一种基于泊车机器人的自动泊车系统及其运行方法与流程

本发明涉及自动泊车技术领域，尤其涉及一种基于泊车机器人的自动泊车系统和一种基于泊车机器人的自动泊车系统的运行方法。

背景技术：

随着国内消费者购买力的不断提升与制造业的飞速发展，国内汽车的保有量逐年提升。国内的道路规划及公共停车基础设施的建设逐渐无法满足广大驾驶员的需求。驾驶员驾驶车辆在停车场内寻找停车位和停车的过程中耗费了大量的时间，另外，停车过程中刮擦等事故频有发生。因此，具有高效空间利用率、易于停车的新型停车技术成为了一种迫切的需求。

目前主要有立体式停车场和智能泊车机器人两种新型停车技术。

立体式停车场使用升降机和导轨移动车辆至不同的停车层的不同停车位。这种停车技术无法在传统停车场的基础上改造得来，需建造多层建筑用于设置不同停车层，需要大量搬运设备、升降机构及其配套导轨用于移动车辆。这些结构需要大量的安装及维护工作，耗费大量材料和人工，通用性较差，稳定性较难保证。

智能泊车机器人能实现自主导航，自动将车辆转移至指定停车位，无需多层建筑和大量机械搬运设备。但目前多数智能泊车机器人技术对环境的依赖度高，需要为特定的停车场所作特定的适配，通用性较差。

中国专利“一种智能平板式泊车机器人”(专利号：cn108824899a)提出一种平板式泊车机器人的机械结构，通过麦克纳姆轮与全向从动轮的组合，在实现全向移动的同时保证了较高的稳定性和较强的承载能力，通过一种移动式夹抱机构和举升机构，在实现无辅助机械装置条件下搬运车辆的同时保证了较高的尺寸适应性，但并未给出泊车系统的设计及泊车系统的自动调度运行方法。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种基于泊车机器人的泊车系统，无须对停车场的建筑结构进行大规模改造，也无须在旧有停车场设置大量机械设备，能有效提高停车场的空间利用率与停车过程的运行效率，具有易于维护、稳定性高。

本发明还提供了一种基于泊车机器人自动泊车系统的运行方法，泊车区域选定系统采用按停车时长确定车辆停放区域的选定方式，能够减少泊车机器人的总体工作时间，减少泊车机器人总体电量消耗，提高泊车机器人的续航能力。

