CN110798792B - 车辆定位装置、车辆定位系统以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，提供一种车辆定位装置、车辆定位系统以及车辆。本发明所述的车辆定位装置基于多个信号发射单元运行，所述车辆定位装置包括：至少两个通信单元，设置于所述车辆上，用于接收所述多个信号发射单元的信号，其中所述至少两个通信单元之间具有间距；处理单元，用于：根据所述至少两个通信单元中的每个通信单元接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元的坐标；根据所述每个通信单元的坐标确定所述车辆的航向角。本发明的车辆定位装置可以实现航向角的精确测量。

Description

车辆定位装置、车辆定位系统以及车辆
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种车辆定位装置、车辆定位系统以及车辆。
背景技术
如今，车位不足、停车难、缴费排队等问题困扰着都市车主。而自动代客泊车技术的出现可为停车场和车主提供的更高效的解决方案。配备智能基础设施的停车场，可减少停车间距以提升约20％的停车容量，为车主带来更多便捷的同时，也有利于整个停车场的基础设施的提供商，包括城市的管理者。除此之外，自动代客泊车技术还可实现车主多模交通的无缝换乘。比如从私家车道去赶地铁去赶飞机去赶火车，同时也可以实现场景的无缝换乘，从交通到可以去看电影，可以去购物等。
在室外的无人驾驶定位可以通过实时动态差分法(RTK)和全球导航定位系统(GNSS)等方式实现，但在室内停车场，GPS信号丢失无法按照室外方式实现精确定位。当今室内定位方案基本分为三种①基于场端，依靠场端增加激光雷达或摄像头的方式进行定位；②基于车端，如车端增加惯性导航系统(INS)及激光雷达的方式进行定位；③应用无线载波通信技术(UWB)的方式实现定位。但是，这几种方式仅是实现了定位坐标，并没有实现测量航向角，但是航向角对自动驾驶的定位和控制来说也很重要。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种车辆定位装置、车辆定位系统以及车辆，以实现航向角的精确测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种车辆定位装置，所述车辆定位装置基于多个信号发射单元运行，所述车辆定位装置包括：至少两个通信单元，设置于所述车辆上，用于接收所述多个信号发射单元的信号，其中所述至少两个通信单元之间具有间距；处理单元，用于：根据所述至少两个通信单元中的每个通信单元接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元的坐标；根据所述每个通信单元的坐标确定所述车辆的航向角。
进一步的，根据所述至少两个通信单元中的每个通信单元接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元的坐标包括：根据所述每个通信单元接收到所述每个信号发射单元的信号的时间确定所述每个通信单元与所述每个信号发射单元的距离；根据所述每个信号发射单元的坐标和所述每个通信单元与所述每个信号发射单元的距离确定所述每个通信单元的坐标。
进一步的，所述车辆定位装置还包括：陀螺仪，用于检测所述车辆的航向角，以作为第一航向角；所述处理单元还用于：根据所述车辆的行驶曲线，计算所述车辆的航向角作为第二航向角；根据所述第一航向角、所述第二航向角以及根据所述每个通信装置的坐标确定的车辆的航向角，基于自回归算法确定最终的车辆的航向角。
进一步的，所述每个通信单元包括通信标签和天线。
进一步的，所述处理单元还用于：根据所述至少两个通信单元中任一通信单元的坐标和在所述车辆上的安装位置计算所述车辆的坐标以得到所述车辆的位置。
进一步的，所述多个信号发射单元发出的信号覆盖于：转弯周围区域、角落周围区域、透明玻璃周围区域以及特征点不足以供所述车载定位装置正确进行所述车辆定位的区域中的至少一者。
相对于现有技术，本发明所述的车辆定位装置具有以下优势：
本发明所述的车辆定位装置，基于多个信号发射单元运行，通过至少两个通信单元接收多个信号发射单元的信号，根据每个通信单元接收到每个信号发射单元的信号的时间确定每个通信单元的坐标，根据每个通信单元的坐标确定车辆的航向角。本发明车辆定位装置只基于多个信号发射单元，因此可以在室内或无法获取GPS信号的区域实现航向角的精确测量。
本发明的另一目的在于提出一种车辆定位系统，以实现航向角的全程的精确测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种车辆定位系统，所述车辆定位系统包括：上文所述的车辆定位装置；车载定位装置，用于采集与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息；以及主控装置，用于：在所述至少两个通信单元接收到所述多个信号发射装置的信号时，使用所述车辆定位装置计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述至少两个通信单元中任一者未接收到所述多个信号发射装置中任一者的信号时，使用所述车载定位装置采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
