CN113156934B - 一种车辆的自动驾驶系统及其方法、非临时性计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

在车辆进行超低速行驶的情况，定位、定向信息的噪声有可能会超过在实际定位信息的前后变化大小，影响自动驾驶的控制信号，本发明的自动驾驶系统在确定了定位信息和定向信息与期望路线的偏差量，并在判定车辆在超低速行驶时，根据偏差量和所述转角角度计算第一转向量；进行转向控制。第一转向量的计算时补偿了控制量，调整了控制频率，改进了关键信息获取方式，有利于在超低速行驶时的自动驾驶的实现。

Description

一种车辆的自动驾驶系统及其方法、非临时性计算机可读存 储介质
技术领域
本发明涉及自动驾驶领域，尤其涉及一种车辆的自动驾驶系统及其方法、非临时性计算机可读存储介质。
背景技术
随着自动驾驶技术的普及，以及为适应现代农业的规模化、精确化发展等要求，车辆的自动驾驶也得到了广泛应用。车辆自动驾驶时需要适时获取精确坐标、行进方向等信息，控制车辆按照期望路线进行行驶。一般的，在车辆进行播种、旋耕、收割等环时的行驶速度为3～10km/h，但对于如深松作业时，对于速度的要求通常低于0.3km/h，这样的速度可以称之为超低速，这种情况下定位信息的噪声有可能会超过在实际定位信息的前后变化大小，影响控制信号的确定，这使得超低速场景下的自动驾驶控制难以实现。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出了一种车辆的自动驾驶系统、一种车辆的自动驾驶方法以及一种非临时性计算机可读存储介质。
本发明第一方面实施例提出了一种车辆的自动驾驶系统，包括：
GNSS接收机，用于根据接收的卫星信号获得所述车辆的定位信息和定向信息；
角度传感器，用于获得所述车辆车轮的转角角度；
主控制器，用于确定所述定位信息和所述定向信息与期望路线的偏差量，并在判断出所述车辆在超低速行驶时，根据所述偏差量和所述转角角度计算第一转向量；
转向装置，用于根据所述第一转向量控制所述车辆的车轮转向。
进一步的，所述主控制器还用于判断获得的所述定位信息与所述期望路线的偏移距离大于预设距离时，判定车辆未沿着期望路线行驶，所述主控制器计算的所述第一转向量大于常速行驶下的第二转向量。
进一步的，GNSS接收机还用于以第一频率获得所述车辆的定位信息和定向信息；所述主控制器还用于判定所述车辆在超低速行驶时，以第二频率计算所述第一转向量；所述第二频率小于所述第一频率。
进一步的，所述主控制器还用于对一个时间周期内的多组所述定位信息、所述定向信息进行滤波算法，得出综合定位信息、综合定向信息，确定所述综合定位信息、所述综合定向信息和期望路线的偏差量，根据所述偏差量和所述转角角度得出第一转向量。
进一步的，所述主控制器还包括行进方向模块，所述行进方向模块用于确定所述车辆的行进方向，所述主控制器根据所述行进方向、所述偏差量和所述转角角度确定第一转向量。
进一步的，行进方向模块还用于按以下方式确定所述车辆的行进方向：计算所述期望路线与赤道的期望路线夹角A0；计算当前位置与起点连线与的实时夹角An和当前位置离起点的距离Ln；计算所述期望路线夹角A0与所述实时夹角An的角度差，以及当前时刻距离Ln和前一时刻距离Ln-1的距离差；当所述角度差小于90°所述距离差为正或所述角度差大于90°所述距离差为负确定车辆在前进，当所述角度差小于90°所述距离差为负或所述角度差大于90°所述距离差为正确定车辆在后退。
本发明第二方面实施例提出了一种车辆的自动驾驶方法，包括
接收卫星信号获得所述车辆的定位信息和定向信息；
获得所述车辆车轮的转角角度；
确定所述定位信息和所述定向信息与期望路线的偏差量，并判断所述车辆在超低速行驶是否在超低速行驶，如果是，根据所述偏差量和所述转角角度计算第一转向量；
根据所述第一转向量控制所述车辆的车轮转向。
