CN112212887A - 一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，包括：利用三种标定用例分别进行多次直线前进或倒车的实验、多次固定方向盘转角的转向实验以及多次不定方向盘转角的转向实验，其中，在转向实验中，每次实验均测量汽车移动终点的位置坐标和航向角，并利用待标定的参数，根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置坐标和航向角的计算值，通过比较测量值和计算值之间的误差对汽车前轮转角和方向盘转角之间的映射关系、轴长以及轴距进行标定。本发明的有益效果：不依赖任何传感器做自车定位参数的标定，同时具备低成本高精度的特点；使得车辆控制的调试工作可以完全开展，提高自动泊车研发的工作流并行性。

Description

一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法
技术领域
本发明涉及自动泊车技术领域，尤其涉及一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法。
背景技术
在自动泊车领域，自车位置的推算是实现高精度泊车的重要保证，业界关于自车位置推算通常采用定位传感器实现，如IMU，GPS设备等。这些方法虽然可行，但是由于设备价格高昂，不符合自动泊车的低成本要求。
近来，也开始有部分同行探索低成本的方案，但是定位精度较差。关键原因在于定位参数的标定方法不可靠。自动泊车功能的核心包括传感器数据的感知、定位、融合、决策、路径规划、车辆控制等，其中，决策和路径规划都需要依赖于定位数据，定位数据的准确度直接影响规划轨迹的准确性以及泊车完成时车辆的空间位置，而定位数据的准确度则取决于定位参数的精确性，因此，低成本高精度的定位参数标定意义重大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，包括步骤：
S1、根据第一标定用例，汽车进行多次直线前进或倒车的实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的移动距离，并根据汽车实时的后轮转速计算汽车移动距离，比较汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差，从而对轮胎有效转动半径R0进行标定；
S2、根据第二标定用例，汽车进行多次固定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，利用步骤S1标定得到的轮胎有效转动半径，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对方向盘转角与前轮转角之间的映射关系进行标定；
S3、根据第三标定用例，汽车进行多次不定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对汽车轴长和轴距进行标定。
进一步地，所述第一标定用例由方向和距离组成，其中，方向包括前进和后退，距离为汽车执行一次所述第一标定用例时运行的距离。
进一步地，所述步骤S1包括：
S101、根据汽车参数确定标准气压下的轮胎有效转动半径R0作为标定初值；
S102、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第一标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S103、根据汽车后轮轮速得到实时车速vsp＝2π(v1+v2)R0，其中，v1、v2分别表示汽车两后轮轮速，将汽车实时车速vsp在汽车运行时间上进行积分得到汽车移动距离的计算值；
S104、在采样坐标系下确定汽车的终点坐标，并根据所述起点坐标得到汽车移动距离的测量值；
S105、判断汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差是否在预设范围内，若是，执行步骤S106，否则修改轮胎有效转动半径R0，返回步骤S103重新计算汽车移动距离；
S106、重复步骤S102-S105，直至所有第一标定用例均已被执行，输出最终的轮胎有效转动半径R0。
进一步地，所述采样坐标系以汽车起始点处后轮轴中心对应的地面位置为坐标原点，以汽车的车头朝向为x轴正方向、垂直车身向左为y轴正方向。
进一步地，所述第二标定用例由运行方向、转角和距离组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转，转角为汽车执行一次所述第二标定用例时的方向盘转角，距离为汽车执行一次所述第二标定用例运行的距离。
进一步地，步骤S2包括：
S201、根据汽车的转向传动比系数确定前轮转角和方向盘转角的映射表作为标定初值；
S202、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第二标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S203、根据阿克曼转向模型，利用需要标定的前轮转角和方向盘转角的映射表，以及步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角；
S204、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角；
S205、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在预设范围内，若是，执行步骤S206，否则修改前轮转角和方向盘转角的映射表，返回步骤S203重新计算汽车位置坐标和航向角；