进一步的，所述车载定位装置还用于采集当前场景图像；所述主控装置还用于：在所述至少两个通信单元接收所述多个信号发射装置的信号之前，判断所述当前场景图像的像素灰度值是否在预设范围内；在所述当前场景图像的像素灰度值不在预设范围时，控制所述至少两个通信单元接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述当前场景图像的像素灰度值处于所述预设范围时，使用所述车载定位装置采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
进一步的，所述车载定位装置包括：摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、车速传感器、轮转角速度传感器和惯性传感器中的至少一者。
相对于现有技术，本发明所述的车辆定位系统具有以下优势：
本发明所述的车辆定位系统，包括上文所述的车辆定位装置，还包括车载定位装置，在车辆定位装置能接收到多个信号发射装置的信号时，使用车辆定位装置计算车辆的位置和/或航向角，在车辆定位装置不能完整接收到多个信号发射装置的信号时，使用车载定位装置计算车辆的位置和/或航向角。本发明的车辆定位系统，可以保证在车辆定位装置发生故障或者未设置多个信号发射装置的区域也能计算车辆的位置和/或航向角，并在车载定位装置无法精确确定车辆的位置和/或航向角时，使用车辆定位装置代替确定车辆的位置和/或航向角，以实现航向角的全程的精确测量。
本发明的另一目的在于提出一种车辆，以实现航向角的精确测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种车辆，所述车辆包括上文所述的车辆定位装置；或上文所述的车辆定位系统。
所述车辆与上述车辆定位装置或车辆定位系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明一实施例提供的车辆定位装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的车辆定位装置的工作流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的车辆定位装置的布置示意图；
图4是本发明一实施例提供的车辆定位系统的结构示意图；
图5A是本发明一实施例提供的车载定位装置的结构示意图；
图5B是本发明一实施例提供的车载的摄像头的安装位置示意图；
图6是本发明一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图；
图7是本发明另一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图；
图8是本发明另一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图；
图9是本发明一实施例提供的车辆定位系统的工作框图。
附图标记说明：
1 通信单元 2 处理单元
31 摄像头 32 激光雷达
33 毫米波雷达 34 超声波雷达
35 车速传感器 36 轮转角速度传感器
37 惯性传感器 311 环视摄像头
312 前视摄像头 4 车辆定位装置
5 车载定位装置 6 主控装置
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
图1是本发明一实施例提供的车辆定位装置的结构示意图。如图1所示，所述车辆定位装置基于多个信号发射单元运行，所述车辆定位装置包括：至少两个通信单元1，设置于所述车辆上，用于接收所述多个信号发射单元的信号，其中所述至少两个通信单元1之间具有间距；处理单元2，用于：根据所述至少两个通信单元1中的每个通信单元1接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元1的坐标；根据所述每个通信单元1的坐标确定所述车辆的航向角。
在本发明实施例中，多个信号发射单元(未绘示)可以是基站。为了最精确确定车辆的位置和/或航向角，信号发射单元优选设置4个，该4个信号发射单元可以组成方形区域。至少两个通信单元1接收多个信号发射单元发出的信号，处理单元2可以根据每个通信单元1接收到每个信号发射单元发出的信号的时间，确定二者的距离，从而根据多个信号发射单元的坐标，确定每个通信单元1的坐标。由于每个通信单元1之间具有间距，而间距是已知的，并且每个通信单元1的安装位置也是已知的，因此很容易得到车辆的朝向，从而得到车辆的航向角。
对于车辆的位置，一般车辆的坐标以车辆后轴中点的坐标为准，因此根据任一通信单元1在车辆上的安装位置，可以得到该通信单元1与车辆后轴中点的距离，从而根据该通信单元1的坐标计算出车辆后轴中点的坐标，以得到车辆的坐标。
