CN109649388A - 用于引导自主车辆的方法及*** - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于引导自动驾驶车辆(102)的方法和***(100)。车辆包括基于超声的接近感测***。方法包括确定(200)车辆在预定坐标系中的位置和定向；在车辆中，从交通控制单元接收(202)预定路线；通过车辆控制单元(106)估算车辆行驶路径同时控制(204)车辆沿预定路线行驶；从在预定坐标系中具有已知位置的信标接收(206)超声信号，其中由信标发送的超声信号唯一地识别信标位置；通过在信标和车辆之间发送的超声信号来确定(208)车辆关于信标的相对位置；基于车辆的所确定的相对位置和信标的已知位置来确定(210)车辆在预定坐标系中的位置。

Description

用于引导自主车辆的方法及***
技术领域
本发明涉及一种用于引导自主车辆的方法及***。特别地，本发明涉及一种使用基于超声的***来引导自主车辆的方法和***。
背景技术
随着能够实现自主驾驶的车辆特征的可用性的增加，出现了期望以遥控方式使车辆自主地移动的越来越多的可能应用。
例如，可能希望将车辆的自动泊车功能扩展超出为不仅仅是泊入(park-in)和驶离(park-out)机动。例如，车辆可以被从停车库中的泊入空间自动地带到驾驶员处，或者当车辆停在停车库入口处时可以自动泊入。这可以看作自动礼宾服务/代客泊车。
然而，全自动驾驶要求车辆能够知道和控制车辆位置以及能够检测物体并识别潜在障碍物。
GPS是众所周知的定位***，并具有同样众所周知的限制。例如，车载GPS单元不能够以足够的精度确定车辆位置以在没有额外的支持***帮助的情况下用于鲁棒的自主驾驶方案，从而需要额外的车辆功能或外部基础设施。
此外，由于必须连接到GPS卫星，因此车载GPS单元不能在室内使用。
因此，需要一种用于以自主方式引导车辆的改进方法和***。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的一个目的是提供一种用于引导自动驾驶车辆的方法和***。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于引导自动驾驶车辆的方法。该车辆包括基于超声的接近感测***以及用于与交通控制单元通信的通信装置，所述接近感测***包括多个超声传感器。该方法包括确定车辆在预定坐标系中的位置和定向；在车辆中，从交通控制单元接收预定路线；通过车辆控制单元，控制车辆沿预定路线行驶同时估算车辆行驶路径；从在预定坐标系中具有已知位置的信标接收超声信号，其中由信标发送的超声信号唯一地识别信标；借助于在信标和车辆之间发送的超声信号确定车辆关于信标的相对位置；并且基于车辆的所确定的相对位置和信标的已知位置来确定车辆在预定坐标系中的位置。
在本文中，自动驾驶车辆(self-driving vehicle)应该被视为能够在没有任何驾驶员输入的情况下进行驾驶并且不需要驾驶员位于驾驶员座椅中。如今，许多车辆已具有此功能，但出于安全原因而被阻止自主操作。因此，所描述的方法能用于其中可以允许车辆的自主操作的封闭区域中。自动驾驶车辆也可以称为自主车辆(autonomous vehicle)或半自主车辆。
车辆的初始位置例如可以由车辆中的GPS装置确定。还可能的是交通控制***能通过其他方式建立车辆位置。可以从车辆中的指南针获取车辆定向。
在本文中，预定坐标系可以是任何合适的坐标系并且其可以是局部坐标系或全局坐标系。坐标系例如可以使其原点位于预定路线的起点或位于任何其他已知的参考点。
由信标所发送的超声信号唯一地识别信标位置意味着车辆能够基于从信标接收的信息而在预定坐标系中建立信标的参考位置。超声信号可包括信标标识符，其中车辆已经知道具有特定标识的信标的参考位置。信标还可以通过超声信号或通过其他手段将信标位置信息发送到车辆。
本发明基于以下认识：当通过使用车辆的基于超声的接近感测***借助于固定信标的辅助时，能沿预定路线引导自主车辆。由于基于超声的接近感测***在许多车辆中通常可用，因此可以对车辆进行引导而无需额外的和更复杂的***，例如雷达、激光雷达、基于摄像机的***等，并且不需要机动车辆外部的额外复杂的基础设施。这意味着所描述的方法可以以相对低的成本适用于范围广泛的车辆。该方法可以有利地用于在生产场所将车辆从生产线驾驶到第一泊车空间。
