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CN109484217B - 三合一电子公路无人驾驶导航系统及方法 - Google Patents

三合一电子公路无人驾驶导航系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三合一电子公路无人驾驶导航系统及方法，其特征在于：在无人驾驶汽车上至少按照左右对称设置有第一检测线圈和第二检测线圈，在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，所述第一检测线圈和第二检测线圈将拾取的能量信号传输至控制器，控制器根据两个线圈能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并校正行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。其显著效果是：既可利用无线充电导轨作为无人驾驶的导航引导装置，又可利用无线充电导轨向无人驾驶汽车进行动态充电，提升其续航能力，而且基于无线充电进行导航，能够确保无人驾驶汽车保持高效充电状态。

Description

三合一电子公路无人驾驶导航系统及方法
技术领域
本发明涉及无人驾驶技术，尤其涉及一种三合一电子公路无人驾驶导航系统及方法。
背景技术
随着新能源汽车的大范围推广，并逐渐被消费者所认可，尤其是在当前充电难问题依然困扰着整个新能源汽车行业之际，国内外对无线充电技术在新能源汽车的应用的关注度就越来越高。
特别针对电动汽车的应用，有研究人员提出了将无线充电技术应用在道路建设中，使电动汽车在道路行驶过程中能够动态的充电，从而提升电动汽车的续航能力。
然而，电动车并非像交通轨道车一样只能在给定轨道上运行，行驶过程中的行驶线路有较大的自由度，会导致较大的实时偏差。当电动车偏移度在允许范围内时仍可正常工作，但当偏移度太大将会降低电能的传输能力。因此，对于电动车不停车实时无线充电/供电系统，车辆偏移轨道的实时状况，对于高效无线电能获取非常重要。
随着无人驾驶技术的发展，已经实现了无人驾驶汽车高速上路行驶，但现有无人驾驶的控制往往是基于道路GPS导航和障碍物检测来实现，针对无线充电道路而言，要想实现精准的行驶轨迹控制使其无线传输效率更高，还得需要辅助其他的控制手段。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明首先提出了一种三合一电子公路无人驾驶导航系统，将光伏发电、无人驾驶以及无线充电三种前沿技术整合形成三合一电子公路系统，通过在无人驾驶汽车中设置相应的检测线圈，道路预设无线充电导轨的磁场分布情况，一旦行驶路径发生偏离，检测线圈获取的能量即会发生改变，从而校正无人驾驶的方向，使其维持无线充电导轨上方运行。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种三合一电子公路无人驾驶导航系统，其关键在于：在无人驾驶汽车上至少按照左右对称设置有第一检测线圈和第二检测线圈，在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，所述第一检测线圈和第二检测线圈将拾取的能量信号传输至控制器，控制器根据所述第一检测线圈和所述第二检测线圈的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。
可选地，在无人驾驶汽车上还设置有第三检测线圈，所述第二检测线圈和第三检测线圈位于所述第一检测线圈的左右两侧且三个线圈的中心点呈三角形分布；
可选地，所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈均连接有调理电路，每一路调理电路与比较电路或多路选择电路连接，所述比较电路或多路选择电路选定拾取能量最强的一路输出到功率变换电路中并为负载供电。
可选地，所述控制器通过AD采样电路从所述比较电路或多路选择电路中获取所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈所拾取的能量情况。
可选地，所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈位于同一水平面上，设置第一检测线圈的中心点为A点，第二检测线圈的中心点为B点，第三检测线圈的中心点为C点，ABC三点组成的三角形为等腰直角三角形，且AB、AC两个边为直角边。
基于现有技术的缺陷，本发明还提出一种于无线充电引导的无人驾驶导航方法，其关键在于：在无人驾驶汽车上至少按照左右对称设置第一检测线圈和第二检测线圈，在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，根据所述第一检测线圈和所述第二检测线圈的拾取的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。
可选地，在无人驾驶汽车上还设置有第三检测线圈，所述第一检测线圈和第二检测线圈位于所述第三检测线圈的左右两侧且三个线圈的中心点呈三角形分布，利用第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈三个线圈拾取的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。
可选地，将所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈设置在同一水平面上，设第一检测线圈的中心点为A点，第二检测线圈的中心点为B点，第三检测线圈的中心点为C点，ABC三点组成的三角形为等腰直角三角形，且AB、AC两个边为直角边。
