CN110147103A - 自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，包括如下步骤：基于GPS信号获取岸边集装箱起重机在平面坐标中的初始位置，并计算其移动方向角；基于GPS信号在所述平面坐标中建立作业区域地图，所述作业区域地图包括车道及各车道连接关系；基于所述作业区域地图，根据任务命令进行车道位置推算和路径规划，所述任务命令包括岸边集装箱起重机名称、车道编号以及起重机角位移；基于所述车道位置推算和路径规划结果执行作业。本发明的有益效果是：能够克服现有码头岸桥区域车道定位方法需要在每个起重机上安装定位装置且由于起重机金属机构遮挡导致传输距离受限，从而降低码头岸桥区域车道定位方案的成本，提高定位精度以及效率。

Description

自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法

技术领域

本发明属于自动驾驶和港口作业调度领域，尤其涉及一种自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法。

背景技术

随着自动化技术与无人驾驶技术的发展，自动化集装箱码头是港口未来发展趋势，而在自动化集装箱码头发展过程中如何保证自动驾驶集装箱卡车迅速从码头岸桥区域多条作业车道中找到指定车道，并完成由起始点到指定岸边集装箱起重机附近进行装卸箱任务是自动化码头发展的重要前提。

目前，码头岸桥区域的车道定位方案主要有如下两种方案。第一种：需要在每个岸边集装箱起重机上安装GPS位置测量装置和信号发送器，GPS位置测量装置获取岸边集装箱起重机GPS位置并通过信号发送器向外广播，自动集卡进行路径规划到达指定点位置。该方案存在以下问题：1、岸边集装箱起重机的金属机构阻碍导致GPS信号传输距离受限，一般不超过100米，进而不利于自动集卡的路径规划。2、上述方案需要在每个岸边集装箱起重机上和无人集卡上安装设备，导致成本大经济效益差。第二种：在岸边集装箱起重机上放置特殊标定物例如特殊图案板以及激光反光板等，然后通过算法计算出无人集卡相对于标定物的相对距离来进行定位。该方案存在以下不足：1、此方案无人集卡定位范围更低，大约在几十米以内。2、定位精度受外界因素影响很大。

由上可知，结合现有自动化集装箱码头特点制定一种新的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法意义重大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种新的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，以解决现有港口调度方法中存在的信息传输范围小、成本高、效率低等问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，包括如下步骤：

S1、基于GPS信号获取岸边集装箱起重机在平面坐标中的初始位置，并计算其移动方向角；

S2、基于GPS信号在所述平面坐标中建立作业区域地图，所述作业区域地图包括车道及各车道连接关系；

S3、基于所述作业区域地图，根据任务命令进行车道位置推算和路径规划，所述任务命令包括岸边集装箱起重机名称、车道编号以及起重机角位移；

S4、基于所述车道位置推算和路径规划结果执行作业。

进一步的S1具体包括：

S11、使用经纬仪或移动GPS接收机采集岸边集装箱起重机的GPS位置并通过UTM投影或高斯投影方法获得其平面坐标(x_ori，y_ori)；

S12、利用岸边集装箱起重机自身码盘的绝对式编码器获取起重机的初始角位移ω_ori；

S13、将任意一个岸边集装箱起重机移动到另一侧，再次采集其GPS位置并通过UTM投影或者高斯投影得到此时起重机的平面坐标(x_termin，y_termin)，进而计算其移动方向角：

