[發(fā)明專利]一種基于超聲波陣列的無人駕駛機(jī)械車輛位姿測量與追蹤方法

在審

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• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107728622A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東;王新晴;華夏;蔣成明;楊成松;邵發(fā)明;任國亭;孟凡杰;黃杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無人駕駛機(jī)械車輛位姿測量與追蹤方法，特別涉及一種無人跟車行駛過程中的位姿測量與追蹤方法。

二、背景技術(shù)

無人跟車駕駛技術(shù)將幫助運(yùn)輸行業(yè)增強(qiáng)交通安全，提高運(yùn)輸效率。該項(xiàng)技術(shù)是由一輛卡車作為領(lǐng)隊(duì)，后方車輛通過精密的傳感器和通信設(shè)備，對與前方車輛之間的車距、速度以及方向等進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)無人跟車駕駛，可將駕駛員從駕駛中解放出來。在運(yùn)輸行業(yè)，無人化是大勢所趨，相比人工駕駛，無人跟車駕駛卡車大約能降低15％的成本，利用這種新技術(shù)能大大降低成本，提高生產(chǎn)效率及安全性。此外，無人跟車駕駛卡車還可以在高海拔、人煙稀少的沙漠地區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還能節(jié)約能源和減少二氧化碳的排放，因此帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。國內(nèi)外各大廠商都投入了巨大的成本，如力拓集團(tuán)在布局整個無人跟車駕駛卡車上就花費(fèi)5億多美元，百度公司目前在無人跟車駕駛領(lǐng)域已經(jīng)投入200多億元人民幣。無人跟車駕駛過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是尋找低成本、高可靠性的無人化位姿測量與追蹤技術(shù)。

目前常用的無人跟車駕駛車輛位姿測量與追蹤方法主要采用紅外測距儀、激光測距儀、四象限圖像追蹤儀以及基于GPS的檢測定位方式，但上述方式也都存在一定的缺陷，比如紅外測距的方式對顏色、光電強(qiáng)度、物體表面反光強(qiáng)度等因素都比較敏感，實(shí)際應(yīng)用過程中檢測距離有較大誤差；激光測距儀存在檢測區(qū)域小，為直線的點(diǎn)到點(diǎn)的檢測，當(dāng)被測物體距離較遠(yuǎn)或晃動較大時(shí)很難做到單點(diǎn)準(zhǔn)確檢測定位；基于四象限的圖像追蹤定向較好，目前常用在導(dǎo)彈追蹤定位中，但這種方法對圖像背景質(zhì)量以及圖像處理技術(shù)要求較高，即要求背景不能太復(fù)雜，否則也容易出現(xiàn)干擾源偏多、目標(biāo)識別難度大、最終導(dǎo)致目標(biāo)丟失問題，在導(dǎo)彈四象限的圖像追蹤過程中，背景圖像基本為天空，空中目標(biāo)少，背景圖像簡單，易于實(shí)現(xiàn)精確的追蹤定位，但對于無人跟車駕駛車輛而言，路面的情況要比天空復(fù)雜的多，因此這種方法對于無人跟車駕駛車輛難以適用；基于GPS的方法要想實(shí)現(xiàn)高精度的追蹤定位，需要借助于RTK差分檢測定位，即需要建立基準(zhǔn)站和前后車移動站，以及相互間的數(shù)據(jù)通信，成本較高，基準(zhǔn)站和移動站距離不能太遠(yuǎn)，限制了無人跟車駕駛車輛在大范圍內(nèi)有效行駛的實(shí)現(xiàn)，而且當(dāng)無人跟車駕駛車輛在茂密的森林、高樓、陡峭山坡旁行駛時(shí)，信號源極易被這些障礙物遮擋而出現(xiàn)丟失，存在隱患。因此急需找到一種簡單實(shí)用、成本低廉、受干擾因素少的無人跟車駕駛車輛追蹤定位方法，以便在運(yùn)輸投送過程中減少人力物力投入、減少人員傷亡率、提高輸送效率和社會效益。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于超聲波陣列的無人跟車駕駛車輛位姿測量與追蹤定位方法，該方法包括超聲波發(fā)射器陣列、超聲波接收器陣列、供電模塊、車載控制模塊。超聲波陣列發(fā)射器通過兩只帶脈沖編碼的超聲波傳感器組成，其中發(fā)射器布置于有人駕駛的前車上，接收器布置于無人跟車駕駛的后車上，借助于車載控制(處理)器，解算無人跟車駕駛車輛與前車的位姿關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對無人跟車駕駛車輛相對前車的距離、角度以及速度的精確測量解算，從而自動調(diào)整行駛路線，完成無人跟車行駛?cè)蝿?wù)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下步驟：

步驟(1)：構(gòu)造多個超聲波發(fā)射器、接收器的特定陣列。其中兩個廣角脈沖編碼超聲波發(fā)射器設(shè)置在前車的尾部(附圖1中1、2)，與前車發(fā)射控制模塊5連接；兩個廣角超聲波接收器(附圖1中3、4)設(shè)置在無人跟車駕駛車輛的前部，與后車接收控制模塊7連接。

步驟(2)：在前車上布置電源、超聲波發(fā)射控制器，在后車上布置電源、超聲波接收控制器以及車載控制器(不是本發(fā)明涉及的內(nèi)容，主要用來控制無人跟車駕駛車輛的方向盤、油門以及剎車)。電源負(fù)責(zé)給廣角脈沖編碼超聲波收發(fā)器、超聲波發(fā)射和接收控制器、車載控制器供電。

步驟(3)：前車的廣角脈沖編碼超聲波發(fā)射器在發(fā)射控制器的控制下，采用帶脈沖編碼的方式進(jìn)行間歇發(fā)射超聲波數(shù)據(jù)，后車每個超聲波接收器都可以接收前車兩個發(fā)射器的編碼和距離信息，這些距離信息與兩個發(fā)射器之間的尺寸和兩個接收器之間的尺寸一起構(gòu)成動態(tài)四邊形(參考附圖5中的a，b，c，d，DE，AB)。

步驟(4)：后車接收控制模塊解算上述動態(tài)四邊形，計(jì)算獲得無人駕駛機(jī)械車輛相對于前車的位姿信息，如相對前車的距離、角度以及速度等；

步驟(5)：后車根據(jù)解算得到的兩車相對位姿信息，輸出車輛控制信息，并通過CAN總線發(fā)送給車載控制器，實(shí)現(xiàn)對無人跟車駕駛車輛方向盤、油門、剎車等部件的控制，實(shí)現(xiàn)無人跟車駕駛車輛根據(jù)前后車的相對位姿信息進(jìn)行自動調(diào)整行駛路線，完成規(guī)定的無人跟車行駛?cè)蝿?wù)。