S206、重复步骤S202-S205，直至所有第二标定用例均已被执行，输出最终的前轮转角和方向盘转角的映射表。
进一步地，所述第三标定用例由运行方向、汽车朝向变化组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转，汽车朝向变化为汽车执行一次所述第三标定用例后汽车的朝向相对于起始点的变化。
进一步地，步骤S3包括：
S301、根据汽车参数确定汽车的轴长、轴距作为标定初值；
S302、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第三标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S303、根据阿克曼转向模型，利用步骤S2中标定得到的前轮转角和方向盘转角的映射表、步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0、以及需要标定的轴长、轴距，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角；
S304、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角；
S305、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在预设范围内，若是，执行步骤S306，否则修改轴长、轴距，返回步骤S303重新计算汽车位置坐标及航向角；
S306、重复步骤S302-S305，直至所有第三标定用例均已被执行，输出最终的轴长、轴距。
进一步地，根据阿克曼转向模型进行汽车定位包括：
根据前轮转角和方向盘转角的映射表，通过方向盘转角得到汽车的前轮转角，进一步确定汽车旋转曲率ρ＝(tanα)/(W-(tan|α|)L/2)，其中，α表示前轮转角，W表示轴距，L表示轴长；根据轮胎有效转动半径R0，计算汽车的实时车速vsp，进一步得到汽车的实时角速度ω＝vspρ；将所述车速vsp以及角速度ω在汽车运行时间上进行积分，得到汽车在采样坐标系下移动终点的位置坐标以及航向角。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)不依赖定位传感器做自车定位参数的标定，同时具备低成本高精度的特点；(2)不依赖泊车用传感器，使得车辆控制的调试工作可以完全开展，提高自动泊车研发的工作流并行性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的标定轮胎有效转动半径的流程图；
图3是本发明实施例建立的采样坐标系的示意图；
图4是本发明实施例提供的汽车位置坐标测量过程示意图；
图5是本发明实施例提供的标定前轮转角和方向盘转角之间的映射表的流程图；
图6是本发明实施例提供的测量汽车终点位置坐标及航向角的示意图；
图7是本发明实施例提供的标定汽车轴长和轴距的流程图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的一实施例提供了基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，包括步骤：
S1、根据第一标定用例，汽车进行多次直线前进或倒车的实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的移动距离，并根据汽车实时的后轮转速计算汽车移动距离，比较汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差，从而对轮胎有效转动半径R0进行标定。
请参考图2，步骤S1的具体过程为：
S101、根据汽车参数确定标准气压下的轮胎有效转动半径R0作为标定初值。
S102、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第一标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速。
请参考表1，所述第一标定用例由方向和距离组成，其中，方向包括前进和后退，距离为汽车执行一次所述第一标定用例时运行的距离，可根据实际应用场景而定，本实施例考虑汽车自动泊车场景，一般不超过10m。
表1第一标定用例实例
Figure BDA0002654192190000061
请参考图3，所述采样坐标系以汽车起始点处后轮轴中心对应的地面位置为坐标原点，以汽车的车头朝向为x轴正方向、垂直车身向左为y轴正方向，采样起点即为坐标原点(0,0)，初始航向角角为0°。
S103、根据汽车后轮轮速得到实时车速vsp＝2π(v1+v2)R0，其中，v1、v2分别表示汽车两后轮轮速，将汽车实时车速vsp在汽车运行时间上进行积分得到汽车移动距离的计算值。
S104、在采样坐标系下确定汽车的终点坐标，并根据所述起点坐标得到汽车移动距离的测量值。具体地，请参考图4，利用铅垂线确定出汽车前后轮中心到地面的位置，并用记号笔或粉笔进行标记，然后根据标记点确定前轮轴中心以及后轮轴中心，从而确定汽车相对于起始点的移动距离，同时，根据所述前轮轴中心和所述后轮轴中心的连线还可以确定汽车朝向。
S105、判断汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差是否在5％内，若是，执行步骤S106，否则修改轮胎有效转动半径R0，返回步骤S103重新计算汽车移动距离。
S106、重复步骤S102-S105，直至所有第一标定用例均已被执行，输出最终的轮胎有效转动半径R0。
