一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统及方法

本发明涉及自动驾驶精确定位，特别涉及一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统及方法。

背景技术：

1、在驾校驾培中，教练通常要帮助学员进行多次重复教学演示工作。由于教练能力参差不齐，无法保证驾培标准具有统一性，并且当教练长时间进行指导学员，可能出现疲劳驾驶的情况；此外为保证较好的培训效果，每名教练在同一时段所能指导的学员数目不能过多，故对驾校来说培训效率大大受限。因此，电子驾考监控设备、智能驾培车逐渐进入驾校的视野，并已在全国多所驾校规模化应用。相比于传统的教练人员教学方式，智能驾培系统在保障学员安全、降低人力成本、提高学员学习效率、提高培训标准化程度等方面具有明显优势。

2、但是，目前驾校所使用的电子监考技术只适用于科目二考试监督，而对于智能驾培车这一方面的研究应用并不多。部分研究主要基于图像识别来识别车道线、车库等环境信息，但其容易受天气影响可靠性差；也有一些研究主要基于激光雷达点云信息检测障碍物，但激光雷达不能识别车道线等信息且成本高，在经费有限情况下对于科目二驾培来说性价比较低。在小型自动挡汽车驾考科目二考试中，考试及练习项目有倒车入库、侧方停车、曲线行驶、直角拐弯、坡道定点停车和起步共5个项目，而在每个项目中，都要求自动驾驶驾培系统对场景进行精确的定位，因此，对于场景较为固定且区域范围较小的科目二训练场来说，使用精确定位技术实现自动驾驶驾培尤为重要。

3、当前，自动驾驶的定位技术通常采用gps设备+基站定位，而驾校环境中通常树木较多，采用gps+基站定位方式信号容易被树木遮挡，导致精度与稳定性无从保证。现有技术在底层控制方面也主要采用传统的机械连接与控制，其安全性、实时性、可靠性都有待提高。

4、如公布号为cn112270873a、发明名称为一种科目二驾培教学系统的发明专利申请，主要提供了一种利用差分gps定位技术判断车辆是否压线的系统，通过获取车辆位置信息和车头指向信息并与预加载的驾培场地模型比对从而判断车辆是否压线。该发明虽然利用了定位技术进行驾培辅助，但采用差分gps定位技术容易出现附近树木与建筑遮挡gps信号等问题，从而导致车辆定位精度、稳定性、实时性较差，并且此系统只能通过判断是否压线从而起到辅助作用而不能起到教学演示和安全防护的作用，故依然无法摆脱人类教练员的参与指导。

5、再如公布号为cn114093219a、发明名称为小型汽车驾驶证考试科目二的辅助训练系统及方法的发明专利申请，主要提供了一种利用无人机感知车辆附近信息从而辅助科目二训练的方法，通过利用无人机的摄像单元进行图像感知和处理车辆环境信息，并可视化给驾驶学员。此系统借助无人机一对一跟随辅助车辆驾驶，方案实现与后期维护成本都非常高，工作效率不如直接对驾培车辆自身改造，并且此系统无法起到安全防护自动干预消除隐患的作用。

6、所以，一种现实可行的定位精确的科目二自动驾驶驾培系统及方法亟待提出。

技术实现思路

1、针对现有技术的小型自动挡汽车科目二驾培过程存在教练员水平参差不齐、驾校驾培效率低、教练员可能出现疲劳驾驶教学以及驾培标准化程度低等问题，本发明提出一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统，通过利用科目二场地高精地图数据库、组合惯导等精确定位技术，精准定位车辆位置并规划行驶路线，同时，利用环视相机和若干传感器感知环境信息，将多信息融合，与科目二规则库匹配后，进行智能决策与控制，从而智能规划路径完成项目演示，在演示过程中通过电子信号控制线控底盘并将有助于学员学习的信息通过可视交互面板和语音提示模块直观显示和提示，并与学员交互，大大提高培训效率，同时可满足安全防护的需要。本发明还涉及一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统，其特征在于，包括依次连接的感知子系统、决策与安全防护子系统以及控制执行子系统；

4、所述感知子系统用于感知驾培车辆附近的环境信息以及车辆定位与姿态信息；包括环境感知模块、组合惯导模块和科目二场地高精地图数据库，所述环境感知模块利用环视相机和若干传感器来感知车辆附近环境信息，感知图像信息进行附近行人和车辆的目标检测，并完成障碍物识别检测；所述组合惯导模块基于北斗系统组合惯导，采用实时动态载波相位差分技术实时获取车辆位置信息和姿态信息；所述科目二场地高精地图数据库包括科目二项目场景的车道信息、车库信息、坡道信息和固定障碍物信息；所述感知子系统完成感知信息获取并经过感知融合后将精准定位的融合信息发送给决策与安全防护子系统；