图2是本发明一实施例提供的车辆定位装置的工作流程示意图。如图2所示，首先接收多个信号发射单元的信号，接着，根据每个通信单元1接收到每个信号发射单元的信号的时间确定每个通信单元1与每个信号发射单元的距离，接着，根据每个信号发射单元的坐标和每个通信单元1与每个信号发射单元的距离确定每个通信单元1的坐标，最后，根据所述每个通信单元1的坐标确定所述车辆的航向角。
通过上述方式计算出的车辆的航向角由于仅由一种方式得到，因此可能不够精确，经过大量实际操作和试验，发现航向角偏差大致在1.53°至3.82°之间。对此，本发明首先可以设置极高的刷新频率来利用上述方式计算车辆的航向角，使车辆处于同一状态(位置和航向角)时，得到多个车辆的航向角，从而进行平均得到较为精确的航向角。
另外，本发明实施例还设置了陀螺仪来检测车辆的航向角，并将陀螺仪检测的车辆的航向角作为第一航向角。陀螺仪能提供高达0.1°的相对航向角，但会产生累计误差。然后，处理单元2根据车辆的行驶曲线，拟合行驶曲线方程，并求偏导得到车辆的航向角，作为第二航向角。最后，根据第一航向角、第二航向角以及根据每个通信装置的坐标确定的车辆的航向角(或者上述进行平均后的航向角)，基于自回归算法，例如卡尔曼滤波，确定最终的车辆的航向角。该最终的车辆航向角较为准确，也不会产生累计误差，因此可以校准陀螺仪产生的累计误差的问题。
另外，在计算出车辆的坐标和车辆的航向角后，需要输出车辆的坐标和车辆的航向角。本发明实施例提供一种最终输出的报文格式，例如：帧1：0000 0000，其中前4字节为x坐标，后4字节为y坐标(定位结果)；帧2：0000 0000，其中前4字节为水平角，后4字节为俯仰角(航向角结果)，但不限于此。
图3是本发明一实施例提供的车辆定位装置的布置示意图。本发明实施例中，以UWB技术为例以便于进行说明，事实上也可以使用蓝牙或Wifi或其它无线技术代替UWB技术。UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，应用此技术可以实现高达10cm的定位精度。UWB室内定位特点：1、频带为3.1-10.6GHz，带宽大于500MHz；2、时域上表现为时间极短(＜2nS)的脉冲；3、与其它无线设备共存性好；4、功耗低，发射占空比低5、对瑞利衰落不敏感；6、穿透性强，定位精度高。
如图3所示，每个通信单元1可以包括通信标签和天线。车辆定位装置可以采用标签端解算方式，在天线接收多个信号发射单元的信号后，传输到标签进行同步算法得出时间信息，时间信息通过串口或CAN传到解算单元(未绘示)解算出坐标值，并通过CAN或串口或其它有线或无线传输方式将坐标值发送给处理单元2，或者解算单元也可以与处理单元2集成，在处理单元2中进行解算。天线和标签可以集成在一起也可以分开布置，天线1和天线2可以安装在一个结构中也可以分开安装，但两个天线需要有一定间距，根据天线相对坐标位置计算出车辆的航向角，从而进一步控制车辆的线控系统，如转向角度等。
本发明实施例还提供一种车辆定位系统。图4是本发明一实施例提供的车辆定位系统的结构示意图。如图4所示，所述车辆定位系统包括：上文所述的车辆定位装置4；车载定位装置5，用于采集与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息；以及主控装置6，用于：在所述至少两个通信单元1接收到所述多个信号发射装置的信号时，使用所述车辆定位装置4计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述至少两个通信单元1中任一者未接收到所述多个信号发射装置中任一者的信号时，使用所述车载定位装置5采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
在本发明实施例中，新增了车载定位装置5，进行视觉定位。本实施例的车辆定位系统以车辆定位装置4为主，车载定位装置5用于障碍物识别、避障及车辆定位装置4出现问题之后的定位及处理，场端增加基站，车端加入双标签方案，这种方案使用场景为停车场内车辆都带标签且都与场端基站进行通讯，且通过无线网络回传给停车场管理系统及其它车辆，即环境相对单纯。由停车场管理系统对车辆进行统一调度及路径规划，结合UWB定位及航向角信息，结合车辆控制模型，实现最终泊车，同时在行进过程中由视觉结合雷达方案进行避障及局部路径规划。
图5A是本发明一实施例提供的车载定位装置的结构示意图。如图5A所示，所述车载定位装置5主要包括：摄像头31、激光雷达32、毫米波雷达33、超声波雷达34、车速传感器35、轮转角速度传感器36和惯性传感器37中的至少一者。毫米波雷达33主要用于避障，超声波雷达34主要用泊车与视觉定位方案配合实现。车速传感器35、轮转角速度传感器36和惯性传感器37可以得到车辆的各种状态，例如车速、轮速、加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动等。
