基于多源信息耦合的无人车辆路径规划.docx

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1、摘要本文介绍了一种基于卫星惯性耦合的无人驾驶车辆路径规划的方法及分析，该方法从卫星导航、视觉导航、惯性导航、雷达导航等方面结合实现了无人驾驶车辆路径规划的方案。关键词：全球定位系统；实测数据分析；误差处理；导航方法；耦合方法。AbstractThispaperintroducesakindofbasedonthesatelliteinertialcouplingunmannedvehiclepathplanningmethodandtheanalysisandthemethodfromtheaspectsofsatellitenavigation,visualnavigation,inerti

2、alnavigation,radar,navigationandsooncombinationtoachievetheunmannedvehiclepathplanningscheme.keyword：Globalpositioningsystem;measurementdataanalysis;errorprocessing;navigationmethod;couplingmethod.目录摘要1第一章绪论41.1 论文背景及研究意义41.1.1 全球卫星导航定位系统概况41.1.2 无人驾驶车辆的发展应用41.1.3 本课题的研究意义51.2 国内外研究现状与分析51.2.1 无人驾驶车

3、辆研究现状51.2.2 国内外路径规划研究现状61.3 本论文主要结构及内容安排6第二章多源信息耦合及其应用82.1 引言82.2 卫星导航的原理82.3 多源信息耦合及其应用102.3.1 多源信息耦合的概念102.3.2 多源信息融合的基本原理与级别102.4 多源信息融合的特点122.4.1 优点132.4.2 不利因素132.5 多源信息耦合的应用132.5.1 多源信息融合问题分类142.5.2 民用142.5.3 军用142.6 本章小结16第三章GNSS/1NS耦合的方法及分析173.1背景173.2 INS/GNSS组合导航系统校准方法183.2.1 INS/GNSS组合导航的

4、工作原理183.2.2 组合导航校准方法193.2.3 车辆校准213.3 松耦合组合213.3.1 总体方法223.3.2 GNSS误差模型223.3.3 接受机位置误差模型223.3.4 INS误差模型233.4 紧耦合组合243.4.1 为获得INS垂直通道稳定性使用GNSS243.4.2 利用INS加速度以辅助GNSS信号追踪243.4.3 使用GNSS伪距243.4.4 实时INS校准253.5 实验结果273.6 本章小结26第四章视觉导航的原理及分析294.1 视觉导航方法的分类294.2 视觉导航方法的发展294.2.1 基于地图的导航方法294.2.2 地图生成型导航方法29

5、4.2.3 无地图导航方法304.3 组合视觉导航方法314.4 本章小结354.5 总结与展望365.1 总结365.2 展望36第一章绪论1.1 论文背景及研究意义1.1.1 全球卫星导航定位系统概况全球卫星导航系统，就是GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。卫星导航全球性大众化民用，刚刚开始，有百种应用类型。卫星导航的生命期至少还有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正应用只有十来年，现在GPS现代化，GPSln新阶段，延续到2020年。GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用，而且总的

6、发展趋势是为实时应用提供高精度服务。卫星导航的应用是建立导航卫星系统的根本出发点，也是其最终的归宿。一般来说应用市场中的卫星导航大致分为三大方面：专业市场、批量市场以及安防市场。站在应用的角度上全球卫星导航系统能够分成以下十类来描述：人员跟踪、航空、航海测绘、授时、通信、车辆监控管理、消费娱乐、汽车导航与信息服务以及其它类。1.1.2 无人驾驶车辆的发展应用由于驾驶员的驾驶工作繁重，并且随着汽车拥有量的增加，非职业驾驶员的熟练增多，导致交通事故频繁发生（据统计每分钟世界上就有一个人死于车祸，交通事故现已成为现代社会的第一公害）。如何提高汽车的主动安全性和交通安全性已成为急需解决的社会性问题。随

7、着计算机技术、电子技术、图像处理等信息处理技术研究的发展，研究人员开始将各种先进的技术应用于汽车控制上，从而辅助驾驶员进行汽车的操纵控制，如目前已经实用化的制动防抱控制系统、驱动力控制系统、四轮转向系统以及汽车稳定性控制系统等。在这些汽车电子控制系统研究的基础上，结合蓬勃发展的智能化信息处理技术,逐步产生了一个新兴的交叉学科车辆的自动驾驶（又称为智能汽车）。未来实用化的智能汽车将最大限度地减少交通事故、提高运输效率、减轻驾驶员操纵负担，从而提高整个道路交通的安全性、机动性与汽车行驶的主动安全性。科技部于2001年已正式启动实施了十五计划中的国家科技攻关计划重大项目“智能交通系统关键技术开发和示

8、范工程”来提高我国整个运输系统的管理水平和服务水平，提高效率和安全性，车辆的自主驾驶是实现智能交通系统的关键。车辆自主驾驶系统从本质上讲是一个智能控制机器，其研究内容大致可分为信息感知、行为决策及操纵控制三个子系统。路径规划是智能车辆导航和控制的基础，是从轨迹决策的角度考虑的，可分为局部路径规划和全局路径规划。根据全部地图的数据库信息能够规划出从起始点开始到目标点的一条没有碰撞、能够通过的路径。现在研究的结构化的道路环境在多种约束条件下的路径规划技术，自动形成的地形环境中的路径规划技术，和重要规划等。因为全部路径规划生成的路径是仅自起始点至目标点的粗糙的路径，不能考虑路径的宽度、曲率、道路交叉

