[发明专利]一种基于超声波阵列的无人驾驶机械车辆位姿测量与追踪方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种无人驾驶机械车辆位姿测量与追踪方法，特别涉及一种无人跟车行驶过程中的位姿测量与追踪方法。

二、背景技术

无人跟车驾驶技术将帮助运输行业增强交通安全，提高运输效率。该项技术是由一辆卡车作为领队，后方车辆通过精密的传感器和通信设备，对与前方车辆之间的车距、速度以及方向等进行实时测量，实现无人跟车驾驶，可将驾驶员从驾驶中解放出来。在运输行业，无人化是大势所趋，相比人工驾驶，无人跟车驾驶卡车大约能降低15％的成本，利用这种新技术能大大降低成本，提高生产效率及安全性。此外，无人跟车驾驶卡车还可以在高海拔、人烟稀少的沙漠地区稳定运行，同时还能节约能源和减少二氧化碳的排放，因此带来了巨大的经济效益与社会效益。国内外各大厂商都投入了巨大的成本，如力拓集团在布局整个无人跟车驾驶卡车上就花费5亿多美元，百度公司目前在无人跟车驾驶领域已经投入200多亿元人民币。无人跟车驾驶过程中关键环节之一是寻找低成本、高可靠性的无人化位姿测量与追踪技术。

目前常用的无人跟车驾驶车辆位姿测量与追踪方法主要采用红外测距仪、激光测距仪、四象限图像追踪仪以及基于GPS的检测定位方式，但上述方式也都存在一定的缺陷，比如红外测距的方式对颜色、光电强度、物体表面反光强度等因素都比较敏感，实际应用过程中检测距离有较大误差；激光测距仪存在检测区域小，为直线的点到点的检测，当被测物体距离较远或晃动较大时很难做到单点准确检测定位；基于四象限的图像追踪定向较好，目前常用在导弹追踪定位中，但这种方法对图像背景质量以及图像处理技术要求较高，即要求背景不能太复杂，否则也容易出现干扰源偏多、目标识别难度大、最终导致目标丢失问题，在导弹四象限的图像追踪过程中，背景图像基本为天空，空中目标少，背景图像简单，易于实现精确的追踪定位，但对于无人跟车驾驶车辆而言，路面的情况要比天空复杂的多，因此这种方法对于无人跟车驾驶车辆难以适用；基于GPS的方法要想实现高精度的追踪定位，需要借助于RTK差分检测定位，即需要建立基准站和前后车移动站，以及相互间的数据通信，成本较高，基准站和移动站距离不能太远，限制了无人跟车驾驶车辆在大范围内有效行驶的实现，而且当无人跟车驾驶车辆在茂密的森林、高楼、陡峭山坡旁行驶时，信号源极易被这些障碍物遮挡而出现丢失，存在隐患。因此急需找到一种简单实用、成本低廉、受干扰因素少的无人跟车驾驶车辆追踪定位方法，以便在运输投送过程中减少人力物力投入、减少人员伤亡率、提高输送效率和社会效益。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声波阵列的无人跟车驾驶车辆位姿测量与追踪定位方法，该方法包括超声波发射器阵列、超声波接收器阵列、供电模块、车载控制模块。超声波阵列发射器通过两只带脉冲编码的超声波传感器组成，其中发射器布置于有人驾驶的前车上，接收器布置于无人跟车驾驶的后车上，借助于车载控制(处理)器，解算无人跟车驾驶车辆与前车的位姿关系，实现对无人跟车驾驶车辆相对前车的距离、角度以及速度的精确测量解算，从而自动调整行驶路线，完成无人跟车行驶任务。

本发明为解决上述技术问题采用以下步骤：

步骤(1)：构造多个超声波发射器、接收器的特定阵列。其中两个广角脉冲编码超声波发射器设置在前车的尾部(附图1中1、2)，与前车发射控制模块5连接；两个广角超声波接收器(附图1中3、4)设置在无人跟车驾驶车辆的前部，与后车接收控制模块7连接。

步骤(2)：在前车上布置电源、超声波发射控制器，在后车上布置电源、超声波接收控制器以及车载控制器(不是本发明涉及的内容，主要用来控制无人跟车驾驶车辆的方向盘、油门以及刹车)。电源负责给广角脉冲编码超声波收发器、超声波发射和接收控制器、车载控制器供电。

步骤(3)：前车的广角脉冲编码超声波发射器在发射控制器的控制下，采用带脉冲编码的方式进行间歇发射超声波数据，后车每个超声波接收器都可以接收前车两个发射器的编码和距离信息，这些距离信息与两个发射器之间的尺寸和两个接收器之间的尺寸一起构成动态四边形(参考附图5中的a，b，c，d，DE，AB)。

步骤(4)：后车接收控制模块解算上述动态四边形，计算获得无人驾驶机械车辆相对于前车的位姿信息，如相对前车的距离、角度以及速度等；

步骤(5)：后车根据解算得到的两车相对位姿信息，输出车辆控制信息，并通过CAN总线发送给车载控制器，实现对无人跟车驾驶车辆方向盘、油门、刹车等部件的控制，实现无人跟车驾驶车辆根据前后车的相对位姿信息进行自动调整行驶路线，完成规定的无人跟车行驶任务。