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CN113415266B - 一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法 - Google Patents

一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，构建磁钉为主、融合导航的车辆自动驾驶系统：所述车辆自动驾驶系统包括车辆、磁钉轨道和沿磁钉轨道设置的车道线，所述车辆上装载有控制器以及与其相连的车载传感器和执行机构；所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器和后磁传感器，所述执行机构包括动力系统、制动系统和转向系统；基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束。本发明的车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，实时监视车辆在轨姿态，在有偏离轨道风险的情况下，通过告警、降速等方式有效保证车辆的安全运行，可以降低车辆沿磁钉循迹发生脱轨的危害性。

Description

一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法
技术领域
本发明涉及车辆自动驾驶和轨道交通技术领域，具体涉及一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法。
背景技术
近年来自动驾驶技术迅速发展。惯导、摄像头、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器技术的发展为获取车辆的姿态和环境感知提供了众多途径，且各种电力执行机构，如驱动电机、电子转向系统(EPS)和电子制动系统(EBS)等)，它们的广泛应用为自动驾驶发展提供了技术便利。由于实际驾驶环境极其复杂，高级别自动驾驶技术不够成熟，相关的交通法规也尚未完善，无人驾驶车仍处于试验测试和特定场景试运行阶段，远未达到普及。尤其是在公共交通领域，社会和公众对安全性的要求极高，所以不仅要考虑自动驾驶系统的研制成本，其安全性、可靠性更是重中之重。
但是该方案的控制效果受天气、环境影响较大，如雨雪天气、夜间或车道线模糊等情况下，车辆运行轨迹的控制精度会明显降低。此外，由于激光雷达硬件成本过高，虽然其导航效果明显高于视觉导航效果，但应用并不广泛。磁钉导航方案不受这些环境因素的影响，安全性高，成本低，在一些特定场景交通环境中不断得到应用，如BRT快速公交、仓储物流、机场接驳等。
车辆沿磁钉循迹可视为沿虚拟轨道行驶，与地铁、有轨电车等依托实际钢轨、有物理约束的制式不同，发生脱轨的风险更大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，实时监视车辆在轨姿态，在有偏离轨道风险的情况下，通过告警、降速等方式有效保证车辆的安全运行，可以降低车辆沿磁钉循迹发生脱轨的危害性。
实现上述目的的技术方案是：一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束，具体包括以下步骤：
S1，构建磁钉为主、融合导航的车辆自动驾驶系统：所述车辆自动驾驶系统包括车辆、磁钉轨道和沿磁钉轨道设置的车道线，所述车辆上装载有控制器以及与其相连的车载传感器和执行机构；所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器和后磁传感器，所述执行机构包括动力系统、制动系统和转向系统；
所述磁钉轨道包括设置在车辆运行轨道以及设置车辆运行轨道上的多个间隔等距的磁钉，以磁极加以区分；
所述控制器中加载有磁钉轨道电子地图，每个磁钉具有唯一编号，车辆沿所述磁钉轨道的磁钉循迹时，所述控制器准确定位车辆的位置；
所述车速传感器用于测量车辆的速度，通过积分获得车辆的运行距离；所述惯性导航模块用于测量车辆垂直于地面的角速度；所述前、后磁传感器用于检测到所述磁钉轨道的磁钉相对于车辆的横向位置；所述车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器和后磁传感器测量得到的信息均反馈给所述控制器；
所述动力系统和制动系统分别将所述控制器出的模拟信号转化为相对应的驱动力矩和制动力矩，实现所述控制器对车辆的纵向车速控制；所述转向系统将所述控制器输出的模拟信号转化为相对应的方向盘转向角，实现所述控制器对车辆的横向转向控制；
