∠OB’A’、OB’和O’B’获取OO’；

通过AA’、A’B’和AB’获取∠AA’B’；

通过∠AA’B’、AA’和A’O’获取AO’；

通过AO’、AO和OO’获取∠AOO’；

最后，β＝90-∠AOO’。

步骤六、第2测量单元获取相对位置信息，可通过车辆CAN总线获得的前车 和本车的车速、还有已知的车辆轴距、轮距、长、宽、高等相关信息，根据编队行 驶控制策略，发出预警信号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统，该编队行驶车队为无人驾驶车队，车队呈前后纵向排列行驶，其特征在于，测量系统包括多个测量单元，车队的每辆车上安装一个测量单元；

其中，每个测量单元包括第一UWB模块、第二UWB模块、第一天线、第二天线和处理器，所述第一天线连接第一UWB模块，所述第二天线连接第二UWB模块，所述处理器分别连接第一UWB模块，第二UWB模块和所在车辆的车控系统，所述第一天线和第二天线安装在所在车辆的大顶两侧。

2.根据权利要求1所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统，其特征在于，所述测量单元的第一天线和第二天线的连线和所在车辆的车前方向垂直。

3.根据权利要求1所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统，其特征在于，所述的车队至少包括两辆车。

4.一种如权利要求1～3任一所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、测量系统数据初始化；

S2、车队中前后相邻两车的四个UWB模块互相收发信号，获取各天线两两之间的距离信息；

S3、根据距离信息计算获取两辆车的相对位置信息。

5.根据权利要求4所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体包括：

S21、校准并获取所在车辆的第一天线和第二天线之间的距离；同时，校准并获取前车的第一天线和第二天线之间的距离；

S22、获取所在车辆第一天线和前车第一天线的距离、所在车辆第一天线和前车第二天线的距离、所在车辆第二天线和前车第一天线的距离、以及所在车辆第二天线和前车第二天线的距离。

6.根据权利要求5所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，具体包括：

S31、判断所在车辆第一天线和前车第一天线的距离与所在车辆第二天线和前车第二天线的距离的差值是否小于设定的阈值，若是，则判断前后两车前进方向相同；若否，则判断前后两车前进方向存在夹角；

S32、计算获取所在车辆的第一天线和第二天线的连线与所在车辆的第一天线和前车第二天线的连线形成的夹角大小；

S33、对步骤S32中的夹角大小进行判断，若大于设定区间，则判断前车位于第一天线侧；若小于设定区间，则判断前车位于第二天线侧；若在设计区间范围内，则判断前车位于前方；

S34、结合步骤S31和步骤S33的定性判断前车所在的相对位置并且根据几何法定量获取距离和角度的具体数值。

7.根据权利要求6所述的编队行驶车队的车辆间相对位置测量系统的测量方法，其特征在于，所述的设定区间为85～95度。