本发明第三方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的车辆的自动驾驶方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过针对超低速行驶时，定位信息、定向信息噪声影响被放大的问题，特殊确定了确定第一转向量，在第一转向量的计算上，对原有的的控制量过小，控制频率过高，关键信息不能准确获取的问题，补偿了控制量，调整了控制频率，改进了关键信息获取方式，更有利于在超低速行驶时的自动驾驶的实现。
附图说明
图1为本发明实施例的自动驾驶系统的示意图；
图2为本发明实施例的自动驾驶系统的一种行驶状态示意图；
图3为本发明实施例的自动驾驶系统确定行进方向方式的流程示意图；
图4为本发明实施例的自动驾驶系统确定行进方向方式的示意图。
具体实施例
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
对于车辆的自动驾驶，是驾驶车辆照规划好的路径进行行驶，以完成整个作业路线，这样的作业路线就是我们的期望路线。实际的控制操作则是调整车辆的行驶方向、速度，使其不偏离期望路线，或按照期望路线进行相应的转弯、掉头、后退等操作，凭借于此车辆操控农具完成对路线覆盖区域所需的农业作业。
为此本发明的自动驾驶系统需要知道车辆具体的定位、定向信息，用于确定车辆与期望路线的偏差，并根据该偏差对车辆的方向速度进行调整，以不偏离期望路线。
如图1所示，发明的自动驾驶系统中通过GNSS接收机获得车辆的定位信息，通常选定车辆的驱动轮轴线中点为定位点，该定位信息即该定位点的具体坐标信息，同时GNSS接收机将获得车辆的定向信息，定向信息可以确定车辆的前侧的朝向。本发明的自动驾驶系统通过角度传感器采集车轮角度不受车辆超低速的影响，均可获得准确的车轮角度，
自动驾驶系统的控制中心即主控制器，获取定位信息和定向信息，计算与期望路线的偏差量，且在判断出在超低速行驶时，按照目前车轮角度，最终确定车轮还要转过的角度即第一转向量。
超低速行驶可以检测车辆的行驶速度大小进行判断，当行驶小于阈值速度则车辆为超低速行驶；也可通过读取车辆设定的运行模式，如果该模式的行驶速度小于阈值速度，则车辆为超低速行驶，运行模式由操作者在交互系统中事先设定。阈值速度可以为0.3km/h。
转向装置将按照第一转向量，控制车轮进行转向，保证车辆按照期望路线行驶。
本发明的自动驾驶系统同样可以应用针对其他情形下其他车辆的超低速行驶，包括但不限于，路面工程作业车辆、矿业用车辆等。针对不同的情形，对超低速行驶的阈值速度也可不同。本发明的自动驾驶系统均可实现上述情形下的超低速行驶。
由于本发明的自动驾驶系统，在判定在超低速行驶时，提供第一转向量进行转角控制，第一转向量的确定方式不同第二转向量，下面结合具体情形加以说明：
以车辆为例，在进行超低速行驶时，开始阶段或者刚在区域边界处进行了转向，有可能出现车辆未沿期望路线行驶的情形，因此首先要对车辆的所述状态进行判断，以确定车辆是否正沿期望路线行驶。
当主控制器判定获得的定位信息与期望路线的偏移距离大于预设距离，则判断车辆未沿着期望路线行驶，此时需要将车辆调整至期望路线上。
如图2所示，对于超低速的行驶而言，如果以通常速度下的转向量控制车辆进的车轮转向以回归期望路线。由于其超低的行驶速度，车辆仍会以偏离的状态行驶较长距离(路线N1)后才能准确行驶到期望路线，耗时较长。这对于车辆需要进行针对精准作业，如果长时间偏离期望路线，不利于实现整体作业。因此，在超低速行驶时，如果车辆未按照期望路线行驶，应当增大控制量，所提供的第一转向量大于通常速度下的第二转向量，使车辆行驶较短距离(路线N2)即可行驶到期望路线上，减少了耗时。
当主控制器判定获得的定位信息与期望路线的偏移距离小于或者等于预设距离，则判断车辆已沿着期望路线行驶，此时最理想的状态即为车辆完全按照期望路线行驶，但不可避免总会出现偏差，偏差累积下来终会带来行驶路线的偏移，当出现了方向与位置的偏移时，本发明的自动驾驶系统将按照出现偏移的情况进行反馈控制，调整方向，即主控制器确定定位信息和定向信息与期望路线的偏差量，根据偏差量结合角度传感器获得的目前车轮的转角角度得出转向量，转向装置将超转向量，控制车轮进行转向，以使车辆在沿着期望路线行驶。
