一种基于UWB标签的多车编队驾驶车列相对定位系统

一种基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统
技术领域
1.本发明涉及智能汽车技术领域，尤其是涉及一种基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统。


背景技术：

2.目前世界上大多数的自动驾驶汽车均采用“感知-规划-控制”(sense-plan-act)三层结构模式，首先利用车身装载的计算机视觉系统和先进的传感装置构筑的感知系统采集车身周围的道路环境信息；再采用复杂高效的智能算法处理环境信息，根据交通法规制定安全可靠的行驶策略，实时规划出可行的参考轨迹；最后对规划出的局部参考轨迹进行精确地跟踪。同时，车辆编队驾驶能够有效的提高道路利用率以及降低油耗，多车编队驾驶具有重要的意义和价值。因此，如何在考虑道路环境信息以及满足编队驾驶需求的前提下，规划出安全、平滑、高效的车辆驾驶路径仍然是自动驾驶技术研究的一项挑战。虽然国内外研究学者针对如何在高速、乡村公路等常见的路况下开展了如何实现编队驾驶车列的车车之间的基于无线通信的相对定位的研究，但如何解决gps信号在遮挡，隧道等场景下信号质量差，驾驶员缺乏超视距范围的交通信息的问题，进而提高编队驾驶车列的效率，提高智能驾驶的安全性，降低驾驶的难度尚未有有效的解决办法。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统，该系统包括设于多车编队各驾驶车列的前车、后车上的uwb定位标签、无线信息传输装置和定位消息接收装置，所述uwb定位标签包括设于前车上的第一基站模块、第二基站模块以及设于后车上的第三基站模块和uwb定位标签模块，第一基站模块、第二基站模块和第三基站模块通过无线信息传输装置连接uwb定位标签模块，uwb定位标签模块连接定位消息接收装置，定位消息接收装置连接后车的控制单元。
6.进一步地，所述uwb定位标签模块通过can线连接定位消息接收装置。
7.进一步地，所述无线信息传输装置包括与uwb定位标签配套的天线，uwb定位标签的每个模块配备一个天线，各天线通过发送接收超宽带无线消息发送或接收定位信息。
8.进一步地，所述定位信息接收装置包括依次连接的uwb定位标签模块专用连接线、控制器和高清显示屏，所述uwb定位标签模块专用连接线将定位标签接收的定位消息通过can通信传递至控制器，控制器对接收的定位消息进行解码，并转换为10进制距离和角度信息，所述高清显示屏显示与前车之前的相对距离、方位和姿态。
9.进一步地，所述控制器安装在车辆驾驶员舱内平整位置。所述高清显示器设于两个驾驶员座位中间的平台上。第一基站模块、第二基站模块设于前车的车尾顶部，并对称分
布在车轴线两侧，第三基站模块和uwb定位标签模块设于后车的车头顶部，并与前车的uwb定位标签模块位置对应。
10.本发明基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统进行相对定位检测的具体步骤包括：
11.s1：对uwb定位标签的四个模块进行安装，并采用定制的can线对其进行布线，包括通电和与控制器相连；
12.s2：启动车列前、后车的控制程序，使uwb定位标签模块能够正常无线传输消息帧；
13.s3：后车装有的uwb定位模块将定位消息帧沿can线传输给后车控制器，经过后车控制器转化成可解读的十进制距离、方位角和姿态角信息；
14.s4：按照要求对车列的行驶进行控制。
15.本发明提供的基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
16.1)本发明利用uwb标签对多车编队前、后车之间的相对位置进行定位，能够实现低延迟的定位消息传输，无线传输延迟控制在毫秒级；此外，基于uwb的定位具有低功耗对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，具有很高的定位准确度和定位精度，进而可以提高编队驾驶的效率，在复杂场景下通过近乎实时的相对定位信息提高控制策略的效率。
17.2)本发明为驾驶员提供了一定的周围环境信息，为驾驶员对危险场景进行提前预判提供信息基础。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供的基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统的结构框图；
19.图2为实施例中uwb定位标签的各模块的安装示意图；
20.图3为实施例中uwb定位标签的各模块关于距离方位姿态测量的相对定位模式示意图；
21.图4为实施例中uwb定位消息帧各字节含义参考示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
23.实施例
24.uwb(ultra wide-band)超宽带定位技术属于无线定位技术的一种。无线定位技术是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法，即定位算法。目前最常用的定位技术主要有：时差定位技术、信号到达角度测量(aoa)技术、到达时间定位(toa)和到达时间差定位(tdoa)等。其中，tdoa技术是目前最为流行的一种方案，uwb超宽带定位采用的也是这种技术。uwb高精度定位系统是凭借其超宽的信号带宽、较低的发射功耗以及高数据速率等的