可以假设在没有来自路线期间实时位置测量的任何校正的情况下车辆本身不能够以足以沿着整个预定路线安全地驾驶车辆的精度来估算车辆行驶路径。因此，为了能够行驶任何相对大的距离，优选地沿着路线验证车辆位置，这能通过建立车辆关于在预定坐标系中具有已知位置的固定点(即信标)的相对位置来完成。预定坐标系中的信标位置对于车辆因此是已知的。使用超声信号的位置确定能以本领域技术人员公知的不同方式执行，并且将在以下详细描述中给出示例。然后，能仅使用信标来校准坐标系中的车辆位置。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括控制车辆以用作第二车辆的信标。由于可以假设车辆包括定位和通信所需的超声换能器，因此车辆还可以用作所述***中的信标。这消除了对特定信标装置的需要并且还开放了对所述***的其他可能用途。因此，当信标是包括基于超声的接近感测***的静止车辆时，所述方法能用在停车场中，其中沿着预定路线的所选车辆被控制为充当信标。该方法还能用于形成车辆队列，其中第一车辆行驶至其改变角色以充当信标的第一点，第二车辆跟随、经过第一车辆，停止，然后充当信标，以此类推，直到所有车辆到达最终目的地。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括：在车辆中，接收来自交通控制单元的信标位置信息。因此，交通控制单元能沿着路线控制车辆并且根据需要连续地向车辆提供信标位置信息。因此，交通控制单元能够在整个路线上经由RF通信信道连续地与车辆通信。交通控制单元还可以随着车辆行驶而更新和修改路线，以及例如由于沿着路线所检测到的危险或障碍物而暂时停止然后恢复一个或多个车辆的驾驶。在许多车辆和许多可能的信标可用的环境中，交通控制单元有利地控制哪些车辆应当作为信标，以便最有效地沿着路线引导车辆。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括：在车辆中，当接收预定路线时从交通控制单元接收信标位置信息。在路线开始之前已知沿着预定路线的所有信标的位置的实施例中，车辆可以在车辆开始沿着路径行驶之前从交通控制单元接收所有必要的信标位置信息。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括：在车辆中，经由RF通信信道从信标接收信标位置信息。因此，车辆不必依赖于从交通控制单元获得所有所需的信标位置信息。这可能使得车辆行驶更长的距离并且行驶出车辆控制单元的通信范围。
根据本发明的一个实施例，估算行驶路径可包括使用航位推算(dead reckoning)来计算车辆的位置。通过使用车辆驾驶参数(例如速度和转向角)的知识以及例如惯性测量单元(IMU)等，车辆可以使用航位推算以合理的精度估算行驶路径，这又增加了信标之间的所需距离。然而，应该注意到，信标之间的所需距离和位置可以通过一系列不同参数来确定，例如路线的形状、沿着路线的障碍物或危险等。
根据本发明的一个实施例，估算行驶路径可包括检测在预定坐标系中具有已知位置的道路指示器。由此，车辆可以沿着由道路指示器辅助的路线校准其位置，从而改善车辆的行驶路径估算。这种指示器可包括道路中的颠簸，或者如果车辆配备有一个或多个摄像机，则可包括在道路中或在道路侧的视觉指示器。
根据本发明的一个实施例，可以使用到达时间模型或到达时间差模型来执行确定车辆关于信标的相对位置。无论是基于无线电还是超声信号，定位通常基于命名为到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的两种模型中的任何一种。两个模型之间的高等级差异是TOA需要N个接收器，而TDOA需要N+1个接收器来解析N维中的位置，并且TOA需要发送器和接收器之间的时间同步，而TDOA不需要。这两种方法的细节是众所周知的，并且这里不再详细讨论。可以假设车辆具有所需数量传感器以根据所选模型执行定位，并且如果需要，则车辆和信标能够执行时间同步。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括控制接近感测***以在其中接近感测***监听信标信号的信标检测模式中进行操作。接近感测***通常基于以下原理操作：其中超声信号由换能器发送并且反射信号被接收和分析以确定车辆周围环境的特性并检测车辆附近的物体。在信标检测模式中，换能器配置为监听从信标所发送的信号。一旦发现了信标，就可以将接近感测***控制为根据预定方法与信标交互，以便建立车辆的相对位置。可以有利地对从每个信标所发送的超声信号进行编码，使得信标可以由车辆所唯一地识别。
