一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统的制作方法

1.本发明属于车辆自动驾驶仿真领域，涉及一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统。


背景技术：

2.基于磁编码定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆，是数字轨道捷运系统的关键子系统之一，系统综合运用高精度定位、循迹导向技术、电子地图技术、环境感知技术、车路协同和数字轨道车辆智能驾驶技术相结合，保证车辆在数字化轨道上稳定运行，实现了数字轨道车辆的运行控制以及安全防护、辅助驾驶和运行监控等功能。
3.在项目工程化应用过程中，数字轨道化运行车辆自动驾驶取代人类驾驶，决定了其对安全性和可靠性具有非常严格的技术要求，但是数字轨道化运行车辆控制器具有控制参数多、程序复杂的特点，真实车辆的道路行驶试验不足以验证控制器控制策略的全面性。例如故障诊断、极限工况测试等，而且很多试验是无法在原机上完成的，比如最大速度行驶试验等，同时在实验过程中，也常会发生由于前一阶段设计的缺陷，而导致实验出现重大故障，这也给实验设备和人员带来了很大的危险性。所以这些都使得进行真机的实验过于困难，风险性加大。
4.数字轨道化的自动驾驶车辆上路前需要经过大量测试，代替实车的仿真测试已成为各大汽车厂商与自动驾驶技术供应商关注重点，科学完善的测试与评价系统对提高自动驾驶汽车研发效率、保障交通安全、促进产业健康发展至关重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，既能达到检测改进的目的，又能保证安全，方便操作，为数字轨道化车辆自动驾驶提供更安全可靠的系统解决方案。
6.实现上述目的的技术方案是：一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，包括仿真上位机、虚拟场景仿真模型、车辆动力学模型、车辆控制器和驾驶模拟器，其中：
7.所述仿真上位机与所述虚拟场景仿真模型相连；
8.所述虚拟场景仿真模型通过
can
接口或以太网接口与所述车辆控制器通讯；
9.所述车辆控制器通过
can
接口或以太网接口与所述车辆动力学模型通讯；
10.所述仿真上位机通过
can
接口或以太网接口与所述车辆动力学模型通讯；
11.所述仿真上位机通过
usb
接口或以太网接口与所述驾驶模拟器通讯；
12.所述虚拟场景仿真模型通过对基于磁编码定位技术的数字轨道进行数字轨道化建模与设计，形成高精度地图的虚拟仿真场景，并结合相关车辆、路径和信号信息的模拟，发送给所述车辆控制器，所述车辆控制器通过数字轨道化运行车辆的横纵向控制算法给出控制指令，将对车辆的控制指令实时发送给所述车辆动力学模型，执行制动、转向控制请求
实现车辆的自动驾驶控制。
13.上述的一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，其中，所述基于磁编码定位技术的数字轨道包括车道和设置车道上的多个间隔等距的磁钉，待测车辆的前、后端分别设置有磁传感器阵列，车辆在行驶中，通过前、后端的磁传感器阵列，计算车辆与目标行驶轨迹的横向偏差，所述车辆控制器通过每一仿真时刻车辆的位置偏差和航向偏差，结合当前车速、前轮转角和数字轨道地图中曲率计算出方向盘转角指令，驱动车辆前轮转向，实现数字轨道化自动驾驶车辆的自动循迹控制。
14.上述的一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，其中，所述仿真上位机设置有仿真数据分发系统，所述车辆动力学模型将每一帧实时计算的车辆位置、速度、姿态和角速度信息以网络数据包形式发送至虚拟场景仿真模型的数字轨道化数学模型中，所述虚拟场景仿真模型根据提前加载的电子地图和磁编码数据，快速检索并解算出当前车辆距离最近的磁钉信息，并由所述仿真数据分发系统添加车辆行驶j1939信息，最终以网络数据包或can信号形式发送至待测车辆的车辆控制器，所述车辆控制器根据数字轨道化运行车辆的横纵向控制算法给出横纵向控制指令后，再通过网络数据包将横纵向控制指令封装发送至所述车辆动力学模型，驱动车辆仿真系统进行下一拍仿真计算和运行，如此循环迭代进行。
15.本发明的基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，实现了将车辆数学模型、传感器模型、自动驾驶控制算法、数字轨道信息等众多的数据整合与集成，既能达到检测改进的目的，又能保证安全，方便操作，为数字轨道化车辆自动驾驶提供更安全可靠的系统解决方案。
附图说明
16.图1为本发明的基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统的框架图；
17.图2为本发明的基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统的仿真数据流向示意图；
18.图3为车辆运行中磁编码定位示意图。
具体实施方式
19.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：
20.请参阅图1，本发明的最佳实施例，一种基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，采用异构分布硬件架构，包括仿真上位机1、虚拟场景仿真模型2、车辆动力学模型3、车辆控制器4和驾驶模拟器5。