S2，车辆按设定线路行驶在所述磁钉车道上，当所述前磁传感器经过任意磁钉正上方时，将该磁钉相对于车辆的横向位置发送给控制器，所述控制器识别磁钉的编号并准确定位车辆的物理位置；所述控制器根据设定线路号和磁钉编号，索引磁钉轨道电子地图，读取预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值，包括前磁传感器横向偏差参考值、后磁传感器横向偏差参考值、车辆偏航角度参考值和方向盘转向角参考值；
S3，所述控制器根据当前实时的车辆姿态测量值，包括前磁传感器横向偏差yr1、后磁传感器横向偏差、车辆偏航角度和方向盘转向角，对比步骤S2中的当前轨迹参数的参考值，若各轨迹参数无偏差，则继续进行正常循迹运行；若各轨迹参数有偏差，则根据各轨迹参数的偏差大小判断车辆姿态是否故障；偏差大小阈值分为三个等级，1级为姿态轻微偏离，所述控制器作告警处理；2级为姿态一般偏离，所述控制器控制所述动力系统和制动系统作制动减速或点刹处理；3级为姿态严重偏离，所述控制器控制所述动力系统和制动系统作制动停车处理。
上述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其中，所述前磁传感器安装在所述车辆的前端，所述后磁传感器安装在所述车辆的中后端，所述前磁传感器与后磁传感器之间的距离为2m～8m，所述前磁传感器和后磁传感器的安装位置距离地面的高度为20cm。
上述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其中，所述前磁传感器和后磁传感器均由多个直线排列的磁场传感芯片组成，用于测量三维磁场；
所述前、后磁传感器经过磁钉上方时，所述前、后磁传感器上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出相应的磁场传感芯片距离磁钉的远近；通过对多个磁场传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，精确判断每个磁钉相对于车辆的横向位置以及磁极方向。
上述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其中，所述车载传感器还包括摄像头和/或毫米波雷达，所述摄像头用于测量车辆前方的障碍物以及车道线信息；所述毫米波雷达用于测量车辆前方和侧面的障碍物；所述摄像头和毫米波雷达测量得到的信息均反馈给所述控制器。
上述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，步骤S2中，预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值是通过多次循迹测试结果拟合而形成，具有概率统计特征。
上述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，步骤S3中，各级偏差大小阈值的设计是根据反复循迹测试结果统计形成；针对各轨迹参数的偏差大小分别判断偏差等级，取最严重的姿态偏离等级作为判定结果，所述控制器根据姿态偏离判定结果进行对应的故障处理。
本发明的车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，针对基于磁钉导航的车辆，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束，可有效预防车辆轨迹偏离及脱轨事故，或降低脱轨后危害程度。
附图说明
图1为基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统的结构示意图；
图2为本发明的车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1和图2，本发明的最佳实施例，一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束，具体包括以下步骤：
S1，构建磁钉为主、融合导航的车辆自动驾驶系统：车辆自动驾驶系统包括车辆1、磁钉轨道12和沿磁钉轨道设置的车道线13，车辆1上装载有控制器2以及与其相连的车载传感器和执行机构；车载传感器包括车速传感器3、惯性导航模块4、前磁传感器5和后磁传感器6，车载传感器还可以包括摄像头7和/或毫米波雷达8，执行机构包括动力系统9、制动系统10和转向系统11；