本发明的显著效果是：
既可利用无线充电导轨作为无人驾驶的导航引导装置，又可利用无线充电导轨向无人驾驶汽车进行动态充电，提升其续航能力，而且基于无线充电进行导航，能够确保无人驾驶汽车保持高效充电状态，利用本地化控制，导航校正的精度也更高，实时性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的结构架构图；
图2为无线充电的电路原理图；
图3为本发明具体实施例中系统控制原理框图；
图4为具体实施例中两线圈位置检测的结构示意图；
图5为图4所示两线圈对称导引方式的第一数学模型图；
图6为图4所示两线圈对称导引方式的第二数学模型图
图7为具体实施例中三线圈位置检测的结构示意图；
图8为图7所示三角形布局导引方式的第一数学模型图；
图9为图7所示三角形布局导引方式的第二数学模型图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，一种三合一电子公路无人驾驶导航系统，在无人驾驶汽车上按照左右对称设置有第一检测线圈和第二检测线圈，在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，本例中的无线能量发射导轨采用分段式控制，每一段无线能量发射导轨上对应设置有一个控制电路，在每一段无线能量发射导轨的前端和后端还分别设置有用于检测无人驾驶汽车进出的检测装置，当无人驾驶汽车驶入该段导轨时，控制电路控制其发出能量，结合图2所示的无线能量传输系统架构原理，在无人驾驶汽车上设置对应的能量拾取线圈即可获取无线能量为蓄电池充电，通过在行驶过程中动态充电，从而提升无人驾驶汽车的续航能力。
在具体实施时，所述第一检测线圈和第二检测线圈将拾取的能量信号传输至控制器，控制器根据所述第一检测线圈和所述第二检测线圈的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。
实施例2：
如图3所示，在无人驾驶汽车上还设置有第三检测线圈，所述第二检测线圈和第三检测线圈位于所述第一检测线圈的左右两侧且三个线圈的中心点呈三角形分布；
通过图3可以看出，所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈均连接有调理电路，每一路调理电路与比较电路或多路选择电路连接，所述比较电路或多路选择电路选定拾取能量最强的一路输出到功率变换电路中并为负载供电。
具体实施时，所述控制器通过AD采样电路从所述比较电路或多路选择电路中获取所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈所拾取的能量情况。
作为优选，所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈位于同一水平面上，设置第一检测线圈的中心点为A点，第二检测线圈的中心点为B点，第三检测线圈的中心点为C点，ABC三点组成的三角形为等腰直角三角形，且AB、AC两个边为直角边。
通过上述系统可以看出，本发明通过在无人驾驶汽车上至少按照左右对称设置第一检测线圈和第二检测线圈，在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，根据所述第一检测线圈和所述第二检测线圈的拾取的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶。
为了导航更加准确，通过在无人驾驶汽车上设置第三检测线圈，利用三角定位原理，使其位置检测更加精准。
本系统采用的无线能量发射导轨通电导线周围的磁场是一个矢量场，如果在通电直导线周围放置感应线圈，则可以感应磁场向量，进而可以获得磁场的强度和方向。导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈将会产生一定的感应电动势。
由于单线圈导引方式只能描述一个点的运动，无法实现确定小车的实时状态，增加一个感应线圈，在导轨金属线左右分布，对称导引定位，如图4所示，导轨金属线加载有高频交流电Ip，导轨正上方h水平高处左右两边对称分布着A、B两个位置检测线圈，分别感应检测各自的感应电动势，通过对各个线圈感应电动势的变化情况进行分析，即可获得车辆的偏离方向，便于即时校正。
但是针对两线圈位置检测而言，在两个感应线圈感应电动势大小相等的情况下，存在下述两种状态。那么，接下来对两种状态分别进行分析。
①状态一
在两线圈对称导引方式下，以导轨金属线为Y轴，将导引机构的线圈投影到地面上，以左线圈垂直于导轨金属线向右为X轴，建立如图5所示的直角坐标系，其中A、B为感应线圈，之间的距离为a，C为A、B两线圈的轴中点。A、B两个线圈是在同一个轴上，把它看成刚体，则θ1,θ2的大小和前向角度偏差θ大小是相等的。
可以得到线圈A和B上的感应电动势大小为：
Figure GDA0002710364820000061
对式(2)的感应电动势对时间取正的峰值电压得：
Figure GDA0002710364820000062
其中k＝NShμ0μrf0I0。
根据图5的坐标位置可知：
Figure GDA0002710364820000063
联立式(2)和(3)得到以下解:
Figure GDA0002710364820000071
进一步得到导引机构的位置偏差状态，即C点与导引金属线之间的距离x和前向角度偏差θ分别为：
Figure GDA0002710364820000072
其中
Figure GDA0002710364820000073
②状态二
在图6所示的情况下，A′和B′感应线圈上的感应电动势大小和图5所示的状态一致，用上述相同的方法进行建模分析。
以求解出C′点的导引金属线之间的距离x′和前向角度偏差θ′分别为：