5、所述决策与安全防护子系统完成路径规划、动作规划、行为决策并发出控制信号；包括科目二规则库和智能决策模块，所述科目二规则库提前导入有倒车入库、侧方停车、曲线行驶、直角拐弯、坡道定点停车和起步共5个场景项目的规则条件，并根据学员选择的场景项目类别将该场景项目的规则条件发送至智能决策模块；所述智能决策模块按照场景项目类别，在科目二规则库的约束下对该场景项目进行智能决策规划，具体地，受感知信息、科目二规则库、是否有安全隐患的作用影响，进行路由寻径、路径规划、轨迹跟踪、行为决策、动作规划、安全避障的任务执行并输出控制信号至控制执行子系统；

6、所述控制执行子系统接收到控制信号后控制车辆线控底盘并将有助于学员学习的数据通过中控平台直观提示给学员；包括车辆控制模块、执行机构和中控平台，所述车辆控制模块通过预瞄-跟踪轨迹控制、自适应pid控制、模糊pid控制、基于深度学习的控制策略，对接收到的控制信号分别进行横向控制和纵向控制，并输出电信号发送至执行机构；所述执行机构控制线控底盘操纵线控油门、线控制动、电动助力转向、电子手刹、电子稳定系统、自动变速器，完成场景项目相应任务；所述中控平台包括可视交互面板以及语音提示模块，其中可视交互面板将场景项目相应任务的数据可视化以供学员学习，语音提示模块语音播报场景项目的操作行为并在有安全隐患时进行报警提示。

7、优选地，所述感知子系统中的环境感知模块利用环视相机、毫米波雷达、超声波雷达感知车辆附近环境信息，环视相机360°感知图像信息进行附近行人、车辆的目标检测并识别各种障碍物种类，再结合毫米波雷达和超声波雷达进行测距，以共同完成障碍物的识别检测；所述科目二场地高精地图数据库提前通过高精地图建图车或建图无人机建立科目二场地高精度地图信息，包括科目二项目场景的车道信息、车库信息、坡道信息和包括附近树木、建筑物的固定障碍物信息。

8、优选地，在系统正常工作状态下，所述决策与安全防护子系统的智能决策模块对项目场景进行智能决策规划，向控制执行子系统发送控制信号，控制执行子系统经横向控制、纵向控制车辆线控底盘并将有助于学员学习的数据通过中控平台直观提示给学员，以进行教学演示各项目场景；当感知子系统发现安全隐患时，由中控平台触发语音报警提示、可视交互面板报警提示然后继续实时观测监督，并根据安全隐患程度控制制动信号减速或停车。

9、优选地，所述决策与安全防护子系统搭载在多线程计算平台上，多线程计算平台接收感知子系统提供的多源异构感知信息，并针对目标检测结果、精确定位信息的感知融合结果，结合科目二规则库进行智能决策，将输出决策信号转化为can信号，发送给控制执行子系统。

10、优选地，所述中控平台的可视交互面板显示油门开度与转换为油门踏板所需达到位置的可视化信息，供学员学习应何时踩油门踏板及力度大小；显示刹车踏板所需位置的可视化信息，供学员学习应何时踩刹车踏板及力度大小；显示电子手刹标识，供学员学习应何时启动和关闭电子手刹；显示由环视相机提供的360°环视影像，供学员直观感受车辆与附近环境相对位置关系，将车辆位置姿态与执行机构操作联系起来；显示项目场景类别，在系统开启时供学员选择场景项目类别。

11、优选地，所述中控平台的语音提示模块全程播报场景项目的操作行为，并在开始或结束场景项目时语音播报提示，在系统状态发送改变时语音播报提示，在发现安全隐患时进行报警提示。

12、采用上述的科目二自动驾驶驾培系统的基于精确定位的科目二自动驾驶驾培方法，其特征在于，先通过中控平台的可视交互面板接收到学员选择的教学的场景项目类别；再由感知子系统获取组合惯导定位信息、科目二场地高精地图数据库信息及环境感知信息，并将感知信息进行数据融合；由决策与安全防护子系统按照场景项目类别，在科目二规则库的约束下对该项目场景进行智能决策规划；根据决策与安全防护子系统发出的控制信号，控制执行子系统的车辆控制模块利用若干控制方法进行横向控制与纵向控制；根据横向控制与纵向控制的具体指令信号，由执行机构控制线控油门、线控制动、电动助力转向、电子手刹、电子稳定系统、自动变速器，完成场景项目相应任务；由可视交互面板以及语音提示模块组成的中控平台实时进行数据反馈，以起到教学演示及安全防护提示作用。

13、优选地，当场景项目类别为倒车入库项目时，由感知子系统中科目二场地高精地图数据库获取所需倒入车库的位置信息，并由组合惯导模块采用实时动态载波相位差分技术实时获取驾培车辆自身位置和姿态信息，以得到相对位置关系；由决策与安全防护子系统进行路径规划、动作规划，向控制执行子系统发送控制信号，经横向控制、纵向控制从而控制转向和倒车档位完成向斜后方倒车入库动作，根据定位信息和环视相机信息判断是否完成单次倒车入库任务，若判断入库完成，则控制制动刹停，然后按照科目二规则库中关于倒车入库的规则条件，由决策与安全防护子系统发出指令向刚刚倒车方向的反方向驶出车位，并摆正车身姿态，然后重复一次倒车入库任务，当驾培车回到项目开始前初始位置附近时，倒车入库项目演示结束。