磁钉轨道12包括设置在车辆运行轨道以及设置车辆运行轨道上的多个间隔等距的磁钉，以磁极加以区分。
控制器2中加载有磁钉轨道电子地图，每个磁钉具有唯一编号，车辆沿磁钉轨道12的磁钉循迹时，控制器2准确定位车辆的位置。
车速传感器3用于测量车辆的速度，通过积分获得车辆的运行距离；惯性导航模块4用于测量车辆垂直于地面的角速度；前、后磁传感器5、6用于检测到磁钉轨道的磁钉相对于车辆的横向位置；摄像头7用于测量车辆前方的障碍物以及车道线信息；毫米波雷达8用于测量车辆前方和侧面的障碍物；车速传感器3、惯性导航模块4、前磁传感器5、后磁传感器6、摄像头7和毫米波雷达8测量得到的信息均反馈给所述控制器。
动力系统9和制动系统10分别将控制器2出的模拟信号转化为相对应的驱动力矩和制动力矩，实现控制器2对车辆1的纵向车速控制；转向系统11将控制器2输出的模拟信号转化为相对应的方向盘转向角，实现控制器2对车辆1的横向转向控制。
前磁传感器5安装在车辆1的前端，后磁传感器6安装在车辆1的中后端，前磁传感器5与后磁传感器6之间的距离为2m～8m，前磁传感器5和后磁传感器6的安装位置距离地面的高度为20cm。前磁传感器5和后磁传感器6均由多个直线排列的磁场传感芯片组成，用于测量三维磁场；前、后磁传感器经过磁钉上方时，前、后磁传感器上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出相应的磁场传感芯片距离磁钉的远近；通过对多个磁场传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，精确判断每个磁钉相对于车辆的横向位置以及磁极方向。
S2，车辆1按设定线路行驶在磁钉车道12上，当前磁传感器经过任意磁钉正上方时，将该磁钉相对于车辆的横向位置发送给控制器2，控制器2识别磁钉的编号并准确定位车辆的物理位置；控制器2根据设定线路号和磁钉编号，索引磁钉轨道电子地图，读取预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值，包括前磁传感器横向偏差参考值yr1_ref、后磁传感器横向偏差参考值yr2_ref、车辆偏航角度参考值veh_angle_ref和方向盘转向角参考值steer_angle_ref；预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值是通过多次循迹测试结果拟合而形成，具有概率统计特征。
S3，控制器2根据当前实时的车辆姿态测量值，包括前磁传感器横向偏差yr1、后磁传感器横向偏差yr2、车辆偏航角度veh_angle和方向盘转向角steer_angle，对比步骤S2中的当前轨迹参数的参考值，若各轨迹参数无偏差，则继续进行正常循迹运行；若各轨迹参数有偏差，则根据各轨迹参数的偏差大小判断车辆姿态是否故障；偏差大小阈值分为三个等级，1级为姿态轻微偏离，所述控制器作告警处理；2级为姿态一般偏离，控制器2控制动力系统9和制动系统10作制动减速或点刹处理；3级为姿态严重偏离，控制器控制动力系统9和制动系统10作制动停车处理。各级偏差大小阈值的设计是根据反复循迹测试结果统计形成；针对各轨迹参数的偏差大小分别判断偏差等级，取最严重的姿态偏离等级作为判定结果，所述控制器根据姿态偏离判定结果进行对应的故障处理。
前磁传感器横向偏差yr1由前磁传感器5实时检测得到；后磁传感器横向偏差yr2由后磁传感器6实时检测得到，车辆偏航角度veh_angle由惯性导航模块4实时检测得到，方向盘转向角steer_angle由转向系统11根据控制器2输出的模拟信号实时转化的方向盘转向角得到。
本发明的车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法中，基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统，具有虚拟轨道的特点，通过轨迹防护设计，使得车辆能够像地铁、有轨电车一样，起到和物理约束类似的效果，从而有效提高系统的安全性。
