CN110304049B - 环境主动感知型停车场自动泊车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环境主动感知型停车场自动泊车系统，该系统包括采集及识别车辆信息模块、多传感器定位模块、建筑信息模型模块、分类处理模块、路径规划及导航模块、车位状态判断模块、反馈自校正模块、双飞轮转向装置和机械动力装置；在车辆上安装二维码、机械动力装置和双飞轮转向装置，利用停车场中的摄像头识别车身上的二维码来进行连续定位，根据当前停车场车辆分布信息，规划出最优路径，通过远程操控车中的机械动力装置，控制车辆的行驶速度以及行驶方向，从而实现停车场自动泊车。本发明采用的传感器具有成本低，可重复利用等特点，为停车场自动泊车的问题提供了简单可靠的解决方法。

Description

环境主动感知型停车场自动泊车系统
技术领域
本发明涉及车辆无人驾驶技术领域，尤其涉及一种环境主动感知型停车场自动泊车系统。
背景技术
随着经济的不断发展，汽车数量的持续增长，停车场的建设也日益扩大，现有的停车场的内部结构错综复杂，有些停车场甚至出现了分层的结构，导致用户找不到车的情况频频发生。由于缺乏交通疏导，当停车场的车流量较大时，停车场的内部道路经常出现堵塞、甚至是瘫痪的情况。这些问题给用户停车取车带来了极大的不便。
自动驾驶技术是未来智能交通技术的核心，停车场采用无人车技术，虽然可以解决上述的停车难、取车难问题，但目前市场上的无人车以及相关传感器高昂的成本令普通用户难以承受，导致无人车的普及度仍然较低，而且地下停车场的环境较差，无人车上的激光雷达等传感器的精度将大大降低，可能会出现车辆无法感知停车场环境的情况，甚至发生刮擦、碰撞等事故。
因此，亟需一种新型的停车场自动泊车系统，使得用户既可以快速地、准确地停车取车，又不用支付高昂的费用。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种环境主动感知型停车场自动泊车系统，将传统的车辆通过自身传感器感知环境的模式，转换为环境通过阵列传感器主动感知车辆位置的模式。环境中大量廉价的传感器可以通过多传感器融合技术实现精准定位车辆，这种方法解决了无人车传感器成本较贵、精度较低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种环境主动感知型停车场自动泊车系统，该系统包括采集及识别车辆信息模块、多传感器定位模块、建筑信息模型模块、分类处理模块、路径规划及导航模块、车位状态判断模块、双飞轮转向装置和机械动力装置；
所述采集及识别车辆信息模块包括安装在停车场中的若干个摄像头以及安装在车顶上的二维码；通过采集及识别车辆信息模块获取车辆的信息，并为每个车辆分配唯一ID；
所述多传感器定位模块接收采集及识别车辆信息模块采集的车辆信息，并定位车辆位置；
所述建筑信息模型模块用于对停车场的建筑信息建立空间模型，并生成GIS电子地图，并将停车场中的车位以及车辆位置标注在电子地图中；
所述车位状态判断模块用于判断车位上有车无车，得到车位状态信息；
所述路径规划及导航模块用于根据场地内的车辆分布和车位状态信息，规划最优路径，对车辆进行导航进入停车位。
所述双飞轮转向装置安装在方向盘上的最大直径处，双飞轮转向装置内含陀螺仪传感器，利用双飞轮的转动惯量以及两飞轮处的速度差能够使得方向盘按指定方向以及角度进行转动，通过两个飞轮的高度差、方向盘所在平面与水平面的夹角和方向盘的直径，计算出方向盘的偏转角；
所述机械动力装置包括第一电机和第二电机，所述第一电机用于控制油门踏板上抬或者下压，所述第二电机用于控制刹车踏板上抬或者下压。
所述分类处理模块将采集的车辆信息分为三类，分别为手动驾驶车辆、半自动驾驶车辆以及全自动驾驶车辆；
所述手动驾驶车辆在车顶安装二维码，同时车辆上安装有机械动力装置以及双飞轮转向装置，利用双飞轮的转动惯量以及两个飞轮的协调控制转动方向盘，实现手动驾驶车辆的自动泊车；