根据本发明的一个实施例，该方法还可包括在信标检测模式和接近感测模式之间复用接近感测***。因此，车辆可以通过在接近感测和信标检测之间切换接近感测***的换能器的功能而在利用接近感测***来接近感测的同时监听信标。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制自动驾驶车辆的交通控制***。该***包括：交通控制单元，其配置成与车辆通信；车辆，其包括车辆控制单元、包括多个超声传感器的基于超声的接近感测***、以及配置为与交通控制单元通信的通信装置；以及至少一个信标，其在预定坐标系中具有已知位置。交通控制单元配置为：确定车辆在预定坐标系中的位置和定向；将预定路线发送到车辆；并且其中，车辆控制单元配置为：在估算车辆行驶路径的同时控制车辆沿预定路线行驶；从信标接收超声信号，其中由信标发送的超声信号唯一地识别信标位置；借助于在信标和车辆之间发送的超声信号确定车辆关于信标的相对位置；并且基于所确定的车辆的相对位置和信标的已知位置来确定车辆在预定坐标系中的位置。
根据本发明的一个实施例，信标可包括信标RF通信单元，并且车辆包括车辆RF通信单元，并且其中信标配置为经由RF通信信道向车辆发送信标位置信息。RF通信单元例如可以是WiFi装置、蓝牙装置等。
本发明第二方面的附加效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明第一方面所述的那些效果和特征。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了下面描述的实施例之外的实施例。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的交通控制***；
图2是概述根据本发明实施例的方法的总体步骤的流程图；
图3示意性地示出了根据本发明实施例的方法；
图4示意性地示出了根据本发明实施例的方法；以及
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的方法。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参考交通控制***和使用交通控制***引导自动驾驶车辆的方法来描述根据本发明的***和方法的各种实施例，其中车辆是轿车。然而，所述方法和***的各种实施例同样适用于其他车辆，例如卡车、公共汽车等。
图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的用于控制自动驾驶车辆102的交通控制***100。***100包括交通控制单元104，其配置为经由诸如WiFi或蓝牙的无线RF通信信道与车辆102通信。车辆102包括：车辆控制单元106；包括多个超声传感器108的基于超声的接近感测***以及通信设备110，该通信装置110配置为经由无线RF通信信道与交通控制单元104通信。超声传感器108通常以超声换能器的形式提供，其能够发送和接收超声信号。但是，还可以提供由单独的发送器和接收器单元组成的超声传感器108。超声传感器108在此示出为位于车辆102的拐角处或附近。在接近感测***中，优选的是，传感器108设置成使得可以检测车辆的所有侧上的物体。此外，为了准确地确定车辆102关于信标(beacon)112的位置，两个单独的传感器108必须能够接收由信标112发送的信号，并且两个传感器108之间的间隔距离必须足够大以使得能够识别信标112和相应传感器108之间的两个单独的路径。这能例如通过在车辆的每个角落中放置一个传感器108来实现，如图1所示，假设传感器108具有至少270°的水平方向灵敏度。当然可以利用位于车辆102的各个侧上的更多数量的传感器108来实现相同的区域覆盖。
***100还包括在预定坐标系中具有已知位置的至少一个信标112。
控制单元104,106可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程装置。控制单元104,106还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在控制单元包括可编程装置(例如上面提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。
此外，车辆控制单元106可以是车辆102的通用控制单元，或者可以是专门配置成控制车辆引导和接近感测***的专用控制单元。
图2是概述根据本发明一个实施例的方法的总体步骤的流程图。将进一步参考图3描述该方法，图3示意性地示出了该方法的各个步骤。
首先，在预定坐标系中确定200车辆102的位置和定向。这里将预定坐标系示为常规的二维xy坐标系。然而，可以使用任何已知的坐标系。车辆的位置和定向可以在车辆102中例如使用GPS和指南针来确定并且随后由车辆102经由车辆102的通信装置110提供给交通控制***100。交通控制***100还可以从指示车辆102处于指定位置并具有已知定向的算子接收命令。交通控制***100还可包括用于确定车辆位置和定向的摄像机或其他传感器。