S2、根据第二标定用例，汽车进行多次固定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，利用步骤S1标定得到的轮胎有效转动半径，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对方向盘转角与前轮转角之间的映射关系进行标定。
请参考图5，步骤S2的具体过程为：
S201、根据汽车的转向传动比系数确定前轮转角和方向盘转角的映射表作为标定初值。
S202、采用步骤S1中的方式建立采样坐标系，执行一条第二标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速。
所述第二标定用例由运行方向、转角和距离组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转；转角为汽车执行一次所述第二标定用例时的方向盘转角，转角范围根据车型确定，本实施例中取30°～500°；距离为汽车执行一次所述第二标定用例运行的距离，距离根据实际应用场景而定，本实施例考虑汽车自动泊车场景，一般为15m。以前进左转为例，一部分第二标定用例实例如表2所示。
表2第二标定用例实例
Figure BDA0002654192190000071
Figure BDA0002654192190000081
S203、根据阿克曼转向模型，利用需要标定的前轮转角和方向盘转角的映射表，以及步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角。
具体地，根据需要标定的前轮转角和方向盘转角的映射表，通过本条第二标定用例中的方向盘转角得到汽车的前轮转角，进一步确定汽车旋转曲率ρ＝(tanα)/(W-(tan|α|)L/2)，其中，α表示前轮转角，W表示轴距，L表示轴长，所述轴长、轴距通过查询汽车参数可知；根据步骤S2中标定得到的轮胎有效转动半径R0，计算汽车的实时车速vsp，进一步得到汽车的实时角速度ω＝vspρ；将所述车速vsp以及角速度ω在汽车运行时间上进行积分，得到汽车在采样坐标系下移动终点的位置坐标以及航向角。
S204、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角。具体地，请参考图6，利用铅垂线确定出汽车前后轮中心到地面的位置，并用记号笔或粉笔进行标记，然后根据标记点确定前轮轴中心以及后轮轴中心n，根据所述前轮轴中心和所述后轮轴中心n的连线确定汽车朝向，进一步利用非弹性细绳，比如风筝线等，得到汽车朝向与采样坐标系的横轴交点m，通过线段om、nm以及角∠omn，确定汽车移动终点在采样坐标系下的位置坐标(x,y)，其中，点o表示采样坐标系原点。
S205、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在5％内，若是，执行步骤S206，否则修改前轮转角和方向盘转角的映射表，返回步骤S203重新计算汽车位置坐标和航向角。
S206、重复步骤S202-S205，直至所有第二标定用例均已被执行，输出最终的前轮转角和方向盘转角的映射表。
S3、根据第三标定用例，汽车进行多次不定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对汽车轴长和轴距进行标定。
请参考图7，步骤S3的具体过程为：
S301、根据汽车参数确定汽车的轴长、轴距作为标定初值。
S302、采用步骤S1中的方式建立采样坐标系，执行一条第三标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速。
所述第三标定用例由运行方向、汽车朝向变化组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转，汽车朝向变化为汽车执行一次所述第三标定用例后汽车的朝向相对于起始点的变化。以前进左转为例，一部分第三标定用例实例如表3所示。
表3第三标定用例实例
Figure BDA0002654192190000091
S303、根据阿克曼转向模型，利用步骤S2中标定得到的前轮转角和方向盘转角的映射表、步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0、以及需要标定的轴长、轴距，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角。
S304、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角。
S305、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在5％内，若是，执行步骤S306，否则修改轴长、轴距，返回步骤S303重新计算汽车位置坐标及航向角。
S306、重复步骤S302-S305，直至所有第三标定用例均已被执行，输出最终的轴长、轴距。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，包括步骤：
S1、根据第一标定用例，汽车进行多次直线前进或倒车的实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的移动距离，并根据汽车实时的后轮转速计算汽车移动距离，比较汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差，从而对轮胎有效转动半径R0进行标定；
S2、根据第二标定用例，汽车进行多次固定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，利用步骤S1标定得到的轮胎有效转动半径，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对方向盘转角与前轮转角之间的映射关系进行标定；
