一種無人駕駛汽車的導航方法
2023-05-12 00:59:16
專利名稱：一種無人駕駛汽車的導航方法
技術領域：
本發明主要涉及到汽車自動控制領域，特指一種適用於無人駕駛汽車的導航方法。
背景技術：
無人駕駛汽車是一種依靠車內以計算機系統為主的智能設備來實現無人駕駛的汽車，也可以稱為輪式移動機器人。它集計算機體系結構、人工智慧、視覺計算、自動控制等眾多技術於一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發展的產物，也是衡量一個國家科研實力和工業水平的一個重要標誌。無人駕駛汽車在軍事國防、公共安全、城市交通、汽車製造等領域具有廣闊的應用前景和潛在的實用價值，得到了世界許多國家的高度重視。無人駕駛汽車的控制技術是保證其能夠安全穩定可靠行駛的基礎和關鍵，而且它比普通汽車的控制系統要複雜很多，因為它將傳統的「路-人-車」閉環控制方式中的「人」 請出來，形成「路-車」閉環控制系統，雖然可以提高安全性和系統效率，但是對控制系統的穩定性和可靠性的要求就變得非常高了。常見的無人駕駛汽車控制系統設計方法是先建立車體的運動學模型，尋找無人駕駛汽車的狀態變量與控制參量的關係；然後設計有效的控制器模型，實現無人駕駛車小誤差甚至無誤差的軌跡跟蹤。國內外的學者採用現代控制理論設計出較多控制算法，取得了較多成績。但其應用環境多為室內，被跟蹤軌跡事先已知，其控制方法是將車體的橫向位移、縱向位移、縱向速度、轉動的角速度等均作為被控量，且是建立平面直角坐標系內的全局控制，這對於被跟蹤軌跡事先未知且應用環境複雜的城市交通系統是難以實現的；或者雖然其應用環境為室外，但是大多基於單一的導航方式，如義大利帕爾馬大學採用的視覺導行系統，清華大學和武漢大學採用的雷達導航系統，上海交通大學採用的GPS導航系統等等，控制效果的動態特性、穩態精度均不理想。因此，結合多類導航策略並利用決策算法來實現不同行車環境中不同導航策略的選擇，可以更好地提高行車的穩定性和魯棒性。此外，現有的視覺導航方法大多採用以車道的中心線為參考目標，選定一個預瞄點後計算預瞄點與中心線的偏移距離，並以此作為參考量將車輛控制在中心線附近行駛。這類方法的缺點是對車輛的控制頻率較高，效率低，而且控制算法對參數較敏感，不容易實現對車輛的穩定控制。採用安全區域控制的方法，把目標定為將車輛控制在安全區域內行駛，可以有效降低對車輛的控制頻率，提高控制的效率和穩定性。另外，現有的無人駕駛汽車導航系統通常還存在這些問題組件模塊緊耦合，數據交換複雜、不夠靈活，對系統改動非常敏感；採用自定義的硬體和軟體平臺，限制了組件的交互性和重構性；計算/功耗受限，系統監控和重構時進行獨立操作和分布式通信的計算要求難以滿足
發明內容
本發明要解決的技術問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、適用範圍廣、導航精度高、可控性和可靠性好的無人駕駛汽車的導航方法。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案一種無人駕駛汽車的導航方法，其步驟為(1)集成視覺導航、雷達導航和GPS導航三種導航策略；(2)依據電子地圖和GPS信號計算出車輛當前的地理位置信息；(3)根據車輛當前的地理位置信息選擇導航策略視覺導航策略的優先級最高， 如果與視覺導航策略對應的視覺導航模塊所感知識別的道路邊界信息不準確或者不穩定， 則優先選擇雷達導航策略；如果與雷達導航策略對應的雷射雷達探測模塊識別的障礙物信息不準確或者不穩定，則選擇GPS導航策略。作為本發明的進一步改進所述視覺導航策略的步驟為(1. 1)獲取車輛當前的道路邊界信息，計算車輛的安全行駛邊界；(1. 2)判斷汽車是否在安全道路區域行駛，如果是則不需要進行轉向控制；如果不是，則需要計算出預瞄點與安全區域對應邊界的水平距離，作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。所述雷達導航策略的步驟為(2. 1)獲取車輛當前的前方障礙物信息，計算出目標點位置和車身方位角；(2. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。所述GPS導航策略的步驟為(3. 1)獲取車輛當前的位置和目標點位置，以及電子羅盤提供的車身方位角信息；(3. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。所述PID控制模型為位置式PID控制模型，所述位置式PID控制模型為下式
kit = K.pe (k) + K^ e( j) f KB[e ft) — eik - 1)] + uO
；=O其中，IC1 = f Jfjj = f，U。為控制量的基值，即k = 0時的控制；u (k)為第k個
採樣時刻的控制；Td為迴路的微分周期；Kp為比例放大係數^為積分放大係數；Kd為微分放大係數；TS為採樣周期J1為第一個採樣周期；TD為迴路的微分周期；為了求和，將系統偏差的全部過去值e(j) (j = 1，2，3，...，k)都存儲起來；上式中的u (k)為控制量的全量輸出，是控制量的絕對數值。與現有技術相比，本發明的優點在於(1)本發明的導航方法集成了三種不同的策略視覺導航、雷達導航和GPS導航， 可根據車輛當前地理位置信息選擇不同的導航策略，並根據車輛的行車特性建立PID控制模型，以實現車輛的魯棒控制；(2)本發明中視覺導航方法不同於現有的以車道中心線為參考目標的導航方法，