本发明提供的技术方案为：

一种基于泊车机器人的自动泊车系统，包括：

停车场，其包括交叉设置的横向道路和纵向道路，所述横向道路和纵向道路将所述停车场划分为多个停车区；

人机交互系统，其能够获取用户指令及向用户提供停车时长选项和剩余车位信息；其中，所述用户指令包括实时泊车指令、实时取车指令和预约取车指令；

泊车区域选定系统，其能够根据停车时长将待停车辆分配到指定停车区域；

泊车机器人指派系统，其能够确定执行任务的泊车机器人，并向泊车机器人发送指令信息；

多个泊车机器人，其能够在停车场内移动，并具有移动式夹抱机构和举升机构，并能够接收所述泊车机器人指派系统发送的指令信息，将待停车辆搬运到停车区内；

泊车机器人的决策系统，其能够与所述泊车机器人指派系统进行双向通讯，并通过设置在所述泊车机器人内部的感知系统提供的环境信息为运输系统生成运动指令；

泊车机器人的运输系统，其能够执行所述泊车机器人的决策系统生成的执行运动指令，使泊车机器人能在停车场内按预期路径运输车辆；

应急调度系统，其内部存储有应急预案，能够通知停车场工作人员前往事故地点。

优选的是，所述横向道路宽度为：bx＝ax+e；所述纵向道路宽度为：by＝ay+e；

其中，ax为泊车机器人工作状态最大横向宽度，ay为泊车机器人纵向长度，e为给泊车机器人行驶预留的安全余量。

优选的是，所述停车区包括即时停车区、短时停车区、中等时长停车区、长时停车区和超长时停车区，所述停车区内均包括多个并排设置的停车位。

优选的是，所述停车位长度为lx＝sx+ew，所述停车位宽度为ly＝sy+ew；

其中，sx为车辆最大纵向长度，sy为车辆最大横向宽度，ew为给泊车机器人工作预留的安全余量。

优选的是，所述泊车机器人数量为：

npr＝∑d+∑q+n；

其中，npr为泊车机器人数量，d为总道路数，q为停车区域数，n为待停车区与待取车区的停车位数量；

或所述泊车机器人数量为：

其中，tw为泊车机器人一个工作循环的平均工作时间，t为泊车机器人在待停车区定位、夹抱、举升车辆的平均总工作时间。

一种基于泊车机器人自动泊车系统的运行方法，包括：

步骤一、通过泊车区域选定系统查询停车位队列，根据停车时长选定合适的停车位，并生成泊车路径信息；

步骤二、通过泊车机器人指派系统查询预指派队列，选定泊车机器人，向其发送泊车任务信息，所述泊车任务信息包括目标停车位和泊车路径信息；

步骤三、通过设置在待停车区停车位的定位传感器获取车辆位置，确定车辆边界与待停车区边界距离lyr1、lyr2、lyl1、lyl2；

步骤四、根据所述车辆边界待与所述停车区边界距离确定车辆定位中心与停车区停车位轴线距离

车辆轴线与待停车区停车位中心轴线角度：

步骤五、将所述车辆定位中心与停车区停车位轴线距离与所述角度信息并发送给调度系统；确定驾驶员离开车辆后，调度系统将车辆位置信息传递给泊车机器人；

步骤六、泊车机器人根据所述车辆位置信息调整横向位置和横摆角度，使其轴线与车辆轴线重合。

优选的是，还包括泊车机器人避撞过程，其包括：

泊车机器人获取其与车辆车轮的相对位置关系，确定所述泊车机器人左边界与车轮的距离ll和所述泊车机器人右边界与车轮的距离lr；

泊车机器人调整其横向位置使ll≤[l]，lr≤[l]，确认其进入车辆底部时其车身及相关结构不会和车辆发生碰撞；

其中，[l]为泊车机器人边界与车轮距离的许用最小值；

当(ll+lr)-2[l]＜0时，泊车机器人向调度系统发出错误信息，通过人机交互系统通知用户无法完成泊车任务。

优选的是，所述步骤一中停车区队列存储在泊车区域选定系统内，并按照停车区种类和道路进行分区；

队列内存储有每个停车位的状态信息，包括停车位状态标志和停车时长，排列方式根据停车位实际位置确定；

当停车位停有车辆时，停车位状态标志为使用，标记为1；当停车位未停有车辆时，停车位状态标志为空闲，标记为0；

所述步骤一中的根据时长选定合适的停车位，按以下关系确定：

tn＝(t0)ⁿ；

式中，tn为对应停车区的最短预期停车时间，t0为即时停车区的最长预期停车时间，t0取2小时，n为停车区系数；

其中，短时停车区，n＝1；中等时长停车区，n＝2；长时停车区，n＝3；超长时停车区，n＝4；即时停车区无最短预期停车时间，停车区系数n＝0。

优选的是，所述泊车机器人指派系统内存储有泊车机器人预指派队列与泊车机器人闲置队列，并实时根据泊车机器人感知系统提供的电量信息进行实时更新；

队列内存储有每个泊车机器人的预期工作时间tn与其蓄电池的荷电状态socn；

其中，tn＝tw×n，tw为泊车机器人一次工作循环的平均时间，n为该泊车机器人当前待完成任务数；

预指派队列内的泊车机器人均满足电量要求并按预期工作时间进行增序排列；

当预指派队列内某泊车机器人不满足电量要求时，泊车机器人指派系统将该泊车机器人移入闲置队列；

当泊车机器人完成所有待完成任务时，泊车机器人前往泊车机器人等待区进行充电，此时tn＝0；

当闲置队列内某泊车机器人的荷电状态socn＝100％时，调度系统将完成充电的泊车机器人移入预指派队列，根据预指派队列内泊车机器人排列要求，将完成充电的泊车机器人编入队首。

本发明所述的有益效果

1、本发明提供的停车场平面结构设计与改造方法采用基于泊车机器人特性的停车场分区设计、停车位设计和道路设计。相比传统停车场，停车位无需考虑车辆乘客上下车空间，道路无需考虑车辆交会宽度，能够最大限度提高停车场空间利用率。同时由于停车场改造方法不涉及复杂机械结构和额外建筑物，相比现有新建智能停车场设计方法，具有更好的通用性和经济性。

2、本发明提供的停车场待停车区与待取车区设置有并排的多个停车位。对于停车的过程，能够在停车高峰时段同时容纳多辆车辆，避免了用户停车时的拥堵，减少其停车过程的等待时间。对于取车过程，能够在多用户同时提出取车请求时同时将其车辆停放至待取车区，减少用户取车过程的等待时间。

