自主駕駛車輛的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及自主駕駛車輛的控制方法，包括：產(chǎn)生表示車輛的定位和航向的位置信號；根據(jù)所述位置信號產(chǎn)生車輛的操作控制信號；以及通過考慮通過網(wǎng)絡(luò)向所述車輛傳送其位置的其它自主或非自主車輛的其它定位，控制車輛沿著車輛的更新的行駛路線的運(yùn)行。
【專利說明】自主駕駛車輛的控制方法
[0001]本申請是基于申請?zhí)枮?00980147195.X、申請日為2009年10月26日、發(fā)明名稱為“自主駕駛車輛的控制和系統(tǒng)”的專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請涉及2006年3月16日提交的名稱為“NAVIGAT1N AND CONTROL SYSTEMFOR AUTONOMOUS VEHICLES”的 US 系列號 11/376，160 (代理人案件 N0.284361US)。該申請的全部內(nèi)容在此引用作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及集成的傳感器和基于計(jì)算機(jī)的算法系統(tǒng)，所述系統(tǒng)控制和指引自主駕駛車輛。

【背景技術(shù)】
[0005]在現(xiàn)代汽車中，駕駛員仍然是汽車的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，因?yàn)轳{駛員做出以車輛的安全行駛為目標(biāo)的各種決策，包括速度，轉(zhuǎn)向，障礙物和危險(xiǎn)識別，及障礙物和危險(xiǎn)的躲避。然而，由于各種物理因素，比如駕駛員疲勞，駕駛員機(jī)能障礙，駕駛員疏忽，或者諸如減小駕駛員成功避開危險(xiǎn)所需的反應(yīng)時(shí)間的能見度之類的其它因素，駕駛員完成所有這些功能的能力會受損。
[0006]此外，在危險(xiǎn)的周圍環(huán)境中，例如在作戰(zhàn)背景中，或者在存在毒害或核輻射危險(xiǎn)的背景中，駕駛員處于危險(xiǎn)之中。事實(shí)上，伊拉克的路邊炸彈只是人員傷亡的一個(gè)現(xiàn)代例子，如果向軍隊(duì)運(yùn)送物資的補(bǔ)給車是無人駕駛汽車，那么在許多情況下，這樣的人員傷亡是可避免的。
[0007]在其它更常規(guī)的環(huán)境中，駕駛員會迷失方向或者在身體上不能控制車輛，如果駕駛員突發(fā)疾病，或者如果在駕駛情況下，駕駛員變得迷失方向，那么會發(fā)生這種情況。這種迷失方向或者喪失能力的環(huán)境的一個(gè)例子是在下雪，起霧，下雨和/或夜間燈光轉(zhuǎn)暗的條件下駕駛或轉(zhuǎn)向的汽車或船只，在這種條件下，駕駛員(或者船只的船長)感知正在逼近的危險(xiǎn)，或者船只正在接近的危險(xiǎn)，并作出反應(yīng)的能力低下。
[0008]從而，不論是致力于人類在車輛控制方面的不足，還是在人類控制并不可取的環(huán)境有害的條件下，都需要具有在車輛的路線中或者將進(jìn)入車輛的路線中的固定物體和移動物體的車輛識別系統(tǒng)和方法。
[0009]報(bào)告了和自動駕駛車輛及激光探測和可視化系統(tǒng)的開發(fā)有關(guān)的眾多文獻(xiàn)，比如下面的參考文獻(xiàn)，所有這些文獻(xiàn)在此引為參考:
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[0016]7) D.Coombs, B.Yoshimi, T.Tsai 和 E.Kent, “Visualizing Terrain andNavigat1n Data, ” NISTIR6720, (MarchOl, 2001)；
[0017]8) Jenkins 等的美國專利 N0.5, 644, 386 ；
[0018]9) Andressen 的美國專利 N0.5, 870, 181 ；
[0019]10)Krasutsky 等的美國專利 N0.5, 200, 606 ;和
[0020]11) Ruff 等的美國專利 N0.6，844，924 ；
[0021]盡管進(jìn)行了這些工作，不過一直未實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)目梢暬?，障礙識別和障礙規(guī)避系統(tǒng)和方法，而不存在限制車輛的操作(尤其是就市區(qū)環(huán)境中的自主指引而論)的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航和控制系統(tǒng)包括配置成產(chǎn)生位置信號的一個(gè)或多個(gè)位置傳感器，所述位置信號表示車輛的定位和航向。系統(tǒng)包括獲得輸入，并產(chǎn)生控制車輛的工作的輸出的一個(gè)或多個(gè)操作控制機(jī)構(gòu)，并且包括遠(yuǎn)離操作控制機(jī)構(gòu)布置的自含式自主控制器。自主控制器包括配置成從位置傳感器接收位置信號，并產(chǎn)生定義車輛的更新的行駛路線的操作控制信號的處理器，和提供位置傳感器，操作控制機(jī)構(gòu)和處理器之間的通信的可編程接口?？删幊探涌诒慌渲贸墒箯奈恢脗鞲衅鹘o處理器的輸入歸一化，并產(chǎn)生用作操作控制機(jī)構(gòu)的輸入的兼容操作控制信號，從而自含式自主控制器是可配置的，以便與各種不同的傳感器和不同的操作控制機(jī)構(gòu)一起工作。
[0023]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，車輛的導(dǎo)航和控制方法包括產(chǎn)生表示車輛的定位和航向的位置信號，借助可編程接口使位置信號歸一化，從而產(chǎn)生歸一化的位置信號，根據(jù)歸一化的位置信號，產(chǎn)生操作控制信號，和借助可編程接口使操作控制信號歸一化，從而產(chǎn)生歸一化的操作控制信號，歸一化的操作控制信號控制車輛沿著車輛的更新的行駛路線的運(yùn)行。
[0024]顯然本發(fā)明的上述概述和下面的詳細(xì)說明都是例證性的，而不是對本發(fā)明的限制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]結(jié)合附圖，參考下面的詳細(xì)說明，可更好地理解本發(fā)明，從而更徹底地了解本發(fā)明及其許多附帶優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0026]圖1A是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主車輛的示意圖，其中在與車輛的預(yù)定軸線垂直的平面的一個(gè)扇區(qū)中進(jìn)行二維(2D)掃描；
[0027]圖1B是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主車輛的示意圖，其中通過把所述掃描移出與車輛的預(yù)定軸線垂直的平面，進(jìn)行三維(3D)掃描；
[0028]圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射器和探測器系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖3A(1)是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由一個(gè)激光掃描器系統(tǒng)掃描的一個(gè)區(qū)域的示意圖；
[0030]圖3A(2)是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由另一個(gè)激光掃描器系統(tǒng)掃描的互補(bǔ)區(qū)域的不意圖；
[0031]圖3B是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主車輛的示意圖，所述自主車輛包括掃描系統(tǒng)以及光學(xué)成像系統(tǒng)；
[0032]圖4A是表示本發(fā)明的集成的自主車輛系統(tǒng)平臺的硬件示意圖；
[0033]圖4B是表示控制本發(fā)明的自主車輛的多個(gè)處理器的互連的功能示意圖；
[0034]圖4C是向用戶提供的，用于配置自主車輛系統(tǒng)平臺的圖形顯示的屏幕截圖；
[0035]圖5A-5C說明當(dāng)穿過隧道時(shí)，在本發(fā)明的自主車輛的行駛期間，從轉(zhuǎn)向控制器收集的數(shù)據(jù)，在所述隧道中，GPS信號完全消失；
[0036]圖6A說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變結(jié)構(gòu)觀測器算法應(yīng)用；
[0037]圖6B是表示初始的速度計(jì)劃和考慮到發(fā)現(xiàn)的障礙物后的修正路線的例證S-T圖；
[0038]圖6C是圖解說明一個(gè)實(shí)施例的VPP計(jì)算處理的流程圖；
[0039]圖7是表示在市區(qū)環(huán)境中，本發(fā)明的車輛的轉(zhuǎn)向控制器的標(biāo)準(zhǔn)差的說明圖；
[0040]圖8是表示即使當(dāng)以30km/hr的恒定速度通過包含急轉(zhuǎn)彎的回旋路程時(shí)，本發(fā)明的自主車輛使偏離規(guī)劃路線的標(biāo)準(zhǔn)差保持25cm以下的說明圖；
[0041]圖9是對來自本發(fā)明的激光掃描系統(tǒng)的速度值濾波的說明圖；
[0042]圖10是說明預(yù)測自主車輛軌跡的完全非完整模型的示意圖；
[0043]圖11是說明預(yù)測自主車輛軌跡的部分非完整模型的示意圖；
[0044]圖12是AVS控制臺示意圖；
[0045]圖13是適合于本發(fā)明的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0046]現(xiàn)在參見附圖，幾附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或者對應(yīng)的部分，尤其參見圖1A，圖1A描述在一個(gè)實(shí)施例中，安裝在車輛10的頂部的成像傳感器8，在所述車輛10中，在與車輛10的預(yù)定軸線垂直的平面11(這里為了便于舉例說明，稱為“垂直”掃描平面)的扇區(qū)中進(jìn)行二維(2D)掃描。所述成像傳感器及其操作在美國專利申請序列號11/376，160中更詳細(xì)地進(jìn)行了說明。該成像傳感器只是可用在本發(fā)明中的成像傳感器的一個(gè)例子。
[0047]不過，這里的說明仍然簡要概述成像傳感器8的操作，以便提供本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境。在一個(gè)實(shí)施例中，成像傳感器8包括從成像傳感器8向車輛10的周圍環(huán)境發(fā)射激光脈沖(或光)14的發(fā)射器12(如圖2中所示)。如圖1A中所示，激光(或光)脈沖14被發(fā)射到垂直掃描平面11中。為了產(chǎn)生三維(3D)圖像，使成像傳感器8搖擺(或者振蕩)進(jìn)出平面11，從而創(chuàng)建3D掃描體積16，如圖1B中所示。成像傳感器8通過探測從物體22反射的光，探測在車輛10附近的環(huán)境中的物體22(如圖1B中所示)。
[0048]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，自主車輛10使用在下面更詳細(xì)說明的兩個(gè)激光掃描器系統(tǒng)40。
[0049]如圖2中所示，成像傳感器8包括探測回波信號20的返回的探測器18。成像傳感器8利用處理器24控制激光脈沖14的定時(shí)和發(fā)射，和把激光脈沖14的發(fā)射與回波信號20的接收聯(lián)系起來。處理器24可以是在車輛上，或者是成像傳感器8的一部分。例證處理器的細(xì)節(jié)及其功能在后面提供。
[0050]在一個(gè)示例性例子中，來自發(fā)射器12的激光脈沖14通過擴(kuò)束器13a和準(zhǔn)直儀13b。激光脈沖14在固定反射鏡15a被反射到旋轉(zhuǎn)鏡26，隨后通過透鏡27a和望遠(yuǎn)鏡27b，從而形成直徑1-1Omm的激光脈沖14的射束，為合成的三維視場提供對應(yīng)的分辨率。望遠(yuǎn)鏡27b用于收集從物體22反射的光。
[0051]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，探測器18被配置成僅僅探測發(fā)射光的某一波長的光，以便區(qū)別從物體反射回探測器的激光和背景光。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，成像傳感器8通過發(fā)出激光脈沖14進(jìn)行工作，激光脈沖14被物體22反射，并被探測器18測量，只要物體在探測器18的靈敏度的范圍內(nèi)。在激光脈沖的發(fā)射和接收之間過去的時(shí)間使處理器24可以用于計(jì)算物體22和探測器18之間的距離。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)器件(BP, 13a, 13b, 15a, 26，27a和27b)被配置成把射束同時(shí)引導(dǎo)到圖1A中所示的扇區(qū)中，探測器18是在與圖1A中所示的相應(yīng)角方向α I對應(yīng)的預(yù)定角坐標(biāo)接收所接收的信號的現(xiàn)場可編程門陣列。
[0052]借助旋轉(zhuǎn)鏡26，使激光脈沖14掃過平面11內(nèi)的徑向扇區(qū)α，如圖1A中圖解所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)在成像傳感器8之前的視場中的物體的測繪，以100°?10000° /秒的角速度，使旋轉(zhuǎn)鏡26旋轉(zhuǎn)通過30°?90°的角位移。
[0053]為了產(chǎn)生三維(3D)圖像，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使成像傳感器8搖擺(或振蕩)進(jìn)出平面11，從而創(chuàng)建3D掃描體積16，如圖1B中所示。為了舉例說明，圖1B用角度α (在垂直掃描方向上)和角度β (在水平掃描方向上)定義掃描體積16。如前所述，角度α以100°?1000° /秒的角速度，在30°?70°之間變化。角度β (即，搖擺角度)以1°?150° /秒的搖擺速率，在1°?270°之間變化。組合的成像傳感器8 —般能夠以每秒不止兩次的速度完全掃描3D掃描體積16。
[0054]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，處理器24利用瞬時(shí)車輛位置的地理空間位置數(shù)據(jù)，根據(jù)物體距車輛的距離和物體相對于車輛的方向，計(jì)算視場中的物體的地理空間位置。如圖2中所示，處理器24與每秒多次向處理器24傳送車輛的位置，航向，海拔高度和速度的實(shí)時(shí)定位裝置25，比如全球定位系統(tǒng)(GPS)和/或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)通信。實(shí)時(shí)定位裝置25一般安裝到車輛10上，把數(shù)據(jù)(比如車輛的位置，航向，海拔高度和速度)傳給車輛10上的所有成像傳感器8 (和所有的處理器24)。
[0055]借助可從市場獲得的GPS和INS單元，處理器24能夠以高于1cm的精度，確定視場中的物體的位置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，處理器24把GPS位置，LADAR測量結(jié)果和偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，以產(chǎn)生在車輛的路線中的障礙物的地圖。地圖的精度取決于來自定位裝置25的數(shù)據(jù)的精度。下面是這種數(shù)據(jù)的精度的典型例子:位置10cm，前向速度0.07km/hr，加速度0.01%，滾轉(zhuǎn)/俯仰0.03°，航向0.1°，橫向速度0.2%。
[0056]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，Kalman濾波器(產(chǎn)業(yè)化的)分類給處理器24的所有數(shù)據(jù)輸入。Kalman濾波器是一種根據(jù)噪聲數(shù)據(jù)的遞歸測量，估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)的已知方法。在這種情況下，通過考慮到在每種傳感器中固有的噪聲的種類，隨后構(gòu)成實(shí)際位置的最佳估計(jì)，Kalman濾波器能夠更加精確地估計(jì)車輛位置。A.Kelly在“A3d StateSpace Formulat1n of a Navigat1n Kalman Filter for Autonomous Vehicles, ” (CMURobotics Institute, Tech.Rep., 1994)中說明了這種濾波,該文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在此引為參考。
[0057]可從市場獲得的組件可被用于發(fā)射器12和探測器18，以提供距離測定結(jié)果。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器12，探測器18和相關(guān)的光學(xué)器件構(gòu)成激光雷達(dá)(LADAR)系統(tǒng)，不過在本發(fā)明中可以使用能夠精確測量距離的其它系統(tǒng)，比如激光探測和測距(LIDAR)傳感器，雷達(dá)，或照相機(jī)。LIDAR(激光探測和測距；或者激光成像探測和測距)是一種利用激光脈沖確定到物體或表面的距離的技術(shù)。
