CN112793579B - 一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人驾驶车辆技术领域，尤其是一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，通过标定阶段、测量阶段以及修正阶段，根据车辆的转向效果，逆向测算出虚拟轮转向角，在没有安装角度传感器的情况下能够较为方便、准确地测量出当前时刻的虚拟轮转向角，本方法容易实施，且精度较高。

Description

一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶车辆技术领域，尤其是一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法。

背景技术

无人驾驶汽车是智能汽车的一种，也称为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶的目的。

当速度一定时，轮式车辆的转向角直接决定了其行驶轨迹。因此，轮式无人驾驶车辆在进行自主导航作业时，必须实时准确测量其转向角，并闭环控制其转向角；而目前传统的测量方式都是通过角度传感器、编码器等直接测量车辆左轮或右轮的偏转角度，并以此代替车辆的转向角。

但现有此方法有两个明显弊端：（1）角度传感器的安装固定非常不方便，需要根据实际转向机构定制固定支架；（2）从车辆梯形转向模型上分析，左轮或右轮的偏转角并不是车辆的真正转向角；用左轮或右轮的偏转角代替车辆转向角，必然存在一定的误差。根据转向理论，车辆真正的转向角应该是其等效为二轮车模型后的虚拟轮转向角。

由此，如何测算出准确的虚拟轮转向角是重要之中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有用左轮或右轮的偏转角代替车辆转向角，必然存在一定的误差问题，本发明提供了一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，通过标定阶段、测量阶段以及修正阶段，根据车辆的转向效果，逆向测算出虚拟轮转向角，在没有安装角度传感器的情况下能够较为方便、准确地测量出当前时刻的虚拟轮转向角，本方法容易实施，且精度较高，有效解决了上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，包括

第一步，标定阶段；第二步，测量阶段；第三步，修正阶段；

其中，

（一）标定阶段

（1）将天线固定于车辆前桥中心点的正上方O₁处，使得通过采集接收装置能够接收O₁点的卫星定位数据，

（2）将车辆方向盘右转的满行程平均分成N份，每份为X度，

（3）将方向盘角度回正到归零位置，保证左前轮和右前轮均回正，

（4）将车辆方向盘在原基础上右转X度，然后固定此角度，让车辆以此角度原地转圈行驶，通过采集接收装置接收行驶过程中的卫星定位数据，

（5）将卫星定位数据进行高斯投影，将投影后离散定位点的坐标转换到平面直角坐标系，

（6）在平面上对上述离散定位点采用最小二乘法进行圆拟合，得到圆的半径R₁，R₁即为当前的转向半径，

（7）根据R₁计算出当前虚拟轮转向角γ₁=arcsin(L/R₁)，其中L为车辆的轴距，

（8）重复上述步骤（4）~（7），得到G个不同的转向半径{R_G}与虚拟轮转向角{γ_H}的离散对应关系，

（9）对{R_G}与{γ_H}进行M次多项式拟合，得到右转向时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₁(R)，M为正整数，

（10）按上述同样的方法，可以得到左转时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₂(R)；

其中，N的取值为5~10；X取值为右转的满行程除以N； G取值为5~10，H取值为5~10；

（二）测量阶段

（11）车辆在行驶过程中，通过采集接收装置不断采集离散定位点的坐标，并投影到平面直角坐标系下，

（12）对最近时刻的K个坐标点进行2次曲线拟合，得到圆弧的2次曲线表达式，

（13）根据圆弧的表达式，通过计算机自动生成圆弧的数字图像，并将图像转换为二值图，

（14）对二值图进行圆形霍夫变换，即可检测到当前圆的半径R_x，

（15）根据K个坐标点的时间先后顺序，可判断圆弧的方向，若圆弧为顺时针，则表示当前方向盘偏右，将R_x带入γ=f₁(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x，若圆弧为逆时针，则表示当前方向盘偏左，将R_x带入γ=f₂(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x，但是此偏转角具有滞后性，需要再次修正；

其中，K的取值为8~20；

（三）修正阶段

（16）采用步骤11-15的方法，依次获得前5个时刻的虚拟轮偏转角序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1}，将其与当前时刻的虚拟轮偏转角γ_x组成具有6个元素的序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1、γ_x}，