优选的S11中，所述经纬仪或移动GPS接收机配置在集装箱起重机的岸桥上。

进一步的S2中，所述作业区域地图坐标由经纬仪或移动GPS接收机采集后通过UTM投影或高斯投影在所述平面坐标中。

进一步的S2中，所述作业区域地图中车道及各车道连接关系的建立具体包括：

S21、将岸桥区域的m个车道分别定义为岸桥区域车道1、岸桥区域车道2、…、岸桥区域车道m，并绘制每个岸桥区域车道的中心线；

S22、将集装箱卡车区域的n个车道分别定义为箱区车道1、箱区车道2、…、箱区车道n，，并绘制每个箱区车道的中心线；

S23、根据道路拓扑关系将岸桥区域车道的中心线与箱区车道的中心线相连，使n个箱区车道分别与m个岸桥区域车道连通，最终形成m*n条连通车道；

其中，任意的箱区车道中心线与岸桥区域车道中心线连接线的最小转弯半径满足道路设计相关标准。

可选的，所述岸桥区域车道和箱区车道的定位精度为分米级。

进一步的S3中，根据任务命令进行车道位置推算和路径规划具体包括：

S31、根据所述任务命令中起重机角位移ω与所述初始角位移ω_ori的差值，结合起重机的移动方向角α计算岸边集装箱起重机移动后的坐标点(x，y)：

其中，r为起重机自身码盘半径；

S32、基于所述岸边集装箱起重机移动后的坐标点(x，y)做垂直于岸桥区域车道的垂直延线，得到其与m个岸桥区域车道中心线的交点P1、P2、…、Pm；

S33、定义车辆当前位置为起始点A，根据所述任务命令中给出的岸桥区域车道编号，将相应岸桥区域车道对应的交点Px设置为终点B，1≤x≤m；

S34、根据所述作业区域地图中各车道的连接关系，在A、B两点间进行路径规划以获取可行驶车道信息。

进一步的S4具体包括：

自动驾驶集装箱卡车接收从起点A到终点B需要经过的所有车道的边缘、中心线以及相应连接线的坐标，并按照接收的中心线及相应连接线的坐标循迹行驶完成作业。

本发明的有益效果如下：

本发明的车道定位方法，能够克服现有码头岸桥区域车道定位时需要在每个起重机上安装定位装置且由于起重机金属机构遮挡导致传输距离受限，定位范围小，且定位精度受外界因素影响大的问题。

本发明基于经纬仪或移动GPS接收机采集GPS信号并将其投影在平面坐标内，避免了在每个起重机及自动驾驶集装箱卡车上安装定位设备，同时可获得较高的定位(坐标)精度，从而能够更好对岸桥区域进行规划形成车道，进而基于拓扑关系建立各车道的连接关系，形成符合道路标准的可行驶车道，构成自动驾驶集装箱卡车自动作业的基础。

本发明通过采集起重机的初始位置及其方向角信息，进而计算获得其移动后的坐标，并基于该坐标与岸桥区域车道中心线的垂线获取集卡的行驶终点，从而可高效地对自动驾驶集装箱卡车的行驶路径进行规划，大大降低了码头岸桥区域车道定位方法的成本，提高了定位精度以及效率。

采用本发明的定位方法，自动驾驶集装箱卡车在规划好的路径上按预定的坐标循迹行驶，定位方便，行驶精度高，避免了因外界干扰因素导致的车道偏离或行驶方向错误，进一步提高了其作业效率和安全性。

附图说明

图1是岸边集装箱起重机初始位置及移动方向示意图；

图2是本发明实施例中岸边集装箱起重机推荐测量位置示意图；

图3是本发明实施例中岸边集装箱起重机方向角示意图；

图4是本发明实施例中作业区域车道规划示意；

图5是本发明实施例中终点位置推算及路径规划示意图。

图中：A为集装箱卡车起始点；B为起重机移动后位置与车道2中心线的交点；C为起重机移动后位置与车道1中心线的交点

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。

为解决提到的问题，本实施例提供一种自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，具体步骤如下：

步骤一、获取岸边集装箱起重机的初始位置

假设岸边集装箱起重机由左向右移动，首先需要获取岸边所有集装箱起重机的起始位置，如图1所示。为了获取初始位置，使用经纬仪或移动GPS接收机(司南T30，高精度GPS工程放样接收机道路测点放样点测量仪器)采集集装箱起重机的GPS位置并通过UTM投影方法获得其平面坐标(x_ori，y_ori)(如图1所示，x为平行于车道线方向，y为垂直于车道线方向)。

特殊的由于岸边集装箱起重机下方区域GPS信号较差，本发明提出将经纬仪或移动GPS接收机放在岸桥上，如图2所示，由此得到较为精确的起重机位置坐标(x_ori，y_ori)。