图5B是本发明一实施例提供的车载的摄像头的安装位置示意图。如图5B所示，车载的摄像头31主要可以包括环视摄像头311和前视摄像头312等，以全面拍摄车辆周边的图像，主控单元2应用高精度地图和/或由车辆传感器采集语义地图、环视摄像头311、前视摄像头312，视觉定位方案采用基于视觉的同步定位与地图构建(VSLAM)生成语义地图与高精度地图结合，通过车载的摄像头31识别采集的VSLAM特征点进行匹配，结合惯性传感器37(IMU)的信息，实现车辆的定位，得到车端定位信息。其中，SLAM(simultaneouslocalization and mapping,SLAM)是指根据传感器的信息，一边计算自身位置，一边构建环境地图的过程，解决在未知环境下运动时的定位与地图构建问题。VSLAM即视觉SLAM(Vision SLAM)，更为高级，是基于视觉的定位与建图，更加精准和迅速。
另外，本发明实施例中，为了节省费用，可以只在特殊区域设置多个信号发射单元，使多个信号发射单元发出的信号覆盖于：转弯周围区域、角落周围区域、透明玻璃周围区域或特征点不足以供所述车载定位装置5正确进行所述车辆定位的区域。
图6是本发明一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图。如图6所示，对于角落周围区域和透明玻璃周围区域这样的光线较亮或较暗的区域，本发明实施例的车辆定位系统的工作流程如下：首先采集当前场景图像；判断所述当前场景图像的像素灰度值是否在预设范围内；在所述当前场景图像的像素灰度值不在预设范围时，控制所述至少两个通信单元1接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置4计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述当前场景图像的像素灰度值处于所述预设范围时，使用所述车载定位装置5采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
图7是本发明另一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图。如图7所示，对于转弯周围区域，本发明实施例的车辆定位系统的工作流程如下：首先采集当前场景图像，接着根据所述当前的场景图像确定可行驶区域；在车辆行驶过程中，判断所述可行驶区域是否进行大小交替变化；在所述可行驶区域进行大小交替变化时，控制所述至少两个通信单元1接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置4计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述可行驶区域未进行大小交替变化时，使用所述车载定位装置5采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
图8是本发明另一实施例提供的车辆定位系统的工作流程示意图。如图8所示，对于特征点不足以供所述车载定位装置5正确进行所述车辆定位的区域，本发明实施例的车辆定位系统的工作流程如下：首先，由车载定位装置5生成并输出车端定位信息；然后执行以下步骤中的一者：
1)根据车辆的方向、车速以及初始定位信息得到预期定位信息；在所述车辆行驶过程中，判断所述车端定位信息与所述预期定位信息的偏差是否大于等于预设值，在所述车端定位信息与所述预期定位信息的偏差大于等于预设值时，说明车辆进入了特征点缺少的区域，此时控制所述至少两个通信单元1接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置4计算所述车辆的位置和/或航向角；在所述车辆定位信息与所述预期定位信息的偏差小于预设值时，说明车辆未进入特征点缺少的区域，此时可以使用所述车载定位装置5采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
2)在所述车辆行驶过程中，判断预定时间内所述车端定位信息的更新频率是否小于等于预设频率，在预定时间内所述车端定位信息的更新频率小于等于预设频率时，说明车辆进入了特征点缺少的区域，此时控制所述至少两个通信单元1接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置4计算所述车辆的位置和/或航向角；在预定时间内所述车辆定位信息的更新频率大于预设值时，说明车辆未进入特征点缺少的区域，此时可以使用所述车载定位装置5采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
图9是本发明一实施例提供的车辆定位系统的工作框图。如图9所示，天线接收基站发出信号的时间，然后传输到标签进行同步算法得出时间信息，时间信息通过串口或CAN传到解算单元，解算出位置坐标后通过串口、CAN或者网线或光纤等传给主控单元。