9、、方向和路障等细节的信息，而且智能车在行驶的过程中会受局部的环境和自身的状态不稳定性的影响，遇到很多不能预测的情况。所以，在智能车行驶的过程中，只能从局部的环境信息和自身是状态信息作为基础,规划出一条没有碰撞的理想化局部路径，这就是局部的路径规划。一般路径规划的方法有:空间搜索法、势场域法、动作行为法、层次法、模糊逻辑法、栅格法和神经网络法等。车辆的自动驾驶系统是智能化的信息处理技术以及智能控制的技术在汽车上的具体应用。其研究将的重点将解决车辆智能控制和车载信息的感应、处理和传送等关键的技术，然后探索出适合我国国情的车辆自主驾驶系统的发展模式，为我国智能交通系统的开发、应用及产业化奠定基础，进

10、而带动制造业和服务业的发展，促进我国通过高新技术改造传统产业、信息化带动工业化的进程。1.1.3 本课题的研究意义基于卫星惯性耦合的无人驾驶车辆路径规划可以使无人车辆适应更多的路段以及路况。使无人车更加完善。1.2 国内外研究现状与分析1.2.1 无人驾驶车辆研究现状智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统,本课题主要基于卫星行为系统及惯性定位系统信息耦合开展无人驾驶车辆局部路径规划研究。近年来，智能无人驾驶汽车己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到重点发展的技术领域。在外国，从二十世纪七十年代开始，欧美等一些发达的国

11、家就开始进行智能的无人驾驶车辆研究，主要的研究方向都用在军事、高速公路以及城市上面。在军事方面，早在八十年代的初期，美国的国防部就已经大资助了自动的陆地车辆研究。到二十一世纪,为了加快无人驾驶车的研究，从04年起，美国的国防部中高级研究项目局(DARPA)举办了智能车的挑战大赛，这个大赛对加快智能车技术的交流和创新起到了非常显著的激励作用。现在，外国对智能车的研究已经进入了更加系统、深入、大规模研究的阶段，这个阶段的研究成果体现了现在外国智能车的研究方向。在全球的科学以及工业设计的圈子里面，所有的研究机构构思的智能车共同点有：德国大学一九八五年开发的VaMoRS智能原型车辆在户外的高速公路上能

12、够以每小时一百千米的速度测试，车辆使用了机器的视觉在横向以及纵向上对车辆进行控制。一九八八年，在都灵的第一次PRc)MRTHEUS项目委员会的会议上面，展示了智能车维塔(VlTA,7t),这辆车会自己停车然后前进,还能够对后面的车传出有关驾驶的信息。这两种车辆都添加了UBM的视觉系统，作为一个双目的视觉系统，它有很高的稳定能力。荷兰在对智能车的研究中有的工厂的货物运输，在车辆中用了CombirOad的系统，用无人驾驶车来运输货物，车辆行驶在路面上用磁导航的参照物，还用了光阵列的传感器来探测障碍物。荷兰在南部讨论的工业利用这种系统的问题，政府考虑到有的高速在公路上建了专用的车道，而这种系把统货物

13、从鹿特丹运到全球。日本大阪大学的Shirai实验室中研制的智能车，就用了航位推测的系统（DeadReckoningSystem）,不仅用了能旋转的编码器还用了电位计获取智能车的转向角，对只能车进行定位。在其他方面，斯特拉斯堡实验中心、奔驰公司、美国麻省理工学院、英国国防部、美国卡内基梅隆大学、韩国理工大学对智能车辆也很多的研究。跟外国相比，我国对智能车的研究起步太晚，但发展很快。一九八六年就有高技术发展计划（“863计划”）将智能机器人主题的总体作为战略的目标。一九九四年十月清华大学成功研制了“室外智能移动机器人THMR-III0随后，北京理工大学，国防科技大学，南京理工大学都开展了智能车的研

14、究。经过多年的研究我过清华大学计算机科学与技术系在人工智能与智能控制的实验室，而且取得了非常显著的成果。经过他们的研制自主移动机器人实验车THMR-V已经可以在复杂的道路中行驶了，车子的视觉系统由激光雷达和摄像机来提供，而信息的识别和处理则用了己有的图像处理技术，最后通过智能控制来让车子动起来。成为了我国现阶段最先进的智能驾驶车系统。他们正在进一步的研究和完善来实现各项功能以便在实际生活中应用。1.2.2 国内外路径规划研究现状随着科技的发展，为了攻克众多领域中的关键技术，全球的学者在路径规化取得了众多成果。由于路径规划应用包含较广，因此只用于机器人领域和虚拟物品以及游戏开发。关于计算机中传感

15、器和控制技术在不断的发展中，路径规划技术已作出了很大的突破，特别是对周围环境的全局路径规划。所以人们对未知环境中的路径规划有了更多的研究动力。从成果看，有下面几个方面：1）不断涌现的智能化算法。神经网络、模糊控制、遗传算法以及它们之间的结合。酹方法智能化后可以模拟人的思维，贴近非线性，有组织、学习的功能，且具备容错能力。2）不断提高的路径规划性能。其中包括安全性、实时性和可达性等。比如应用在移动机器人上的路径规划，一个可以正常行走的机器人，如果它的一项指标达不到标准，也一样会被淘汰，有些方法因为计实时性、算简单、安全性好等原因却可以存在。所以如何让不断的提高路径规划性能是大家都在探讨的问题。3）路径规划的多规划体系统。研究中协调路径规划已变得越来越热门，随着日记增加的应用，工作环境中需要规划的难度和需求的增多，路径规划的要求也不再局知识单个规划，更要求了动态的环境中能够使单个规划的路径与多规划体的合作形成统一。4）在路径规划中的多源信息耦合。智能车在动态的情况下从传感器得来的信息再用于路径的规划，而单一的传感器是不能使信息准确又可靠的，只有多个传感器相互组合才能得到既互补又低代价的信息，然后对周围环境进行分析。而多传感器在机器人的移动中的应用也越来越受到人们的关注。1.3 本论文主要结构及内容安排无人驾驶汽车即用车上的传感系统