对于一般速度的自动驾驶而言，通常是10Hz的定位、定向信息反馈频率，自动驾驶系统根据定位信息实时控制，即每0.1s自动反应，确定转向量，调整自动驾驶时的行驶偏差，但10Hz这样的控制频率对于超低速驾驶过于频繁，往往车辆还没有实际行驶出有效距离，其实际的偏差也往往非常小，如果自动驾驶系统仍然给出了转向量进行反馈控制，虽然及时进行了控制但实际的控制效果也非常小。以控制的车辆以0.3km/h的行驶速度为例，即使行驶方向瞬间出现了90°行驶方向的的偏差，即行驶方向完全偏离、路径偏移角度最大，一个自动反应的0.1s内偏移距离仍只有0.8cm，该偏移距离实际上甚至小于定位信息、定向信息的噪声误差，导致在超低速行驶时，车辆的自动驾驶的控制反应并非是对现在的的实际偏移而作出，而是对该阶段误差的一种错误纠正，随着噪声误差波动可能导致高频次地反复地对车辆行驶进行调整，车辆在缓慢行驶的同时车轮频繁摆动，导致车辆抖动。
本发明的自动驾驶系统在不改变定位、定向信息反馈频率的情况下，减少控制的频次即降低确定转向量的频次，简单而言GNSS接收机以第一频率获得车辆的定位信息和定向信息；而主控制器以第二频率计算所述第一转向量，第二频率小于所述第一频率。这样转向装置控制车轮的转向次数可得到有效降低，车辆的抖动减少。
这样降低了控制反应的频次，偏移距离会增大，但由于是超低速行驶，在实际的偏移距离仍在超小的范围之内。仍以上述的90°偏差，0.3km/h的行驶速度为例，如果将控制频次降低至十分之一，也就是以1Hz的频率确定转向量，偏移距离也是只有8.3cm，在这时候进行反馈控制仍然能有效将车辆调整至期望路线上。
当然以上只是举出的极限下的情形，实际车辆的偏差通常是渐变的，采用的数值也仅仅是作为一种示例，第一频次和第二频次具体数值，两者的比例数值都可按照实际移速和场景进行设定，但可以理解的，通过小于第一频次的第二频率确定转向量，仍能及时地调整车辆行驶中的偏差，车辆实际以微小波动的S形沿期望路线前进。同时由于频次的降低，单位时间的车轮的转向次数减少，避免车辆抖动。
在有效降低进行控制的频率同时，还可以对所采集的定位数据等进行进一步的校准，由此可以对在相邻的两次控制之间，从上次控制到这一次控制的定位信息进行滤波，通过对多组数据的滤波综合得出一准确的滤波定位数据，减少了定位数据的噪声的干扰，这一次的控制将利用滤波定位数据进行调整车辆的行进方向，给出合适的控制量。
作为一种示例，在进行超低速驾驶时，对于10Hz的定位信息和定向信息进行平滑滤波，每间隔1s对10个定位信号求平均，获得这一秒内综合定位信息、综合定向信息，根据综合定位信息、综合定向信息再判断和期望路线的偏差量，根据该偏差量和车轮的转角角度得出第一转向量将更适于车辆在超低速下行驶的状态，综合定位信息、综合定向信息更加准确，更有利于体现车辆实际所在的位置。当然，这里的滤波方式属于算术平均滤波法，还可以采用其他的的滤波算法，如递推平均滤波法，实际可按照定位信息的数据特点进行。
在进行车辆自动驾驶时，还需要获得车辆的行进方向，即确定车辆具体是在前行还是后退。确定了车辆的行进方向，才能确定车辆是以前进的方式在期望路线上行驶还是以后退的方式在期望路线上行驶，这样才能针对性的确定转向量控制车轮进行转向，即主控制器根据所述行进方向、偏差量和转角角度三者综合确定转向量。
但超低速行驶时，由于前后时刻的定位信息具有较大噪声，前后变化大小受其影响较大，车辆速度的方向无法准确获取，一般速度下通过速度的方向和航向关系的判断行进方向的方式也不再适用，会导致自动驾驶失败。
如图3和图4所示，在超低速行驶时，可采用以下方式判断农业的行进方向是前进或后退：
车辆启动，采集起点P0的坐标，计算期望路线S0与赤道e的期望路线夹角A0，