所述半自动驾驶车辆具有自动驾驶的动力装置以及控制装置，在车顶安装二维码，实现停车场与车辆间的位置信息以及环境信息的通讯，再利用车辆本身的半自动驾驶设备，即可实现自动泊车功能。
所述全自动驾驶车辆拥有完整的动力、控制装置以及可识别环境的传感器，停车场与该类车辆建立通讯，将路径规划、车位状态信息、车辆分布等信息发送给车辆，即可实现自动泊车功能。
进一步地，所述采集及识别车辆信息模块采集的车辆信息包括：车辆的进入时间、车牌号等信息，根据车牌号为每个车辆分配唯一ID，采集及识别车辆信息模块的若干个摄像头能够无死角地采集并识别停车场内各个角落的车辆信息。
进一步地，所述采集及识别车辆信息模块中，还可以在车辆的四周安装偏振光接收装置，代替车顶上的二维码。
进一步地，环境主动感知型停车场自动泊车系统还包括WIFi、蓝牙和ZigBee等通讯装置，进行辅助定位。
进一步地，所述多传感器定位模块可以为双目摄像头，车辆位置的真实坐标值的计算公式如下：
Figure 349850DEST_PATH_IMAGE001
其中，f为摄像头焦距，左边和右边摄像头的坐标分别为（xl,yl），（xr,yr），两摄像头高度值相同，所以yl=yr=yt，B为两摄像头的基线距离，d左边和右边摄像头x轴的坐标差的绝对值。
进一步地，所述多传感器定位模块还可以为多目摄像头，车辆上的二维码被多个摄像头铺捉到，可采用多传感器融合的方法进行平差计算得到车辆的真实坐标值。
进一步地，所述路径规划及导航模块计算各条路线上的车辆密度情况，再结合上广度优先算法，计算出待停车辆的最优路径；根据每辆车的最优路径信息生成相应的控制算法，再将控制指令通过远程通信发送至车辆中的双飞轮转向装置和机械动力装置，对车辆进行导航。
进一步地，环境主动感知型停车场自动泊车系统还包括反馈自校正模块，用于在车辆偏离了原规划的路径时，通过对车顶的二维码的识别，定位出车辆此时的位置，并计算出此位置与正确位置间的误差，再通过PID反馈控制算法进行车辆位置、姿态的矫正。
进一步地，所述机械动力装置用于控制车辆移动和停止，并将车速和方向的信号反馈给反馈自校正模块。
进一步地，所述双飞轮转向装置中的陀螺仪传感器能够计算出两个飞轮的高度差h，两个飞轮的高度差在方向盘平面上的投影为h’，方向盘所在平面与水平面的夹角为
Figure 25551DEST_PATH_IMAGE002
， 方向盘的直径为L；从而计算方向盘的偏转角
Figure 965825DEST_PATH_IMAGE003
，计算公式如下：
Figure 223631DEST_PATH_IMAGE004
进一步地，双飞轮转向装置和机械动力装置控制车辆的方式具体为：
接受到左转弯指令时，左、右飞轮开始沿逆时针方向加速旋转，两飞轮的旋转使得方向盘获得向左旋转的转动惯量；第一电机控制连杆下压油门踏板，第二电机控制连杆上抬刹车踏板，使得车体保持一定的转弯速度。
接受到右转弯指令时，左、右飞轮开始沿顺时针方向加速旋转，两飞轮的旋转使得方向盘获得向左旋转的转动惯量；第一电机控制连杆下压刹车踏板，第二电机控制连杆上抬刹车踏板，使得车体保持一定的转弯速度。
接受到直行指令时，左右飞轮保持匀速旋转，使得车头保持原有姿态；第一电机控制连杆下压油门踏板，第二电机控制连杆上抬刹车踏板，使得车辆获得一定的前进速度。
接受到刹车指令时，左右飞轮保持匀速旋转，使得车头保持原有姿态；第一电机控制连杆下压刹车踏板，第二电机控制连杆上抬油门踏板，使得车体减速至停止状态。
本发明的有益效果：
1. 本发明采用的是环境主动感知车辆信息的方法，而非传统的车辆识别环境的方法。采用这种环境感知的方法，可以大大降低无人车的成本，无需在每辆车上都安装传感器，只需在环境中安装传感器，即可实现多辆车的定位，可实现重复利用。
2. 本发明用阵列传感器融合技术实现了车辆的地下定位，与现有的单车传感器相比，提高了定位的精确性。