[0058]圖3A(1)是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由一個(gè)激光掃描器系統(tǒng)掃描的一個(gè)區(qū)域的示意圖。圖3A(2)是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由另一個(gè)激光掃描器系統(tǒng)掃描的互補(bǔ)區(qū)域的示意圖。結(jié)合旋轉(zhuǎn)鏡，每個(gè)激光掃描器系統(tǒng)40利用四個(gè)激光器發(fā)射激光脈沖14，以便掃過在傳感器前面的例如270°弧形區(qū)域。本發(fā)明并不局限于正好掃過270°弧形區(qū)域，可以使用從180°到270°到360°變動的其它弧形區(qū)域。在這個(gè)例子中，射束從在4個(gè)不同的掃描平面上的單元發(fā)出，當(dāng)使反射鏡直接指向前方時(shí)，所述4個(gè)不同的掃描平面偏移0.8°，當(dāng)使反射鏡直接指向側(cè)面時(shí)，所述4個(gè)不同的掃描平面偏移0°。通過這樣利用多個(gè)激光器，即使當(dāng)在機(jī)動過程中，車輛俯仰和滾轉(zhuǎn)時(shí)，掃描系統(tǒng)40也能夠保持足夠的視場。
[0059]掃描器系統(tǒng)40可被安裝在離地高度不同的位置。例如，通過把傳感器安裝在0.5米的較低高度，傳感器能夠和如果把傳感器安裝在車輛上更高的位置相比，更有效地探測較小的障礙物。另一方面，當(dāng)安裝位置較低時(shí)，某些水平安裝的傳感器不會同樣有效，因?yàn)楫?dāng)車輛發(fā)生俯仰時(shí)，所述傳感器的掃描平面常常被地面阻斷。
[0060]按照慣例，需要360°整周掃描器覆蓋的車輛使用在車輛前部的一個(gè)掃描器系統(tǒng)，和在車輛后部的一個(gè)獨(dú)立掃描器。這種使用兩個(gè)ECU (—個(gè)用于前部傳感器，一個(gè)用于后部傳感器)的方案使系統(tǒng)易受單點(diǎn)故障影響。本發(fā)明通過利用都具有完整的360°視場，從而提供周圍環(huán)境的冗余視圖的兩個(gè)掃描器，解決單點(diǎn)故障的問題。每個(gè)掃描器系統(tǒng)具有在車輛的前部角落之一的一個(gè)傳感器，和在車輛的相反后部角落的一個(gè)傳感器，如圖3A(1)和3A(2)中所示，以及它自己的ECU。事實(shí)上，圖3B是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的自主車輛的示意圖，它包括掃描系統(tǒng)(比如兩個(gè)激光掃描器系統(tǒng)40)以及光學(xué)成像系統(tǒng)42。
[0061]對在市區(qū)環(huán)境中行駛的自主車輛來說，存在幾個(gè)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。通過本發(fā)明的創(chuàng)新的硬件和軟件設(shè)計(jì)，解決了這些挑戰(zhàn)。I)由于存在于市區(qū)環(huán)境中的建筑物和其它障礙物，常常不能獲得GPS數(shù)據(jù)。由于自主車輛的任務(wù)的許多要素是借助GPS坐標(biāo)指定的，因此在本發(fā)明中，可以利用輔助的定位信息來補(bǔ)充GPS數(shù)據(jù)。2)除了靜止的障礙物之外，在市區(qū)環(huán)境中還存在許多移動車輛。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，車輛的軟件跟蹤、與其他車輛的交互和不時(shí)預(yù)測其它車輛的移動。3)自主車輛必須始終遵守所有適用的交通法規(guī)。4)在市區(qū)環(huán)境中的自主車輛不時(shí)完成高級機(jī)動，比如超車，泊車，進(jìn)行調(diào)頭，穿過迎面而來的車輛的車道左轉(zhuǎn)彎，和在交通擁擠的情況下駕駛車輛。5)在市區(qū)環(huán)境的某些區(qū)域中，將僅僅用稀疏的一組路點(diǎn)指定道路，本發(fā)明的自主車輛將利用傳感器探測沿其而行的適當(dāng)路線。
[0062]在本發(fā)明中，用跟蹤自主車輛和環(huán)境中(尤其是在十字路口)的其它車輛的狀態(tài)的軟件系統(tǒng)，解決了這些挑戰(zhàn)。
[0063]系統(tǒng)組件
[0064]工作車輛:改進(jìn)2005Ford Escape Hybrid?(下面稱為工作車輛)，以包括本發(fā)明的成像傳感器8。工作車輛使用混合驅(qū)動系統(tǒng)，在混合驅(qū)動系統(tǒng)中，電機(jī)實(shí)質(zhì)上始終在運(yùn)轉(zhuǎn)，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)自動啟動和停止，以或者提供額外的馬力，或者對電機(jī)的電池再充電。由330伏電池供電的工作車輛的電氣系統(tǒng)向安裝在工作車輛中的設(shè)備提供1300瓦以上的功率。
[0065]工作車輛利用可從市場獲得的Electronic Mobility Controls (EMC)的高級電子汽車接口技術(shù)(AEVIT) “線控”系統(tǒng)物理控制汽車。AEVIT系統(tǒng)利用冗余的伺服系統(tǒng)和電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向盤，換檔，控制油門和踏下制動器。這種可在市場上從EMC公司獲得的解決方案包括安裝在轉(zhuǎn)向柱，制動踏板，油門拉線，緊急制動器和自動變速器上的致動器和伺服系統(tǒng)。它還能夠控制車輛的轉(zhuǎn)向信號和點(diǎn)火。通過利用電子駕駛輔助控制系統(tǒng)，利用一個(gè)充分集成的系統(tǒng)控制車輛的所有各個(gè)方面，從而降低整體復(fù)雜性，和消除單點(diǎn)故障。電子駕駛輔助控制系統(tǒng)還向自主車輛提供緊急停止(E-Stop)機(jī)構(gòu)，當(dāng)被觸發(fā)時(shí)，緊急停止機(jī)構(gòu)應(yīng)用車輛的主制動系統(tǒng)，隨后關(guān)閉車輛的點(diǎn)火。最后，在稍微延遲之后，應(yīng)用和保持車輛的緊急制動。這確保當(dāng)收到E-Stop命令時(shí)，車輛能夠有效地停止，并且即使車輛在斜坡上，也能夠保持停止?fàn)顟B(tài)。在本發(fā)明中，這些能力被認(rèn)為是可選的。
[0066]硬件平臺:為各種自動駕駛應(yīng)用設(shè)計(jì)了本發(fā)明的自主車輛系統(tǒng)(AVS)平臺。AVS平臺包括硬件層和軟件層。硬件層包括印刷電路板或其它自含式配線和器件結(jié)構(gòu)，所述印刷電路板或其它自含式配線和器件結(jié)構(gòu)包含向外部傳感器，比如GPS接收機(jī)或障礙物傳感器，以及操作控制機(jī)構(gòu)供電，并與所述外部傳感器及操作控制機(jī)構(gòu)通信的配線，所述操作控制機(jī)構(gòu)獲得輸入，并且產(chǎn)生控制車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)的輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，專用集成電路(ASIC)可用于此用途。
[0067]圖4A是表示本發(fā)明的集成的自主車輛系統(tǒng)平臺的硬件示意圖。圖4A具體表示包括用戶或程序接口 52，計(jì)算機(jī)53，54，現(xiàn)場可編程門陣列器件56，安全無線電設(shè)備58，硬件監(jiān)視器60，以太網(wǎng)鏈路裝置62，配電組件64，緊急停止(E-Stop)邏輯器件66，內(nèi)部和外部控制器局域網(wǎng)(CAN) 68，數(shù)字和模擬輸入/輸出裝置70，及RS-232和RS-422端口 80的AVS印刷電路板50。通過把這些組件集成到印刷電路板上，自主車輛系統(tǒng)(AVS)平臺提供使各種傳感器與計(jì)算能力結(jié)合的硬件，以處理傳感器數(shù)據(jù)和指揮自主車輛。此外，通過在印刷電路板上實(shí)現(xiàn)大部分的物理配線，而不是用手實(shí)現(xiàn)配線，本發(fā)明的AVS平臺中的硬件層的可罪性提聞。
[0068]此外，在本發(fā)明之前，為特定的傳感器及駕駛和轉(zhuǎn)向控制裝置特別設(shè)計(jì)或改進(jìn)自主車輛。這些樣車大部分用于解決自主車輛的開發(fā)過程中的特定問題，因?yàn)楸拘袠I(yè)常常圍繞自主車輛工程師知道的已知問題的特定解決方案的目標(biāo)開發(fā)這些車輛。因此，當(dāng)時(shí)不存在產(chǎn)生更通用的自主車輛控制平臺的現(xiàn)實(shí)推動力。此外，要結(jié)合哪些種類的傳感器和哪些種類的駕駛控制系統(tǒng)的未決問題使可能要與感測和控制自主車輛的無數(shù)種選擇匹配的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處于提出的技術(shù)太不成熟，以致不能考慮這種通用解決方案的狀態(tài)。
[0069]因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供用戶或程序接口52，借助用戶或程序接口52，用戶能夠?qū)τ糜谔囟▊鞲衅骱吞囟ǖ鸟{駛轉(zhuǎn)向控制裝置的可配置接口裝置編程。例如，在自主車輛中安裝AVS印刷電路板50的工程師將對用于自主車輛上的特定的一組傳感器的現(xiàn)場可編程門陣列器件56( S卩，可配置的接口裝置)和用于特定的駕駛和轉(zhuǎn)向控制裝置，比如AEVIT線控系統(tǒng)所需的控制裝置的程序(B卩，操作控制機(jī)構(gòu))編程。在另一個(gè)例子中，現(xiàn)場或服務(wù)技術(shù)人員可在自主車輛上安裝新的傳感器，并在當(dāng)時(shí)對現(xiàn)場可編程門陣列器件56重新編程，以便與新安裝的傳感器兼容。
[0070]在一個(gè)實(shí)施例中，印刷電路板50與安全無線電設(shè)備58的E-Stop無線電設(shè)備接口，并與AEVIT線控系統(tǒng)(構(gòu)成圖4A中描述的計(jì)算機(jī)之一)接口。在一個(gè)實(shí)施例中，硬件層包括監(jiān)控硬件的操作，并且能夠循環(huán)啟動故障組件(例如，通過配電組件64)，或者如果探測到致命的錯(cuò)誤，那么甚至能夠停止車輛(例如，通過E-Stop邏輯器件60)的可編程邏輯器件(即，硬件監(jiān)視器60)。在一個(gè)實(shí)施例中，對計(jì)算機(jī)53，54來說，AVS硬件層包括運(yùn)行QNX硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的Intel Core Duo計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)被用于運(yùn)行AVS軟件平臺。
[0071]系統(tǒng)內(nèi)通信:圖4B是表示控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)和AVS軟件/硬件與傳感器之間的處理關(guān)系的功能示意圖。根據(jù)所包含消息的關(guān)鍵性和準(zhǔn)時(shí)，可以分割在AVS平臺的各個(gè)組件內(nèi)的通信。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過獨(dú)立的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)傳送AVS軟件和線控系統(tǒng)之間的車輛控制消息。在一個(gè)實(shí)施例中，CAN68具有集成的優(yōu)先權(quán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供可預(yù)測的實(shí)時(shí)通信(例如，駕駛和控制信號)，并提供抗電磁干擾的魯棒性。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先權(quán)控制系統(tǒng)中，緊急控制，以及車輛的停止(如果需要的話)獲得最高的優(yōu)先權(quán)，并且取代CAN總線上的任何通信。除了緊急消息的不常存在之外，規(guī)劃軟件和線控系統(tǒng)之間的控制通信能夠作為第二優(yōu)先權(quán)，不受限制地出現(xiàn)預(yù)定的時(shí)間量。
[0072]在一個(gè)實(shí)施例中，在印刷電路板50上，獨(dú)立的CAN總線被用于與專門為自動應(yīng)用而設(shè)計(jì)的傳感器的通信(例如，傳感器信號)，該CAN總線可以或不可用于其它形式的通信。通過使控制網(wǎng)絡(luò)專用于傳感器，防止控制分組取代輸入的傳感器分組。另外，這種分離有助于防止傳感器網(wǎng)絡(luò)上的故障裝置破壞控制CAN總線，因?yàn)檫@種破壞會危及自主車輛的安全運(yùn)行。
[0073]在一個(gè)實(shí)施例中，在印刷電路板50上，通過以太網(wǎng)鏈路裝置62發(fā)生傳感器和規(guī)劃計(jì)算機(jī)53，54之間的高帶寬通信。與AVS平臺耦接的高精度傳感器能夠產(chǎn)生非常適合于以太網(wǎng)鏈路裝置62提供的高帶寬，低等待時(shí)間和容錯(cuò)性的大量數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，來自定位傳感器的位置數(shù)據(jù)和來自障礙物掃描器的物體數(shù)據(jù)都包含時(shí)間戳，所述時(shí)間戳消除了對定位傳感器和障礙物掃描器的數(shù)據(jù)的確定性傳輸?shù)男枰?。在行程?guī)劃計(jì)算機(jī)53，54內(nèi)能夠重構(gòu)和重新排序位置數(shù)據(jù)和障礙物數(shù)據(jù)，以重建傳感器任意之一的世界視場。
[0074]在一個(gè)實(shí)施例中，在印刷電路板50上，現(xiàn)場可編程門陣列器件56收集位置和移動信息，在數(shù)據(jù)被傳給計(jì)算機(jī)53，54之前，能夠補(bǔ)償慣性系統(tǒng)中的漂移和GPS系統(tǒng)中的中斷期。校正后的數(shù)據(jù)隨后經(jīng)以太網(wǎng)和CAN被發(fā)給計(jì)算機(jī)53，54。校正后的數(shù)據(jù)還經(jīng)專用CAN總線被傳給障礙物掃描器。該數(shù)據(jù)被發(fā)給障礙物掃描器，以致汽車的位置，速度和定向可被用于潛在幫助校正掃描器的障礙物數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)53，54隨后能夠使障礙物，自動機(jī)的位置和任務(wù)路點(diǎn)與相同的坐標(biāo)集聯(lián)系起來?，F(xiàn)場可編程門陣列器件56能夠提供位置傳感器、操作控制機(jī)構(gòu)和處理器之間的通信，并且能夠I)使從位置傳感器或物體傳感器到處理器的輸入歸一化，和2)產(chǎn)生作為給操作控制機(jī)構(gòu)(比如上面討論的高級電子汽車接口技術(shù)(AEVIT))的輸入應(yīng)用的兼容操作控制信號。這樣，印刷電路板50 (B卩，自含式自主控制器)是可配置的，以便與各種不同的傳感器和不同的操作控制機(jī)構(gòu)一起工作。
[0075]因此，通過新穎的配置，集成印刷電路平臺實(shí)施例為本發(fā)明的自主車輛提供獨(dú)特的能力，所述新穎的結(jié)構(gòu)包括配置成從自主車輛的車載傳感器接收輸入，識別從一個(gè)目的地到另一個(gè)目的地的行進(jìn)路線，識別沿著所述行進(jìn)路線的固定障礙物和移動障礙物以及路點(diǎn)，和修正行進(jìn)路線，以避免固定障礙物和移動障礙物的處理器。集成印刷電路平臺包括在功能上的中央位置的可編程裝置，所述可編程裝置提供接受來自自主車輛傳感器的輸入，和給駕駛和轉(zhuǎn)向控制裝置的輸出，并使所述輸入和輸出歸一化的能力。從而，所述平臺通過I)在印刷電路板上包括各種輸入/輸出裝置，和2)提供用戶能夠借助其，為特定的一組傳感器和轉(zhuǎn)向控制裝置“定制”平臺的接口，提供適應(yīng)各種各樣的自主車輛傳感器的能力。
[0076]如上所述，用戶或程序接口 52向用戶提供一種機(jī)構(gòu)，借助該機(jī)構(gòu)，F(xiàn)PGA56能夠被編程，以適應(yīng)包括在自主車輛上的各種傳感器及駕駛和轉(zhuǎn)向控制裝置。圖4C是當(dāng)用戶訪問所述用戶接口時(shí)，提供給用戶的圖形顯示70的屏幕截圖。圖形顯示70包括允許用戶選擇輸入欄，例如電壓(V)，車輛CAN反饋，EMC CAN反饋，和比例增益控制的控件。如圖4B中所示，用戶或程序接口 52允許通過與計(jì)算機(jī)53和/或54交互，或者通過與現(xiàn)場可編程門陣列器件56直接交互，配置自主車輛系統(tǒng)平臺。
[0077]傳感器:自主車輛需要周圍環(huán)境和它自己的全球位置的精確圖像，以便在任何環(huán)境中安全導(dǎo)航。對于在市區(qū)環(huán)境中行駛來說，存在額外的挑戰(zhàn)。下面說明在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，安裝在本發(fā)明的自主車輛上的不同種類的傳感器。