（17）计算相邻元素的增量，

δ₅=γ_x-5-γ_x-4；δ₄=γ_x-4 -γ_x-3；δ₃=γ_x-3 -γ_x-2；δ₂=γ_x-2 -γ_x-1；δ₁=γ_x-1 -γ_x

（18）采用2次多项式对序列{δ₅、δ₄、δ₃、δ₂、δ₁}进行拟合，得到增量δ与时间t的函数关系δ=f₃(t)，

（19）根据表达式δ=f₃(t)，计算出下一时刻的增量预测值δ₀的值，

（20）当前时刻真正的虚拟轮转向角通过其未来值进行修正，即大小为γ_x-δ₀。

具体的，所述天线采用RTK-GPS移动端卫星天线。

具体的，所述采集接收装置采用工控机。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，通过标定阶段、测量阶段以及修正阶段，根据车辆的转向效果，逆向测算出虚拟轮转向角，在没有安装角度传感器的情况下能够较为方便、准确地测量出当前时刻的虚拟轮转向角，本方法容易实施，且精度较高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1.左前轮，2.虚拟轮，3.右前轮，L.轴距，K.轮距，A.左前轮中心点、D.右前轮中心点，O_1.虚拟轮中心点，O₂为车辆后桥中心点，α.左前轮的转向角、β.右前轮的转向角，γ.虚拟轮转向角。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，为车辆转向模型，其中L为轴距，K为轮距，在转向过程中，左前轮中心点A、右前轮中心点D和虚拟轮中心点O₁均绕着O点做圆周运动，左前轮的转向角α、右前轮的转向角β与虚拟轮转向角γ是不相等的，OO₁的长度为车辆的转向半径。

标定需要事先完成，得出标定结果，正常工作时，无需再次标定，只需循环检测，实时修正。

（一）标定阶段

（1）将RTK-GPS移动端卫星天线固定于车辆前桥中心点的正上方O₁处，使得通过工控机能够接收O₁点的卫星定位数据；进行此操作时，务必保证RTK-GPS处于固定解的状态。若卫星天线无法正好处于O₁点的正上方，需要通过坐标变换的方式解算出O₁正上方的坐标；

（2）假如将车辆方向盘右转的满行程为180度，那么将其平均分成6份，每份为30度；

（3）将方向盘角度回正到归零位置，保证左前轮和右前轮均回正；若方向盘回正后，左前轮或右前轮无法回正，说明转向系统存在故障，需要调校；

（4）将车辆方向盘在原基础上右转30度，然后固定此角度；让车辆以此角度原地转圈行驶。此过程可以多转几圈，获得冗余数据；通过工控机接收行驶过程中的卫星定位数据；

（5）将卫星定位数据进行高斯投影，将投影后离散定位点的坐标转换到平面直角坐标系；

（6）在平面上对上述离散定位点采用最小二乘法进行圆拟合，得到圆的半径R₁。R₁即为当前的转向半径；根据转向模型，R₁的值与虚拟轮转向角相关；

（7）根据R₁计算出当前虚拟轮转向角γ₁=arcsin(L/R₁)，其中L为车辆的轴距；

（8）重复上述步骤（4）~（7），得到6个不同的转向半径序列{R_G}和6个虚拟轮转向角序列{γ_H}，二者具有离散对应关系；

（9）对{R_G}与{γ_H}进行3次多项式拟合，得到右转向时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₁(R)；

（10）按上述同样的方法，可以得到左转时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₂(R)。

（二）测量阶段

（11）车辆在行驶过程中，通过工控机不断采集离散定位点的坐标，并投影到平面直角坐标系下；

（12）对最近时刻的10个坐标点进行2次曲线拟合，得到圆弧的2次曲线表达式；

（13）根据圆弧的表达式，通过计算机自动生成圆弧的数字图像，并将图像转换为二值图；原本的离散定位点之间的关系为弱耦合；通过其曲线生成数字图像，实现了像素级的强耦合；

（14）对二值图进行圆形霍夫变换，即可检测到当前圆的半径R_x；圆形霍夫变换能够实现在较低信息量的情况下有效检测出圆的特征；

（15）根据10个坐标点的时间先后顺序，可判断圆弧的方向；若圆弧为顺时针，则表示当前方向盘偏右；将R_x带入γ=f₁(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x；若圆弧为逆时针，则表示当前方向盘偏左；将R_x带入γ=f₂(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x；由于本发明的方法特征是由果及因，所以此时测出的偏转角具有一定的滞后性，需要再次修正。

（三）修正阶段

（16）采用步骤11-15的方法，依次获得前5个时刻的虚拟轮偏转角序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1}，将其与当前时刻的虚拟轮偏转角γ_x组成具有6个元素的序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1、γ_x}；