进一步的，利用岸边集装箱起重机自身码盘绝对式编码器记录起重机的角位移ω_ori。

综上，得到由GPS位置坐标(x_ori，y_ori)和角位移(ω_ori)组成的岸边集装箱起重机的初始位置信息。

步骤二、计算岸边集装箱起重机方向角

为了便于后续岸边集装箱起重机位置的计算，需要计算岸边集装箱起重机的方向角，值得一提的是，由于港口中所有起重机并排放置即所有起重机方向角都一样，所以本发明只需要测量一个起重机的方向角即可。

通过步骤一中采集到的岸边集装箱起重机初始GPS位置平面坐标(x_ori，y_ori)以后，将岸边集装箱起重机移动到另一侧，同样使用经纬仪或移动GPS接收机(司南T30)获取其GPS位置，并进行UTM投影或者高斯投影，得到此时起重机的平面坐标(x_termin，y_termin)。岸边集装箱起重机方向角α如图3所示可以通过以下公式计算：

步骤三、建立作业区域地图

为了便于自动驾驶集装箱卡的导航作业以及岸边集装箱起重机的位置推算，需要建立作业区域的地图。首先定义港口作业区域地图要求如下：1)精度为分米级的车道级地图；2)地图的坐标与GPS有映射关系，即港口地图坐标同样需要通过GPS采集后通过UTM投影或高斯投影为平面x,y坐标；3)地图必须包含基本的车道级拓扑关系。

为简单起见，以岸桥区域车道为双向两车道即图2中N＝2为例，地图的绘制具体实现方法如下：

1)、首先如图4所示将岸桥区域两个车道分别定义为岸桥区域车道1以及岸桥区域车道2，并绘制出两车道中心线；2)、将集装箱卡车区域两个车道分别定义为箱区车道1与箱区车道2，同样绘制车道中心线；3)、根据道路拓扑关系将岸桥区域车道与集装箱卡车区域车道相连，使集装箱卡车区域每条车道分别与岸桥区域两条车道都连通，最终形成四条连通车道。具体车道岸桥区域车道、箱区车道以及连接车道关系如下：

A、连通车道1为岸桥区域车道1与箱区车道1相连；

B、连通车道2为岸桥区域车道1与箱区车道2相连；

C、连通车道3为岸桥区域车道2与箱区车道1相连；

D、连通车道4为岸桥区域车道2与箱区车道2相连；

连接车道转弯半径满足道路级规定以及经验丰富驾驶员的操作。综上，制作出如图4所示满足前述要求的作业区域地图。

步骤四、等待岸桥区域作业命令

在获取到岸边集装箱起重机初始位置、起重机方向角以及绘制出能够作业的地图之后，自动驾驶集装箱卡车随时等待港口调度系统的任务命令。对于岸桥区域的作业命令，港口调度系统需要给出岸边集装箱起重机名称、起重机所在的车道编号以及岸边集装箱起重机的角位移。

步骤五、岸边集装箱起重机车道位置推算及路径规划

在港口调度系统发出任务命令以后，首先进行岸边集装箱起重机车道位置推算并同时进行路径规划。具体实施方法如下：

1)、将步骤一中得到的岸边集装箱起重机的初始位置投影到作业区域地图中。根据岸桥区域作业命令中岸边集装箱起重机的角位移ω与步骤一初始位置中得到的角位移ω_ori的差值，并结合起重机方向角可以获取岸边集装箱起重机移动后的坐标(x，y)。具体计算公式如下：

设起重机当前位置为(x，y)，角位移为ω。起重机码盘半径为r，则起重机当前位置坐标为：

2)、如图5所示，根据上述步骤1)得到的岸边集装箱起重机移动后的坐标点，做垂直与岸桥区域车道的垂直延线，可以得到其与岸桥区域车道以及相应车道中心线的交点B和C。

3)、定义车辆当前位置为起始点A，根据港口调度系统给出的车道编号，将对应车道的垂直延线与车道中心线交点设置为终点B，起重机在A、B两点间进行路径规划，进而得到可行驶的车道信息。