S3、根据第三标定用例，汽车进行多次不定方向盘转角的转向实验，每次实验中，测量汽车移动终点处后轮轴中心相对于起始点的位置和航向角，并根据阿克曼转向模型进行汽车定位，得到汽车位置和航向角的计算值，比较汽车位置和航向角的测量值与计算值之间的误差，对汽车轴长和轴距进行标定。
2.根据权利要求1所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，所述第一标定用例由方向和距离组成，其中，方向包括前进和后退，距离为汽车执行一次所述第一标定用例时运行的距离。
3.根据权利要求1所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S101、根据汽车参数确定标准气压下的轮胎有效转动半径R0作为标定初值；
S102、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第一标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S103、根据汽车后轮轮速得到实时车速vsp＝2π(v1+v2)R0，其中，v1、v2分别表示汽车两后轮轮速，将汽车实时车速vsp在汽车运行时间上进行积分得到汽车移动距离的计算值；
S104、在采样坐标系下确定汽车的终点坐标，并根据所述起点坐标得到汽车移动距离的测量值；
S105、判断汽车移动距离的测量值与计算值之间的误差是否在预设范围内，若是，执行步骤S106，否则修改轮胎有效转动半径R0，返回步骤S103重新计算汽车移动距离；
S106、重复步骤S102-S105，直至所有第一标定用例均已被执行，输出最终的轮胎有效转动半径R0。
4.根据权利要求3所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，所述采样坐标系以汽车起始点处后轮轴中心对应的地面位置为坐标原点，以汽车的车头朝向为x轴正方向、垂直车身向左为y轴正方向。
5.根据权利要求1所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，所述第二标定用例由运行方向、转角和距离组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转，转角为汽车执行一次所述第二标定用例时的方向盘转角，距离为汽车执行一次所述第二标定用例运行的距离。
6.根据权利要求4所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，步骤S2包括：
S201、根据汽车的转向传动比系数确定前轮转角和方向盘转角的映射表作为标定初值；
S202、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第二标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S203、根据阿克曼转向模型，利用需要标定的前轮转角和方向盘转角的映射表，以及步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角；
S204、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角；
S205、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在预设范围内，若是，执行步骤S206，否则修改前轮转角和方向盘转角的映射表，返回步骤S203重新计算汽车位置坐标和航向角；
S206、重复步骤S202-S205，直至所有第二标定用例均已被执行，输出最终的前轮转角和方向盘转角的映射表。
7.根据权利要求1所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，所述第三标定用例由运行方向、汽车朝向变化组成，其中，运行方向包括前进左转、前进右转、后退左转和后退右转，汽车朝向变化为汽车执行一次所述第三标定用例后汽车的朝向相对于起始点的变化。
8.根据权利要求4所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，步骤S3包括：
S301、根据汽车参数确定汽车的轴长、轴距作为标定初值；
S302、建立采样坐标系，并确定汽车的起点坐标，执行一条第三标定用例，并在汽车运行过程中实时记录的汽车后轮轮速；
S303、根据阿克曼转向模型，利用步骤S2中标定得到的前轮转角和方向盘转角的映射表、步骤S1中标定得到的轮胎有效转动半径R0、以及需要标定的轴长、轴距，计算汽车移动终点的位置坐标以及航向角；
S304、在采样坐标系下测量汽车的终点坐标以及航向角；
S305、判断汽车位置坐标和航向角的测量值与计算值之间的误差是否均在预设范围内，若是，执行步骤S306，否则修改轴长、轴距，返回步骤S303重新计算汽车位置坐标及航向角；
S306、重复步骤S302-S305，直至所有第三标定用例均已被执行，输出最终的轴长、轴距。
9.根据权利要求4所述的基于阿克曼转向模型的自动泊车定位参数标定方法，其特征在于，根据阿克曼转向模型进行汽车定位包括：
根据前轮转角和方向盘转角的映射表，通过方向盘转角得到汽车的前轮转角，进一步确定汽车旋转曲率ρ＝(tanα)/(W-(tan|α|)L/2)，其中，α表示前轮转角，W表示轴距，L表示轴长；根据轮胎有效转动半径R0，计算汽车的实时车速vsp，进一步得到汽车的实时角速度ω＝vspρ；将所述车速vsp以及角速度ω在汽车运行时间上进行积分，得到汽车在采样坐标系下移动终点的位置坐标以及航向角。
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