[0078]定位或位置傳感器:對進(jìn)入市區(qū)環(huán)境的自主車輛或自動機(jī)的挑戰(zhàn)之一在于建立在自動機(jī)周圍的世界的地圖，和查找它自己在地圖中的位置。從障礙物和車道探測傳感器收集的數(shù)據(jù)以世界中的某一絕對位置或者相對于車輛的某一位置為參考。在沒有關(guān)于車輛的位置，航向和速度的絕對信息的情況下，其它數(shù)據(jù)會變得無用。通過把關(guān)于車輛收集的所有信息轉(zhuǎn)換成一組全球坐標(biāo)，簡化了在世界內(nèi)并且與交通量結(jié)合的路線規(guī)劃。進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換需要精確地了解在收集數(shù)據(jù)時(shí)車輛的位置。根據(jù)該信息，能夠創(chuàng)建在自主車輛周圍的區(qū)域的地圖，根據(jù)所述地圖，能夠規(guī)劃自主車輛的路線。
[0079]根本上，規(guī)劃自主車輛的路線和合成從傳感器收集的數(shù)據(jù)需要精確的定位信息。上面說明的工作車輛利用Oxford Technical Solut1ns的RT3000?定位裝置提供車輛定位(即，定位數(shù)據(jù))。RT3000?利用Omnistar? HP差分GPS信號提供10厘米或以下的位置精度，并提供精確到0.1°以內(nèi)的航向測量結(jié)果。RT3000?中的集成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)允許RT3000?經(jīng)受得住高達(dá)30秒的GPS中斷期，而無實(shí)質(zhì)性的性能降低。INS提供加速度和滾轉(zhuǎn)信息。除了慣性系統(tǒng)內(nèi)的加速度計(jì)和陀螺儀之外，經(jīng)防抱死制動系統(tǒng)(ABS)接口板，從Ford Escape Hybrid后部ABS輪速傳感器之一輸入的輪速被提供給RT3000傳感器。AVS接口板讀取從Ford Escape的ABS傳感器到Ford Escape的ECU的通信信號，并將其轉(zhuǎn)換成GPS能夠利用的信號。RT3000傳感器利用內(nèi)部提供給RT300傳感器的Kalman濾波和算法的組合，內(nèi)部集成來自每個(gè)來源的數(shù)據(jù)。
[0080]在本發(fā)明中，RT3000傳感器被用作有效的定位傳感器的一個(gè)例子。即使在GPS信號部分或完全失去的情況下，RT3000傳感器也能夠適當(dāng)補(bǔ)償失去的信號。圖5A-5C表示在自主車輛穿過隧道期間，從轉(zhuǎn)向控制器收集的數(shù)據(jù)，在所述隧道中，持續(xù)10-15秒完全失去GPS信號。當(dāng)重新獲得GPS信號時(shí)，車輛僅僅偏離理想路線50厘米的事實(shí)證明RT3000傳感器的可靠性，并且證明控制系統(tǒng)與源于RT300傳感器的數(shù)據(jù)一起有效工作的能力。在這些圖中，Y-Error是給控制系統(tǒng)算法的輸入信號，路線誤差是車輛中心線偏離理想路線的實(shí)際量，轉(zhuǎn)向角是車輛的前輪的角度。當(dāng)Y-Error信號增大時(shí)，轉(zhuǎn)向角將被調(diào)整，以力圖使實(shí)際的路線誤差降至最小。
[0081]障礙物或物體傳感器:在上面概括討論的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的自主車輛使用兩個(gè) Ibeo ALASCA XT 融合系統(tǒng)傳感器(Ibeo Automobile Sensor GmbH, Merkurring20, 22143Hamburg, Deutschland)作為其主要的障礙規(guī)避傳感器。每個(gè)ALASCA XT融合系統(tǒng)傳感器包括兩個(gè)IbeoALASCA XT激光掃描器和一個(gè)Ibeo電子控制單元(E⑶)。工作車輛中的每個(gè)ALASCA XT激光掃描器利用四個(gè)eye-safe激光器和旋轉(zhuǎn)鏡一起掃描在傳感器前方的270°弧形區(qū)域。ALASCA XT激光掃描器中的所有四個(gè)射束從在4個(gè)不同的掃描平面上的單元發(fā)出，當(dāng)使反射鏡直接指向前方時(shí)，所述4個(gè)不同的掃描平面偏移0.8°，當(dāng)使反射鏡直接指向側(cè)面時(shí)，所述4個(gè)不同的掃描平面偏移0°。
[0082]由于其視場的靈活性,這個(gè)實(shí)證中的ALASCA XT激光掃描器被固定安裝在車輛上，離地高度約0.5米。其它高度位置也適合于本發(fā)明。通過把傳感器安裝在0.5米的較低高度，與把傳感器安裝在車輛上更高的地方相比，傳感器能夠更有效地探測較小的障礙物。當(dāng)安裝位置較低時(shí)，某些水平安裝的傳感器不會同樣有效，因?yàn)楫?dāng)車輛發(fā)生俯仰時(shí)，所述傳感器的掃描平面常常被地面阻斷。
[0083]由于其探測單一激光束的多個(gè)回波的能力，因此ALASCA XT激光掃描器能夠在各種氣候條件下工作。如果射束到達(dá)透射物體，比如玻璃窗格或者雨滴，那么它將產(chǎn)生部分回波，所述部分回波同樣被激光掃描器識別和鑒定。這種多目標(biāo)能力使ALASCA XT激光掃描器能夠在許多不同類型的惡劣天氣，包括暴風(fēng)雨中工作。
[0084]ALASCA XT激光掃描器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電子控制單元(ECT)的結(jié)合來自兩個(gè)ALASCA XT傳感器的激光角度和測距信息，從而創(chuàng)建車輛周圍的物體的地圖的能力。在濾波除去無關(guān)的激光回波，比如雨滴和地面的激光回波之后，ALASCA XT激光掃描器控制系統(tǒng)結(jié)合來自兩個(gè)激光掃描器的數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)多組回波擬合多邊形。之后，ECU中的軟件算法計(jì)算每個(gè)障礙物的速度向量，并用它自己的標(biāo)識號識別每個(gè)障礙物。為了降低計(jì)算開銷，ECU只傳送滿足特定的優(yōu)先權(quán)分類算法的障礙物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，自主車輛利用以物體速度和距車輛的距離為基礎(chǔ)的算法，作為所述分類的主要標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)CAN把得到的多邊形傳給計(jì)算機(jī)53，54。在這個(gè)實(shí)施例中，由于該處理都是在ALASCA XT激光掃描器的ECU本地完成的，因此使計(jì)算機(jī)53，54免除該額外的處理開銷。
[0085]從兩個(gè)障礙物探測系統(tǒng)40返回的障礙物的集合被合并到車輛的障礙物儲存庫中。在一個(gè)掃描器系統(tǒng)未能返回障礙物的列表的情況下，車輛無縫地利用另一個(gè)掃描器系統(tǒng)繼續(xù)操作，而不失去它的任意視場。當(dāng)探測到一個(gè)掃描器系統(tǒng)的故障時(shí)，AVS平臺的硬件層能夠重新啟動系統(tǒng)，以查看當(dāng)重新啟動時(shí)是否出現(xiàn)恢復(fù)。
[0086]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，Velodyne LIDAR(例如HDL-64E型號，一種提供360° HFOV和26.8。VFOV的64_element LIDAR傳感器)被用作障礙物探測器40。該LIDAR系統(tǒng)以5-15HZ的幀速率和每秒130萬以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)為特征。它產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生地形和環(huán)境信息。距離和強(qiáng)度數(shù)據(jù)都在以太網(wǎng)輸出分組有效負(fù)載中提供。HDL-64E甚至能夠僅僅依賴于關(guān)于環(huán)境的信息，于是向上面說明的其它傳感器提供冗余。HDL-64E傳感器利用64個(gè)激光器提供0.09°角分辨率(方位角)的360°視場(方位角)，具有64個(gè)間隔相同的角度細(xì)分(約0.4° )的26.8。垂直視場(高程)(+2° ,-24.8。)。HDL-64E的精度小于2cm。HDL-64E以5-15Hz (用戶可選)的速率更新視場，對人行道為說具有50米的距離(?0.10反射率)，對汽車和樹葉來說具有120米的距離(?0.80反射率)。
[0087]車道/道路探測傳感器:有時(shí)候，在只有稀疏的一組路點(diǎn)識別車道/道路的情況下，自主車輛必須找出并跟隨適當(dāng)?shù)能嚨?道路。為了解決這個(gè)問題，在本發(fā)明的自主車輛的一個(gè)實(shí)施例中，基于視頻的車道探測系統(tǒng)，例如Iteris, Inc.(Iteris, Inc., SantaAna, California)的LDW型號被用作成像裝置42。Iteris LDW系統(tǒng)利用光學(xué)傳感器和圖像處理系統(tǒng)探測和跟蹤車道標(biāo)記。LDW系統(tǒng)中的成像傳感器創(chuàng)建在車輛前方的LDW系統(tǒng)搜尋車道標(biāo)記的區(qū)域的二維數(shù)字化圖像。在工作車輛中，成像傳感器安裝在擋風(fēng)玻璃的頂部，不過向前的其它位置也是適宜的?；谝曨l的車道探測系統(tǒng)向自主車輛提供左右車道標(biāo)記的位置，左右車道標(biāo)記的類型(實(shí)線，虛線等)，車輛在車道內(nèi)的角度，和車道的曲率。經(jīng)CAN68b以每秒25次的速率把該信息提供給AVS平臺軟件。來自基于視頻的車道探測系統(tǒng)的信息被用于建立當(dāng)前車道的模型，當(dāng)前車道的模型能夠被車輛的軟件系統(tǒng)用于調(diào)整車輛的規(guī)劃路線，以更好地遵守車道模型。
[0088]軟件平臺:自主車輛為在市區(qū)環(huán)境中成功行駛而需要的軟件的體量和復(fù)雜性會容易地傾覆軟件體系結(jié)構(gòu)。
[0089]AVS軟件平臺被設(shè)計(jì)成能夠用于許多不同種類的自主車輛應(yīng)用程序的通用自主應(yīng)用架構(gòu)。AVS軟件平臺提供傳感器集成功能，障礙規(guī)避功能，導(dǎo)航功能，安全系統(tǒng)，事件記錄系統(tǒng)，定位功能，實(shí)時(shí)車輛監(jiān)控功能，和網(wǎng)絡(luò)集成功能(以及許多其它基本的自主車輛需求)。
[0090]工作車輛中的AVS軟件平臺使用Java編程語言，不過本發(fā)明并不局限于這種編程語言。由于Java的平臺獨(dú)立性，相同的代碼庫能夠結(jié)果可靠并且可重復(fù)地在各種平臺上運(yùn)行。如下所述的AVS軟件架構(gòu)使用幾種不同的軟件設(shè)計(jì)模式或設(shè)計(jì)原理來降低設(shè)計(jì)自主車輛應(yīng)用程序的復(fù)雜性。這些設(shè)計(jì)模式都已被證明在企業(yè)應(yīng)用程序開發(fā)中，能夠成功地降低復(fù)雜性，和提高軟件開發(fā)的可靠性。
[0091]在本發(fā)明的AVS軟件架構(gòu)中使用的主要軟件設(shè)計(jì)原則之一是“關(guān)注點(diǎn)分離”范例，它通過把較大的問題分成被設(shè)計(jì)成更易于解決的一組松散聯(lián)系的子問題，降低開發(fā)的復(fù)雜性。因此，軟件系統(tǒng)被分成重疊量最少的盡可能多的不同組件。通過把軟件分成功能上分離的組件，一個(gè)組件中的微小故障不會不利地影響其它組件。
[0092]利用以控制反轉(zhuǎn)(1C)容器為中心的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 AVS軟件架構(gòu)?？刂品崔D(zhuǎn)是其中所述架構(gòu)起協(xié)調(diào)和控制各個(gè)應(yīng)用程序組件的運(yùn)行的容器的設(shè)計(jì)模式。1C架構(gòu)簡化了應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，因?yàn)樗黾軜?gòu)，而不是應(yīng)用程序把組件鏈接在一起，并負(fù)責(zé)把事件路由給應(yīng)用程序中的恰當(dāng)組件。在AVS架構(gòu)中，1C容器提供正確的實(shí)時(shí)自主車輛應(yīng)用程序所必需的所有服務(wù)，包括線程調(diào)度，記錄服務(wù)，跨計(jì)算群集的應(yīng)用程序資源的分布，容錯(cuò)和網(wǎng)絡(luò)通信。
[0093]AVS軟件架構(gòu)的線程調(diào)度能力顯著增強(qiáng)了自主車輛應(yīng)用程序的開發(fā)。為了使關(guān)注點(diǎn)分離范例最有效，應(yīng)盡可能地隔離組件。理想地，組件應(yīng)并行運(yùn)行，而不是順序運(yùn)行，以致一個(gè)組件中的故障不會導(dǎo)致后續(xù)組件的運(yùn)行被異常中止。AVS軟件架構(gòu)甚至跨越多個(gè)計(jì)算機(jī)，隨同它自己的線程執(zhí)行，執(zhí)行每個(gè)組件，并透明地協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)在分離組件之間的共享。AVS軟件架構(gòu)還能夠在許多不同的處理器負(fù)載水平下，以設(shè)定的頻率執(zhí)行這些組件，對自主車輛操作所需的許多控制系統(tǒng)來說，這是有益的，因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)精確的車輛控制，這些控制系統(tǒng)都需要精確的定時(shí)。
[0094]一個(gè)實(shí)施例中的AVS軟件架構(gòu)能夠在一個(gè)或多個(gè)核心嵌入式計(jì)算機(jī)(而不僅僅是圖4A中所示的兩個(gè)計(jì)算機(jī)53，54)上運(yùn)行。事實(shí)上，三個(gè)核心嵌入式計(jì)算機(jī)已起分布式群集的作用。群集中的每個(gè)計(jì)算機(jī)運(yùn)行與AVS軟件架構(gòu)的實(shí)時(shí)能力耦接的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以支持在預(yù)先規(guī)定的時(shí)間約束內(nèi)，自主應(yīng)用程序的確定性執(zhí)行。一旦允許實(shí)時(shí)支持，進(jìn)程的工作頻率徹底穩(wěn)定。AVS軟件架構(gòu)的實(shí)時(shí)能力還使自主應(yīng)用程序可以表現(xiàn)得更加始終如一，并且即使在軟件出現(xiàn)問題的情況下，也保證允許優(yōu)先權(quán)較高的組件，例如安全監(jiān)視器和低級駕駛算法正確地執(zhí)行。
[0095]軟件實(shí)現(xiàn):軟件邏輯被實(shí)現(xiàn)成AVS軟件架構(gòu)的模塊。AVS軟件架構(gòu)能夠隨同它自己的獨(dú)立的線程執(zhí)行，運(yùn)行這些模塊中的每個(gè)模塊，并且它自動管理多個(gè)組件之間的相關(guān)性。下面的小節(jié)說明在本發(fā)明中利用的軟件模塊。
[0096]路線規(guī)劃:環(huán)境的繪圖和長距離路線規(guī)劃是自主車輛的設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。利用的設(shè)計(jì)模型把直觀的繪圖和邏輯繪圖和路線規(guī)劃分開。車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行的邏輯繪圖功能包括十字路口組件的識別，傳感器看得見的標(biāo)記的繪圖，和地圖定義不明確的地區(qū)的校正。地圖定義不明確的地區(qū)由提供給自動機(jī)(即，自主車輛)的地圖與真實(shí)世界的環(huán)境不是充分關(guān)聯(lián)的區(qū)域組成。這種情況下，自動機(jī)必須沿著其行進(jìn)路線探索和識別該地區(qū)。
[0097]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，把預(yù)先存在的地圖轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)數(shù)據(jù)被證明是一種與諸如勘測之類的其它方法相比，更有效地獲得轉(zhuǎn)向方向的方式。在一些情況下，不能獲得預(yù)先存在的地圖。如果自主車輛被設(shè)計(jì)成在“封閉”的路線(即，由物理邊界或軟件引導(dǎo)的邊界設(shè)定的路線)內(nèi)行駛，那么車輛的人工控制可被用于控制通常自主的車輛，而自主車輛繪出封閉路線的地圖。通過關(guān)聯(lián)來自其GPS，障礙物掃描器和車道探測傳感器的信息，自主車輛能夠繪出指定路線的地圖。
[0098]一旦獲得表示所述路線和沿著該路線的路點(diǎn)的邏輯地圖，就按照例如路線網(wǎng)絡(luò)定義文件(RNDF)格式，把邏輯地圖提供給車載計(jì)算機(jī)53，54，不過也可以使用其它格式。兩遍剖析器(two-pass parser)識別所有路點(diǎn)，之后核實(shí)所有路點(diǎn)參考是否有效。地圖是按照面向?qū)ο笮薷牡腞NDF格式保存的，并且包括關(guān)于從RNDF文件得到的地圖特征的擴(kuò)展。
[0099]從RNDF中的數(shù)據(jù)中獲得的第一個(gè)導(dǎo)出特征是停車點(diǎn)和出口 /入口路點(diǎn)到十字路口的分組。下面是例證的繪圖/路點(diǎn)算法。算法首先挑選停車路點(diǎn)，隨后找出離開該路點(diǎn)的所有出口和進(jìn)入該路點(diǎn)的所有入口。隨后，對十字路口中的每個(gè)出口來說，如果該出口之后的路點(diǎn)是入口，那么把該入口 /出口對增加到該十字路口中。同樣地，對十字路口中的每個(gè)入口來說，如果在該入口之前的路點(diǎn)是出口路點(diǎn)，那么把該出口 /入口對增加到十字路口中。最后，如果任何停車點(diǎn)或出口在與十字路口的邊界相隔規(guī)定距離的范圍內(nèi)，那么也把它們增加到十字路口中。做出規(guī)定，以確保每個(gè)停車點(diǎn)或出口只屬于一個(gè)十字路口。