3、本发明提供的停车场待停车区车辆定位方式采用待停车区停车位初步定位与泊车机器人前部传感器进一步定位相结合的方式。相比泊车机器人传感器直接定位，能使泊车机器人快速地移动至待停车辆前方并对正，减少泊车机器人寻找车辆的时间，具有更高的定位效率。

4、本发明提供的泊车机器人移动方式采用全路程平移运动、无回转运动，相比传统泊车机器人，对道路宽度要求更低并具有更好的工作稳定性。

5、本发明提供的泊车机器人感知系统能实时为调度系统反馈状态信息，提高调度系统的信息处理速度和准确度，并能快速相应突发事故发生，最大限度降低突发事故对工作过程造成的影响。

6、本发明提供的泊车机器人工作路径规定泊车机器人工作时单向行驶，降低所需道路的宽度和数量，减少了泊车机器人会车过程。相比传统泊车机器人的工作路径，能够避免泊车机器人工作过程中的碰撞风险，简化泊车机器人运动路径，并能有效地对其长度进行优化，减少泊车机器人执行泊车或取车任务的平均时间，提高工作效率和稳定性。

7、本发明提供的泊车区域选定系统采用按停车时长确定车辆停放区域的选定方式，能够减少泊车机器人的总体工作时间，减少泊车机器人总体电量消耗，提高泊车机器人的续航能力。

8、本发明提供的人机交互系统提供了剩余车位显示功能、实时泊车功能、实时取车功能、预约取车功能和停车时长提示功能，在满足基本功能的同时最大限度精简用户的操作步骤，提高人机交互效率。

附图说明

图1为本发明所述的自动泊车系统的组成框图。

图2为本发明所述的小型单出口停车场平面结构设计示意图。

图3为本发明所述的大型四出口停车场平面结构设计示意图。

图4为本发明所述的缺少外部空间的停车场平面结构示意图。

图5为本发明所述的自动泊车系统的调度系统泊车工作流程简图。

图6为本发明所述的泊车机器人的泊车工作流程示意图。

图7为本发明所述的泊车区域选定系统的停车位队列示意图。

图8为本发明所述的泊车机器人指派系统的泊车机器人队列示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，一种基于泊车机器人的自动泊车系统，包括人机交互系统、调度系统、泊车机器人、停车场及其子系统。

人机交互系统用于获取用户指令及向用户提供停车时长选项和剩余车位信息。用户指令包括实时泊车指令、实时取车指令和预约取车指令。

调度系统接受到用户指令后，先由泊车区域选定系统选定停车位并生成路径信息，后由泊车机器人指派系统选定执行任务的泊车机器人并向其发送相应指令。

泊车机器人的决策系统负责与调度系统进行双向通讯，并通过感知系统提供的环境信息为运输系统生成运动指令。

泊车机器人的运输系统负责执行运动指令，使泊车机器人能在停车场内按预期路径运输车辆。

调度系统的泊车区域选定系统内的停车位队列内存储有停车位状态信息，包含停车位状态和停车时长，能为人机交互系统提供剩余车位和停车时长信息。

调度系统的应急系统和泊车机器人的应急系统分别独立于其它子系统工作，并实时进行双向通讯。当应急系统侦测到感知系统的数据异常时，泊车机器人其它系统随即停止运行，调度系统实时分析异常数据并生成事故解决方案后发送给泊车机器人。当泊车机器人无法自行处理事故时，调度系统通知停车场工作人员前往事故现场进行处理。

如图2所示，以小型单出口停车场为例，待停车区与待取车区位于停车场外部，待停车区靠近入口设置，待取车区靠近出口设置。道路仅保留一条且为单行道，并按环形设置，泊车机器人行进方向如图箭头所示。泊车机器人等待区位于停车场内部，靠近入口设置。由于该停车场空间较小，其停车区仅分为短时停车区和长时停车区，距离路口远的区域设置为长时停车区，距离路口近的区域设置为短时停车区，停车位均纵向布置。

如图3所示，以大型四出口停车场为例，停车场共有4个出入口，分别为出入口1、出入口2、出入口3和出入口4。其中出入口1和出入口2设置为停车场的主出入口，作为停车场停车区的划分参考和停车位的参考方向。待停车区与待取车区位于停车场外部，待停车区靠近入口设置，待取车区靠近出口设置，停车位的纵向轴线与出入口方向平行。道路均为单行道且按环形设置，泊车机器人行进方向如图箭头所示。泊车机器人等待区位于停车场内部，靠近入口设置。停车区分为即时停车区、短时停车区、中等时长停车区、长时停车区和超长时停车区，各停车区与主出入口距离随其对应的最短预期停车时间依次增加，具体设置如图所示。停车区所有停车位纵向轴线与主出入口方向平行。

