CN111966104A - 一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，包括车体，以及设置在车体内的控制器、车载传感器和执行机构，还包括磁钉轨道；所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器、后磁传感器、摄像头和毫米波雷达，所述前磁传感器和所述后磁传感器由若干个直线排布的磁场传感芯片组成，所述磁场传感芯片的排布方向与所述车体的方向垂直；所述磁钉轨道由一系列埋设于车道中央的、相互间隔在1米左右的磁钉组成，磁钉的南北极构成二进制码元0或1，一组依次排列的磁钉通过极性的不同排列传递特定的信息码。上述自动驾驶系统结合本发明的自动驾驶方法，为车辆自动驾驶提供更安全可靠的系统解决方案，尤其适用于公共交通领域。

Description

一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于自动驾驶领域的基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统及方法。
背景技术
近年来自动驾驶技术迅速发展。惯导、摄像头、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器技术的发展为获取车辆的姿态和环境感知提供了众多途径，且各种电力执行机构，如驱动电机、电子转向系统(EPS)和电子制动系统(EBS)等)，它们的广泛应用为自动驾驶发展提供了技术便利。由于实际驾驶环境极其复杂，高级别自动驾驶技术不够成熟，相关的交通法规也尚未完善，无人驾驶车仍处于试验测试和特定场景试运行阶段，远未达到普及。尤其是在公共交通领域，社会和公众对安全性的要求极高，所以不仅要考虑自动驾驶系统的研制成本，其安全性、可靠性更是重中之重。
现有的自动驾驶的主流导航方案为基于视觉或激光雷达等成像的方法，但是该方案的控制效果受天气、环境影响较大，如雨雪天气、夜间或车道线模糊等情况下，车辆运行轨迹的控制精度会明显降低。此外，由于激光雷达硬件成本过高，虽然其导航效果明显高于视觉导航效果，但应用并不广泛。磁钉导航方案不受这些环境因素的影响，安全性高，成本低，在一些特定场景交通环境中不断得到应用，如BRT快速公交、仓储物流、机场接驳等。但磁钉导航方案也有其自身的弱点，如运行轨道变化困难、信号易受铁质介质干扰、前瞻性受限等。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统及方法，它为车辆自动驾驶提供更安全可靠的系统解决方案，尤其适用于公共交通领域。
实现上述目的的一种技术方案是：一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，包括车体，以及设置在车体内的控制器、车载传感器和执行机构，还包括磁钉轨道；
所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器、后磁传感器、摄像头和毫米波雷达，所述前磁传感器和所述后磁传感器由若干个直线排布的磁场传感芯片组成，所述磁场传感芯片的排布方向与所述车体的方向垂直；
所述磁钉轨道由一系列埋设于车道中央的、相互间隔在1米左右的磁钉组成，磁钉的南北极构成二进制码元0或1，一组依次排列的磁钉通过极性的不同排列传递特定的信息码。
进一步的，所述前磁传感器和所述后磁传感器的间距为2m-8m，所述前磁传感器和所述后磁传感器距地面的高度为10cm-30cm。
进一步的，所述惯性导航模块测量车辆垂直于地面的角速度；所述车速传感器测量车辆的速度，通过积分可获得车辆的运行距离；所述摄像头测量车辆前方的障碍物，以及车道线信息；所述毫米波雷达测量车辆前方和侧面的障碍物；上述信息均反馈给控制器。
采用上述基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统的自动驾驶方法，包括车辆状态监测方法，车辆横向控制方法和车辆纵向控制方法；
所述车辆状态监测方法为：当前磁传感器或后磁传感器经过磁钉上方时，通过每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，结合磁极方向信息，从而定义车体在车道中的位置反馈给控制器；控制器通过惯性导航模块和车速传感器进行车辆横摆角判断；控制器通过前磁传感器和后磁传感器的磁钉信号，获得前磁传感器和后磁传感器的横向位置变化，对车辆横摆角的变化进行精确推算；