[0100]從RNDF中的數(shù)據(jù)獲得的第二個(gè)導(dǎo)出特征是與在路點(diǎn)之間的行駛相關(guān)的成本的存儲。從一個(gè)路點(diǎn)行駛到下一個(gè)路點(diǎn)所用的時(shí)間是用于挑選最佳路線的主要候選度量。時(shí)間度量被保存在路點(diǎn)、出口和區(qū)域?qū)ο笾小Ｗ詈猛ㄟ^把路段最大限速除以每個(gè)路點(diǎn)和其前一個(gè)路點(diǎn)之間的距離，計(jì)算該路點(diǎn)的初始成本。如果路點(diǎn)在車道的起點(diǎn)，那么它具有零成本。根據(jù)入口路段的速度加上固定的處罰(penalty)，計(jì)算出口的成本。
[0101]本發(fā)明的一種路線尋找算法可包括隨著自動機(jī)更多地探索其周圍環(huán)境，使自動機(jī)(即，自主車輛)在其規(guī)劃方面變得更高效的學(xué)習(xí)組件。通過記錄在路點(diǎn)之間、穿過十字路口和通過區(qū)域所用的行駛時(shí)間，能夠計(jì)算使行駛時(shí)間最優(yōu)的路線。為跨多條路線使用的給定RNDF保持行駛時(shí)間的記錄。當(dāng)交通模式隨著時(shí)間變化時(shí)，標(biāo)記新的擁堵區(qū)域，不再信任舊的觀察結(jié)果。利用如等式I中所示的權(quán)重幾何遞減的加權(quán)平均公式計(jì)算特定行駛單元的成本。最新的觀察結(jié)果具有0.5的權(quán)重，每個(gè)先前的觀察結(jié)果的權(quán)重減半。
[0102]Sn=樣本
[0103]N =樣本數(shù)
[0104]N=l: sum S0
[0105]N>l:sum = S0*l/(21)+Sfl/(22)+…+SN_2*1/(2N-1)+SnJI (2N) (I)
[0106]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過應(yīng)用稱為A*試探引導(dǎo)搜索的搜索算法，確定檢查點(diǎn)之間的最佳路線。類似地可以使用其它算法。A*搜索算法保持已探索路線的優(yōu)先權(quán)隊(duì)列。優(yōu)先權(quán)由路線的當(dāng)前成本(g(x))和到終點(diǎn)的估計(jì)成本(h(x))確定。在用于路線規(guī)劃的A*的實(shí)現(xiàn)中，g(x)是已探索過的行駛單元的平均觀察行駛時(shí)間之和。試探值h(x)是到目標(biāo)檢查點(diǎn)的直線距離除以路線的最大限速之商。該試探值影響首先探索最直接的路線的行為。A*算法已被證明在模擬測試和實(shí)際測試中都產(chǎn)生精確的路線。
[0107]可變結(jié)構(gòu)觀測器(VSO) =VSO的主要功能是提供在自主車輛的附近環(huán)境(大約在150米內(nèi))的所有固定障礙物和運(yùn)動障礙物的坐標(biāo)和軌跡的信息集成和預(yù)測?？勺兘Y(jié)構(gòu)觀測器算法跟蹤多個(gè)固定物體和運(yùn)動物體?？勺兘Y(jié)構(gòu)觀測器算法改進(jìn)車輛的環(huán)境觀察，提供即使傳感器數(shù)據(jù)或者暫時(shí)失去，或者變得暫時(shí)不可靠，也保持車輛的智能行駛和導(dǎo)航的能力。在一個(gè)障礙物暫時(shí)被另一個(gè)障礙物遮蔽的情況下，例如當(dāng)另一輛車正在駛過在自主車輛之前的十字路口時(shí)，這是極其有用的。
[0108]圖6A說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的VSO算法應(yīng)用。具體地說，圖6B是在自主車輛的規(guī)劃路線(即，標(biāo)注PP的曲線)與描述成一系列較小的運(yùn)動矩形82的雷達(dá)跟蹤車輛(運(yùn)動障礙物)的路線相交的情況下，提出的可變結(jié)構(gòu)觀測器的示范。在這個(gè)例子中，雷達(dá)波束(即，從左下角延伸的角度移動線)被兩輛拖車84(8卩，較大的矩形)阻擋。當(dāng)由于被拖車84阻擋，跟蹤的運(yùn)動障礙物82從雷達(dá)屏幕上消失時(shí)，可變結(jié)構(gòu)觀測器通過運(yùn)行其模型，從而產(chǎn)生該運(yùn)動車輛的預(yù)測位置，把運(yùn)動障礙物82保持在存儲器中。沿著自主車輛路線的速度規(guī)劃把該運(yùn)動障礙物與所述路線相交時(shí)的時(shí)間考慮進(jìn)去。虛線圓形區(qū)域中的重疊矩形表示由不確定性引起的預(yù)測位置的誤差。從而，即使當(dāng)數(shù)據(jù)流中斷時(shí)，可變結(jié)構(gòu)觀測器也能防止碰撞。提出的可變結(jié)構(gòu)觀測器允許跟蹤數(shù)目不受限制的運(yùn)動障礙物，僅僅取決于系統(tǒng)的計(jì)算能力。
[0109]VSO原理以在(Drakunov, S.V.，“Sliding-Mode Observers Based on EquivalentControl Method, "Proceedings of the31st IEEE Conference on Decis1n and Control(CDC)，Tucson, Arizona, Decemberl6-18, 1992，pp.2368-2370)中提出的滑模觀測器的思想為基礎(chǔ)，該文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在此引為參考，并以可變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一般理論為基礎(chǔ)。其原理可被描述成如下所示:一旦傳感器系統(tǒng)探測到障礙物，就使用初步數(shù)據(jù)處理識別障礙物的位置，幾何形狀和速度向量。VSO算法將自動創(chuàng)建障礙物的“標(biāo)識符”，及障礙物的數(shù)學(xué)運(yùn)動模型。
[0110]結(jié)果，產(chǎn)生識別的障礙物的狀態(tài)向量[位置，幾何形狀，形狀，速度等等]。根據(jù)輸入的傳感器數(shù)據(jù)流，持續(xù)更新該狀態(tài)向量(即，其參數(shù))。如果暫時(shí)失去傳感器數(shù)據(jù)，那么VSO算法將繼續(xù)提供(通過模擬)障礙物的位置和速度的預(yù)測，以使暫時(shí)致盲的車輛安全地停車，或者避免障礙物，直到重新獲得傳感器數(shù)據(jù)為止。
[0111]通過前移至未來時(shí)間運(yùn)行VSO算法，VSO不僅能夠預(yù)測障礙物的當(dāng)前位置，而且能夠預(yù)測障礙物的未來位置，以便進(jìn)行路線規(guī)劃和速度規(guī)劃。遵循某些規(guī)則。例如，如果識別的物體是沿著與自主車輛相同的道路行駛的移動物體，那么VSO將認(rèn)為識別的物體停留在道路上。例如，如果識別的物體是一直沿著與自主車輛相同的道路行駛，并且一直以幾乎恒定的速度行駛的運(yùn)動物體，那么VSO將認(rèn)為識別的物體停留在道路上，并且繼續(xù)以相同的速度(除非其它物體干預(yù))行進(jìn)。VSO把在附近環(huán)境中的所有障礙物的狀態(tài)向量結(jié)合成車輛的行駛環(huán)境的一個(gè)可變結(jié)構(gòu)模型，該模型隨著環(huán)境動態(tài)變化。由于VSO將增加進(jìn)入該區(qū)域的障礙物的新模型，和除去離開該區(qū)域的障礙物，因此觀測器狀態(tài)向量的維數(shù)不斷改變。
[0112]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可變結(jié)構(gòu)觀測器以關(guān)于滑模的系統(tǒng)的理論為基礎(chǔ)。從非線性數(shù)學(xué)了解滑模的應(yīng)用，在其它“系統(tǒng)中”，滑模一直用于分析系統(tǒng)的時(shí)間行為。在本發(fā)明的可變結(jié)構(gòu)觀測器中，滑模被用于在存在不確定性的情況下，根據(jù)強(qiáng)非線性系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，重構(gòu)狀態(tài)向量。下面更詳細(xì)地說明在路線規(guī)劃的情況下的VSO的應(yīng)用。
[0113]在實(shí)際的實(shí)踐中，VSO帶來另一個(gè)好處。通過在其計(jì)算中包括車輛運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，VSO自動濾出會在傳感器數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的波動。就激光掃描器傳感器來說，這尤其重要，因?yàn)樗俣认蛄?這些傳感器計(jì)算的速度向量)會包含相當(dāng)大的抖動。
[0114]路線規(guī)劃:本發(fā)明的路線規(guī)劃算法規(guī)避障礙物，并在規(guī)劃的通道內(nèi)常規(guī)地駕駛車輛。在一個(gè)實(shí)施例中，這些算法不會毫無原因地使車輛偏離規(guī)劃的通道。不過，如果車輛由于某種原因離開路線通道，那么導(dǎo)航系統(tǒng)會探測到這種情況，并提供回到所述通道的安全路線。如果錯(cuò)過某一路點(diǎn)，那么導(dǎo)航系統(tǒng)將只是延續(xù)到路線上的下一個(gè)可行的路點(diǎn)。如果路線被障礙物阻斷，那么路線規(guī)劃系統(tǒng)將確定障礙物周圍的路線。
[0115]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，路線規(guī)劃是通過利用三次b樣條實(shí)現(xiàn)的，三次b樣條被設(shè)計(jì)成跟隨規(guī)劃路線的中心，同時(shí)仍確保對車輛來說，路線不是不能導(dǎo)航的。這種保證意味沿著路線的任意點(diǎn)的曲率小于車輛能夠成功跟隨的最大曲率。另外，使曲率保持連續(xù)，以致不必停下車輛，以便在繼續(xù)行駛之前，把方向盤轉(zhuǎn)動到新的位置。在路線規(guī)劃算法中選擇使用B樣條主要是因?yàn)槟軌蛉菀椎乜刂破浣Y(jié)果曲線的形狀。在創(chuàng)建跟隨通道的中心的初始路線之后，對照障礙物儲存庫檢查該路線，以確定它是否是安全的路線。如果該路線不安全，那么簡單的算法產(chǎn)生并調(diào)整在曲線的問題地點(diǎn)的控制點(diǎn)，直到樣條避開所有已知的障礙物，同時(shí)仍然包含有效的最大曲率為止。此時(shí)，該路線即安全，又是可行駛的。
[0116]本發(fā)明的路線規(guī)劃還可利用基于細(xì)節(jié)水平(LOD)的障礙規(guī)避算法，以及幾種規(guī)劃算法來規(guī)劃障礙物周圍的路線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，LOD分析允許以不同的細(xì)節(jié)水平，運(yùn)行相同的算法。例如，如果在不太細(xì)致的情況下運(yùn)行算法(例如，以適應(yīng)較大的安全余量)，那么反復(fù)增大細(xì)致度(例如，以適當(dāng)較小的安全余量)，直到找到有效路線為止。路線規(guī)劃算法利用幾個(gè)不同的參數(shù)運(yùn)行，直到找到有效路線為止。初始參數(shù)利用安全余量(例如，車輛距離障礙物，或者在障礙物之間的間隙)，而最終參數(shù)不使用障礙物周圍的安全余量。這確保如果能夠獲得將以較大的誤差余量(例如，車輛橫向間隙)避開障礙物的路線，那么路線規(guī)劃軟件選擇該路線。否則，規(guī)劃算法將持續(xù)減小障礙物周圍的安全余量，直到確定有效路徑為止。
[0117]本發(fā)明適應(yīng)諸如汽車牽引力和對車輛的外力之類的因素。系統(tǒng)識別是本發(fā)明使用的一種方法，借助該方法，能夠通過使輸入系統(tǒng)中的信號與系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)聯(lián)，確定定義系統(tǒng)的參數(shù)，從而形成按照和實(shí)際的車輛系統(tǒng)相同的方式(或者相似的方式)表現(xiàn)的傳遞函數(shù)。例如，當(dāng)試圖控制車輛的速度時(shí)，輸入是制動器和加速器位置，輸出是車輛的速度?？捎脗鬟f函數(shù)H(S)描述系統(tǒng)模型，
[0118]y (s) =H(s)u(s)， (8)
[0119]其中是u (S)系統(tǒng)輸入(制動器和加速器位置)，y (S)是系統(tǒng)輸出(速度)。對來自車輛推進(jìn)系統(tǒng)的真實(shí)世界數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)識別，以得出對于工作車輛，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測試的車輛系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，直到相信獲得精確的傳遞函數(shù)為止。
[0120]因此，按照本發(fā)明，車輛的速度控制不僅適應(yīng)加速器和制動器功能，而且適應(yīng)物理引擎系統(tǒng)中的許多其它因素。例如，由于工作車輛具有燃?xì)?電混合動力引擎，因此，兩個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)由考慮到燃油效率而調(diào)整的在工廠安裝的難以接近的車載計(jì)算機(jī)控制。從而，請求的踏板位置和達(dá)到的實(shí)際位置之間的映射不是線性的，必須依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，用軟件重新映射。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，車輛的速度由集成的比例微分(PD)控制器控制。該控制器使其輸出以先前的輸出為基礎(chǔ)，并以當(dāng)前誤差和誤差的導(dǎo)數(shù)為基礎(chǔ)。在時(shí)域中，控制器可被寫為:
[0121]u(t2) = (t2_tl) (Kpe (t2)+Kde' (t2)) +u(t^ (9)
[0122]其中K1^PKd是可調(diào)系數(shù)，u(t)是在時(shí)間t，控制器的輸出，e(t)是在時(shí)間t的誤差。誤差被定義成從目標(biāo)輸出減去的實(shí)際輸出。實(shí)際輸出由RT3000報(bào)告，從路線規(guī)劃算法得到目標(biāo)速度。
[0123]對照上面詳細(xì)說明的導(dǎo)出的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)和調(diào)整集成ro控制器。例如，首先對照導(dǎo)出的傳遞函數(shù)的計(jì)算模型，導(dǎo)出最佳性能所需的權(quán)重(用于ro控制器中的比例控制)，隨后當(dāng)作用于該車輛時(shí)調(diào)整所述權(quán)重。
[0124]利用均與路線規(guī)劃系統(tǒng)無關(guān)的兩個(gè)獨(dú)立過程，在工作車輛中實(shí)現(xiàn)加速器和方向盤控制。一旦路線規(guī)劃算法決定了路線，就僅僅使用加速和轉(zhuǎn)向，以保持選擇的路線。由于在創(chuàng)建時(shí)，檢查了路線的可行性，因此控制系統(tǒng)認(rèn)為對車輛來說，給出的所有路線都是可實(shí)現(xiàn)的。按照這種方式(不過本發(fā)明可以使用其它啟始假設(shè))，決定如何最佳地繼續(xù)下去，以便沿著選擇的路線而行就成為控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
[0125]在一個(gè)實(shí)施例中，工作車輛的轉(zhuǎn)向控制器是以Riekert和Schunck的“Zur fahrmechanik des gummibereiften kraftfahrzeugs,，，(在 IngenieurArchiv, vol.11，1940, pp.210 一 224中)描述的典型單行道模型或者自行車模型為基礎(chǔ)的超前-滯后控制器，該文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在此引為參考。超前補(bǔ)償器提高系統(tǒng)的響應(yīng)性；滯后補(bǔ)償器降低(但不消除)穩(wěn)態(tài)誤差。超前-滯后補(bǔ)償器以系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為基礎(chǔ)。超前-滯后補(bǔ)償器與 D.Bernstein 在 A students guide to classical control, IEEE ControlSystems Magazine, vol.17，pp.96-100 (1997)中說明的類似,該文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在此引為參考。最后得到的工作車輛中的控制器是乘以低頻率增益的兩個(gè)超前和滯后函數(shù)的卷積，所述低頻率增益為0.045。使用自適應(yīng)估計(jì)參數(shù)。自適應(yīng)估計(jì)首先利用通過應(yīng)用理論函數(shù)獲得的一組值(參數(shù))，隨后在真實(shí)世界情形(例如，深砂床，粗糙的地形，和其它地形種類)下迭代測試并修改所述參數(shù)，直到使參數(shù)完美為止。
[0126]Fle(id(S) = ^^ (10)