14、优选地，当场景项目类别为侧方停车项目时，由感知子系统中科目二场地高精地图数据库获取所需侧方停车的车位位置信息，并由组合惯导模块采用实时动态载波相位差分技术实时获取驾培车辆自身位置和姿态信息，以得到相对位置关系；由决策与安全防护子系统进行路径规划、动作规划，向控制执行子系统发送控制信号，经横向控制、纵向控制从而控制转向和倒车档位完成侧方停车任务，根据定位信息和环视相机信息判断是否完成进入车位且姿态调整完毕，若判断任务完成，则控制制动刹停，然后按照科目二规则库中关于侧方停车的规则条件，由决策与安全防护子系统发出指令控制转向、档位、松刹车信号从而驶出车位，并摆正车身姿态，回到场景项目开始前初始位置附近，侧方停车项目演示结束。

15、优选地，当场景项目类别为曲线行驶项目时，由感知子系统中科目二场地高精地图数据库获取弯道车道线信息，并由组合惯导模块采用实时动态载波相位差分技术实时获取驾培车辆自身位置和姿态信息，以得到相对位置关系；由决策与安全防护子系统进行曲线行驶路径规划，向控制执行子系统发送控制信号，经横向控制、纵向控制从而控制转向及制动信号，使得驾培车在弯道内平稳行驶，在怠速状态下保持转向和速度平稳；在行驶过程中，利用定位姿态信息及各传感器感知信息，确保行驶过程中不碰轧车道边线，如靠近车道边线则及时修正转向信号和制动信号；当驾培车由项目初始位置顺利行驶至终点位置时，曲线行驶项目结束。

16、本发明的有益效果为：

17、本发明提出一种基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统，该系统包括感知子系统、决策与安全防护子系统、控制执行子系统，感知子系统利用高精地图、组合惯导相结合的精准定位技术，以及使用环视相机以及若干传感器感知环境信息——多源异构感知信息并进行数据融合，决策与安全防护子系统将感知信息与科目二规则库匹配后，进行智能决策与控制，从而智能规划路径并结合控制执行子系统完成项目演示，在演示过程中通过电子信号控制线控底盘并将有助于学员学习的信息通过中控可视面板和语音提示模块直观提示数据信息，并与学员交互，大大提高培训学习效率，同时，系统可起到安全防护的作用，当驾校车辆在行驶任务中发现安全隐患时，系统会自动及时语音报警，必要时进行减速、停车等防护措施，消除安全隐患，从而保证生命财产安全。

18、本发明可以针对当前驾校存在的科目二驾培过程中教练人员教学水平不齐、驾培标准化程度较低、驾培效率低等问题进行快速、高效解决，利用基于高精地图和组合惯导精确定位技术及多传感器感知技术以及360°环视影像技术和语音提示技术等，将自动驾驶与驾培领域融合，可实现培训标准统一化，减少因人为因素导致的不公平性和不确定性，且能够长时间重复性进行教学演示工作，大大提高培训效率。一改往日仅通过摄像头进行局部感知信息判断是否压线的驾考电子辅助系统及通过gps+基站定位的自动驾驶系统，能够起到教学演示科目二各类场景项目的作用，并且能起到安全防护的作用，在出现安全隐患时能及时减速停车避免事故发生，从而代替驾校教练人员对驾校学员进行科目二培训演示，减少了人力成本，在保证更高的安全性的同时，提供了标准化驾培服务，提高了培训效率。

19、本发明还涉及采用基于精确定位的科目二自动驾驶驾培方法，与上述的基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统相对应，为采用基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统的基于精确定位的科目二自动驾驶驾培方法，或者理解为是基于精确定位的科目二自动驾驶驾培系统的操作方法，在感知过程中采用环视感知等信息与组合惯导、科目二场地高精地图数据库信息融合感知，与传统感知方式相比大大提高了定位和目标检测的实时性和准确性。通过对5个场景项目进行驾驶教学演示，更有针对性地进行驾培工作，提高培训效率和安全性。利用线控底盘代替传统机械底盘，解决了底盘老化、可靠性低、及时性差的问题。并搭载独具创新性的可视交互面板以及语音提示模块构建的中控平台，将电控信号转换为更加直观的踏板所需达到位置，增强了可视直观性，显示360°环视图像信息方便学员直观感受车辆位置与姿态，并交互供学员选择教学场景项目，操作方便，可反复演示部分场景项目也可演示全流程，更加人性化，此外，中控平台还通过语音提示播报操作行为等信息，更易于学员感受学习，提高驾培效率。