所述车辆横向控制方法为：控制器根据车辆的前磁传感器横向位置和车辆横摆角偏差，结合车速传感器、磁钉轨道当前曲率、方向盘角度，计算出基于磁钉导航的方向盘转向角变化量指令；控制器根据摄像头拍摄的行车路线与前方车道线的偏差，获得基于视觉的车辆横向位置误差和车辆横摆角，将基于视觉的车辆横摆角替代基于磁钉的车辆横摆角，计算出融合导航的方向盘转向角指令；
所述车辆纵向控制方法为：控制器通过车速指令和车速传感器获得的车速值，计算出一组纵向力矩，正值为驱动力矩，负值为制动力矩；控制器通过摄像头和毫米波雷达，探测前方和侧面障碍物信息，当摄像头和毫米波雷达中任何一个装置探测到目标障碍物时，控制器计算出另外一组纵向力矩，并和前值进行低选，从而计算出融合导航的纵向力矩指令。
进一步的，当车体、控制器、执行机构发生失效时，自动驾驶系统的横向控制和纵向控制退出工作，转换为人工驾驶；当磁钉轨道失效时，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当车道线失效时，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当惯性导航模块、前磁传感器或后磁传感器任意一项失效时，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当摄像头发生失效时，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当毫米波雷达发生失效时，降低车辆运行速度。
本发明的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统及方法，以磁钉导航方案为主，充分融合视觉、毫米波雷达等信号，在横向控制中，根据车道线信息，前瞻性的获取车辆姿态信息，从而使车辆能不仅保证横向位移控制的高精度，还能使车辆保持更低的横摆角频率，提高车辆运行的舒适性；在纵向控制中，依靠视觉和毫米波雷达探测障碍物信息，控制车辆减速或停车，充分保证车辆安全行驶；自动驾驶系统通过融合导航，能实现所有传感器信号的容错设计，显著提高原有磁钉导航系统的可靠性
附图说明
图1为本发明的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统的结构示意图；
图2为本发明的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶方法的控制逻辑图；
图3为本发明的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶方法的融合控制逻辑图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
请参阅图1，本发明的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，包括车体1、控制器2、车载传感器、执行机构，以及磁钉轨道12。控制器2、车载传感器和执行机构相连接。其中，车载传感器包括车速传感器3、惯性导航模块4、前磁传感器5、后磁传感器6、摄像头7、毫米波雷达8。执行机构包括动力系统9、制动系统10、转向系统11。车体1所装载的动力系统9和制动系统10可以将控制器2输出的模拟信号转化为相对应的驱动力矩和制动力矩，从而实现控制器2对车辆的纵向(车速)控制。转向系统11可以将控制器2输出的模拟信号转化为相对应的方向盘角度，从而实现控制器2对车辆的横向(转向)控制。
前磁传感器5安装在车辆前端，后磁传感器6安装在车辆中后端，与前传感器保持2m-8m的距离，磁传感器安装距离地面为10cm-30cm。两个磁传感器均由多个直线排列的磁场传感芯片组成，磁场传感芯片的排布方向与所述车体的方向垂直，用于测量三维磁场。磁钉轨道12由一系列埋设于车道中央的、相互间隔在1米左右的磁钉组成，磁钉的南北极构成二进制码元0或1，一组依次排列的磁钉通过极性的不同排列传递特定的信息码。由于磁钉周围的磁场强度与距离磁钉的距离成反比，因此可通过磁传感器对于磁场强度的监测实现对于磁钉轨道12的磁钉相对于车体1的横向位置的判断。磁传感器经过磁钉上方时，磁传感器上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，通过对多个磁场传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，就可以精确判断磁钉相对的横向位置。