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[0127]P (S) = Illl1 (11)

0.2 s + I
[0128]如(12)和(13)中所示實(shí)現(xiàn)離散化控制器，其中X是狀態(tài)向量，i,是狀態(tài)向量相對于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，u是輸入向量，Sf是在輪胎測量的相對于中心線的輸出轉(zhuǎn)向角。狀態(tài)向量X被定義成[ysw]，其中ys指的是從虛擬傳感器到參考路線的距離，Ψ是車輛的偏航率。虛擬傳感器是沿著車輛的中心線，投射到在車輛之前給定距離的點(diǎn)。該點(diǎn)通常被稱為預(yù)瞄點(diǎn)，從預(yù)瞄點(diǎn)到RT3000的距離被稱為預(yù)瞄距離。
?0.90475 - 0.000541 F-1.075381
[0129]X =Λ.+U (12)
[0.00054 0.99998 0.00277」' ’
δ f=[0.02150 0.00005]X+[0.00005]u (13)
[0130]給控制器的輸入向量u被定義為[ys]。控制器的輸出是在輪胎測量的相對于中心線的轉(zhuǎn)向角。
[0131]工作車輛中的轉(zhuǎn)向和控制系統(tǒng)假定方向盤角度和得到的輪胎角度之間的關(guān)系是線性的，并且假定車輛中心的重心位置位于前軸和后軸之間的中間點(diǎn)。作為一種安全措施，監(jiān)測ys信號的幅度，以防止車輛變得不穩(wěn)定。如果ys將越過給定閾值，意味車輛嚴(yán)重偏離路線，那么把車輛的速度降低到2mph。這使車輛可以返回到理想路線上，防止可能的翻車。
[0132]從而，路線規(guī)劃模塊被用于創(chuàng)建自主車輛通常應(yīng)遵循的全程路線，而局部路線規(guī)劃模塊(即，速度和路線規(guī)劃器(VPP))被用于從全程路線轉(zhuǎn)變到當(dāng)前的局部路線。局部路線包含車輛的規(guī)劃位置和車輛的規(guī)劃目標(biāo)速度。當(dāng)車輛的狀態(tài)和周圍環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可每秒多次地重新產(chǎn)生局部路線。
[0133]VPP利用來自可變結(jié)構(gòu)觀測器(VSO)的信息規(guī)劃和更新自主車輛的時(shí)間-空間軌跡和速度剖面圖。VPP目的在于通過適當(dāng)?shù)穆肪€規(guī)劃(即，從靜止的障礙物轉(zhuǎn)向)，避開靜止的障礙物，和目的在于調(diào)整自主車輛的速度，以避開將穿過自主車輛的規(guī)劃路線的運(yùn)動障礙物(包括如果需要的話，逐漸完全停下來，以避開障礙物)。在包括障礙物的時(shí)間-空間特性和障礙物的未來位置的擴(kuò)展域中，進(jìn)行最佳路線計(jì)算。按照為了簡化討論，這里給出的三個(gè)邏輯步驟完成軌跡計(jì)算。
[0134]在第一個(gè)步驟中，VPP根據(jù)提供的全程路線的GPS點(diǎn)，計(jì)算(x，y)_空間軌跡。隨后用利用三次或者更高次的樣條插值計(jì)算的平滑曲線連接這些點(diǎn)。
[0135]在第二個(gè)步驟中，VPP計(jì)算擴(kuò)展的時(shí)間-空間域{x*(t), y*(t), t*(t)}中的時(shí)間最佳軌跡，它滿足速度約束(最高限速和最低限速)，并且避開任何已知的或者探測到的障礙物。具有上述約束的最佳和準(zhǔn)最佳軌跡是利用變分法，Bellman動態(tài)規(guī)劃和Pontryagin的最小值原理的組合計(jì)算的。Pontryagin的最小值原理提供就控制和狀態(tài)變量約束而論的時(shí)間最佳控制的必要條件。如上所述，該計(jì)算是利用滑模算法進(jìn)行的。圖6B是例證的距離-時(shí)間S-T圖，它表示初始的速度規(guī)劃(斜線)和把觀測到的障礙物(即，橢圓形)考慮進(jìn)去之后的修正路線(向右偏離，并且平行于初始速度路線，傾斜地繼續(xù)前進(jìn)的線條)。在該圖表中，s代表沿著路線的距離，時(shí)間是沿著該路線到達(dá)相應(yīng)點(diǎn)的預(yù)期時(shí)間。
[0136]在第三個(gè)步驟中，VPP利用與在步驟2中計(jì)算的軌跡最接近的軌跡的在線準(zhǔn)最佳計(jì)算，在步驟2中計(jì)算的軌跡在保持速度和車輛安全的同時(shí)，滿足加速/減速約束。此時(shí)，可把乘坐舒適性考慮進(jìn)去，如果它不干擾安全行駛的話。在一個(gè)實(shí)施例中，速度和路線規(guī)劃器利用滑模算法進(jìn)行該軌跡計(jì)算。
[0137]通過變更車輛的速度，速度和路線規(guī)劃器允許空間-時(shí)間域(S-T域)中，所有種類的障礙物的規(guī)避。如果不存在數(shù)學(xué)解，并且車輛不能通過減速避免障礙物，那么接下來實(shí)現(xiàn)偏向機(jī)動，以避開障礙物，如果障礙物能夠被避開的話。例如如果另一輛車并不表現(xiàn)得不規(guī)律，那么這種偏向機(jī)動是可接受的。
[0138]反復(fù)評估VPP的結(jié)果，以確定是否應(yīng)嘗試改變車道，或者其它變更路線的機(jī)動。VPP的一個(gè)目標(biāo)是獲得最佳速度，從而如果另一輛車長時(shí)間停下來，或者甚至如果自主車輛因在它前面的另一輛車而過度慢下來，那么規(guī)劃算法將嘗試超越另一輛車。
[0139]更一般地，可在圖6C中圖解說明本發(fā)明的VPP算法。具體地說，圖6C是圖解說明一個(gè)實(shí)施例的VPP計(jì)算處理的流程圖?？赏ㄟ^接收預(yù)定的行進(jìn)路線規(guī)劃(例如，表示成數(shù)值樣條)，隨后計(jì)算路線參數(shù)(例如，距離，切向量，偏航角等)，概念化開始該處理。隨后，該處理考慮到對計(jì)算的路線參數(shù)進(jìn)行的曲率計(jì)算，并在進(jìn)行前向和后向滑模限制器計(jì)算時(shí)，把加速/減速約束考慮進(jìn)去。產(chǎn)生速度規(guī)劃。
[0140]現(xiàn)在具有預(yù)定的行進(jìn)路線規(guī)劃和計(jì)算的速度規(guī)劃的處理著手計(jì)算沿著行進(jìn)路線的時(shí)間分布。隨后，該處理考慮運(yùn)動障礙物數(shù)據(jù)，以重新計(jì)算空間-時(shí)間域速度規(guī)則，以便避開穿過預(yù)定行進(jìn)路線的運(yùn)動障礙物，從而產(chǎn)生修改的速度規(guī)劃。如果修改的速度規(guī)劃滿足預(yù)定的或者預(yù)先設(shè)置的加速/減速約束，那么在本實(shí)施例中，接受修改后的避開運(yùn)動障礙物的速度規(guī)劃。如果否，那么通過重新開始用前向滑模限制器計(jì)算，計(jì)算新的速度規(guī)劃，重復(fù)該處理。
[0141]轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng):軟件規(guī)劃模塊能夠產(chǎn)生任何路線，只要路線滿足與曲率和速度相關(guān)的某些約束。車輛能夠高精度地準(zhǔn)確沿著路線而行。由于這種高水平的駕駛精度，規(guī)劃模塊能夠產(chǎn)生成功地迂回通過障礙物密集的路線?？紤]到冗余性，可以使用多個(gè)規(guī)劃模塊，也可使用多個(gè)規(guī)劃模塊同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)候選路線。如果產(chǎn)生多條路線，那么使用得分最佳的一條路線(可按照多種不同的方式計(jì)算得分:最短時(shí)間，最短距離，障礙物最不雜亂，等等)。
[0142]此外，由于當(dāng)車輛能夠準(zhǔn)確地沿著產(chǎn)生的路線行駛時(shí)，路線規(guī)劃組件最有效地工作，因此在本發(fā)明的自主車輛的開發(fā)期間，特別把重點(diǎn)放在轉(zhuǎn)向控制器上。下面更詳細(xì)地說明本發(fā)明的高性能轉(zhuǎn)向算法。關(guān)于高性能轉(zhuǎn)向算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)果表示在圖7-9中。
[0143]圖7是表示在市區(qū)環(huán)境中，本發(fā)明的車輛的轉(zhuǎn)向控制器的標(biāo)準(zhǔn)差的說明圖。圖7圖解說明即使在市區(qū)環(huán)境中和高速行駛時(shí)，車輛的轉(zhuǎn)向控制器也能夠以較高的準(zhǔn)確性駕駛，從而在曲折的市區(qū)路線中，也使自主車輛可以獲得較高的穩(wěn)定速度。在市區(qū)駕駛期間，由于高大的建筑物和樹木對GPS信號的影響，GPS信號會相當(dāng)吵雜。這種噪聲會使市區(qū)環(huán)境中的高速自主駕駛變得更困難。
[0144]圖8表示即使在以30km/hr的恒速，在包含急轉(zhuǎn)彎的高難回旋路線上行駛時(shí)，本發(fā)明的轉(zhuǎn)向控制器也能夠保持25cm以下的偏離路線的標(biāo)準(zhǔn)差。在急轉(zhuǎn)彎期間，在高速下難以達(dá)到這種精度，因?yàn)槠嚨妮喬ピ诘孛嫔匣?打滑，這是在這些機(jī)動期間，轉(zhuǎn)向控制算法必須考慮到的另一個(gè)變量。
[0145]除了精確的駕駛能力之外，利用統(tǒng)計(jì)平均和濾波方法的數(shù)學(xué)濾波算法被證明會降低本發(fā)明的自主車輛上的障礙物傳感器中的噪聲。圖9表示對來自激光掃描系統(tǒng)的速度值濾波的結(jié)果。圖9表明激光掃描器提供的速度值包含被成功除去的相當(dāng)大的噪聲。
[0146]高性能轉(zhuǎn)向算法:在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種新穎的自主車輛轉(zhuǎn)向方法。所述方法包括運(yùn)動點(diǎn)(X*(s)，y*(s))沿著地面上的路線而行，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)向命令。執(zhí)行轉(zhuǎn)向的方法以沿著路線，離運(yùn)動點(diǎn)的原點(diǎn)的距離的控制時(shí)間函數(shù)s(t)為基礎(chǔ)。按照這樣的方式選擇函數(shù)s(t)的控制和轉(zhuǎn)向角9’，以致地面上，實(shí)際車輛位置相對于運(yùn)動點(diǎn)(X*(s(t))，y*(s(t)))的向量誤差位ij
[0147]E(r) = \ ―丨▲
[0148]滿足例如￡//￡*￡(/) = - k E(t)(其中增益k>0)，或者更一般的d/dt Eft) = F(E(t))形式的理想漸近穩(wěn)定微分方程式。結(jié)果，誤差收斂到0，從而，提供車輛沿著路線的魯棒轉(zhuǎn)向。下面我們提供這種方法的一種可能實(shí)現(xiàn)，其中控制器增益k的選擇以最佳收斂條件為基礎(chǔ)。
[0149]就完全非完整模型(參見圖10)來說，假定不存在前輪和后輪的側(cè)滑。描述位于離后差速器(rear differential)的距離為x。的車輛縱軸上的點(diǎn)的X_Y坐標(biāo)的非完整模型的運(yùn)動學(xué)部分為
[0150]
ΓCos(^)I■ sin(^) ?
? =V/.COS(^) + X0&I
LJJ iLsm(^)J-cos(0}j
[0151].1