3. 本发明的机械动力装置相较于传统的改装无人车动力装置具有安装简易、易于拆卸等特点。
附图说明
图1 是本发明的逻辑关系图；
图2 是双飞轮转向装置以及机械动力装置控制逻辑图；
图3 是本发明停车场工作流程图；
图4 是本发明的停车场摄像头布置以及定位示意图；
图5 是本发明的停车场内部结构以及车位示意图；
图6（a）是本发明的方向盘处双飞轮转向装置安装示意图；
图6（b）是本发明的机械动力装置安装示意图；
图7是本发明侧方位停车示意图；
图8是本发明倒车进入车位示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-6中所示，手动驾驶车辆C1停入车位P1，依次进行以下步骤：
1）入口处：为车辆安装二维码或偏正光接收器、通讯装置，机械动力装置以及双飞轮转向装置获取待停车辆的身份信息，所述身份信息包括为位置、车牌号和时间等信息；为车辆分配ID；
2）获取停车场中车位的状态信息，所述状态信息包括车位是否空闲；
3）根据目前的车位信息、车辆分布信息计算出C1为最佳停车位。此时的最优路径为左拐进入车位；
4）根据上述的最优化径，计算出相应的控制方案：先控制双飞轮转向装置进行差速旋转，其中右轮的转速高于左轮，使方向盘向左转动，通过PID算法控制转动的角度，再启动油门的机械动力装置A，使车辆获得动力，通过PID算法控制踩踏油门的力度，使车辆按照设定的速度前行；
5）在行驶过程中，停车场中有两个或两个以上的摄像头捕捉到了车身上的二维码，通过视差矫正以及定位公式即可实现车辆的连续定位；
6）当部分车身停入车位中，并且车身与停车线平行时，油门机械动力装置A停止，启动刹车机械动力装置B，使车辆速度逐步下降，再控制双飞轮转向装置进行差速旋转，使得左轮的转速高于右轮，方向盘逐渐回正，这两个过程同样采用PID反馈控制以保证控制的精度以及稳定性；
7）当车身安全停入车位中时，此时刹车机械动力装置的控制信号迅速增大，使车辆立即停止在当前位置。停车工作已完成，车位状态信息由空闲转为忙碌。
实施例2
半自动驾驶车辆C2取车，并开到EXIT出口处，依次进行以下步骤：
1）根据车辆C2的ID，通过通讯设备实现唤醒功能，再通过多目摄像头定位出车辆的位置，具体的定位方法与实施例1类似，通过视差以及定位公式即可计算出车辆的位置。由于C2为半自动驾驶汽车，可利用车辆自身的动力、控制设备；
2）根据停车场中的车辆分布情况以及车位状态信息，计算出场地内每条线路上的密度并显示在GIS地图中；
3）将上述的信息通过路径规划及导航模块，为待停车辆规划出最优出库路径。此时的最优路径如图2箭头所示
4）停车场中的服务器向车辆发送左后转弯的信号，当车辆到达指定位置1时，服务器再发送向前直走的命令，到达指定位置2时，服务器发送向前左转的命令，到达指定位置3时，服务器发出直走的命令，直到出口处，服务器发出停车的信号；
5）在上述所说的行进过程中，停车场中的摄像头对当前的车辆进行连续定位，判断车辆是否偏离规划路径；
6）当车辆顺利到达出口时，原车位信号由忙碌状态转为空闲状态，刷新地图信息，记录下此时的离开时间并根据停入时间与离开时间收费；
实施例3：
如图7所示，当车辆需要完成侧方位停车（横向泊车）时，车辆依次执行图中的步骤：
Step1:先向前开出一段距离r，使得车尾与车位线的横向距离为l，车辆与车位间 的纵向距离为
Figure 122317DEST_PATH_IMAGE005
，车辆自身的宽度为
Figure 819402DEST_PATH_IMAGE006
，停车场车位的宽度
Figure 94525DEST_PATH_IMAGE007
。
Step2:保持车轮的偏转角度为最大转角
Figure 941259DEST_PATH_IMAGE008
，向后移动距离
Figure 745267DEST_PATH_IMAGE009
，此时车身绕圆心的 转动角度为
