CN110239636A - 一种无人驾驶设备的坐标修正系统及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶设备的坐标修正系统，包括铰接式车辆，该铰接式车辆包括前车架、后车架及驾驶室，还包括：前置GPS天线、前置姿态传感器、后置GPS天线、后置姿态传感器、铰接角度传感器。本发明还公开了无人驾驶设备的坐标修正方法，其包括如下步骤：建立铰接式车辆坐标点体系；铰接式车辆航向角度修正；铰接式车辆前轮单元坐标修正；铰接式车辆后轮单元坐标修正。本发明无人驾驶设备的坐标修正系统及修正方法，基于双天线GPS和姿态传感器的信息，对无人驾驶设备的测量坐标进行修正，计算得到铰接式车辆的前轮单元底部中心处坐标以及后轮单元接地点连线中心处坐标，以减少地形波动对无人驾驶设备定位造成的影响。

Description

一种无人驾驶设备的坐标修正系统及修正方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶技术领域，具体为一种无人驾驶设备的坐标修正系统及修正方法。

背景技术

在实际无人驾驶设备应用过程中，如GPS定位设备的应用必不可少。由于定位天线多装在车身顶部，地面的不平整导致车身的倾斜会严重影响车辆的定位准确性。现有技术方案多采用双GPS天线定位后求平均值，或者采用视觉信息、高精度地图和GPS定位融合的办法。现有方法多适用于标准的道路环境，多种传感器在有效工作的情况下可以有效定位。在非道路环境下如工程车辆(没有明显的道路边界或标志)，或者天气恶劣对视觉信息采集有影响的情况下，传统的方法难以适应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人驾驶设备的坐标修正系统，其设置双天线GPS和姿态传感器的信息，满足无人驾驶设备的测量坐标进行修正。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种无人驾驶设备的坐标修正系统，包括铰接式车辆，该铰接式车辆包括相互铰装连接的前车架、后车架及安装于前车架或后车架上的驾驶室，其还包括：

1)前置GPS天线，该前置GPS天线安装于前车架的前方横梁中心，输出前置GPS天线坐标；

2)前置姿态传感器，该前置姿态传感器安装于前车架的前方横梁中心，输出前置姿态传感器横滚角；

3)后置GPS天线，该后置GPS天线安装于驾驶室上方，位于铰接点正上方，与前置GPS天线共同输出GPS航向角；

4)后置姿态传感器，安装于驾驶室上方，输出后置姿态传感器横滚角；

5)铰接角度传感器，安装于前车架、后车架的铰接处，输出前后车身铰接角度。

本发明的目的还在提供一种无人驾驶设备的坐标修正方法，其基于双天线GPS和姿态传感器的信息，对无人驾驶设备的测量坐标进行修正，计算得到铰接式车辆的前轮单元底部中心处坐标，以及后轮单元接地点连线中心处坐标，以减少地形波动对碾压机定位造成的影响。

一种无人驾驶设备的坐标修正方法，其包括如下步骤：

1)建立铰接式车辆坐标点体系：

①坐标点101，表示铰接式车辆前置GPS天线的坐标，前置GPS天线处于前车架前端中部；

②坐标点102，表示所述坐标点101在铰接式车辆前轮单元轴线高度处的投影坐标；

③坐标点103，表示铰接式车辆前轮单元轴线中心处坐标；

④坐标点104，表示铰接式车辆前轮单元与地面接触的母线中点坐标；

⑤坐标点105，表示铰接式车辆铰接架中心处坐标；

⑥坐标点106，表示铰接式车辆后置GPS天线的坐标，后置GPS天线处于驾驶室上方，与坐标点105处于同一垂线；

⑦坐标点107，表示坐标点106在过铰接式车辆的后轮单元中心的垂面上的投影点；

⑧坐标点108，表示铰接式车辆后轮单元与地面切点连接线段的中点；

2)铰接式车辆航向角度修正：

①根据坐标修正系统的前置GPS天线输出的坐标点101的坐标、两个GPS天线坐标连线的所得GPS输出航向角，计算出点坐标点106的坐标；

②根据坐标点106的坐标，以及前后车身铰接角度、后置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点105的坐标；