0 = vrjsin(p)
[0152]其中x，y是全程幀中的讀取點(diǎn)的坐標(biāo)，Θ是偏航角，P是前航向角，Vf是前輪速度。后輪速度為K = vf cos(爐).
[0153]現(xiàn)在我們考慮在前輪不滑動的時(shí)候，后輪側(cè)滑的可能性。參見圖11。
[0154]作為沿著路線的距離s的函數(shù)的理想路線:

Γ.ν *(.、■)—
[0155]I _ 、
U.
[0156]虛擬點(diǎn)離路線起點(diǎn)的距離:
[0157]s(t)
[0158]在時(shí)間t，虛擬點(diǎn)的XY-位置:Γ ? 卜*剛1
[0159]
[v*(s(0)^
[0160]
當(dāng)前車輛位置相對于虛擁點(diǎn)的向量儀差:
I χ(θ]「χ(0?「1*(雄))-
[0161]I— = -= Ε(?)
LKoJU (.咐))」
[0162]關(guān)于誤差的系統(tǒng):
[0163]
麵)]fcos(6?)1.?「si—}].?= vvcos(p) +V,.—sm(fip)-w
y{t)\.\_sm(0)_./ _-cos(0)y^(s(i))
[0164]i(i) = w(2)
[0165]

, j


Θ-Vf -sin(ffl)
I
[0166]其中W是沿著路線的虛擬點(diǎn)速度(這是虛擬控制)

「γ 傘f f
[0167]H(I) = I _是虛擬點(diǎn)航向(單位)向量:
'L1 (柳―
I 卜〖I f X*1 (.νΟ))?
_8] li//i0I=||J?^(,(0)J=1
[0169]當(dāng)已知速度，根據(jù)誤差的最大收斂速率的條件選擇虛擬控制時(shí)，(2)中的第一個(gè)方程式的右側(cè)為
[0170]
「cos(的]sin⑷)].Γχ^?.ν?/))] Γχ(/)1
V/l./Λ, |Cos(^) + \., '-f!Sm(爐)-\w = -k\ | (3)
I sm(i?) II 1-COs(^)jLJ[>*(/) I
[0171]從而
[0172]卜UP]
IHOj LKO^
[0173]這保證誤差以指數(shù)速率k收斂到O: 1(0 = ?^1 40項(xiàng)0 = ?, 40，當(dāng)t —m時(shí)。
[0174]根據(jù)(3)，得到輪胎角度應(yīng)滿足:
[0175]
Cos(^)I議 X1J sin(^) 1.Γ-r ^(40)1.Γ-?(0] β/Λ ,=/Λ (Λ\
ν{,Ιη(θ)Γ?φ} + ^
[0176]取⑷兩側(cè)的范數(shù)平方，我們得到:
[0177][cos2 (φ) +〔,) sin2(^)j = w2 — Ikw < ll(i), E(i) > +k2 ||f (i)|2(S)
[0178]已知k，從該方程式，我們能夠得到w:
[0179]W = A-1"< /7(0，E(t) > 例認(rèn)左的 >2 =|每0||2 +:7^:1 ，(谷》
[0180]其中我們用v = v,^cos2(φ)+〔子sin2 (爐).表不點(diǎn)X。的速度。
[0181]另一方面，從(5)，通過關(guān)于w求(5)的微分，并把k的導(dǎo)數(shù)設(shè)為0，能夠獲得k的最佳值:
[0182]O = 2w-2k'w< H(t).E(t) > -2k < H{t),E(t) > +2kk' ￡(/)| (7)
[0183]在最佳點(diǎn)，k’ (wopt) = O0易于看出，該最佳值是區(qū)域w彡0，k彡0中的最大值。事實(shí)上，等式(5)代表wk平面上的二次曲線Aw2+2Bwk+Ck2 = D0由于
[0184]|<#(?), t(0>|^|￡(0||
[0185]因此遵循B2〈AC，從而這是一個(gè)橢圓。于是，kopt>0是最大值。
[0186]根據(jù)(7)
[0187]0 = 2w~~2k < /7(0,E(t) >
[0188]從而，
[0189]= Kn < 丑(0，￡(0 > ,
[0190]或者根據(jù)(5)
[0191]V2= k]pt < fm, E(t) >2 —2‘ < H(J)i E(t) >2 +k;t ||￡(0f
j iJV"
「01921ο/?τ ~~.1 _ ；|2—--
L j；|￡(/)|| -<H(t%E(t)>2
[0193]這給出

V
[0194]^opi /T^ f - - 7
[0195]當(dāng)誤差E(t)收斂到O時(shí)，I^pt的值會變得非常大。為了限制k，可以使用準(zhǔn)最佳值。
[0196]引入
1-* =1(8)
[0197]Iij -1i1::: "I，
[0198]其中ε >0是較小的常數(shù)(它保證k*受到限制)，得到Iw ^ vk*
[0199]把⑶代入(6),獲得w的準(zhǔn)最佳值:wopt ^ vw%其中
#<//(/).Ε(?)〉~\~S, * Γ rt..."I
[0200]w =.......Γ:—P—:—:—；—: = k [< _■ > +￡]

^\E(t}\ -<ff(f).+ ￡(f)>2 +e2
[0201]從而，
[0202]

Kp, * k*vf < fi(t), E(t) > +f]^cos2 (φ).〔子 SlE2 (fj)
[0203]根據(jù)(4)，得到
[0204]
「cos(沒)].τ? " sin(^) 1-
Vf.cos(供)+子I Sin(^p) = II(r)vw — vk E(t)
^SUl(o^)I ~~cos(&) I
[0205]由此，獲得:
[0206]
COS(爐)=I C0S^1,//(/)h^ - ?*￡(/)\—
\L_)J"v
[0207]./f si_ I ^ ,\ V I
sin(^j) ? (, II(/)u' ~~ k Ε(?) ?—-—

'I—cos(S)」I vr xo
[0208]在這些方程式的右側(cè)，V ='.士。S、) +(,) Sin2(φ) ?它也取決于航向角Ψ從而表示P的一種方式是除以這兩個(gè)方程式，從而獲得tan(的.
[0209]結(jié)果:
[0210]

7Γ SinO?) 1- ? ?— \ / I

{ 1 ’ IJ(U)W —k EU))

\ - cos_」 / A0
φ: arctan < -3-^---Lx~ >.Iyi

/「cosi 的 i 一 , ^ \' /
_ I—)]，//(.-叫
[0211]現(xiàn)在考慮在前輪不滑動的時(shí)候，后輪測滑的可能性。參見圖11。
[0212]這種情況下，后點(diǎn)的速度 ' 不一定與車輛縱軸對準(zhǔn)。質(zhì)心是車輛上的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，不過事實(shí)上，任意點(diǎn)可被看作旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。由于在本例中，系統(tǒng)是非完整的，因此更方便的是考慮在前輪之間的點(diǎn)，而不是考慮質(zhì)心。因此，作為基準(zhǔn)點(diǎn)的質(zhì)心可被用于帶滑動的受控轉(zhuǎn)彎。
[0213]從而，得到
[0214]


L fcos(^)1\

V/ cos(i?) = ? V,.)

\ Sm(灼 /
[0215]
一(碎[::)1 +.?)
[0216]于是，
[0217]
XI 「cos(沒>"].「sin(沒)I

=Vrcm(,)+[vf sin(p) - (I 一 x0)_
jj ! U_}」w》L/ w) ^ 卜(?ο)
[0218]
= ![-Frlaleml + mvj tan(爐)11)
[0219]其中最后一個(gè)方程式中的第二項(xiàng)表示離心力的近似。在這個(gè)表達(dá)式中，% =//〖an(的近似是瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑。
[0220]可以假定
[0221 ] Frlateral = FrlateralJlaxSigll ( O )， (Il)
[0222]其中
[0223]
σ = 0--1-sia(f).(12)



I
[0224]可看出，F(xiàn)latoal是變量σ的不連續(xù)函數(shù)。在這種系統(tǒng)中，會出現(xiàn)滑模的現(xiàn)象(例如，參見 DeCarlo R.和 S.Zak, S.V.Drakunov 的 “Variable Structure and Sliding ModeControl，，,chapter in The Control Handbook a Volume in the Electrical EngineeringHandbook Series, CRC Press, Inc.，1996，該文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在此引為參考)。在本系統(tǒng)中，
如果存在橫向摩擦力的足夠余量，那么出現(xiàn)滑模。即，
[0225]
Frlmeml > MV2r ian(p) /1? (13)
[0226]在滑模下，σ = #-+sin(0 = o?并且系統(tǒng)Qo)中的第一個(gè)方程式變成(I)。
[0227]在滑模下，利用規(guī)定可用從等式? = 0獲得的等效值代替滑模下的不連續(xù)函數(shù)的等效控制方法(例如，參見上面的參考文獻(xiàn))，可獲得橫向作用力。
[0228]通過求微分，獲得
[0229]
JhKtutm,+mv} t^)H]^[vf sin#) —V/ co%(φ)φ}
[0230]由此，
[0231]

Ptialmil = >ην2, ?Λη(φ)Ι?-ψ[ν, + cos(^))#]
[0232]該表達(dá)式和不等式(13)被用于通過操縱速度和/或轉(zhuǎn)向角，控制(在期望的時(shí)刻開始或防止)滑行。
[0233]在發(fā)生滑行的情況下(歸因于側(cè)摩擦力較低的自然條件，或者人為產(chǎn)生的滑行)，使用下面說明的轉(zhuǎn)向算法?？紤]到修正的模型(10)，而不是(I)，類似于前面的情況計(jì)算虛擬點(diǎn)速度。結(jié)果，獲得:
[0234]

Wojit ?**[< Fl(t\ E(t) > +?’] ^ V》cos2 (φ) + [vf ?η(φ) - (1-.YrtJ
[0235]其中
k* —_\_
[0236]— 1、..2 - -.7

￡(0| —<//(?), f(?)>2
[0237]與前面相同。
[0238]
V = JV} COS2(φ) + [v, sin(f?)-(/-xn)l9j
[0239]
V/ [^m\c°m+[>v s'n(f)—(/—["mm]=/1(0w；—vk^(t)
[0240]從而，
[0241]
\L通卬)」/v,
[0242]
sin(^)? l\ * ^ ^ l,lf(i)w —k ￡(?)\.—+(l^x0)#*—
LU-議則hfv/?
[0243]


%ιη(φ)~ /lcos(f) + (I ~~χ{))θ—*.1v/、
[0244]A = -lT=---r1-
[0245]