Figure GDA0002710364820000074
其中
Figure GDA0002710364820000075
对比式(5)和式(6)可以看出，它们两种不同的位置偏移状态的差别在于前向角度偏差θ的符号不一样，说明两种状态下前行方向是不一样的。由于缺少前向角度偏差θ的符号的判定信号，控制器难以直接对这两种状态进行区别，加以导引控制。
通过对上面的分析计算可以得知，虽然两线圈对称导引方式在单线圈导引方式的基础上增加了一个感应线圈，增加了一路感应电动势的值，相对路径信息提取较为完整，较容易得知导引定位机构与导轨金属线之间的位置偏差状态方程，但是根据两个感应线圈上的所得的两路感应电动势不能对向角度偏差的符号进行判定，不能区别出图5和图6所示的两种不同位置偏移状态，控制器仍然没有办法得知确切的当前状态，对偏移状态进行调整，存在得到的检测信号过少的问题，也不能实现精确导引定位。
针对双线圈定位存在的问题，本发明提出了图7所示的三线圈定位模型，导轨金属线上加载有高频交流电IP，导轨正上方h水平高处有一个感应线圈C，左右两边对称分布着两个感应线圈A和B，共有三个感应线圈感应检测位置信号，三个感应线圈呈呈等腰直角三角形分布，其中A为顶点。腰长AC大小为a，其中顶角A为直角。x1、x2和x3分别是A、B和C感应线圈到导轨金属线之间的距离。
依据等腰直角三角型布局的空间结构模型得到图7所示的模型图，建立如图8所示的二维坐标模型，三角形腰长AB＝a，θ为三角形定位系统的前向角度，AD、BG分别为BC、AC的中线，BC和AC交点O'为三角形的重心。由等腰直角三角形的几何特点得到DBAE等于前向角度θ。
通过分析可以得到A、B和C三个感应线圈的感应电动势的表达式为：
Figure GDA0002710364820000081
前向角度偏差θ的求解公式是：
Figure GDA0002710364820000082
联立式(7)和(8)可得到以下解：
Figure GDA0002710364820000083
其中，
Figure GDA0002710364820000091
根据C点的偏移位移并结合解析几何可以得到状态一时三角形导引机构的偏移状态：
Figure GDA0002710364820000092
同样，依据等腰直角三角型布局的空间结构模型得到图7所示的模型图，建立如图9所示的二维坐标模型，三角形腰长AB＝a，θ为三角形定位系统的前向角度，AD、BG分别为BC、AC的中线，BC和AC交点o′为三角形的重心。由等腰直角三角形的几何特点得到DBAE等于前向角度θ。
根据C点的偏移位移并结合解析几何可以得到状态一时三角形导引机构的偏移状态为：
Figure GDA0002710364820000093
由式(10)和(11)可以看出，根据在两种不同状态下，得到三角形导引机构的偏移位移与三个感应线圈的感应电动势都有关系，而且两种状态下偏移位移是不一样的。前向角度偏差大小相等，而符号却相反，从而可以区分出这两种不同的偏移状态，而在只有两个线圈时我们是无法区分出这两种状态的，这证明增加一个感应线圈，呈三角形布局时可以对导引机构进行精确定位，同时也说明三线圈是最小的能精确定位的导引定位机构。
综上所述，本发明解决了无人驾驶汽车用于无线充电道路系统中难以精确对准无线能量发射导轨的问题，通过在无人驾驶汽车上设置至少两个检测线圈，一方面可以利用检测线圈拾取的能量为无人驾驶汽车供电，提升其续航能力；另一方面可以结合多个检测线圈拾取的能量变化情况，判断无人驾驶汽车是否位于无线充电导轨的正上方，从而确保无线能量的最大效率传输，同时还为无人驾驶汽车提供导航指引。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (3)

1.一种三合一电子公路无人驾驶导航系统，其特征在于：在无人驾驶汽车上设置有第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈，第二检测线圈和第三检测线圈位于所述第一检测线圈的左右两侧且三个线圈的中心点呈三角形分布；在无人驾驶汽车专用行驶公路的中间设置有无线能量发射导轨，所述第一检测线圈、第二检测线圈和第三检测线圈将拾取的能量信号传输至控制器，控制器根据所述第一检测线圈、所述第二检测线圈和所述第三检测线圈的能量信号变化情况确定无人驾驶汽车与无线能量发射导轨之间的偏移状态，并根据所述偏移状态校正所述无人驾驶汽车的行驶方向，使其沿着所述无线能量发射导轨行驶；
所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈均连接有调理电路，每一路调理电路与比较电路或多路选择电路连接，所述比较电路或多路选择电路选定拾取能量最强的一路输出到功率变换电路中并为负载供电；
无线能量发射导轨为采用分段式控制的单根直导线，每一段无线能量发射导轨上对应设置有一个控制电路，在每一段无线能量发射导轨的前端和后端还分别设置有用于检测无人驾驶汽车进出的检测装置，当无人驾驶汽车驶入每一段导轨时，控制电路控制其发出能量。
2.根据权利要求1所述的三合一电子公路无人驾驶导航系统，其特征在于：所述控制器通过AD采样电路从所述比较电路或多路选择电路中获取所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈所拾取的能量情况。
3.根据权利要求1所述的三合一电子公路无人驾驶导航系统，其特征在于：所述第一检测线圈、第二检测线圈以及第三检测线圈位于同一水平面上，设置第一检测线圈的中心点为A点，第二检测线圈的中心点为B点，第三检测线圈的中心点为C点，ABC三点组成的三角形为等腰直角三角形，且AB、AC两个边为直角边。
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