CN110823224A - 一种车辆定位方法及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆领域，公开了一种车辆定位方法及车辆。本发明提供的车辆定位方法，在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角；根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标；根据计算得到的当前时刻的车辆偏航角和计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息，以实现对车辆位姿信息的优化，提高了车辆位姿信息的输出频率，提高了车辆位姿信息的准确度。

Description

一种车辆定位方法及车辆
技术领域
本发明涉及车辆领域，尤其涉及一种车辆定位方法及车辆。
背景技术
无人驾驶车辆的定位技术是实现无人驾驶的必要条件。目前，无人驾驶车辆的定位技术主要包括以下几个方式：GPS定位、里程计定位、GPS和IMU组合导航系统定位及匹配定位。
GPS定位主要依靠卫星确认自身位置，可同时获得车辆的位置和偏航角，具有累积误差小的优势，但单纯依靠卫星定位，当出现遮挡时卫星信号将会变弱，严重影响定位精度，同时，也难以满足自动驾驶系统对定位输出频率的要求。
里程计定位是依靠陀螺仪、加速度计等对自动驾驶车辆的航迹进行推算，输出频率高，不受环境遮挡的影响，但随着时间的推移，里程计定位的误差会逐渐积累，从而使定位精度逐渐降低。
GPS和IMU组合导航系统定位则是将GPS定位和里程计定位相结合，具备两者共同的优点，同时降低了遮挡及误差积累对定位精度的影响，但在长时间遮挡的情况下仍然不能保证定位精度。
匹配定位是利用GPS、IMU获取的定位信息及传感器扫描周围的环境，构建离线的环境地图，再通过传感器实时检测到的环境信息与离线的环境地图相匹配，以获取无人驾驶车辆在离线地图中的相对位置，从而修正定位结果，有效降低了遮挡及误差积累的影响，而且解决了长时间遮挡时难以保证定位精度的问题。但是匹配定位输出频率受用于检测环境的传感器的更新频率限制，如果传感器数据更新频率较低，车辆位姿信息的输出频率相应的也会较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动驾驶车辆定位方法及自动驾驶车辆，能够解决采用现有匹配定位时因传感器更新频率较低而导致车辆位姿信息的输出频率偏低的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种车辆定位方法，在下一次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之前，对车辆的位姿信息进行优化，在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，至少对车辆的位姿信息优化一次；所述对车辆的位姿信息进行优化包括：
根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角；
根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标；
根据计算得到的当前时刻的车辆偏航角和计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，在每次通过匹配定位获取车辆的位姿信息时，将通过匹配定位获取车辆的位姿信息作为当前时刻车辆的位姿信息。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，
根据方向盘转角和车辆转向角比计算车辆转向轮转角；
根据车辆转向轮转角，利用两轮车转向模型计算车辆质心位置的转向角作为航向角补偿；
根据前一时刻车辆的航向、航向角补偿、前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度，计算前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，以任一指定点为原点建立绝对坐标系，以车辆质心为原点建立相对坐标系；
采用前一时刻车辆的航向和航向角补偿，将前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度由相对坐标系转换至绝对坐标系，以计算得到前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，前一时刻车辆的全局加速度为：
Figure BDA0002239685520000031
其中，AXt-1、AYt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的加速度，θt-1、βt-1分别表示前一时刻车辆的偏航角和质心位置转向角，axt-1、ayt-1分别表示前一时刻车辆在相对坐标系下的x轴和y轴方向的加速度。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，前一时刻车辆的全局速度为：
Figure BDA0002239685520000032
其中，VXt-1、VXt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的速度，vxt-1、vyt-1分别表示前一时刻车辆在车身相对坐标系下的x轴和y轴方向的速度。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的X轴位置坐标为
Figure BDA0002239685520000033
当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的Y轴位置坐标为
Figure BDA0002239685520000034
其中，Xt、Yt分别代表当前时刻车辆在绝对坐标系下X轴位置坐标和Y轴位置坐标，Xt-1、Yt-1分别代表前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴位置坐标和Y轴位置坐标，T表示获取车辆的偏航角速度及在相对坐标系下的加速度的周期。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，当前时刻车辆在绝对坐标系下的偏航角θt＝θt-1+ωt-1·T，其中，θt表示当前时刻车辆的偏航角，ωt-1表示前一时刻车辆的偏航角速度。