I.I

$\η(φ-ψ)=—嚴(yán)::=(/
-如』:Vf
[0246]ψ = arctan (A)
[0247](/ — V )0
φ = arcsin —^=2=^ +arcian(/l)
Vf^l + A2
[0248]任務(wù)管理器:本發(fā)明的自主車輛內(nèi)的相當(dāng)大量的高級處理和決策由任務(wù)管理器模塊處理。除了監(jiān)控每個(gè)組件是否正常工作之外，任務(wù)管理器模塊還協(xié)調(diào)AVS體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有其它組件。任務(wù)管理器模塊本身被設(shè)計(jì)成與組件實(shí)現(xiàn)無關(guān)地工作，以致用不同設(shè)計(jì)的一種傳感器代替一種傳感器不會影響車輛的正常運(yùn)行。這種軟件能力補(bǔ)充由用戶或程序接口 5和FPGA56提供的可配置硬件能力。
[0249]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)，有限狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)引導(dǎo)自主車輛經(jīng)過為成功地完成指引的路線而需要的一系列事件。FSM由車輛能夠擁有的一組狀態(tài)，和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換定義。這些狀態(tài)包括諸如駕駛，超車，在十字路口等待之類的事件。根據(jù)這些狀態(tài)中的每個(gè)狀態(tài)，F(xiàn)SM包括一組定義的“出口”，所述一組定義的出口是車輛能夠執(zhí)行的，以便從一種狀態(tài)進(jìn)行到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)某一車輛阻擋理想路線時(shí)，會出現(xiàn)這樣的出口，這會使車輛從“駕駛”狀態(tài)變成“超車”狀態(tài)。
[0250]FSM可包括交通法規(guī)，因?yàn)檫@樣的法規(guī)通常包含它們適用于的非常具體的情形。由于車輛的行動每次只能受一種狀態(tài)控制，因此在一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)SM創(chuàng)建按時(shí)間順序排列的一系列行為，和發(fā)起這些行為的原因，稍后能夠關(guān)于隱錯(cuò)和邏輯錯(cuò)誤分析這些原因。
[0251]另外，AVS任務(wù)管理器能夠監(jiān)控根據(jù)提供的任務(wù)數(shù)據(jù)文件(MDF)和路線網(wǎng)絡(luò)定義文件(RNDF)，進(jìn)行高級規(guī)劃的任務(wù)規(guī)劃器組件。一旦創(chuàng)建了沿著MDF的規(guī)定檢查點(diǎn)，把車輛從一個(gè)路點(diǎn)導(dǎo)航到另一個(gè)路點(diǎn)的全程規(guī)劃，任務(wù)規(guī)劃器就跟蹤和核實(shí)對該規(guī)劃的修改。在一個(gè)實(shí)施例中，沿著公路或其它路線的路旁裝置可廣播它們的地理空間坐標(biāo)，自主車輛接收和處理從路旁裝置接收的信號，以便使自主車輛確定其位置。因此，車輛的物體傳感器可包括遠(yuǎn)離車輛的組件裝置。
[0252]任務(wù)管理器的另一個(gè)功能是確保從一個(gè)組件給另一個(gè)組件的請求不會不利地影響車輛的安全行駛。例如，在被傳給車輛的致動器之前，任務(wù)管理器首先核實(shí)從轉(zhuǎn)向控制模塊發(fā)出的轉(zhuǎn)向命令是否適合于車輛的情形(速度，滾轉(zhuǎn)等)。任務(wù)管理器還探測暫停命令，并協(xié)調(diào)車輛的平滑停止。
[0253]任務(wù)管理器的另一個(gè)功能是監(jiān)控在任務(wù)管理器的自主車輛附近行駛的其它自主車輛。監(jiān)控所述其它自主車輛的一種途徑是使每個(gè)自主車輛向相同網(wǎng)絡(luò)上的任何其它自主車輛傳送它自己的位置。可以適當(dāng)擴(kuò)展這種能力，以致每個(gè)自主車輛(或者甚至廣播位置信息的其它非自主車輛)相互通信。一種這樣的應(yīng)用是用在道路路線有限，并且要跟蹤的車輛數(shù)目有限的采礦應(yīng)用中。
[0254]路線可視化=AVS控制臺是AVS平臺的允許實(shí)時(shí)顯示自主車輛及其環(huán)境，和重放先前的自主車輛行駛的組件。圖12是示意表示實(shí)時(shí)顯示80的AVS控制臺。
[0255]記錄模塊每隔一定時(shí)間間隔詢問AVS軟件平臺內(nèi)的每個(gè)內(nèi)部模塊。所述間隔可從小于IHz到250Hz不等，取決于每個(gè)單獨(dú)模塊的數(shù)據(jù)對時(shí)間有多敏感，取決于認(rèn)為適合于特定應(yīng)用的任何因素。
[0256]AVS平臺提供模塊應(yīng)如何記錄其數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化二進(jìn)制格式。首先，模塊寫入表示其內(nèi)部狀態(tài)被改變的最后時(shí)間的8字節(jié)時(shí)間戳。隨后，模塊寫入用于識別該模塊的2字節(jié)數(shù)字標(biāo)識符。之后，模塊應(yīng)寫入4字節(jié)的整數(shù)，該整數(shù)包含模塊的數(shù)據(jù)的長度。最后，模塊可把其數(shù)據(jù)與入存儲器中。
[0257]記錄模塊獲得每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，并順序把數(shù)據(jù)寫入處理器的磁盤驅(qū)動器中。AVS控制臺稍后經(jīng)TCP連接取回該數(shù)據(jù)，以便利自主車輛的重放。另外，AVS控制臺利用UDP和TCP通信的組合，實(shí)時(shí)地從AVS取回該數(shù)據(jù)。自主行駛并不需要存在AVS控制臺，不過如果存在AVS控制臺的話，那么它將顯示自主車輛及其環(huán)境的實(shí)時(shí)視圖。
[0258]記錄模塊等待來自AVS控制臺的TCP連接，隨后通過所述TCP連接，把任何被請求模塊的數(shù)據(jù)發(fā)給AVS控制臺。另外，取決于被認(rèn)為適合于特定應(yīng)用的任何因素，一些模塊的數(shù)據(jù)作為連續(xù)UDP廣播，被發(fā)給與自主車輛在相同以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的任何計(jì)算機(jī)。
[0259]AVS控制臺包括用OpenGL架構(gòu)建立的3D顯示器。每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)由AVS控制臺處理，隨后在3D顯示器中顯示。顯示的數(shù)據(jù)的種類取決于特定的模塊。始終被顯示的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括車輛的位置，姿態(tài)和速度，以及自主車輛目前感測到的任何障礙物。為了重放先前的行駛，AVS控制臺能夠讀取先前保存的數(shù)據(jù)，并且能夠把該數(shù)據(jù)載入3D顯示器中。
[0260]計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn):圖13圖解說明其中可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的處理器24(或者下面討論的任意特定處理器)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201的一個(gè)實(shí)施例。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201被編程和/或配置成實(shí)現(xiàn)上面說明的任意或者所有功能。此外，相應(yīng)的功能可分配在不同的車載計(jì)算機(jī)之間。這些計(jì)算機(jī)可通過通信網(wǎng)絡(luò)1216(下面討論)相互通信。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201包括傳遞信息的總線1202或者其它通信機(jī)構(gòu)，與總線1202耦接，用于處理信息的內(nèi)部處理器1203。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201包括與總線1202耦接的用于保存信息和由內(nèi)部處理器1203執(zhí)行的指令的存儲器1204，比如隨機(jī)存取存儲器(RAM)或者其它動態(tài)存儲裝置(例如，動態(tài)RAM(DRAM)，靜態(tài)RAM(SRAM)和同步DRAM(SDRAM))。另外，存儲器1204可被用于保存內(nèi)部處理器1203執(zhí)行指令期間的臨時(shí)變量或其它中間信息。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201最好包括與總線1202耦接的用于為內(nèi)部處理器1203保存信息和指令的非易失性存儲器，比如例如只讀存儲器(ROM) 1205，或者其它靜態(tài)存儲裝置(例如，可編程ROM(PROM)，可擦除PROM(EPROM)，和電可擦PROM(EEPROM))。
[0261]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201還可包括專用邏輯器件(例如，專用集成電路(ASIC))，或者可配置的邏輯器件(例如，簡單可編程邏輯器件(SPLD)，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA))。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號處理器(DSP)JMnTexasInstruments 的 TMS320 系列芯片，Motorola 的 DSP56000, DSP56100, DSP56300, DSP56600和 DSP96000 系列芯片，Lucent Technologies 的 DSP1600 和 DSP3200 系列，或者 AnalogDevices的ADSP2100和ADSP21000系列。也可使用為處理已轉(zhuǎn)換到數(shù)字域的模擬信號而專門設(shè)計(jì)的其它處理器(如在下面的工作例子中詳細(xì)所述)。
[0262]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201響應(yīng)于內(nèi)部處理器1203執(zhí)行包含在存儲器，比如主存儲器1204中的一個(gè)或多個(gè)序列的一條或多條指令，執(zhí)行本發(fā)明的一部分或者所有處理步驟。這種指令可從另一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，比如硬盤1207或可拆卸介質(zhì)驅(qū)動器1208讀入主存儲器1204中。這種指令可從另一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，比如USB閃速驅(qū)動器或閃存盤(jumpdrive)讀入主存儲器1204中。這種驅(qū)動器是具有在多數(shù)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)下，充當(dāng)軟盤或硬盤驅(qū)動器的能力的固態(tài)存儲裝置。也可采用多處理方案中的一個(gè)或多個(gè)處理器來執(zhí)行包含在主存儲器1204中的指令序列。在備選實(shí)施例中，可代替軟件指令，或者與軟件指令結(jié)合使用硬連線電路。從而，實(shí)施例并不局限于硬件電路和軟件的任何特定結(jié)合。
[0263]如上所述，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201包括至少一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或存儲器，用于保存按照本發(fā)明的教導(dǎo)編程的指令，和用于包含這里說明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表格，記錄或其它數(shù)據(jù)。適用于本發(fā)明的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的例子是光盤，硬盤，軟盤，磁帶，磁光盤，PR0M(EPR0M,EEPR0M,閃速EPROM)，DRAM, SRAM, SDRAM,或者任何其它磁介質(zhì)，光盤(例如，CD-ROM)，或者任何其它光學(xué)介質(zhì)，穿孔卡片，紙帶，或者具有小孔的圖案的任何其它物理介質(zhì)，載波(下面說明)，或者計(jì)算機(jī)能夠讀取的任何其它介質(zhì)。
[0264]本發(fā)明包括保存在任意一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，或者計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的組合上的軟件，用于控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201，驅(qū)動實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)裝置，和使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201能夠與人類用戶(例如，駕駛員)交互。這樣的軟件可包括(但不限于)裝置驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)，開發(fā)工具和應(yīng)用軟件。這種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還包括本發(fā)明的用于完成在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)執(zhí)行的全部或者部分處理(如果處理是分布式處理的話)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。本發(fā)明的計(jì)算機(jī)代碼裝置可以是任何可解釋或者可執(zhí)行的代碼機(jī)構(gòu)，包括(但不限于)腳本，可解釋程序，動態(tài)鏈接庫(DLL)，Java類，和完全可執(zhí)行的程序。此外，考慮到更好的性能，可靠性和/或成本，本發(fā)明的處理的各個(gè)部分可以是分布式的。
[0265]這里使用的術(shù)語“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”指的是參與向內(nèi)部處理器1203提供指令以便執(zhí)行的任意介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以采取許多形式，包括(但不限于)非易失性介質(zhì)，易失性介質(zhì)和傳輸介質(zhì)。非易失性介質(zhì)包括光盤，磁盤和磁光盤，比如硬盤1207或可拆卸介質(zhì)驅(qū)動器1208。易失性介質(zhì)包括動態(tài)存儲器，比如主存儲器1204。傳輸介質(zhì)包括同軸電纜，銅線和光纖，包括構(gòu)成總線1202的導(dǎo)線。傳輸介質(zhì)還可采取聲波或光波的形式，比如在無線電波和紅外數(shù)據(jù)通信期間產(chǎn)生的聲波或光波。
[0266]把一個(gè)或多個(gè)序列的一條或多條指令傳送到內(nèi)部處理器1203以便執(zhí)行可涉及各種形式的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，最初可用磁盤把指令帶到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。與總線1201耦接的紅外探測器能夠接收攜帶在紅外信號中的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)放在總線1202上?？偩€1202把數(shù)據(jù)傳送到主存儲器1204，內(nèi)部存儲器1203從主存儲器1204取回和執(zhí)行指令?？蛇x的是，在由內(nèi)部處理器1203執(zhí)行之前或之后，主存儲器1204接收的指令可被保存在存儲裝置1207 或 1208 上。
[0267]例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含供在車輛中的處理器上執(zhí)行的程序指令，當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序指令使處理器接收表示車輛的定位和航向的位置信號。接收的位置信號已由可編程接口歸一化，從而產(chǎn)生歸一化的位置信號。處理器根據(jù)歸一化的位置信號產(chǎn)生操作控制信號，把操作控制信號輸出給可編程接口，從而產(chǎn)生歸一化的操作控制信號，歸一化的操作控制信號沿著車輛的更新的行駛路線控制車輛的行駛。
[0268]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含供在車輛中的處理器上執(zhí)行的程序指令，當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序指令使處理器以線控格式向車輛提供方向控制指令和/或速度控制指令，或者根據(jù)路點(diǎn)定位在處理器中的存儲，確定物體的存在和定位，或者通過識別固定物體或運(yùn)動物體，在路點(diǎn)之間指引車輛，以避免沿著行進(jìn)路線。
[0269]在自主工業(yè)中的線控技術(shù)中，用利用電機(jī)致動器和人機(jī)接口，比如踏板和轉(zhuǎn)向感覺仿真器的電子控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械和液壓控制系統(tǒng)。從而，從車輛中消除了諸如轉(zhuǎn)向柱，中間軸，泵，軟管，流體，皮帶，冷卻器，制動助力器和主缸之類的傳統(tǒng)組件。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)自主車輛系統(tǒng)平臺FPGA和輸入/輸出模塊有助于與實(shí)現(xiàn)自主車輛的轉(zhuǎn)向、制動和牽弓I的電子控制系統(tǒng)接口時(shí)，本發(fā)明促進(jìn)了線控能力。
[0270]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含供在車輛中的處理器上執(zhí)行的程序指令，當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序指令使處理器根據(jù)到物體的相應(yīng)距離，相對于物體的相應(yīng)方向，車輛的航向，和車輛的地理空間位置，把物體相對于車輛的位置轉(zhuǎn)換成地理空間坐標(biāo)。來自上述GPS和INS系統(tǒng)的輸入可被處理器24用于完成物體位置的這種轉(zhuǎn)換。