21.仿真上位机1与虚拟场景仿真模型2相连；虚拟场景仿真模型2通过
can
接口或以太网接口与车辆控制器4通讯；车辆控制器4通过
can
接口或以太网接口与车辆动力学模型3通讯；仿真上位机1通过
can
接口或以太网接口与车辆动力学模型3通讯；仿真上位机1通过
usb
接口或以太网接口与驾驶模拟器5通讯。
22.虚拟场景仿真模型2通过对基于磁编码定位技术的数字轨道进行数字轨道化建模与设计，形成高精度地图的虚拟仿真场景，并结合相关车辆、路径和信号信息的模拟，发送
给车辆控制器4，车辆控制器4通过数字轨道化运行车辆的横纵向控制算法给出控制指令，将对车辆的控制指令实时发送给车辆动力学模型3，执行制动、转向控制请求实现车辆的自动驾驶控制。
23.请参阅图3，基于磁编码定位技术的数字轨道包括车道10和设置车道上的多个间隔等距的磁钉20，待测车辆100的前、后端分别设置有磁传感器阵列101。数字轨道化行驶车辆控制总体上可分为横向控制和纵向控制，前者主要研究车辆的道路跟踪能力，并保证车辆的行驶平稳性和舒适性，而后者主要侧重于为保持合适的车距而进行的车速控制研究。仿真中车辆具体控制过程如下：车辆100在行驶中，通过前、后端的磁传感器阵列101，计算车辆与目标行驶轨迹的横向偏差，车辆控制器4通过每一仿真时刻车辆的位置偏差和航向偏差，结合当前车速、前轮转角和数字轨道地图中曲率计算出方向盘转角指令，驱动车辆前轮转向，实现数字轨道化自动驾驶车辆的自动循迹控制。
24.把磁钉的磁场强度作为信号源，使用车载磁传感器检测磁钉的场强信号，通过处理持续不断检测到的信号变化对车辆横向进行定位。磁导航具有很高的测量精度及良好的重复性，相对于基于光学导航的系统，磁导航不容易受雨水、雾、雪等天气情况及光线变化的影响，在运行的过程中，磁传感系统具有很高的可靠性和鲁棒性，磁钉一旦埋设好后，维护费用低，使用寿命长。在实际道路上，磁钉埋置在道路中心线上一般以一定的距离间隔沿着车辆的目标行驶轨迹埋设，由于磁钉具有两个不同的极性，所产生的磁场方向相反，因此通过改变磁钉的极性可以进行二进制编码，提供当前道路特征信息及交通信息，实现道路信息预瞄，提高车辆的道路跟踪性能。通过磁编码技术可以拓展的道路数据包括道路曲率、行驶场景、经纬度坐标、信号优先数据、行驶速度约束和坡度等道路信息。为了对数字轨道化行驶过程进行仿真，设计了相对应的车载电子地图文件，存储在车辆控制器中，供车辆控制算法检索和提取数字轨道信息使用。
25.请参阅图2，仿真上位机1设置有仿真数据分发系统11，车辆动力学模型3将每一帧实时计算的车辆位置、速度、姿态和角速度信息以网络数据包形式发送至虚拟场景仿真模型2的数字轨道化数学模型中，虚拟场景仿真模型2根据提前加载的电子地图和磁编码数据，快速检索并解算出当前车辆距离最近的磁钉信息，并由仿真数据分发系统11添加车辆行驶j1939信息，最终以网络数据包或can信号形式发送至待测车辆的车辆控制器4，车辆控制器4根据数字轨道化运行车辆的横纵向控制算法给出横纵向控制指令后，再通过网络数据包将横纵向控制指令封装发送至所述车辆动力学模型3，驱动车辆仿真系统进行下一拍仿真计算和运行，如此循环迭代进行。
26.本发明的基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，具有驾驶模拟器5、车辆控制器4、车辆动力学模型3、虚拟场景仿真模型2四部分。车辆控制器4开发过程中，模型与仿真是重点，同时在控制器软件模型开发成型后，为了验证和改进控制策略设计的全面性，就必须需要车载控制器与被控实物之间进行大量的各种工况的综合实验，以发现设计中的问题和不足，以仿真实验提高研发效率。
27.自动驾驶仿真技术的原理就是在仿真程序所建模的场景内，用数学模型和算法代替真实车辆控制器和被控对象，再结合传感器仿真等技术，完成对车辆控制算法的测试和验证。整个仿真系统基于c/s系统架构，主要通过以太网相互通信。一个完整的数字轨道自动驾驶车辆仿真系统需要包括多个功能，从而进行实时迭代的状态，算法与仿真平台相结
合并形成一个闭环。仿真系统中车辆动力学模型3，实时数据流通过以太网接口与待测的硬件进行信息交互和通讯。
28.异构分布硬件架构可以在一定程度上提升仿真系统的存储和计算能力，在通讯层面，设备间通讯采用udp为基础的数据包，并辅助can总线通讯，模拟整个仿真系统的数据流。仿真系统采用基于linux内核的操作系统，软件开发过程主要采用c/c 编程实现，可以多进程的并行处理仿真中的信息。在这个过程中，为了保证仿真结果的一致性，要求各个仿真节点的运行速度必须保持一致，根据当前仿真任务的完成情况来控制整个系统的仿真计算迭代周期，既能保证每一个节点能够顺利完成任务又能保证整个系统的数据保持一致性。
29.综上所述，本发明的基于磁定位技术的数字轨道化自动驾驶车辆仿真系统，实现了将车辆数学模型、传感器模型、自动驾驶控制算法、数字轨道信息等众多的数据整合与集成，充分提高数字轨道化自动驾驶系统的安全性和可靠性，并综合考虑成本因素，将磁定位技术和数字轨道技术相结合进行车辆自动驾驶仿真测试，既能达到检测改进的目的，又能保证安全，方便操作，为数字轨道化车辆自动驾驶提供更安全可靠的系统解决方案。
30.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。