[發明專利]一種基于自主協同導航的智能車編隊系統

在審

• 申請號: 202010589494.7
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111766879A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 胡超芳;趙凌雪;吳浩;郭明堃;賈宇軒;吳佐成;章雨
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

本發明公開一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，包括定位與導航模塊、自主運動控制模塊、編隊模塊、通信模塊和上位機控制與監測模塊；所述定位與導航模塊通過處理環境信息，進行環境建圖以及自身和障礙物的定位，同時規劃出全局和局部避障路徑，實現智能車之間自主協同導航；自主運動控制模塊通過規劃好的速度控制智能車到達目標位置；編隊模塊采用領航?跟隨的編隊結構，考慮隊形約束和障礙物約束，選取有效的編隊控制算法，以形成固定的隊形，本發明中采用基于Lyapunov穩定性判據的控制方法驗證其控制性能；通信模塊用于完成智能車之間及智能車與上位機之間的信息交互；上位機控制與監測模塊用于對整個智能車編隊系統的運動狀態進行控制和監測。

技術領域

本發明涉及智能車的編隊控制領域，具體涉及一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，以ROS系統為通信框架，完成了智能車自主協同導航，實現了智能車的自主運動控制和編隊控制，并設計了上位機控制和監測界面，適用于智能車無外界輔助定位設備環境下的協同編隊，在室內外均可應用，屬于智能車編隊領域。

背景技術

智能車是一個集環境感知、規劃決策、多層次輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，它集中運用了計算機、傳感器、信息融合、通信、人工智能及自動控制等技術等典型高新技術。近年來，隨著計算機等科學技術的發展，智能車在日常生活和科學工作中都發揮著越來越重要的作用，開始由軍事領域的應用轉向商用、民用、醫療、救援等領域，體積也隨著用途的變化向著小型化轉變。然而，由于工作環境趨于復雜，任務要求逐漸提高，單智能車已無法滿足大多數情況下的任務要求，因此智能車多以編隊的形式進行工作。智能車編隊在很大程度上提高了車輛隊列的靈活性和行駛效率，不但可以增強交通的安全性和通暢性，還可減少車輛在行駛過程中受到的空氣阻力，降低車輛的耗油量。因此，智能車編隊系統是一個極具研究意義和實用價值的研究方向。

智能車編隊系統是指將若干輛智能車由雜亂無章的隊形經過一定的設計后，形成一個符合某種要求或規律的穩定隊形，使車隊能夠適應環境約束和特定的隊形約束等，并對其加以控制。編隊中每個個體都是獨立的，編隊的形成依賴于個體之間的信息交互、數據處理、算法決策等。首先要建立車輛運動學模型，掌握其運動規律；然后，通過智能車自身配備的傳感器實時采集自身運動信息和周圍環境信息，并實現智能車的自主定位和導航；通過通信技術將采集到的信息進行傳輸，實現車輛之間和車輛與控制器之間的信息共享，設計最優的編隊策略對車輛的運動進行控制，達到智能車協同合作的目的。考慮到編隊中人機信息交流的缺乏，單激光雷達系統對靈活性的限制，以及智能車之間大量的通信數據傳輸等問題，智能車編隊系統要實現快速、穩定的編隊變得愈發困難。因此，實現智能車自主協同導航，研究適用于智能車編隊的通信方式以及編隊算法，設計簡潔有效的人機交互界面，對于研究智能車編隊系統具有十分重要的意義。

發明內容

在智能車編隊控制過程中，有兩個主要的目標：編隊車輛之間保持一定的間距，不發生碰撞且互不干擾；編隊能夠在保持穩定隊形的基礎上運動到目標地點。前者為智能車之間的行為協作問題，即智能車完成定位之后，通過自身的導航系統進行路徑規劃，對智能車之間相對運動狀態進行控制的問題；后者的核心問題則是編隊隊形的控制以及編隊的保持。而在室內或室外無外界輔助定位設備環境的情況下，智能車實現自身定位和導航只依賴于自身傳感器。這就要求設計合適的定位導航系統和編隊策略，以完成智能車的自主協同導航，達到編隊系統所要求的快速性和穩定性。