[0271]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含供在車輛中的處理器上執(zhí)行的程序指令，當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序指令使處理器識別障礙物之一的位置，速度和幾何形狀，以及時(shí)預(yù)測識別的障礙物的位置和速度，和估計(jì)識別的障礙物的未來位置。路線尋找算法能夠根據(jù)記錄的兩個(gè)路點(diǎn)之間的交通模式，確定車輛在這兩個(gè)路點(diǎn)之間的路線。在一個(gè)實(shí)施例中，路線尋找算法能夠根據(jù)記錄的在兩個(gè)路點(diǎn)之間的行駛時(shí)間、兩個(gè)路點(diǎn)之間的擁堵區(qū)的歷史和擁堵的實(shí)時(shí)報(bào)告中的至少一個(gè)來確定路線。在一個(gè)實(shí)施例中，路線尋找算法能夠根據(jù)兩個(gè)路點(diǎn)之間的許多特定行駛路線的相應(yīng)加權(quán)平均值來確定路線，相應(yīng)的加權(quán)平均值包括記錄的在兩個(gè)路點(diǎn)之間的行駛時(shí)間、兩個(gè)路點(diǎn)之間的擁堵區(qū)的歷史和擁堵的實(shí)時(shí)報(bào)告中的至少一個(gè)。
[0272]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包含供在車輛中的處理器上執(zhí)行的程序指令，當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)，所述程序指令使處理器24 (在地圖存儲區(qū)中)訪問路點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)邏輯地圖，所述邏輯地圖提供從一個(gè)路點(diǎn)到另一個(gè)路點(diǎn)的方向。邏輯地圖可包括路點(diǎn)的地理空間坐標(biāo)，沿著車輛的行駛路線的道路的十字路口的交叉口路點(diǎn)，和與在不同路點(diǎn)之間的行駛相關(guān)的時(shí)間(記錄或計(jì)算的時(shí)間)?？捎谜系K物識別算法對處理器24編程，以通過比較物體位置和路點(diǎn)的地理空間坐標(biāo)，確定物體之一是障礙物，還是所述路點(diǎn)之一。
[0273]此外，本發(fā)明的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可包括詳述與特定地點(diǎn)相關(guān)的地理信息、路線規(guī)劃算法(如下所述)、導(dǎo)航指令、特定于安裝在車輛上的圖像傳感器的指令、命令和/或接收來自另外的傳感器(比如立體照相機(jī)或者車輛輪速傳感器)的數(shù)據(jù)或者接收來自駕駛員輸入控制裝置或者其它車載裝置(比如下面說明的那些車載裝置)的數(shù)據(jù)的指令、路線規(guī)劃算法、包含與車輛牽引力和對給使用中的自主車輛的外力的響應(yīng)有關(guān)的數(shù)據(jù)的個(gè)體化車輛傳遞函數(shù)和關(guān)于使用中的自主車輛的轉(zhuǎn)向控制的程序指令。
[0274]例如，在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，程序指令被配置成使處理器處理來自提供扇區(qū)之一的圖像的照相機(jī)的輸入。根據(jù)所述圖像，處理器識別自主車輛的行進(jìn)路線的車道。處理器能夠確定在識別的車道中是否存在障礙物，并且能夠確定所述障礙物周圍的規(guī)避路線。
[0275]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201還包括與總線1202耦接的通信接口 1213。通信接口 1213提供與網(wǎng)絡(luò)鏈路1214耦接的雙向數(shù)據(jù)通信，在把軟件下載到處理器24或者車輛上的多個(gè)車載計(jì)算機(jī)之間的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)期間，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214至少暫時(shí)連接到例如局域網(wǎng)(LAN) 1215，或者連接到另一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)1216，比如因特網(wǎng)。例如，通信接口 1213可以是附接到任何分組交換LAN的網(wǎng)絡(luò)接口卡。又例如，通信接口 1213可以是提供與對應(yīng)種類的通信線路的數(shù)據(jù)通信連接的非對稱數(shù)字用戶線路(ADSL)卡、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(ISDN)卡或調(diào)制解調(diào)器。無線鏈路還可被實(shí)現(xiàn)成提供與車載計(jì)算機(jī)、圖像傳感器、輪速傳感器、生物特征傳感器和/或駕駛員命令輸入裝置任意之一的數(shù)據(jù)交換的通信接口 1213的一部分。在任何這樣的實(shí)現(xiàn)中，通信接口 1213發(fā)送和接收攜帶表示各種信息的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的電、電磁或光信號。
[0276]網(wǎng)絡(luò)鏈路1214 —般通過一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，向其它數(shù)據(jù)裝置提供數(shù)據(jù)通信，從而提供與任意車載計(jì)算機(jī)、圖像傳感器、輪速傳感器、生物特征傳感器和/或駕駛員命令輸入裝置的數(shù)據(jù)交換。例如，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214可通過局域網(wǎng)1215(例如LAN)，或者通過服務(wù)提供商運(yùn)營的設(shè)備，提供與另一個(gè)計(jì)算機(jī)的臨時(shí)連接，所述服務(wù)運(yùn)營商通過通信網(wǎng)絡(luò)1216提供通信服務(wù)。如圖13中所示，計(jì)算系統(tǒng)1201可通過局域網(wǎng)1215和通信網(wǎng)絡(luò)1216，與輸入裝置1217通信，局域網(wǎng)1215和通信網(wǎng)絡(luò)1216利用例如承載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的電、電磁或光信號，和相關(guān)的物理層(例如，CAT5電纜，同軸電纜，光纖等)?？捎没鶐盘柣蛘呋谳d波的信號實(shí)現(xiàn)通過各種網(wǎng)絡(luò)的信號和在網(wǎng)絡(luò)鏈路1214上并通過通信接口 1213的往來于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201承載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的信號?；鶐盘栆哉f明數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)比特流的非調(diào)制電脈沖的形式傳送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，其中術(shù)語“比特”應(yīng)被廣泛地解釋成意味符號，其中每個(gè)符號傳送至少一個(gè)或多個(gè)信息比特。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也可被用于調(diào)制載波，比如用通過傳導(dǎo)介質(zhì)傳播的，或者通過傳播介質(zhì)以電磁波的形式傳送的幅移鍵控，相移鍵控和/或頻移鍵控信號。從而，可通過“有線”通信通道，以非調(diào)制基帶數(shù)據(jù)的形式，發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，和/或通過調(diào)制載波，在不同于基帶的預(yù)定頻帶內(nèi)發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1201可通過網(wǎng)絡(luò)1215和1216，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214和通信接口 1213，傳送和接收數(shù)據(jù)，包括程序代碼。此外，網(wǎng)絡(luò)鏈路1214可提供經(jīng)LAN1215到車輛上的各種車載GPS和INS系統(tǒng)的連接。在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，輸入裝置1217向處理器24提供輸入，示意地代表在本發(fā)明中討論的圖像傳感器、輪速傳感器、生物特征傳感器和/或駕駛員命令輸入裝置。
[0277]應(yīng)用領(lǐng)域
[0278]在本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于分別按主要模式或次要模式起作用的自主駕駛車輛和人類駕駛車輛。
[0279]一般來說，具有上述各種屬性的本發(fā)明可被包括在各種可駕駛單元中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，這樣的單元是產(chǎn)生推力的陸地或水上交通工具，例如包括汽車，卡車，運(yùn)動型多用途汽車，裝甲車，小船，輪船，駁船，油船和裝甲艦船。對船只來說，不僅在能見度有限，并且希望規(guī)避其它船只的天氣或夜間情況下可以使用本發(fā)明，而且在為了使碼頭結(jié)構(gòu)和船閘結(jié)構(gòu)對船只的損害降至最小，在碼頭結(jié)構(gòu)和船閘結(jié)構(gòu)之間的船只的控制意義重大的入塢和通過船閘操作中，也可以使用本發(fā)明。
[0280]本發(fā)明還可應(yīng)用于飛機(jī)。特別地，對高速飛機(jī)的應(yīng)用將取決于確定離飛機(jī)足夠距離，以致飛機(jī)能夠采取修正行動的物體的存在的探測器靈敏度和準(zhǔn)確度。不過，本發(fā)明可用在速度不高的飛機(jī)降落和起飛中。例如，在起飛和著陸時(shí)，關(guān)心的是常常在跑道盡頭的鳥群是否會對引擎造成危險(xiǎn)。人眼在遠(yuǎn)處難以看到鳥類，飛機(jī)雷達(dá)難以探測到鳥類。此外，本發(fā)明可應(yīng)用于直升機(jī)，尤其是經(jīng)常降落在具有飛行員常常無法看到的障礙物的臨時(shí)區(qū)域的救援直升機(jī)。
[0281]其它應(yīng)用領(lǐng)域包括比空氣輕的飛行器(例如，自主式氣象氣球，例如包括遙控小型飛機(jī)的自主式邊境巡邏系統(tǒng))，其它小型偵察飛機(jī)，和兩棲交通工具(比如包括氣墊船等在內(nèi)的水陸攻擊車)。
[0282]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可駕駛單元可以是無駕駛員輔助控制的自主車輛，或者具有計(jì)算機(jī)輔助控制的駕駛員控制車輛。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，自主車輛可應(yīng)用在上面提及的駕駛員會處于危險(xiǎn)中的環(huán)境上危險(xiǎn)的環(huán)境中。本發(fā)明的駕駛員控制的車輛可應(yīng)用在上面提及的更常規(guī)的環(huán)境中，在所述更常規(guī)的環(huán)境中，如果駕駛員突發(fā)疾病，或者如果例如在不利的駕駛條件下，駕駛員變得分不清方向，那么駕駛員會迷失方向或者在身體上不能控制車輛。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，處理器24被配置成在駕駛員發(fā)生機(jī)能障礙的情況下，或者在路線障礙物近在眼前的情況下，或者在駕駛員請求的情況下控制車輛。
[0283]作為本發(fā)明的這種實(shí)施例的一個(gè)例證例子，自主車輛可通過與預(yù)定路線相比，觀察駕駛員的行駛路線，識別駕駛員機(jī)能障礙。如果車輛的當(dāng)前路線和預(yù)定路線不相似，那么自主車輛便會檢查例如駕駛員是否最近已轉(zhuǎn)動方向盤和/或壓下制動器或油門。所述比較及轉(zhuǎn)向和制動檢查都可被包括在決策處理中，因?yàn)槿绻谘埠娇刂崎_啟的情況下，駕駛員正行駛在較長的直路上，那么他不會主動轉(zhuǎn)動方向盤或者踩下制動器或油門。按照相同的邏輯，只要駕駛員主動操縱汽車，那么駕駛員就行駛在與自主車輛的路線不一致的路線上。在自主車輛需要接管的情況下，那么在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，自主車輛首先在聽覺上和視覺上通知駕駛員它正在接管，隨后接管并且盡可能平穩(wěn)和安全地操縱車輛到安全的停車位置。如果駕駛員希望收回控制權(quán)，那么在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的自主車輛為駕駛員提供按鈕或者其它輸入裝置，以恢復(fù)控制。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，駕駛員可以重新按下按鈕(或者輸入命令)，把控制權(quán)讓給自主車輛。從而，在各個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供協(xié)作自主駕駛模式。
[0284]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，生物特征傳感器可以代表另一個(gè)輸入裝置。在這個(gè)實(shí)施例中,通過從例如內(nèi)置在車輛的方向盤中的心率監(jiān)測器給處理器24的輸入，生物特征傳感器確定駕駛員是否在主動駕駛。適合于本發(fā)明的心率監(jiān)測器的一個(gè)例子是用在運(yùn)動設(shè)備中的心率監(jiān)測器，在一個(gè)實(shí)施例中，心率監(jiān)測器被集成到方向盤中，或者作為替代，可由駕駛員戴在身上，并與處理器24無線通信。如果處理器24持續(xù)延長的一段時(shí)間(例如，5秒)探測到心率的完全失去或者極低的心率，那么處理器24被配置成取得車輛的控制權(quán)。通過監(jiān)測當(dāng)汽車在正常的控制下駕駛員的正常心率，處理器會獲得用于確定例如駕駛員是否因在駕駛時(shí)睡著，中風(fēng)或者心臟病發(fā)作而存在機(jī)能障礙的基礎(chǔ)。也可按照(上面討論的)協(xié)作操作模式實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例。和前面一樣，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在接管車輛的控制權(quán)，并操縱車輛到安全的停車點(diǎn)之前，發(fā)出聽得見的警報(bào)。如果駕駛員事實(shí)上并不存在機(jī)能障礙，那么駕駛員可簡單地按下按鈕(或者其它輸入裝置)，從而從處理器24取回控制權(quán)。
[0285]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可在預(yù)定的路程中反復(fù)操作自主車輛。例如，駕駛員按下使自主車輛進(jìn)入記錄模式的按鈕。駕駛員嚴(yán)格以他希望自主車輛駕駛通過該路程的方式駕駛車輛。駕駛員隨后再次按下該按鈕，自主車輛以很高的可靠性和可重復(fù)性一再駕駛通過該記錄的路程(可重復(fù)性是汽車測試人員的關(guān)注重點(diǎn))。這種能力還可用于耐久性測試車輛，在耐久性測試中，連續(xù)幾天在危險(xiǎn)的情況下在在隊(duì)列中越野駕駛車輛，目前在這幾天中，由于人體相對虛弱，因此完成這個(gè)任務(wù)要利用多位駕駛員。這種能力還有益于以恒定的速度長距離駕駛車輛。例如，這種能力可用于關(guān)于油耗性能，在賽道上以公路速度測試車輛。
[0286]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可結(jié)合繪圖程序(例如，運(yùn)行于膝上型計(jì)算機(jī)上)使用可駕駛單元，在所述繪圖程序中，用戶可選擇目的地。此時(shí)，自主導(dǎo)航軟件會訪問繪圖軟件，從而除了用GPS路點(diǎn)外產(chǎn)生路線(類似該軟件通常產(chǎn)生路線那樣)，而不是用人類指令，比如“在大街左轉(zhuǎn)”產(chǎn)生路線。此時(shí)，自主車輛進(jìn)入正常操作，沿該路線而行。在一個(gè)實(shí)施例中，繪圖軟件被定制，以向自主導(dǎo)航程序提供額外的信息，比如街道的寬度和限速。
[0287]本發(fā)明的導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的其它應(yīng)用領(lǐng)域包括(但不限于):1)進(jìn)行重復(fù)的任務(wù)，或者在預(yù)知的路線上進(jìn)行任務(wù)，比如從田地收割莊稼，耕作、割草等的農(nóng)業(yè)設(shè)備(例如，園藝設(shè)備)，2)采礦設(shè)備，例如包括可運(yùn)送例如貨物或人員通過通常將妨礙逃逸的照明不足或者充滿煙霧的通道的動力推車，3)洞穴探險(xiǎn)設(shè)備，4)在能見度降低不需要阻止應(yīng)急車輛繼續(xù)前進(jìn)(如下所述)的情況下的應(yīng)急車輛或警車，比如例如消防車、救護(hù)車和搶救救援車，或者在車輛的有人駕駛會使駕駛員處于危險(xiǎn)中的危險(xiǎn)環(huán)境條件下工作的車輛，5)用于存放/取回集裝架、箱子等的倉庫管理設(shè)備，和6)玩具。
[0288]作為本發(fā)明的自主車輛應(yīng)用于警車的一個(gè)例證例子，在新奧爾良的Causeway橋(24英里長，世界上最長的橋)上，存在霧相當(dāng)大的季節(jié)。在有濃霧的早晨，車流由按35mph行駛的警車護(hù)送通過大橋。由于能見度極小，因此要求速度低。在霧極其濃密的早晨，大橋被封閉，因?yàn)樯踔吝B護(hù)送也是不可能的。如果護(hù)送車隊(duì)中的引導(dǎo)警車是按照上面提及的協(xié)作模式工作的本發(fā)明的自主車輛，那么在任何類型的霧中，警車也能夠安全地進(jìn)行護(hù)送，尤其是當(dāng)使用RIEGL?成像傳感器時(shí)。這同樣適用于夜間行駛。本發(fā)明的自主車輛不受黑暗影響。
[0289]根據(jù)上面的教導(dǎo)，對本發(fā)明的各種修改和變化都是可能的。于是，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，能夠以不同于這里具體說明的其它方式實(shí)踐本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種車輛的導(dǎo)航和控制方法,包括: 產(chǎn)生表不車輛的定位和航向的位置信號； 根據(jù)所述位置信號產(chǎn)生車輛的操作控制信號；以及 通過考慮通過網(wǎng)絡(luò)向所述車輛傳送其位置的其它自主或非自主車輛的其它定位，控制車輛沿著車輛的更新的行駛路線的運(yùn)行。
【文檔編號】G01S17/93GK104133473SQ201410215842
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2008年10月24日
【發(fā)明者】P·G·特帕格尼爾, J·E·納格爾, M·T·杜內(nèi)爾, M·T·德溫特, N·M·特拉夫特, S·達(dá)拉庫諾夫, P·金內(nèi), A·李 申請人:格瑞股份公司