Figure 192297DEST_PATH_IMAGE010
；
Step3：转向轮进行反方向偏转，角度为
Figure 208795DEST_PATH_IMAGE011
，且
Figure 893723DEST_PATH_IMAGE012
。保持
Figure 603053DEST_PATH_IMAGE011
角度不变，后轮向后 运动的距离为
Figure 288112DEST_PATH_IMAGE013
，车身绕圆心的转动角度为
Figure 888727DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 710052DEST_PATH_IMAGE014
的绝对值等于
Figure 121442DEST_PATH_IMAGE010
，此时车身的运动半径为 车子的最小转弯半径
Figure 293797DEST_PATH_IMAGE015
；
Step4:车身已经完全停入车位内，而且车身与车位平行，此时车辆向前移动适当的距离停在车位中间位置。
由下列公式计算车尾与车位线的横向距离为l，车身绕圆心的转动角度为
Figure 183256DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 376864DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure 693576DEST_PATH_IMAGE017
为车辆的最大转弯半径。
实施例4：
如图8所示，当车辆需要完成倒车进入车位（纵向停车）的操作时，车辆依次执行图中的步骤：
Step1:保持车辆与车位平行，向前开动一段距离为
Figure 353228DEST_PATH_IMAGE018
，车头到车位线间的距离为
Figure 764486DEST_PATH_IMAGE019
，为车辆倒车的安全距离，车辆与车位间的纵向距离为
Figure 29246DEST_PATH_IMAGE005
，车辆自身的宽度为
Figure 782438DEST_PATH_IMAGE006
。
Step2:保持车轮的偏转角度为最大转角
Figure 913074DEST_PATH_IMAGE020
，向后移动距离
Figure 613177DEST_PATH_IMAGE021
，此时车身绕圆心的 转动角度为
Figure 263601DEST_PATH_IMAGE022
，车身与车位平行时，方向盘回正；
Step3：车辆向后运动一段距离，整个车身停入车位中间位置。
车头到车位线间的距离为
Figure 453274DEST_PATH_IMAGE023
和车身绕圆心的转动角度为
Figure 336785DEST_PATH_IMAGE022
的计算公式如下：
Figure 371737DEST_PATH_IMAGE024
本发明中：通过环境主动感知车辆的技术理念，只需在停车场中一次性安装摄像头或偏振光源、红外传感器等装置，即可实现车辆在地下的高精度定位，无需在每辆车上都安装昂贵的激光雷达传感器。通过搜索优化算法可以保证车辆可以在第一时间停入最佳车位，节省了停车的时间，提高了停车场的运营效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，该系统包括采集及识别车辆信息模块、多传感器定位模块、建筑信息模型模块、分类处理模块、路径规划及导航模块、车位状态判断模块、双飞轮转向装置和机械动力装置；
所述采集及识别车辆信息模块包括安装在停车场中的若干个摄像头以及安装在车顶上的二维码；通过采集及识别车辆信息模块获取车辆的信息，并为每个车辆分配唯一ID；
所述多传感器定位模块接收采集及识别车辆信息模块采集的车辆信息，并定位车辆位置；
所述建筑信息模型模块用于对停车场的建筑信息建立空间模型，并生成GIS电子地图，并将停车场中的车位以及车辆位置标注在电子地图中；