惯性导航模块4用于测量车辆垂直于地面的角速度；车速传感器3用于测量车辆的速度，通过积分可获得车辆的运行距离；摄像头7用于测量车辆前方的障碍物，以及车道线13信息；毫米波雷达8用于测量车辆前方和侧面的障碍物。上述信息均反馈给控制器2。
基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶方法的控制逻辑如图2所示。在进行车辆自动驾驶控制时，首先进行车辆的位姿判断，然后分别通过向转向系统输入横向控制指令，向动力系统和制动系统输入纵向控制指令，从而实现自动驾驶的车辆控制。其具体方法如下。
车辆行驶在磁钉车道12上，当前磁传感器5和后磁传感器6经过磁钉正上方时，均能测量到磁钉的磁极方向和横向位置，并向控制器2发送测量的磁钉信息；磁极方向的变化作为特定编码序列，当前磁传感器5和后磁传感器6连续检测到一段特定的磁钉编码序列后，控制器2对车辆的位姿和车速进行控制。
当磁传感器没有探测到磁钉信号时，控制器2通过惯性导航模块4给出的角速度与车速传感器3计算出的里程，结合车辆运动学模型分别进行前磁传感器5和后磁传感器6的横向位置的估计，进而推算车辆横摆角；当收到前磁传感器5给出的磁钉信号时，即获得前磁传感器5横向位置的测量值。控制器2结合航位推算的车辆位姿与根据磁钉信息提供的车辆位置测量值进行卡尔曼滤波，计算出更为准确的后磁传感器6的横向位置，进而推算出更准确的车辆横摆角；类似的，当收到后磁传感器6给出的磁钉信号时，即获得后磁传感器6横向位置的测量值。控制器2结合航位推算的车辆位姿与根据磁钉信息提供的车辆位置测量值进行卡尔曼滤波，计算出更为准确的前磁传感器5的横向位置，进而推算出更准确的车辆横摆角。
由于磁钉位置是高精度的、固定不变的，通过磁传感器探测磁钉(磁传感器横向位置测量误差一般可以达到0.5cm以下)，使得控制器2能间断性地修正车辆姿态计算结果，避免车辆姿态计算因误差累积而逐渐发散。本发明采用双磁传感器结构，相比单传感器方案，车辆横摆角的精度能显著提高，车辆横摆角精度与前、后磁传感器纵向距离成反比，一般可达到0.1度左右。
横向控制中，控制器2根据车辆的前磁传感器横向位置误差和车辆横摆角偏差，结合车速传感器3信号、磁钉轨道当前曲率、方向盘角度等，计算出基于磁钉导航的方向盘转向角变化量指令steer_angle_mag；磁钉为主的横向控制中，由于磁传感器对路线的前瞻性受限，会导致方向盘出现频繁调整的问题。本发明摄像头7，可以探测道路前方的车道线，从而具有良好地前瞻性。根据车辆与前方车道线偏差，可获得基于视觉的车辆(前部)横向位置误差和车辆横摆角。其中，将基于视觉的车辆横摆角替代基于磁钉的车辆横摆角，从而计算出融合导航的方向盘转向角指令steer_angle_fusion，实现横向控制的融合。
纵向控制中，一般情况下，车速指令通过磁钉地图给定，控制器2通过车速指令和车速传感器获得的车速值，计算出一组纵向力矩lon_torq_mag(正值为驱动力矩，负值为制动力矩)。由于磁钉导航无法获得周围障碍物情况，本发明摄像头7和毫米波雷达8，可以探测前方和侧面障碍物信息。当摄像头7和毫米波雷达8任何一个装置探测到目标障碍物时，控制器2计算出另外一组纵向力矩lon_torq_obs，并和lon_torq_mag进行低选，从而计算出融合导航的纵向力矩指令lon_torq_fusion，实现纵向控制的融合。
控制器2直接给动力系统9、制动系统10、转向系统11发送指令信号，或通过整车控制器VCU转发指令信号，进而控制车辆的起动、加速、减速、巡航、停车以及转向。
请参阅图3。当自动驾驶系统的各个组成部分均正常时，按上述过程实施。当车体1、控制器2、执行机构(动力系统9、制动系统10、转向系统11)发生失效时，自动驾驶系统(横向控制和纵向控制)应退出工作；当磁钉轨道12发生失效时，如磁钉未检测、磁钉位置与航位推算位置差异过大等，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当车道线13发送故障，如积雪覆盖、磨损不清等，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；通常车上车速传感器有多个余度，不易失效；当惯性导航模块4或前磁传感器5或后磁传感器6失效时，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当摄像头7发生失效时，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当毫米波雷达8发生失效时，降低车辆运行速度。