交通控制***100还可以与总体逻辑***(overarching logistics system)通信并由其控制，该总体逻辑***分层设置使得逻辑***在交通控制***100确定预定坐标系中的实际路线并控制车辆102行驶所确定的路线的同时确定一个或多个车辆102的路线的起点和终点。因此，假设交通控制单元104充分了解起点和终点之间的区域的地理和布局以便能够确定合适的路线。路线可由一系列坐标点、矢量或任何其他合适的路线表示来定义。
一旦确定200车辆位置和定向并且由交通控制单元104建立了路线，则车辆102从交通控制单元104接收202预定路线。由交通控制单元104向车辆102提供的信息可包括沿着路线的信标位置的信息，其中信标位置定义在预定坐标系中。
然后，车辆控制单元106将控制204车辆沿预定路线行驶，同时例如通过航位推算来估算车辆行驶路径。
当车辆102沿着路线行驶时，其将最终从信标112接收206超声信号，其中，由信标112发送并由车辆102接收的超声信号通过将信标102识别为车辆已知的信标102或通过发送位置信息作为超声信号的一部分来唯一地识别信标位置。车辆102还可以借助在车辆102和信标112之间建立的RF通信信道接收描述信标位置的信息。在信标112是静止车辆102的实施例中，这样的通信接口可能已经建立。可以假设由信标112发送的超声信号具有大约20至30m的有效范围，并且原则上需要清晰的视线。
在信标112和车辆102都包括RF通信单元的实施例中，车辆102和信标112之间的RF通信可用于确定车辆102何时处于信标112的超声范围内。因此，信标112能估算车辆102何时在信标112的范围内以及信标112何时应该开始发送超声信号，并且车辆102能确定何时应该开始监听由信标112发送的超声信号。由于信标112仅需要在车辆102处于信标112的范围内时发送信号，因此能提供更节能的***。如果信标112是另一车辆，则这是特别有利的。
接下来，通过使用例如到达时间或到达时间差方法借助于从信标112发送到车辆102的超声信号来确定208车辆102相对于信标112的相对位置。由于仅确定信标与一个传感器108之间的距离以准确地确定车辆102的相对位置是不够的，因此车辆相对于信标112的位置在预定坐标系中的至少两个维度中进行确定。能假定位置确定的精度小于10cm，并且优选地在3到5cm的范围内，这对于所描述的实施方式是足够精确的。还假设每个传感器108相对于车辆102的精确位置总体已知具有高精度。
在本说明书中，通过从信标112发送超声信号且该超声信号随后由车辆102中的至少两个超声接收器108接收来确定车辆102的相对位置。还可以借助于在信标112和车辆102之间使用超声信号的双向通信的方法来确定车辆102的位置。
最后，能基于车辆102的所确定的相对位置和信标112在预定坐标系中的已知位置来确定210车辆102在预定坐标系中的位置。然后，将车辆102的测量位置与由车辆102所估算并在路线行驶控制中使用的当前车辆位置进行比较，并且如果当前估算车辆位置与测量车辆位置之间的差异大于预定极限，则车辆102所使用的车辆位置被调整为对应于所确定的车辆位置。
图3示意性地示出了简化示例，其中路线300简单地是从点A到点B的直线。这里示出了估算车辆位置302可能偏离实际车辆位置304，这可能是在航位推测计算中误差的结果。由此能在路线继续之前校正车辆位置。也可以在车辆102正在移动时确定车辆102的位置，只要车速不太高，例如低于10km/h。当确定相对车辆位置时，还可以考虑当前车辆速度。
在图4中，示出了路线400，其中车辆沿着从点A到点B的路线与第一信标112a和第二信标112b交互。在需要高精度的环境中，可以将信标112a-b设置成使得车辆102沿着整个路线总是位于信标102的范围内。用于给定路线的信标112的所需位置可以由交通控制***100或逻辑***确定。此外，交通控制单元104可以配置为在路线期间与车辆102通信以接收关于偏离路线或意外障碍物的信息。交通控制单元104优选地还具有将紧急停止信号发送到车辆的能力。
图5示意性地示出了本发明的一个实施例，其中车辆102将从停车场入口处的起始位置A引导到最终位置B，该最终位置B是选定停车空间。这里，已停车辆502,504,506,508用作沿着路线的固定信标。该路线还包括呈凸起510形式的指示器。假定，车辆102知道凸起510在预定坐标系中的位置并且车辆102因此能在车辆102中检测到凸起510时校准其位置。