优选的是，出入口3与出入口4的出入口道路宽度应满足泊车机器人零半径转向的需求。

横向道路宽度为：bx＝ax+e；所述纵向道路宽度为：by＝ay+e；

其中，ax为泊车机器人工作状态最大横向宽度，ay为泊车机器人纵向长度，e为给泊车机器人行驶预留的安全余量。

优选的是，停车区包括即时停车区、短时停车区、中等时长停车区、长时停车区和超长时停车区，所述停车区内均包括多个并排设置的停车位。

优选的是，停车位长度为lx＝sx+ew，所述停车位宽度为ly＝sy+ew；

其中，sx为车辆最大纵向长度，sy为车辆最大横向宽度，ew为给泊车机器人工作预留的安全余量。

当停车场缺乏外部空间，无法将待停车区与待取车区设置在停车场外部时，如图4所示，按易于停车原则，将待停车区与待取车区设置在停车场内靠近出入口位置。

根据工作区域限制，泊车机器人数量为：

npr1＝∑d+∑q+n；

其中，npr1为泊车机器人数量，d为总道路数，q为停车区域数,n为待停车区与待取车区的停车位数量。当泊车机器人数量大于npr1时，将常有泊车机器人处于跟车状态或未工作状态；

或根据工作时间限制，泊车机器人数量为：

其中，tw为泊车机器人一个工作循环的平均工作时间，t为泊车机器人在待停车区定位、夹抱、举升车辆的平均总工作时间。当泊车机器人数量少于npr2时，停车高峰时间将会常有车辆在待停车区滞留。

优选的是，停车场应调整各停车区、道路及入口设计，通过改变总道路数、停车区域数、待停车区与待取车区的停车位数量，尽可能使npr1＝npr2。

泊车系统的工作流程分为调度系统的工作流程和泊车机器人的工作流程。

如图5所示，调度系统的工作流程为：

用户将车辆停放至待停车区的停车位，操作人机交互系统终端，输入泊车求和预期停车时间。人机交互系统向调度系统发送泊车指令和预期停车时间。调度系统的泊车区域选定系统查询停车位队列，选定合适的停车位，并生成泊车路径信息。调度系统的泊车机器人指派系统查询预指派队列，选定合适的泊车机器人，向其发送泊车任务信息，包括目标停车位和泊车路径信息。指定的泊车机器人接收泊车任务信息，完成上一个工作状态后，根据调度系统所提供泊车路径，进入待停车区，开始泊车任务。