行驶过程中采集当前时间点tn的车辆坐在位置Pn的坐标，计算Pn与起点P0连线与赤道e的实时夹角An以及Pn离起点P0的距离Ln，
计算|A0-An|的得到角度偏差值，以及计算Ln-Ln-1得到距离当前时刻的和前一时刻的距离变化值，
当角度偏差值小于90°距离变化值为正或角度偏差值大于90°距离变化值为负说明车辆在前进。当角度偏差值小于90°距离变化值为负或角度偏差值大于90°距离变化值为正说明车辆在后退。
图4中，|A0-An|＜90°说明车辆在沿期望路线起点朝向终点的方位上，在此基础上Ln-Ln-1＞0，说明车辆与起点的距离在不断增大，判断车辆在前进。
具体对于本发明的自动驾驶系统而言，主控制器将增加行进方向模块，用于按照上述方法判断车辆的行进方向，GNSS接收机从起点开始在行驶过程均即实时获取定位信息，得到车辆所在的位置坐标，行进方向模块按照以下的方式进行计算：
计算期望路线与赤道的期望路线夹角A0，
计算当前位置与起点连线的实时夹角An和当前位置离起点的距离Ln，
计算|A0-An|的得到角度偏差值，以及计算Ln-Ln-1得到距离当前时刻的和前一时刻的距离变化值，
当角度偏差值小于90°距离变化值为正或角度偏差值大于90°距离变化值为负说明车辆在前进。当角度偏差值小于90°距离变化值为负或角度偏差值大于90°距离变化值为正说明车辆在后退。
由于车辆的行进是连续的，不会出现在一直前进的状态下中间突然出现后退的情况，为避免受偶然因素的影响出现的错误信号影响行进方向的判断，行进方向模块在确定某一时刻具体的行进方向时还可以连续判断，在持续多次判断车辆在前进(或后退)时才确认车辆确实在前进(或后退)，这里的多次可以为3次。
以下介绍本发明的自动驾驶系统控制下车辆进行完整的自动驾驶的过程：
首先，车辆驶入作业区域内开始以超低速行驶状态进行作业；
GNSS接收机获取定位信息、定向信息，角度传感器获得车辆车轮的转角角度；
主控制器判定定位信息距离期望路线偏差大于阈值，则判定车辆未沿着期望路线行驶，主控制器确定车辆进行超低速行驶，主控制器中的行进方向模块确定行进方向，结合转角角度计算第一转向量控制车辆进行较大车轮转向，向期望路线行驶。
当主控制器判定定位信息距离期望路线偏差小于等于阈值，则车辆已行驶至期望路线上。
在车辆沿期望路线行驶时，主控制器中的行进方向模块确定行进方向，主控制器分别对一个时间周期内的多组定位信息、定向信息进行滤波算法，得出综合定位信息、综合定向信息，确定综合定位信息、综合定向信息和期望路线的偏差量，根据偏差量和车轮的转角角度以及行进方向得出第一转向量。
主控制器结合当前的转角角度计算第一转向量给转向装置控制车辆进行转向，保证车辆长时间沿期望路线行驶不偏离。
与现有技术相比，本发明通过针对超低速行驶时，定位信息、定向信息噪声影响被放大的问题，特殊确定了第一转向量，在第一转向量的计算上，对原有的控制量过小，控制频率过高，关键信号不能准确获取的问题，补偿了控制量，调整了控制频率，改进了关键信号获取方式，更有利于在超低速行驶时的自动驾驶的实现。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种车辆的自动驾驶系统，其特征在于，包括：
GNSS接收机，用于根据接收的卫星信号获得所述车辆的定位信息和定向信息；
角度传感器，用于获得所述车辆车轮的转角角度；
主控制器，连接于所述GNSS接收机和所述角度传感器，用于计算所述车辆的当前实际位置与期望路线之间的偏差量，并在判定所述车辆的行驶速度低于第一阈值时，根据所述偏差量和所述转角角度计算第一转向量；其中，在判定所述车辆未沿着期望路线行驶时，所述主控制器计算的所述第一转向量大于常速行驶下的第二转向量；
转向装置，连接于所述主控制器，其中，当所述车辆的行驶速度低于第一阈值时，所述主控制控制所述转向装置根据所述第一转向量控制所述车辆的车轮转向，从而使得所述车辆沿着所述期望路线行驶。
2.根据权利要求1所述的自动驾驶系统，其特征在于，