车端定位(VSLAM+高精度地图+激光雷达)结合场端高精度UWB定位方式实现精准定位(定位误差10cm，偏航角误差0.2°)，双重定位结合卡尔曼滤波，评判置信度方式输出最终车辆坐标及航向角，UWB定位方式受环境影响小，视觉定位容易受到光线干扰，在光线较好的场景应用视觉定位为主，在光线不好区域以UWB定位为主。视觉定位方案采用高精度地图、超声波雷达、环视鱼眼相机、前视相机、毫米波雷达结合车辆本身传感器(车速、轮转角速度等)、IMU以及多个低成本传感器融合方式实现，视觉采用VSLAM生成语义地图与高精度地图结合方案。
本发明实施例应用低成本车端结合低成本场端方案，克服了视觉方案容易受光线影响的缺点，保障了可靠性；同时，本发明实施例应用场端和车端双重定位方案，确保其中一个失效后有冗余备份，提升整个系统的安全性。
本发明实施例还提供一种车辆，所述车辆包括上文所述的车辆定位装置；或上文所述的车辆定位系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车辆定位系统，其特征在于，所述车辆定位系统包括
车辆定位装置，所述车辆定位装置基于多个信号发射单元运行，所述车辆定位装置包括：
至少两个通信单元，设置于所述车辆上，用于接收所述多个信号发射单元的信号，其中所述至少两个通信单元之间具有间距；
处理单元，用于：根据所述至少两个通信单元中的每个通信单元接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元的坐标；根据所述每个通信单元的坐标确定所述车辆的航向角；
车载定位装置，用于采集与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息；以及采集当前场景图像；
主控装置，用于：
在所述至少两个通信单元接收所述多个信号发射装置的信号之前，判断所述当前场景图像的像素灰度值是否在预设范围内；
在所述当前场景图像的像素灰度值不在预设范围时，控制所述至少两个通信单元接收所述多个信号发射单元的信号，以使用所述车辆定位装置计算所述车辆的位置和/或航向角；
在所述当前场景图像的像素灰度值处于所述预设范围时，使用所述车载定位装置采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
2.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，根据所述至少两个通信单元中的每个通信单元接收到所述多个信号发射单元中的每个信号发射单元的信号的时间以及所述每个信号发射单元的坐标确定所述每个通信单元的坐标包括：
根据所述每个通信单元接收到所述每个信号发射单元的信号的时间确定所述每个通信单元与所述每个信号发射单元的距离；
根据所述每个信号发射单元的坐标和所述每个通信单元与所述每个信号发射单元的距离确定所述每个通信单元的坐标。
3.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述车辆定位装置还包括：
陀螺仪，用于检测所述车辆的航向角，以作为第一航向角；
所述处理单元还用于：
根据所述车辆的行驶曲线，计算所述车辆的航向角作为第二航向角；
根据所述第一航向角、所述第二航向角以及根据所述每个通信装置的坐标确定的车辆的航向角，基于自回归算法确定最终的车辆的航向角。
4.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述每个通信单元包括通信标签和天线。
5.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述处理单元还用于：
根据所述至少两个通信单元中任一通信单元的坐标和在所述车辆上的安装位置计算所述车辆的坐标以得到所述车辆的位置。
6.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述多个信号发射单元发出的信号覆盖于：
转弯周围区域、角落周围区域、透明玻璃周围区域以及特征点不足以供所述车载定位装置正确进行所述车辆定位的区域中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述主控装置还用于：
在所述至少两个通信单元接收到所述多个信号发射装置的信号时，使用所述车辆定位装置计算所述车辆的位置和/或航向角；
在所述至少两个通信单元中任一者未接收到所述多个信号发射装置中任一者的信号时，使用所述车载定位装置采集的与所述车辆的位置和/或航向角相关的信息，计算所述车辆的位置和/或航向角。
8.根据权利要求1所述的车辆定位系统，其特征在于，所述车载定位装置包括：
摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、车速传感器、轮转角速度传感器和惯性传感器中的至少一者。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括权利要求1-8中任意一项权利要求所述的车辆定位系统。
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