如图6所示，泊车机器人的工作流程为：

步骤一、通过泊车区域选定系统查询停车位队列，根据停车时长选定合适的停车位，并生成泊车路径信息；

步骤二、通过泊车机器人指派系统查询预指派队列，选定合适的泊车机器人，向其发送泊车任务信息，所述泊车任务信息包括目标停车位和泊车路径信息；

步骤三、通过设置在待停车区停车位的定位传感器获取车辆位置，确定车辆边界与待停车区边界距离lyr1，lyr2，lyl1、lyl2；

步骤四、根据所述车辆边界待与所述停车区边界距离确定车辆定位中心与停车区停车位轴线距离

车辆轴线与待停车区停车位中心轴线角度：

步骤五、将所述车辆定位中心与停车区停车位轴线距离与所述角度信息并发送给调度系统；确定驾驶员离开车辆后，调度系统将车辆位置信息传递给泊车机器人；

步骤六、泊车机器人根据所述车辆位置信息调整横向位置和横摆角度，使其轴线与车辆轴线重合。

优选的是，还包括泊车机器人避撞过程，其包括：

泊车机器人获取其与车辆车轮的相对位置关系，确定所述泊车机器人左边界与车轮的距离ll和所述泊车机器人右边界与车轮的距离lr；

泊车机器人调整其横向位置使ll≤[l]，lr≤[l]，确认其进入车辆底部时其车身及相关结构不会和车辆发生碰撞；

其中，[l]为泊车机器人边界与车轮距离的许用最小值。

当(ll+lr)-2[l]＜0时，泊车机器人向调度系统发出错误信息，通过人机交互系统通知用户无法完成泊车任务。

优选的是，所述步骤一中停车区队列存储在车区域选定系统内，并按照停车区种类和道路进行分区；

队列内存储有每个停车位的状态信息，包括停车位状态标志和停车时长，排列方式根据停车位实际位置确定；

当停车位停有车辆时，停车位状态标志为使用，标记为1；当停车位未停有车辆时，停车位状态标志为空闲，标记为0；

步骤一中的根据时长选定合适的停车位，按以下关系确定：

tn＝(t0)ⁿ；

其中，tn为对应停车区的最短预期停车时间，t0为即时停车区的最长预期停车时间，t0取2小时，n为停车区系数，对于短时停车区，n＝1；对于中等时长停车区，n＝2；对于长时停车区，n＝3；对于超长时停车区，n＝4；即时停车区无最短预期停车时间，n＝0。

泊车机器人根据调度系统所提供泊车路径，将车辆运送至指定停车位并放下车辆。

特别地，泊车机器人搬运车辆过程中完全保持平移运动，尽可能避免旋转运动。所述运动方式能提高搬运过程的稳定性，并能进一步降低对道路宽度的要求。

以下对调度系统的泊车区域选定系统的工作流程作进一步说明：

如图7所示，泊车区域选定系统内存储有停车区队列，并按其所属停车区种类和道路进行分区。队列内存储有每个停车位的状态信息，包括停车位状态标志和停车时长tp，排列方式根据停车位实际位置确定。当停车位停有车辆时，停车位状态标志为使用，标记为1。当停车位未停有车辆时，停车位状态标志为空闲，标记为0，同时该停车位tp＝0。

当调度系统收到泊车指令时，泊车区域选定系统先根据用户预期停车时间选定停车区种类，后根据上一个该停车区的泊车指令，选定该停车区类型下的不同道路分区下的停车区。以图中短时停车区为例，当上一个短时停车区的泊车指令选定道路分区a时，该泊车指令选定道路分区b下的停车位b3。

以下对调度系统的泊车机器人指派系统的工作流程作进一步说明：

如图8所示，泊车机器人指派系统内存储有泊车机器人预指派队列与泊车机器人闲置队列，并实时根据泊车机器人感知系统提供的电量信息进行实时更新；

队列内存储有每个泊车机器人的预期工作时间tn与其蓄电池的荷电状态socn；

其中，tn＝tw×n，tw为泊车机器人一次工作循环的平均时间，n为该泊车机器人当前待完成任务数；

预指派队列内的泊车机器人均满足电量要求并按预期工作时间进行增序排列；

当预指派队列内某泊车机器人不满足电量要求时，泊车机器人指派系统将该泊车机器人移入闲置队列，当该泊车机器人完成所有待完成任务时，泊车机器人前往泊车机器人等待区进行充电，此时泊车机器人tn＝0；

当闲置队列内某泊车机器人完成充电，socn＝100％时，调度系统将该泊车机器人移入预指派队列，根据预指派队列内泊车机器人排列要求，将完成充电的泊车机器人编入队首。

以下对泊车系统对突发事故的处理流程作进一步说明：

泊车机器人通过感知系统实时发现事故状况，将事故信息发送给调度系统。所述事故信息包括环境信息和泊车机器人状态信息。

调度系统根据泊车机器人反馈的信息分析故障类别，生成应急预案。向泊车机器人发送应急任务信息并根据故障类别判断是否向其它泊车机器人发送应急任务信息。

进一步地，在极端情况下，当泊车机器人无法自主完成应急任务时，泊车系统的工作流程为：

泊车机器人持续向调度系统发送事故信息。

调度系统生成应急预案，通知停车场工作人员前往事故地点。

停车场工作人员前往事故地点，按下泊车机器人应急系统独立机械式按键，并进行事故处理。泊车机器人各机构缓慢复位以放下车辆并向调度系统发送退出任务信号和状态信息。

调度系统根据泊车机器人状态信息向泊车机器人发送动作指令并向其它泊车机器人发送应急任务信息以接替完成其未完成的泊车工作。

本发明设计开发了一种基于泊车机器人的泊车系统，无须对停车场的建筑结构进行大规模改造，也无须在旧有停车场设置大量机械设备，能有效提高停车场的空间利用率与停车过程的运行效率，具有易于维护、稳定性高。

本发明还提供了一种基于泊车机器人自动泊车系统的运行方法，车区域选定系统采用按停车时长确定车辆停放区域的选定方式，能够减少泊车机器人的总体工作时间，减少泊车机器人总体电量消耗，提高泊车机器人的续航能力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。