所述主控制器还用于判断获得的所述定位信息与所述期望路线的偏移距离大于预设距离时，判定车辆未沿着期望路线行驶。
3.根据权利要求1所述的自动驾驶系统，其特征在于，
GNSS接收机还用于以第一频率获得所述车辆的定位信息和定向信息；
所述主控制器还用于判定所述车辆在超低速行驶时，以第二频率计算所述第一转向量；所述第二频率小于所述第一频率。
4.根据权利要求3所述的自动驾驶系统，其特征在于，
所述主控制器还用于对一个时间周期内的多组所述定位信息、所述定向信息进行滤波算法，得出综合定位信息、综合定向信息，确定所述综合定位信息、所述综合定向信息和期望路线的偏差量，根据所述偏差量和所述转角角度得出第一转向量。
5.根据权利要求1所述的自动驾驶系统，其特征在于，
所述主控制器还包括行进方向模块，所述行进方向模块用于确定所述车辆的行进方向，所述主控制器根据所述行进方向、所述偏差量和所述转角角度确定第一转向量。
6.根据权利要求5所述的自动驾驶系统，其特征在于，
行进方向模块还用于按以下方式确定所述车辆的行进方向：
计算所述期望路线与赤道的期望路线夹角A0；
计算当前位置到起点连线与赤道的实时夹角An和当前位置离起点的距离Ln；
计算所述期望路线夹角A0与所述实时夹角An的角度差，以及当前时刻距离Ln和前一时刻距离Ln-1的距离差；
当所述角度差小于90°所述距离差为正或所述角度差大于90°所述距离差为负确定车辆在前进，当所述角度差小于90°所述距离差为负或所述角度差大于90°所述距离差为正确定车辆在后退。
7.一种车辆的自动驾驶方法，其特征在于，包括
S1：接收卫星信号获得所述车辆的定位信息和定向信息；
S2：获得所述车辆车轮的转角角度；
S3：确定所述定位信息和所述定向信息与期望路线的偏差量，并判断所述车辆在超低速行驶是否在超低速行驶，如果是，根据所述偏差量和所述转角角度计算第一转向量，其中，在判定所述车辆未沿着期望路线行驶时，根据所述偏差量和所述转角角度计算的所述第一转向量大于常速行驶下的第二转向量；
S4：根据所述第一转向量控制所述车辆的车轮转向。
8.根据权利要求7所述的自动驾驶方法，其特征在于，在所述S3中：
判断所述定位信息与所述期望路线的偏移距离是否大于预设距离，如果是，则所述车辆未沿着所述期望路线行驶。
9.根据权利要求7所述的自动驾驶方法，其特征在于，
所述步骤S1还包括：以第一频率获得所述定位信息和所述定向信息；
所述步骤S3还包括：以第二频率计算所述第一转向量，所述第二频率小于所述第一频率。
10.根据权利要求9所述的自动驾驶方法，其特征在于，S3包括：
对一个时间周期内的多组所述定位信息、所述定向信息进行滤波算法，得出综合定位信息、综合定向信息，确定所述综合定位信息、所述综合定向信息和期望路线的偏差量，并判断所述车辆在超低速行驶是否在超低速行驶，如果是，根据所述偏差量和所述转角角度得出第一转向量。
11.根据权利要求10所述的自动驾驶方法，其特征在于，S3还包括：
确定所述车辆的行进方向，根据所述行进方向、所述偏差量和所述转角角度确定第一转向量。
12.根据权利要求11所述的自动驾驶方法，其特征在于，
S3按以下方式确定所述车辆的行进方向：
计算所述期望路线与赤道的期望路线夹角A0；
计算当前位置到起点连线与赤道的实时夹角An和当前位置离起点的距离Ln；
计算所述期望路线夹角A0与所述实时夹角An的角度差，以及当前时刻距离Ln和前一时刻距离Ln-1的距离差；
当所述角度差小于90°所述距离差为正或所述角度差大于90°所述距离差为负确定车辆在前进，当所述角度差小于90°所述距离差为负或所述角度差大于90°所述距离差为正确定车辆在后退。
13.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求7-12中任一项所述车辆的自动驾驶方法。
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