所述车位状态判断模块用于判断车位上有车无车，得到车位状态信息；
所述路径规划及导航模块用于根据场地内的车辆分布和车位状态信息，规划最优路径，对车辆进行导航进入停车位；
所述双飞轮转向装置安装在方向盘上的最大直径处，双飞轮转向装置内含陀螺仪传感器，利用双飞轮的转动惯量以及两飞轮处的速度差能够使得方向盘按指定方向以及角度进行转动，通过两个飞轮的高度差、方向盘所在平面与水平面的夹角和方向盘的直径，计算出方向盘的偏转角；
所述机械动力装置包括第一电机和第二电机，所述第一电机用于控制油门踏板上抬或者下压，所述第二电机用于控制刹车踏板上抬或者下压；
所述分类处理模块将采集的车辆信息分为三类，分别为手动驾驶车辆、半自动驾驶车辆以及全自动驾驶车辆；
所述手动驾驶车辆在车顶安装二维码，同时车辆上安装有机械动力装置以及双飞轮转向装置，利用双飞轮的转动惯量以及两个飞轮的协调控制转动方向盘，实现手动驾驶车辆的自动泊车；
所述半自动驾驶车辆具有自动驾驶的动力装置以及控制装置，在车顶安装二维码，实现停车场与车辆间的位置信息以及环境信息的通讯，再利用车辆本身的半自动驾驶设备，即可实现自动泊车功能；
所述全自动驾驶车辆拥有完整的动力、控制装置以及可识别环境的传感器，停车场与全自动驾驶车辆建立通讯，将路径规划、车位状态信息、车辆分布信息发送给车辆，即可实现自动泊车功能。
2.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述采集及识别车辆信息模块采集的车辆信息包括：车辆的进入时间、车牌号信息，根据车牌号为每个车辆分配唯一ID，采集及识别车辆信息模块的若干个摄像头能够无死角地采集并识别停车场内各个角落的车辆信息。
3.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述采集及识别车辆信息模块中，在车辆的四周安装偏振光接收装置，代替车顶上的二维码。
4.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，该系统还包括WIFi、蓝牙和ZigBee通讯装置，进行辅助定位。
5.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述多传感器定位模块为多目摄像头，车辆上的二维码被多个摄像头铺捉到，采用多传感器融合的方法进行平差计算得到车辆的真实坐标值。
6.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述路径规划及导航模块计算各条路线上的车辆密度情况，再结合上广度优先算法，计算出待停车辆的最优路径；根据每辆车的最优路径信息生成相应的控制算法，再将控制指令通过远程通信发送至车辆中的双飞轮转向装置和机械动力装置，对车辆进行导航。
7.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，该系统还包括反馈自校正模块，用于在车辆偏离了原规划的路径时，通过对车顶的二维码的识别，定位出车辆此时的位置，并计算出此位置与正确位置间的误差，再通过PID反馈控制算法进行车辆位置、姿态的矫正。
8.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述机械动力装置用于控制车辆移动和停止，并将车速和方向的信号反馈给反馈自校正模块。
9.根据权利要求1所述的环境主动感知型停车场自动泊车系统，其特征在于，所述双飞轮转向装置中的陀螺仪传感器能够计算出两个飞轮的高度差h，两个飞轮的高度差在方向盘平面上的投影为h’，方向盘所在平面与水平面的夹角为α，方向盘的直径为L；从而计算方向盘的偏转角θ，计算公式如下：
h'＝h/sinα
Figure FDA0002602394000000021
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