③根据坐标点101的坐标，以及前置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点102的坐标；

④根据计算得到的坐标点102和105的坐标，根据反三角函数计算得到碾压机的修正后航向角；

3)铰接式车辆前轮单元坐标修正：

①采用修正后的点102和点105坐标，以及铰接式车辆铰接点处到前置GPS天线和前轮单元中心处的距离，求得坐标点103处坐标；

②根据坐标点103处坐标、修正后航向角、前车身姿态传感器横滚角，以及车辆的前轮单元直径，求得铰接式车辆坐标点104处的坐标；

4)铰接式车辆后轮单元坐标修正：

①采用修正后的坐标点105坐标、前后车身铰接角度、修正后航向角，以及前后车身铰接点与后轮单元中心处水平距离，求得坐标点107处坐标；

②根据坐标点107的坐标、修正后航向角、后置姿态传感器横滚角、前后车身铰接角度，以及铰接式车辆的铰接点高度，求得铰接式车辆坐标点108处的坐标；

③坐标点104、108处坐标作为铰接式车辆修正后前轮坐标、后轮坐标，完成坐标修正。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的无人驾驶设备的坐标修正系统，包含前置GPS天线、后置GPS天线，前置姿态传感器、后置姿态传感器及铰接角度传感器，前置GPS天线、后置GPS天线分布于前车架横梁中心和驾驶室顶部的铰接点正上方，前置姿态传感器安装于前车架横梁中心，后置姿态传感器安装于驾驶室上方，可以获取前后车身的姿态信息和准确的GPS定位信息，用于精确的定位修正，且设备安全性高、可靠性高，适应性强，可以有效减少环境的影响，计算得到的信息更加可靠。

2、本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法，采用前后GPS天线的原始定位信息和航向角信息，以及安装在前车身的姿态传感器采集的横滚角信息，计算得到从铰接点指向振动轮中心处的航向角信息，计算的铰接角指向振动轮(前轮单元)中心的航向角更加符合实际应用的航向角。

3、本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法，采用双天线GPS定位信息、修正后的航向角、姿态传感器的横滚角信息，计算得到振动轮与地面接触的母线中点坐标，采用双天线GPS定位信息、修正后的航向角、姿态传感器的横滚角信息，计算得到两个驱动轮与地面切点连接线段的中点。

4、本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法，只需要GPS坐标、修正航向角、前车身横滚角，所需信息简单，涉及到的设备可靠性高，精度高，得到的结果更加准确。

5、本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法，基于双天线GPS和姿态传感器的信息，对无人驾驶设备的测量坐标进行修正，计算得到铰接式车辆的前轮单元底部中心处坐标，以及后轮单元接地点连线中心处坐标，以减少地形波动对碾压机定位造成的影响。

附图说明

图1为本发明无人驾驶设备的坐标修正系统的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法的铰接式车辆坐标点体系的示意图；

图4为本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法的航向角度修正流程示意图；

图5为本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法的前轮的坐标修正方法；

图6为本发明的无人驾驶设备的坐标修正方法的后轮的坐标修正方法。

图中：

501-前置GPS天线、502-前置姿态传感器、503-后置GPS天线、504-后置姿态传感器、505-铰接角度传感器、511-驾驶室、512-前车架、513-后车架、514-前轮单元、515-后轮单元。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明的实施例以碾压机为例进行说明，但本发明不仅适用于碾压机，还适用于其他铰接式车辆。

一种无人驾驶设备的坐标修正系统，如图1、2所示，包括铰接式车辆，该铰接式车辆包括相互铰装连接的前车架512、后车架513及安装于前车架或后车架上的驾驶室511。在前车架上安装前轮单元514，本发明所采用的碾压机的前轮单元为圆柱形振动轮，在后车架上安装后轮单元515，在本发明碾压机的后轮单元为两个驱动轮。