尽管已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。而且，应该注意到，可以以各种方式省略、互换或设置方法和***的部分，该方法和***还能够执行本发明的功能。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (15)

1.一种用于引导自动驾驶的车辆(102)的方法，所述车辆包括基于超声的接近感测***及用于与交通控制单元(104)通信的通信装置(110)，所述接近感测***包括多个超声传感器(108)；
所述方法包括：
确定(200)所述车辆在预定坐标系中的位置和定向；
在所述车辆中，从所述交通控制单元接收(202)预定路线；
通过车辆控制单元(106)，控制(204)所述车辆沿预定路线行驶同时估算车辆的行驶路径；
从在所述预定坐标系中具有已知位置的信标接收(206)超声信号，其中由所述信标发送的超声信号唯一地识别所述信标位置；
借助在所述信标与所述车辆之间发送的超声信号来确定(208)所述车辆相对于所述信标的相对位置；以及
基于所述车辆的所确定的相对位置和所述信标的已知位置来确定(210)所述车辆在所述预定坐标系中的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括控制所述车辆充当用于第二车辆的信标。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述信标是包括基于超声的接近感测***的静止车辆。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括控制充当信标的车辆来充当交通控制***中的车辆。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在所述车辆中，接收来自交通控制单元的信标位置信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当接收预定路线时，接收信标位置信息。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在所述车辆中，经由RF通信信道从所述信标接收信标位置信息。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，估算行驶路径包括使用航位推算来计算车辆的位置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，估算行驶路径包括检测在所述预定坐标系中具有已知位置的道路指示器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用到达时间模型或到达时间差模型来执行确定所述车辆相对于所述信标的相对位置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：控制所述接近感测***在信标检测模式中进行操作，在信标检测模式中所述接近感测***监听信标信号。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在信标检测模式和接近感测模式之间复用所述接近感测***。
13.一种用于控制自动驾驶的车辆(102)的交通控制***(100)，该***包括：
配置为与车辆通信的交通控制单元(104)；
车辆，其包括车辆控制单元(106)、基于超声的接近感测***以及配置为与所述交通控制单元通信的通信装置(110)，所述接近感测***包括多个超声传感器(108)；
至少一个信标(112)，其在预定坐标系中具有已知位置；
其中，所述交通控制单元配置为：
确定所述车辆在预定坐标系中的位置和定向；
将预定路线发送到所述车辆；
并且其中，所述车辆控制单元配置为：
控制所述车辆沿着预定路线行驶同时估算车辆的行驶路径；
从所述信标接收超声信号，其中由所述信标发送的超声信号唯一地识别所述信标的位置；
借助于在所述信标和所述车辆之间发送的超声信号确定所述车辆相对于所述信标的相对位置；以及
基于所述车辆的所确定的相对位置和所述信标的已知位置来确定所述车辆在预定坐标系中的位置。
14.根据权利要求13所述的交通控制***，其中，所述信标是包括基于超声的接近感测***的静止车辆，所述接近感测***包括多个超声传感器。
15.根据权利要求13或14所述的交通控制***，其中，所述信标包括信标RF通信单元，并且所述车辆包括车辆RF通信单元，并且其中，所述信标配置为经由RF通信通道向所述车辆发送信标位置信息。
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