综上所述，本发明的车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，针对基于磁钉导航的车辆，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束，可有效预防车辆轨迹偏离及脱轨事故，或降低脱轨后危害程度。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，基于磁钉导航的车辆自动驾驶系统，通过实时监控车辆运行轨迹和姿态，实现对车辆运行轨迹的约束，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，构建磁钉为主、融合导航的车辆自动驾驶系统：所述车辆自动驾驶系统包括车辆、磁钉轨道和沿磁钉轨道设置的车道线，所述车辆上装载有控制器以及与其相连的车载传感器和执行机构；所述车载传感器包括车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器和后磁传感器，所述执行机构包括动力系统、制动系统和转向系统；
所述磁钉轨道包括设置在车辆运行轨道以及设置车辆运行轨道上的多个间隔等距的磁钉，以磁极加以区分；
所述控制器中加载有磁钉轨道电子地图，每个磁钉具有唯一编号，车辆沿所述磁钉轨道的磁钉循迹时，所述控制器准确定位车辆的位置；
所述车速传感器用于测量车辆的速度，通过积分获得车辆的运行距离；所述惯性导航模块用于测量车辆垂直于地面的角速度；所述前、后磁传感器用于检测到所述磁钉轨道的磁钉相对于车辆的横向位置；所述车速传感器、惯性导航模块、前磁传感器和后磁传感器测量得到的信息均反馈给所述控制器；
所述动力系统和制动系统分别将所述控制器出的模拟信号转化为相对应的驱动力矩和制动力矩，实现所述控制器对车辆的纵向车速控制；所述转向系统将所述控制器输出的模拟信号转化为相对应的方向盘转向角，实现所述控制器对车辆的横向转向控制；
S2，车辆按设定线路行驶在所述磁钉车道上，当所述前磁传感器经过任意磁钉正上方时，将该磁钉相对于车辆的横向位置发送给控制器，所述控制器识别磁钉的编号并准确定位车辆的物理位置；所述控制器根据设定线路号和磁钉编号，索引磁钉轨道电子地图，读取预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值，包括前磁传感器横向偏差参考值、后磁传感器横向偏差参考值、车辆偏航角度参考值和方向盘转向角参考值；
S3，所述控制器根据当前实时的车辆姿态测量值，包括前磁传感器横向偏差、后磁传感器横向偏差、车辆偏航角度和方向盘转向角，对比步骤S2中的当前轨迹参数的参考值，若各轨迹参数无偏差，则继续进行正常循迹运行；若各轨迹参数有偏差，则根据各轨迹参数的偏差大小判断车辆姿态是否故障，偏差大小阈值分为三个等级，1级为姿态轻微偏离，所述控制器作告警处理；2级为姿态一般偏离，所述控制器控制所述动力系统和制动系统作制动减速或点刹处理；3级为姿态严重偏离，所述控制器控制所述动力系统和制动系统作制动停车处理。
2.根据权利要求1所述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其特征在于，所述前磁传感器安装在所述车辆的前端，所述后磁传感器安装在所述车辆的中后端，所述前磁传感器与后磁传感器之间的距离为2m～8m，所述前磁传感器和后磁传感器的安装位置距离地面的高度为20cm。
3.根据权利要求1所述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其特征在于，所述前磁传感器和后磁传感器均由多个直线排列的磁场传感芯片组成，用于测量三维磁场；
所述前、后磁传感器经过磁钉上方时，所述前、后磁传感器上的每个磁场传感芯片反馈出不同的磁场强度，磁场强度的大小反应出相应的磁场传感芯片距离磁钉的远近；通过对多个磁场传感芯片测量的结果与磁钉磁场分布的物理模型进行拟合，精确判断每个磁钉相对于车辆的横向位置以及磁极方向。
4.根据权利要求1所述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其特征在于，所述车载传感器还包括摄像头和/或毫米波雷达，所述摄像头用于测量车辆前方的障碍物以及车道线信息；所述毫米波雷达用于测量车辆前方和侧面的障碍物；所述摄像头和毫米波雷达测量得到的信息均反馈给所述控制器。
5.根据权利要求1所述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其特征在于，步骤S2中，预制在磁钉轨道电子地图中的当前轨迹参数的参考值是通过多次循迹测试结果拟合而形成，具有概率统计特征。
6.根据权利要求1所述的一种车辆磁钉循迹运行的轨迹偏离防护方法，其特征在于，步骤S3中，各级偏差大小阈值的设计是根据反复循迹测试结果统计形成；针对各轨迹参数的偏差大小分别判断偏差等级，取最严重的姿态偏离等级作为判定结果，所述控制器根据姿态偏离判定结果进行对应的故障处理。
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