作为上述的车辆定位方法的一种优选技术方案，车辆速度的采集周期小于等于偏航角速度的采集周期。
本发明还提供了一种车辆，采用上述的车辆定位方法获取车辆的位姿信息。
本发明的有益效果：本发明在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角；根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标；根据计算得到的当前时刻的车辆偏航角和计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息，以实现对车辆位姿信息的优化，提高了车辆位姿信息的输出频率，提高了车辆位姿信息的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例具体实施方式提供的车辆定位方法的流程图；
图2是本发明实施例具体实施方式提供的根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标的流程图；
图3是本发明具体实施方式提供的两轮车转向模型图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
图1是本实施例提供的车辆定位方法的流程图，在下一次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之前，对车辆的位姿信息进行优化，以提高车辆位姿信息的输出频率。因此要求在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，至少对车辆的位姿信息优化一次。即对车辆的位姿信息进行优化的周期小于相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息的时间间隔。上述通过匹配定位获取车辆的位姿信息的方式是现有技术，在此不再赘叙。
下面结合图1对本实施例提供的车辆定位方法进行简要介绍，如图1所示，本实施例提供的车辆定位方法包括以下步骤：
S1、根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角。
以任一指定点为原点建立绝对坐标系，以车辆质心为原点建立相对坐标系。本实施例中，以任一指定点为原点，以正东方向为X轴正向，以正北方向为Y轴正向，以竖直向上为Z轴正向建立绝对坐标系；以车辆质心为原点，以沿车辆中轴线延伸的前进方向作为x轴正向，以x轴左侧为y轴正向，以竖直向上为z轴正向建立相对坐标系。本实施例不对z向的变化进行研究，仅以车辆行驶在水平的平坦道路上为例，对x方向和y方向的位置进行车辆定位方法进行说明。
本实施例中，对车辆的位姿信息进行优化的周期指的是偏航角速度的采集周期。具体地，通过微惯性航姿系统(下文简称IMU设备)周期性获取车辆的偏航角速度及在相对坐标系下的加速度。
当前时刻车辆的偏航角θt＝θt-1+ωt-1·T，其中，θt表示当前时刻车辆的偏航角，θt-1表示前一时刻车辆的偏航角，ωt-1表示前一时刻车辆的偏航角速度，T表示偏航角速度的采集周期。在计算偏航角时，以车辆质心为原点，正东方向的偏航角为零，逆时针旋转的偏航角为正。
在通过匹配定位获取位姿信息后的第一次优化时所指的前一时刻车辆的偏航角，指的是通过匹配定位获取位姿信息中包含的车辆的偏航角；在通过匹配定位获取位姿信息后的第一次优化时所指的前一时刻车辆的偏航角速度，指的是通过匹配定位获取位姿信息中包含的车辆的偏航角速度。
而在通过匹配定位获取位姿信息后的第二次优化至下一次通过匹配定位获取位姿信息之前的优化中所指的前一时刻车辆的偏航角和前一时刻车辆的偏航角速度分别指上一次优化时车辆的偏航角和上一次优化时车辆的偏航角速度。
S2、根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标。
如图2所示，上述S2具体包括如下步骤：
S21、根据方向盘转角和车辆转向角比计算车辆转向轮转角。
S22、根据车辆转向轮转角，利用两轮车转向模型计算车辆质心位置的转向角作为航向角补偿。
具体地，参照图3所示的两轮车转向模型，图3中，A、B和C分别为车辆前轴中心、车辆后轴中心及车辆质心，O表示车辆转向中心，L表示车辆轴距，Lcf表示车辆质心到车辆前轴的距离，α表示转向轮转角，根据图3所示的几何关系，车辆质心位置的转向角β的简化计算公式如下：
上述两轮车转向模型为现有技术，在此不再赘叙。
S23、根据前一时刻车辆的航向、航向角补偿、前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度，计算前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
在上述步骤S23中，采用前一时刻车辆的航向和航向角补偿，将前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度由相对坐标系转换至绝对坐标系，以计算得到前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
具体地，前一时刻车辆的全局加速度为：
其中，AXt-1、AYt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的加速度，θt-1、βt-1分别表示前一时刻车辆的偏航角和质心位置转向角，axt-1、ayt-1分别表示前一时刻车辆在相对坐标系下的x轴和y轴方向的加速度。
前一时刻车辆的全局速度为：
Figure BDA0002239685520000073
其中，VXt-1、VXt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的速度，vxt-1、vyt-1分别表示前一时刻车辆在车身相对坐标系下的x轴和y轴方向的速度。
本实施例中，车辆速度的采集周期等于方向盘转角的采集周期，车辆速度及方向盘转角的采集周期小于等于偏航角速度的采集周期，以提高优化时位姿信息的准确度。
S3、判断是否接收到通过匹配定位获取的位姿信息，若是，则执行S4，若否，则执行S5。
S4、将通过匹配定位获取车辆的位姿信息作为当前时刻车辆的位姿信息。
相比通过匹配定位获取车辆的位姿信息而言，通过本实施例所采用的位姿信息优化方式，准确率相对偏低，因此，一旦接收到通过匹配定位获取的位姿信息，将把通过匹配定位获取车辆的位姿信息作为当前时刻车辆的位姿信息；仅在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间对车辆的位姿信息进行优化。