根据上述方法本发明的自动驾驶系统在各关键传感器信号处理过程中，均具备容错功能设计，能够应对单点失效甚至是多点失效情况，从而能够保障自动驾驶系统的安全可靠运行。
本发明的车辆，在自动行驶时主要通过路面的经过编码的磁钉轨道系统进行信息获取和传输，结合视觉、毫米波雷达等信号视觉、毫米波雷达等信号形成控制余度，保证车辆的运行速度和姿态全程得到控制。本发明适用于有既定运行路线的公共服务车辆，无需复杂的人工智能控制技术即可实现对于车辆的自动驾驶控制，并能够形成对于车辆的精密可靠的路线控制，提升运营效率。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，包括车体，以及设置在车体内的控制器、车载传感器和执行机构，其特征在于，还包括磁钉轨道；
所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器、后磁传感器、摄像头和毫米波雷达，所述前磁传感器和所述后磁传感器由若干个直线排布的磁场传感芯片组成，所述磁场传感芯片的排布方向与所述车体的方向垂直；
所述磁钉轨道由一系列埋设于车道中央的、相互间隔在1米左右的磁钉组成，磁钉的南北极构成二进制码元0或1，一组依次排列的磁钉通过极性的不同排列传递特定的信息码。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，其特征在于，所述前磁传感器和所述后磁传感器的间距为2m-8m，所述前磁传感器和所述后磁传感器距地面的高度为10cm-30cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统，其特征在于，所述惯性导航模块测量车辆垂直于地面的角速度；所述车速传感器测量车辆的速度，通过积分可获得车辆的运行距离；所述摄像头测量车辆前方的障碍物，以及车道线信息；所述毫米波雷达测量车辆前方和侧面的障碍物；上述信息均反馈给控制器。
4.采用上述基于磁钉的融合导航车辆自动驾驶系统的自动驾驶方法，包括车辆状态监测方法，车辆横向控制方法和车辆纵向控制方法，其特征在于：
所述车辆状态监测方法为：当前磁传感器或后磁传感器经过磁钉上方时，通过每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，结合磁极方向信息，从而定义车体在车道中的位置反馈给控制器；控制器通过惯性导航模块和车速传感器进行车辆横摆角判断；控制器通过前磁传感器和后磁传感器的磁钉信号，获得前磁传感器和后磁传感器的横向位置变化，对车辆横摆角的变化进行精确推算；
所述车辆横向控制方法为：控制器根据车辆的前磁传感器横向位置和车辆横摆角偏差，结合车速传感器、磁钉轨道当前曲率、方向盘角度，计算出基于磁钉导航的方向盘转向角变化量指令；控制器根据摄像头拍摄的行车路线与前方车道线的偏差，获得基于视觉的车辆横向位置误差和车辆横摆角，将基于视觉的车辆横摆角替代基于磁钉的车辆横摆角，计算出融合导航的方向盘转向角指令；
所述车辆纵向控制方法为：控制器通过车速指令和车速传感器获得的车速值，计算出一组纵向力矩，正值为驱动力矩，负值为制动力矩；控制器通过摄像头和毫米波雷达，探测前方和侧面障碍物信息，当摄像头和毫米波雷达中任何一个装置探测到目标障碍物时，控制器计算出另外一组纵向力矩，并和前值进行低选，从而计算出融合导航的纵向力矩指令。
5.根据权利要求4所述的一种自动驾驶方法，其特征在于，当车体、控制器、执行机构发生失效时，自动驾驶系统的横向控制和纵向控制退出工作，转换为人工驾驶；当磁钉轨道失效时，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当车道线失效时，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当惯性导航模块、前磁传感器或后磁传感器任意一项失效时，采用基于视觉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当摄像头发生失效时，采用基于磁钉的车辆位置和姿态信号进行控制计算；当毫米波雷达发生失效时，降低车辆运行速度。
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