4採用設置安全行駛區域的控制策略，僅當車輛在安全區域外行駛時才對車輛進行轉向控制，這種方法可實現對車輛更穩定和更有效的導航控制；(3)本發明具有穩定性好、可擴展性強和靈活度高等特點，能夠很好地滿足當前無人駕駛汽車的各類應用需求。
圖1是本發明導航方法的流程示意圖；圖2是本發明中視覺導航策略的流程示意圖；圖3是本發明中PID控制模型的原理示意圖；圖4是採用本發明方法的具體應用實例的框架結構示意圖；圖5是具體應用實例中上層網關處理的流程示意圖；圖6是具體應用實例中執行監測模塊工作的流程示意圖。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發明無人駕駛汽車的導航方法，其步驟為(1)集成視覺導航、雷達導航和GPS導航三種導航策略；(2)依據電子地圖和GPS信號計算出車輛當前的地理位置信息；(3)根據車輛當前的地理位置信息選擇導航策略視覺導航策略的優先級最高， 如果與視覺導航策略對應的視覺導航模塊所感知識別的道路邊界信息不準確或者不穩定， 則優先選擇雷達導航策略；如果與雷達導航策略對應的雷射雷達探測模塊識別的障礙物信息不準確或者不穩定，則選擇GPS導航策略。本實施例中，在事先制定的電子地圖中記錄了各種導航算法在該路段的可信度信息，因此算法不需要重複判斷算法的可信度。如圖2所示，在本實施例中，視覺導航策略的步驟為(1. 1)獲取車輛當前的道路邊界信息，計算車輛的安全行駛邊界；(1. 2)判斷汽車是否在安全道路區域行駛，如果是則不需要進行轉向控制；如果不是，則需要計算出預瞄點與安全區域對應邊界的水平距離，作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。本實施例中，雷達導航策略的步驟為(2. 1)獲取車輛當前的前方障礙物信息，計算出目標點位置和車身方位角；(2. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。本實施例中，GPS導航策略的步驟為(3. 1)獲取車輛當前的位置和目標點位置，以及電子羅盤提供的車身方位角信息；(3. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量， 最終計算出控制量生成控制指令。本實施例中，PID控制模型採用位置式PID控制模型，該位置式PID控制模型為下
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權利要求
1.一種無人駕駛汽車的導航方法，其特徵在於，步驟為(1)集成視覺導航、雷達導航和GPS導航三種導航策略；(2)依據電子地圖和GPS信號計算出車輛當前的地理位置信息；(3)根據車輛當前的地理位置信息選擇導航策略視覺導航策略的優先級最高，如果與視覺導航策略對應的視覺導航模塊所感知識別的道路邊界信息不準確或者不穩定，則優先選擇雷達導航策略；如果與雷達導航策略對應的雷射雷達探測模塊識別的障礙物信息不準確或者不穩定，則選擇GPS導航策略。
2.根據權利要求1所述的無人駕駛汽車的導航方法，其特徵在於，所述視覺導航策略的步驟為(1. 1)獲取車輛當前的道路邊界信息，計算車輛的安全行駛邊界；(1.2)判斷汽車是否在安全道路區域行駛，如果是則不需要進行轉向控制；如果不是， 則需要計算出預瞄點與安全區域對應邊界的水平距離，作為PID控制模型的輸入量，最終計算出控制量生成控制指令。
3.根據權利要求1所述的無人駕駛汽車的導航方法，其特徵在於，所述雷達導航策略的步驟為(2. 1)獲取車輛當前的前方障礙物信息，計算出目標點位置和車身方位角；(2. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量，最終計算出控制量生成控制指令。
4.根據權利要求1所述的無人駕駛汽車的導航方法，其特徵在於，所述GPS導航策略的步驟為(3. 1)獲取車輛當前的位置和目標點位置，以及電子羅盤提供的車身方位角信息；(3. 2)得出當前行車角度與目標角度的偏移量，以此作為PID控制模型的輸入量，最終計算出控制量生成控制指令。
5.根據權利要求2或3或4所述的無人駕駛汽車的導航方法，其特徵在於，所述PID控制模型為位置式PID控制模型，所述位置式PID控制模型為下式其中，為=^,K0 = ^-U1,為控制量的基值，BPk = O時的控制；u (k)為第k個採樣iIiS時刻的控制；Kp為比例放大係數^為積分放大係數；Kd為微分放大係數；TS為採樣周期； T1為第一個採樣周期；Td為迴路的微分周期；為了求和，將系統偏差的全部過去值e(j)都存儲起來，其中j = 1，2，3，...，k;上式中的u(k)為控制量的全量輸出，是控制量的絕對數值。
全文摘要
一種無人駕駛汽車的導航方法，其步驟為(1)集成視覺導航、雷達導航和GPS導航三種導航策略；(2)依據電子地圖和GPS信號計算出車輛當前的地理位置信息；(3)根據車輛當前的地理位置信息選擇導航策略視覺導航策略的優先級最高，如果與視覺導航策略對應的視覺導航模塊所感知識別的道路邊界信息不準確或者不穩定，則優先選擇雷達導航策略；如果與雷達導航策略對應的雷射雷達探測模塊識別的障礙物信息不準確或者不穩定，則選擇GPS導航策略。本發明具有原理簡單、適用範圍廣、導航精度高、可控性和可靠性好等優點。
文檔編號G05D1/02GK102393744SQ20111037244
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者周權, 唐建秋, 張小明, 徐成, 李仁發, 肖俊, 肖雄仁, 鄒漢錚 申請人:湖南大學