S5、根据通过步骤S1计算得到的当前时刻的车辆偏航角和通过步骤S2计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息。
本实施例中的位姿信息主要包括：当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的X轴位置坐标、当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的Y轴位置坐标和当前时刻车辆的偏航角。
根据上述公式(a)和(b)可以得出，当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的X轴位置坐标为
Figure BDA0002239685520000081
当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的Y轴位置坐标为
Figure BDA0002239685520000082
其中，Xt、Yt分别代表当前时刻车辆在绝对坐标系下X轴位置坐标和Y轴位置坐标，Xt-1、Yt-1分别代表前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴位置坐标和Y轴位置坐标，T表示获取车辆在相对坐标系下的加速度和偏航角速度的周期。
本实施例中，上述步骤S1和步骤S2的顺序可以更换。
本实施例在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角；根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标；根据计算得到的当前时刻的车辆偏航角和计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息，以实现对车辆位姿信息的优化，提高了车辆位姿信息的输出频率，提高了车辆位姿信息的准确度，而且本实施例提供的车辆定位方法的算法简单，耗费的计算资源较小。
而实际应用中车辆偏航角速度的采集周期和车辆速度的采集周期远大于通过匹配定位获取车辆位姿信息的周期，实际验证发现，本实施例实时通过匹配定位获取位姿信息，并在相邻两次匹配定位之间对位姿信息进行优化，采用二者相结合形成的车辆定位方法，获取车辆位姿信息的周期一般不超过100ms，极大地降低了获取位姿信息的周期，从而提高了位姿信息的输出频率。
本实施例还提供了一种车辆，采用上述的车辆定位方法获取车辆的位姿信息。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种车辆定位方法，其特征在于，在下一次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之前，对车辆的位姿信息进行优化；在相邻两次通过匹配定位获取车辆的位姿信息之间，至少对车辆的位姿信息优化一次；所述对车辆的位姿信息进行优化包括：
根据前一时刻车辆的偏航角速度及前一时刻车辆的偏航角计算当前时刻车辆的偏航角；
根据前一时刻车辆的全局速度、前一时刻车辆的全局加速度及前一时刻车辆的定位信息计算当前时刻车辆的定位坐标；
根据计算得到的当前时刻的车辆偏航角和计算得到的当前时刻的车辆定位坐标更新车辆的位姿信息。
2.根据权利要求1所述的车辆定位方法，其特征在于，在每次通过匹配定位获取车辆的位姿信息时，将通过匹配定位获取车辆的位姿信息作为当前时刻车辆的位姿信息。
3.根据权利要求1所述的车辆定位方法，其特征在于，
根据方向盘转角和车辆转向角比计算车辆转向轮转角；
根据车辆转向轮转角，利用两轮车转向模型计算车辆质心位置的转向角作为航向角补偿；
根据前一时刻车辆的航向、航向角补偿、前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度，计算前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
4.根据权利要求3所述的车辆定位方法，其特征在于，以任一指定点为原点建立绝对坐标系，以车辆质心为原点建立相对坐标系；
采用前一时刻车辆的航向和航向角补偿，将前一时刻车辆的速度及前一时刻车辆的加速度由相对坐标系转换至绝对坐标系，以计算得到前一时刻车辆的全局速度和前一时刻车辆的全局加速度。
5.根据权利要求4所述的车辆定位方法，其特征在于，前一时刻车辆的全局加速度为：
Figure FDA0002239685510000021
其中，AXt-1、AYt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的加速度，θt-1、βt-1分别表示前一时刻车辆的偏航角和质心位置转向角，axt-1、ayt-1分别表示前一时刻车辆在相对坐标系下的x轴和y轴方向的加速度。
6.根据权利要求5所述的车辆定位方法，其特征在于，前一时刻车辆的全局速度为：
Figure FDA0002239685510000022
其中，VXt-1、VYt-1分别表示前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴和Y轴方向的速度，vxt-1、vyt-1分别表示前一时刻车辆在车身相对坐标系下的x轴和y轴方向的速度。
7.根据权利要求6所述的车辆定位方法，其特征在于，当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的X轴位置坐标为
Figure FDA0002239685510000023
当前时刻车辆在绝对坐标系下的定位坐标的Y轴位置坐标为
Figure FDA0002239685510000024
其中，Xt、Yt分别代表当前时刻车辆在绝对坐标系下X轴位置坐标和Y轴位置坐标，Xt-1、Yt-1分别代表前一时刻车辆在绝对坐标系下的X轴位置坐标和Y轴位置坐标，T表示获取车辆的偏航角速度及在相对坐标系下的加速度的周期。
8.根据权利要求7所述的车辆定位方法，其特征在于，当前时刻车辆在绝对坐标系下的偏航角θt＝θt-1+ωt-1·T，其中，θt表示当前时刻车辆的偏航角，ωt-1表示前一时刻车辆的偏航角速度。
9.根据权利要求7所述的车辆定位方法，其特征在于，车辆速度的采集周期小于等于偏航角速度的采集周期。
10.一种车辆，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的车辆定位方法获取车辆的位姿信息。
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