特点研发的一套实时定位系统，能够精确定位。uwb的距离测量是基于“飞行时间”，定位精度可以达到厘米级，得以实现轨迹追踪。超宽带的主要优势有，低功耗、对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，具有很高的定位准确度和定位精度。
25.基于此，本发明提供了一种基于uwb标签的多车编队驾驶车列相对定位系统，该系统设置在多车编队驾驶车列的每列的前车(引导车)、后车(跟随车)上。该系统能够保证相对定位精度的同时，使其具有低延时特性。该系统主要包括三个部分：uwb定位标签、无线信息传输装置和定位消息接收装置。
26.其中，uwb定位标签设有多组，每一组完整的uwb定位标签包括四个标签，三个为基站模块，一个为uwb定位标签模块。uwb定位标签模块通过实时接收另外三个基站模块的信息，计算三个基站模块的相对位置与姿态。
27.无线信息传输装置被嵌入uwb定位装置中的uwb定位标签模块中，能够实现远距离消息传输。其中，uwb定位标签模块通过无线信息传输装置接收到无线传输的消息后，通过can线将定位消息传输给硬件设备，即定位消息接收装置。
28.在本实施例中，作为优选方案，无线信息传输装置包括与uwb定位标签配套的天线，每个模块配备一个天线。各天线通过发送接收超宽带(ultra wide-band，uwb)无线消息发送或者接收定位信息。
29.定位消息接收装置与车辆的控制单元连接。定位消息接收装置主要由控制器和相关的代码逻辑实现。can消息经过代码逻辑实现解析和加工，用于后续的车辆控制。本发明能够实现低延迟的定位消息传输，无线传输延迟控制在毫秒级。此外，基于uwb的定位具有低功耗对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，具有很高的定位准确度和定位精度。
30.在本实施例中，作为优选方案，定位信息接收装置包括uwb定位标签模块专用连接线、控制器、高清显示屏以及代码逻辑。
31.进一步地，uwb定位标签模块专用连接线将定位标签接收的定位消息通过can通信传递给控制器。代码逻辑通过对接收的定位消息进行解码，转换为易于展示和使用的10进制距离和角度信息。高清显示屏与控制器相连，用于显示与前车之前的相对距离，方位和姿态。
32.进一步地，基于上述系统的设计，结合图1，该系统的具体实施步骤如下：
33.步骤1：首先按照图2进行uwb定位标签的四个模块的安装，其中灰色圆形标记对应的是基站模块，白色圆形标记对应的是uwb定位标签模块。
34.即四个模块两两一组，其中两个基站模块的一组被固定在车列前车的车尾顶部，分布在车轴线两侧对称的地方。另一个基站模块和一个uwb定位标签模块组成的一组被固定在车列后车的车头顶部，与前车的uwb定位标签模块位置对应。天线为四个一组，一个天线与一个uwb定位标签模块对应，各个天线的型号完全一致。控制器被安装在驾驶员舱内平整的位置。高清显示器被固定在两个驾驶员座位中间前面的平台上，易于观察可视化信息。各模块安装完毕后，使用定制的can线对其进行布线，包括通电和与控制器相连。
35.进一步地，作为前车(引导车)，其车身上设有车载传感器，车载传感器所获取的信
息通过控制器发送至作为一组的两个基站模块上。如图1所示，车载传感器提供包括轮速，油门，刹车等控制单元所需原始信号，为了与uwb提供的定位消息信号不冲突，且能通过uwb无线传输消息帧，车载传感器相关信号经由控制器(发送)进行编码，将控制单元所需轮速，油门，刹车信号转换成uwb模块能够识别的无线传输消息帧。
36.步骤2：启动车列前、后车的控制程序，使得uwb定位标签模块能够正常的无线传输消息帧。
37.步骤3：后车装有的uwb定位模块将定位消息帧沿can线传输给后车控制器，经过后车控制代码(依照图3图4设计)解码转化成可解读的十进制距离，方位角，姿态角信息。相对定位模式由图3所示，跟随车车头与引导车车尾的中点所成夹角记为方位角θ，跟随车车头与引导车车尾的中点距离记为距离l，两车中轴线夹角记为姿态角β。uwb定位消息帧长度为8字节，包含了三个信息。详细解码见表1。结合图4以及表1，字节0帧计数位用与对定位消息帧进行计数，字节1状态位，提示当前uwb定位功能是否正常，字节2到3用于描述距离l，字节4到5用于描述方位角θ，字节6到7用于描述姿态角β。对于消息帧和10进制定位消息之间的转换公式，详见表1。
38.步骤4：按照要求对车列的行驶进行控制。
39.表1 uwb消息帧
40.[0041][0042]
本发明利用uwb标签对多车编队前、后车之间的相对位置进行定位，能够实现低延迟的定位消息传输，无线传输延迟控制在毫秒级；此外，基于uwb的定位具有低功耗对信道衰落(如多径、非视距等信道)不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强(能在穿透一堵砖墙的环境进行定位)，具有很高的定位准确度和定位精度，进而可以提高编队驾驶的效率，在复杂场景下通过近乎实时的相对定位信息提高控制策略的效率。另外，为驾驶员提供了一定的周围环境信息，为驾驶员对危险场景进行提前预判提供信息基础。
[0043]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。