本发明的坐标修正系统还包括：

1)前置GPS天线501，该前置GPS天线安装于前车架的前方横梁中心，输出前置GPS天线坐标；

2)前置姿态传感器502，该前置姿态传感器安装于前车架的前方横梁中心，输出前置姿态传感器横滚角；

3)后置GPS天线503，该后置GPS天线安装于驾驶室上方，位于铰接点正上方，与前置GPS天线共同输出GPS航向角；

4)后置姿态传感器504，安装于驾驶室上方，输出后置姿态传感器横滚角；

5)铰接角度传感器505，安装于前车架、后车架的铰接处，输出前后车身铰接角度。

一种无人驾驶设备的坐标修正方法，其包括如下步骤：

1)建立铰接式车辆坐标点体系，如图3所示：

①坐标点101，表示铰接式车辆前置GPS天线的坐标，前置GPS天线处于前车架前端中部；

②坐标点102，表示坐标点101在铰接式车辆前轮单元轴线高度处的投影坐标，即振动轮轴线高度处的投影坐标；

③坐标点103，表示铰接式车辆前轮单元轴线中心处坐标，即振动轮轴线中心处坐标；

④坐标点104，表示铰接式车辆前轮单元，即振动轮与地面接触的母线中点坐标；

⑤坐标点105，表示铰接式车辆铰接架中心处坐标；

⑥坐标点106，表示铰接式车辆后置GPS天线的坐标，后置GPS天线处于驾驶室上方，与坐标点105处于同一垂线；

⑦坐标点107，表示坐标点106在过铰接式车辆的后轮单元，即两驱动轮中心的垂面上的投影点；

⑧坐标点108，表示铰接式车辆后轮单元，即两驱动轮与地面切点连接线段的中点。

2)铰接式车辆航向角度修正，如图4所示：

①根据坐标修正系统的前置GPS天线输出的坐标点101的坐标、两个GPS天线坐标连线的所得GPS输出航向角，计算出点坐标点106的坐标；

坐标点106处坐标计算方式为：

式中：

X₁₀₆ 106点的X方向坐标；

Y₁₀₆ 106点的Y方向坐标；

X₁₀₁ 101点的X方向坐标；

Y₁₀₁ 101点的Y方向坐标；

D_105-101铰接点与前置GPS天线的水平距离；

θ_ori GPS系统直接输出的航向角，航向角向左减小，向右增大。

②根据坐标点106的坐标，以及前后车身铰接角度、后置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点105的坐标；

坐标点105处坐标计算方式为：

x₁₀₅＝X₁₀₆-(H₁₀₆-H₁₀₅)*sin(β_back)*sin(α_Ioint+θ_ori)

Y₁₀₅＝Y₁₀₆-(H₁₀₆-H₁₀₅)*sin(β_back)*cos(α_Ioint+θ_ori)；

式中：

X₁₀₅ 105点的X方向坐标；

Y₁₀₅ 105点的Y方向坐标；

β_back后车身横滚角，向右倾斜为正，向左倾斜为负；

a_Ioint前后车身铰接角，车身摆直为0度，向左减小，向右增大；

H₁₀₆铰接点高度。

③根据坐标点101的坐标，以及前置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点102的坐标；

坐标点102处坐标计算方式为：

X₁₀₂＝X₁₀₁+(H₁₀₁-R₁)*sin(β_forw)*sin(θ_ori)

Y₁₀₂＝Y₁₀₁-(H₁₀₁-R₁)*sin(β_forw)*cos(θ_ori)

式中：

H₁₀₁ 101点高度；

X₁₀₂ 102点的X方向坐标；

Y₁₀₂ 102点的Y方向坐标；

β_forw前车身的横滚角；

R₁前轮半径。

④根据计算得到的坐标点102和105的坐标，根据反三角函数计算得到碾压机的修正后航向角。

航向角修正方式为：

θ_mod＝arctan((Y₁₀₁-Y₁₀₅)/(X₁₀₁-X₁₀₅))

式中：

θ_mod修正后的航向角。

碾压机的测量航向由两个GPS坐标点计算得来，但是由于车身的倾斜，且两个GPS天线的高度不同，对倾斜的反应程度也不同，所以需要获取碾压机处于同样高度的两个合理坐标点，作为计算修正航向的依据。在此选择坐标点102和坐标点105作为碾压机的航向修正依据。此处的航向角指的是前车身轴线的航向。

3)铰接式车辆前轮单元坐标修正，如图5所示：

①采用修正后的点102和点105坐标，以及铰接式车辆铰接点处到前置GPS天线和前轮单元中心处的距离，求得坐标点103处坐标；

坐标点103处坐标计算方式为：

X₁₀₃＝X₁₀₁-(D_105-101-D_105-103)*cos(θ_mod)

Y₁₀₃＝Y₁₀₁-(D_105-101-D_105-103)*sin(θ_mod)

式中：

X₁₀₃ 103点的X方向坐标；

Y₁₀₃ 103点的Y方向坐标；

D_105-103铰接点与前轮天线的水平距离。

②根据坐标点103处坐标、修正后航向角、前车身姿态传感器横滚角，以及车辆的前轮单元直径，求得铰接式车辆坐标点104处的坐标。

坐标点104处坐标计算方式为：

X₁₀₄＝X₁₀₃+R₁*sin(β_forw)*sin(θ_mod)

Y₁₀₄＝Y₁₀₃-R₁*sin(β_forw)*cos(θ_mod)

式中：

X₁₀₄ 104点的X方向坐标；

X₁₀₄ 104点的Y方向坐标。

4)铰接式车辆后轮单元坐标修正，如图6所示：

①采用修正后的坐标点105坐标、前后车身铰接角度、修正后航向角，以及前后车身铰接点与后轮单元中心处水平距离，求得坐标点107处坐标；

坐标点107处坐标计算方式为：

X₁₀₇＝X₁₀₅-D_105-107*cos(α_Ioint+θ_mod)

Y₁₀₇＝Y₁₀₅+D_105-107*sin(α_Ioint+θ_mod)