（17）计算相邻元素的增量；

δ₅=γ_x-5-γ_x-4；δ₄=γ_x-4 -γ_x-3；δ₃=γ_x-3 -γ_x-2；δ₂=γ_x-2 -γ_x-1；δ₁=γ_x-1 -γ_x

（18）采用2次多项式对序列{δ₅、δ₄、δ₃、δ₂、δ₁}进行拟合，得到增量δ与时间t的函数关系δ=f₃(t)；此关系反映了虚拟轮偏转角变化的快慢；

（19）根据表达式δ=f₃(t)，计算出下一时刻的增量预测值δ₀的值；

（20）当前时刻真正的虚拟轮转向角通过其未来值进行修正，即大小为γ_x-δ_0。此操作可消除系统的滞后性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，其特征在于：包括

第一步，标定阶段；第二步，测量阶段；第三步，修正阶段；

其中，

（一）标定阶段

（1）将天线固定于车辆前桥中心点的正上方O₁处，使得通过采集接收装置能够接收O₁点的卫星定位数据，

（2）将车辆方向盘右转的满行程平均分成N份，每份为X度，

（3）将方向盘角度回正到归零位置，保证左前轮和右前轮均回正，

（4）将车辆方向盘在原基础上右转X度，然后固定此角度，让车辆以此角度原地转圈行驶，通过采集接收装置接收行驶过程中的卫星定位数据，

（5）将卫星定位数据进行高斯投影，将投影后离散定位点的坐标转换到平面直角坐标系，

（6）在平面上对上述离散定位点采用最小二乘法进行圆拟合，得到圆的半径R₁，R₁即为当前的转向半径，

（7）根据R₁计算出当前虚拟轮转向角γ₁=arcsin(L/R₁)，其中L为车辆的轴距，

（8）重复上述步骤（4）~（7），得到G个不同的转向半径{R_G}与虚拟轮转向角{γ_H}的离散对应关系，

（9）对{R_G}与{γ_H}进行M次多项式拟合，得到右转向时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₁(R)，M为正整数，

（10）按上述同样的方法，可以得到左转时虚拟转向角γ与转向半径R的函数关系γ=f₂(R)；

其中，N的取值为5~10；X取值为右转的满行程除以N； G取值为5~10，H取值为5~10；

（二）测量阶段

（11）车辆在行驶过程中，通过采集接收装置不断采集离散定位点的坐标，并投影到平面直角坐标系下，

（12）对最近时刻的K个坐标点进行2次曲线拟合，得到圆弧的2次曲线表达式，

（13）根据圆弧的表达式，通过计算机自动生成圆弧的数字图像，并将图像转换为二值图，

（14）对二值图进行圆形霍夫变换，即可检测到当前圆的半径R_x，

（15）根据K个坐标点的时间先后顺序，可判断圆弧的方向，若圆弧为顺时针，则表示当前方向盘偏右，将R_x带入γ=f₁(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x，若圆弧为逆时针，则表示当前方向盘偏左，将R_x带入γ=f₂(R)即可得到当前的虚拟轮偏转角γ_x，但是此偏转角具有滞后性，需要再次修正；

其中，K的取值为8~20；

（三）修正阶段

（16）采用步骤11-15的方法，依次获得前5个时刻的虚拟轮偏转角序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1}，将其与当前时刻的虚拟轮偏转角γ_x组成具有6个元素的序列{γ_x-5、γ_x-4、γ_x-3、γ_x-2、γ_x-1、γ_x}，

（17）计算相邻元素的增量，

δ₅=γ_x-5-γ_x-4；δ₄=γ_x-4 -γ_x-3；δ₃=γ_x-3 -γ_x-2；δ₂=γ_x-2 -γ_x-1；δ₁=γ_x-1 -γ_x

（18）采用2次多项式对序列{δ₅、δ₄、δ₃、δ₂、δ₁}进行拟合，得到增量δ与时间t的函数关系δ=f₃(t)，

（19）根据表达式δ=f₃(t)，计算出下一时刻的增量预测值δ₀的值，

（20）当前时刻真正的虚拟轮转向角通过其未来值进行修正，即大小为γ_x-δ₀。

2.如权利要求1所述的一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，其特征在于：所述天线采用RTK-GPS移动端卫星天线。

3.如权利要求1所述的一种轮式车辆虚拟轮转向角测量方法，其特征在于：所述采集接收装置采用工控机。

Images