具体实施方法如下：如果此时港口调度系统给出的车道编号为岸桥区域车道2，集装箱卡车此时在集装箱区域箱区车道1。车道通过做起重机移动后坐标点与岸桥区域的垂直延线确定其与车道2的中心交点为路径规划的终点B，根据连接车道的连接关系，此时应该选择连接车道3行驶。

步骤六、自动驾驶集装箱卡车前往岸桥区域完成作业

自动驾驶集装箱卡车根据地图路径规划给出的车道信息，此时自动驾驶集装箱卡车接收从起点到终点需要经过所有车道边缘和虚拟中心线x、y坐标，卡车按照虚拟中心线的x、y坐标循迹行驶前往岸桥区域对应车道完成作业。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于GPS信号获取岸边集装箱起重机在平面坐标中的初始位置，并计算其移动方向角；

S2、基于GPS信号在所述平面坐标中建立作业区域地图，所述作业区域地图包括车道及各车道连接关系；

S3、基于所述作业区域地图，根据任务命令进行车道位置推算和路径规划，所述任务命令包括岸边集装箱起重机名称、车道编号以及起重机角位移；

S4、基于所述车道位置推算和路径规划结果执行作业。

2.如权利要求1所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S1具体包括：

S11、使用经纬仪或移动GPS接收机采集岸边集装箱起重机的GPS位置并通过UTM投影或高斯投影方法获得其平面坐标(x_ori，y_ori)；

S12、利用岸边集装箱起重机自身码盘的绝对式编码器获取起重机的初始角位移ω_ori；

S13、将任意一个岸边集装箱起重机移动到另一侧，再次采集其GPS位置并通过UTM投影或者高斯投影得到此时起重机的平面坐标(x_termin，y_termin)，进而计算其移动方向角：

3.如权利要求2所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S11中，所述经纬仪或移动GPS接收机配置在岸边集装箱起重机的岸桥上。

4.如权利要求2所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S2中，所述作业区域地图坐标由经纬仪或移动GPS接收机采集后通过UTM投影或高斯投影在所述平面坐标中。

5.如权利要求4所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S2中，所述作业区域地图中车道及各车道连接关系的建立具体包括：

S21、将岸桥区域的m个车道分别定义为岸桥区域车道1、岸桥区域车道2、…、岸桥区域车道m，并绘制每个岸桥区域车道的中心线；

S22、将集装箱卡车区域的n个车道分别定义为箱区车道1、箱区车道2、…、箱区车道n，并绘制每个箱区车道的中心线；

S23、根据道路拓扑关系将岸桥区域车道的中心线与箱区车道的中心线相连，使n个箱区车道分别与m个岸桥区域车道连通，最终形成m*n条连通车道；

其中，任意的箱区车道中心线与岸桥区域车道中心线连接线的最小转弯半径满足道路设计相关标准。

6.如权利要求5所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，所述岸桥区域车道和箱区车道的定位精度为分米级。

7.如权利要求5所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S3中，根据任务命令进行车道位置推算和路径规划具体包括：

S31、根据所述任务命令中起重机角位移ω与所述初始角位移ω_ori的差值，结合起重机的移动方向角α计算岸边集装箱起重机移动后的坐标点(x，y)：

其中，r为起重机自身码盘半径；

S32、基于所述岸边集装箱起重机移动后的坐标点(x，y)做垂直于岸桥区域车道的垂直延线，得到其与m个岸桥区域车道中心线的交点P1、P2、…、Pm；

S33、定义车辆当前位置为起始点A，根据所述任务命令中给出的岸桥区域车道编号，将相应岸桥区域车道对应的交点Px设置为终点B，1≤x≤m；

S34、根据所述作业区域地图中各车道的连接关系，在A、B两点间进行路径规划以获取可行驶车道信息。

8.如权利要求7所述的自动驾驶集装箱卡车在码头岸桥区域的车道定位方法，其特征在于，S4具体包括：

自动驾驶集装箱卡车接收从起点A到终点B需要经过的所有车道的边缘、中心线以及相应连接线的坐标，并按照接收的中心线及相应连接线的坐标循迹行驶完成作业。