式中：

X₁₀₇ 107点的X方向坐标；

X₁₀₇ 107点的Y方向坐标；

D_105-107铰接点与后轮中心的水平距离。

②根据坐标点107的坐标、修正后航向角、后置姿态传感器横滚角、前后车身铰接角度，以及铰接式车辆的铰接点高度，求得铰接式车辆坐标点108处的坐标，铰接点高度为车辆的结构性参数，直接测量可得；

坐标点108处坐标计算方式为：

X₁₀₈＝X₁₀₇-H₁₀₅*sin(β_back)*sin(α_Ioinr+θ_mod)

Y₁₀₈＝Y₁₀₇-H₁₀₅*sin(β_back)*cos(α_Ioint+θ_mod)

式中：

X₁₀₈ 108点的X方向坐标；

Y₁₀₈ 108点的Y方向坐标。

③坐标点104、108处坐标作为铰接式车辆修正后前轮坐标、后轮坐标，完成坐标修正。

本发明可以根据无人驾驶碾压机的GPS信息以及车身姿态传感器信息，将GPS坐标修正到振动轮和驱动轮的接地处，可以有效减小碾压机工作场景中的路面波动带来的影响，减少GPS测量值与实际接地处的坐标的偏差，适用性强。

在实际应用过程中，碾压机在未使用本发明时，循迹过程收到路面影响加较大，在地面波动处会存在一定的循迹恶化。在使用本发明的方法后，碾压机的定位坐标被修正为接地处坐标，碾压机的循迹控制对路面的波动敏感度下降，在通过同一路面的波动区域时，控制效果明显优于未使用本发明的碾压机。

本发明虽公开了实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种无人驾驶设备的坐标修正系统，包括铰接式车辆，该铰接式车辆包括相互铰装连接的前车架、后车架及安装于前车架或后车架上的驾驶室，其特征在于：还包括：

1)前置GPS天线，该前置GPS天线安装于前车架的前方横梁中心，输出前置GPS天线坐标；

2)前置姿态传感器，该前置姿态传感器安装于前车架的前方横梁中心，输出前置姿态传感器横滚角；

3)后置GPS天线，该后置GPS天线安装于驾驶室上方，位于铰接点正上方，与前置GPS天线共同输出GPS航向角；

4)后置姿态传感器，安装于驾驶室上方，输出后置姿态传感器横滚角；

5)铰接角度传感器，安装于前车架、后车架的铰接处，输出前后车身铰接角度。

2.一种无人驾驶设备的坐标修正方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)建立铰接式车辆坐标点体系：

①坐标点101，表示铰接式车辆前置GPS天线的坐标，前置GPS天线处于前车架前端中部；

②坐标点102，表示所述坐标点101在铰接式车辆前轮单元轴线高度处的投影坐标；

③坐标点103，表示铰接式车辆前轮单元轴线中心处坐标；

④坐标点104，表示铰接式车辆前轮单元与地面接触的母线中点坐标；

⑤坐标点105，表示铰接式车辆铰接架中心处坐标；

⑥坐标点106，表示铰接式车辆后置GPS天线的坐标，后置GPS天线处于驾驶室上方，与坐标点105处于同一垂线；

⑦坐标点107，表示坐标点106在过铰接式车辆的后轮单元中心的垂面上的投影点；

⑧坐标点108，表示铰接式车辆后轮单元与地面切点连接线段的中点；

2)铰接式车辆航向角度修正：

①根据坐标修正系统的前置GPS天线输出的坐标点101的坐标、两个GPS天线坐标连线的所得GPS输出航向角，计算出点坐标点106的坐标；

②根据坐标点106的坐标，以及前后车身铰接角度、后置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点105的坐标；

③根据坐标点101的坐标，以及前置姿态传感器横滚角、GPS输出航向角，计算得到坐标点102的坐标；

④根据计算得到的坐标点102和105的坐标，根据反三角函数计算得到碾压机的修正后航向角；

3)铰接式车辆前轮单元坐标修正：

①采用修正后的点102和点105坐标，以及铰接式车辆铰接点处到前置GPS天线和前轮单元中心处的距离，求得坐标点103处坐标；

②根据坐标点103处坐标、修正后航向角、前车身姿态传感器横滚角，以及车辆的前轮单元直径，求得铰接式车辆坐标点104处的坐标；

4)铰接式车辆后轮单元坐标修正：

①采用修正后的坐标点105坐标、前后车身铰接角度、修正后航向角，以及前后车身铰接点与后轮单元中心处水平距离，求得坐标点107处坐标；

②根据坐标点107的坐标、修正后航向角、后置姿态传感器横滚角、前后车身铰接角度，以及铰接式车辆的铰接点高度，求得铰接式车辆坐标点108处的坐标；

③坐标点104、108处坐标作为铰接式车辆修正后前轮坐标、后轮坐标，完成坐标修正。