一种无人集卡自主驾驶技术测试仿真平台及工作方法与流程

本发明涉及自动化测试技术，特别是一种无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台及其工作方法。

背景技术：

传统的集装箱码头一般24小时运营，集装箱卡车司机多班倒，常伴有疲劳驾驶现象；集装箱装卸环节存在操作风险，工作环境艰苦，岗位吸引力差；同时集卡的驾驶对司机的驾驶技术和驾驶经验要求高，造成码头集卡司机短缺问题严重。自动导引车(agv)虽然可以解决上述问题，但因造价高、灵活性差且旧码头改造难度大等缺点，其应用受到严重制约；而无人集卡不仅能解决司机短缺、疲劳驾驶问题，同时可降低码头运营成本，提升运营效率，降低安全风险，实现码头由劳动密集型产业向自动化、智能化、无人化的升级转型。

无人集卡的自主驾驶技术，包括环境感知技术、定位和导航技术、自主决策与自主运动控制技术，可使无人集卡按照自主决策的最优期望路径自主行驶。建立无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台模拟无人集卡运动状态和码头水平运输区域(特指集装箱码头岸桥到堆场之间的区域)环境，不仅可以随时随地进行无人集卡的自主驾驶系统测试，不受实际场地的限制，避免实际现场测试的风险，节省大量的人力物力，缩短无人集卡的研发周期。因此，建立无人集卡自主驾驶技术测试仿真平台，实现无人集卡自主驾驶技术的仿真测试具有重要的经济价值和现实意义。

目前，有关无人集卡仿真测试的文献和专利尚未见报道。其它设备的传统测试仿真平台通常采用将pc机作为目标机的“宿主机-目标机”双机互联模式，其测试过程存在着实时性差和可靠性低的问题，而且大多采用labview软件设计人机界面，需要大量复杂的编程，费时费力，且不能直观的显示仿真平台的整个测试过程。

技术实现要素：

为解决现有仿真测试技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于rt-lab软件的无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台及工作方法，能够简化人机界面的编程过程，直观显示无人自主驾驶系统整个测试过程，提高测试仿真平台的实时性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台，包括pc机和实时仿真机，pc机通过基于tcp/ip的以太网与实时仿真机双向连接；所述的实时仿真机通过i/o接口与拟测试无人集卡自主驾驶系统双向连接；

所述的pc机运行人机界面和码头水平运输区域虚拟场景模块；所述的实时仿真机运行无人集卡运动仿真系统；

所述的人机界面是测试无人集卡自主驾驶系统的监控界面，通过rt-lab的仿真管理软件testdrive设计实现；所述的码头水平运输区域虚拟场景模块用来模拟集装箱码头水平运输区域环境，通过openstreetmap和sketchup软件设计实现，其中openstreetmap软件模拟特定的码头环境，sketchup软件设计虚拟对象；所述的无人集卡运动仿真系统由matlab/simulink在pc机上设计实现，包括无人集卡运动模块、环境感知模块和gps定位模块；所述的无人集卡运动模块包括无人集卡运动的数学模型；所述的环境感知模块包括摄相机、激光雷达、毫米级雷达和陀螺仪的数学模型；所述的gps定位模块包括卫星定位导航系统的数学模型。

所述的人机界面包含无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台的启动、暂停、结束、参数设置、测试曲线的显示所需的功能模块；所述的码头水平运输区域虚拟场景模块实现码头水平运输区域虚拟环境、障碍物对象、无人集卡实时位置等内容的显示；所述的pc机通过基于tcp/ip的以太网与实时仿真机实现实时通讯，使得无人集卡运动仿真系统在实时仿真机上运行；所述的实时仿真机通过i/o接口对拟测试无人集卡自主驾驶系统进行实时测试。

在拟测试无人集卡自主驾驶系统实时测试的信号交换过程中，人机界面实现以下功能：各种控制指令的设定；无人集卡起始位置和目的地信息的设置和显示；无人集卡参数的设置和显示；码头水平运输区域内障碍物的设置和显示；期望路径、实际行驶路径显示和测试结果的显示及存档；码头水平运输区域虚拟场景模块实现以下功能：码头水平运输区域虚拟环境的显示；障碍物对象的显示；无人集卡实时位置的显示；所述的控制指令包括实验开始指令、实验暂停指令和实验结束指令；所述的无人集卡参数包括无人集卡的质量、无人集卡的质心分别到前轮和后轮的距离、无人集卡绕质心的转动惯量以及行驶速度；所述的障碍物信息包括动静态障碍物的位置和数量；pc机通过以太网与实时仿真机实时通讯，rt-lab实时仿真软件在实时仿真机平台上将所建立的无人集卡运动仿真系统的simulink模型转化成为.c文件，并进行实时仿真运行；无人集卡运动仿真系统的无人集卡运动模块实时模拟无人集卡运动；无人集卡运动仿真系统的环境感知模块实时模拟摄像机、毫米波雷达、激光雷达和陀螺仪所采集的码头水平运输区域内的环境信息和障碍物信息；无人集卡运动仿真系统的gps定位模块实时模拟卫星导航系统测量的无人集卡实时位置信息；码头水平运输区域虚拟场景模块实时模拟码头水平运输区域内的环境信息；实时仿真机将实时仿真结果即模拟的摄像机、毫米波雷达、激光雷达、陀螺仪、gps定位模块的实时信号通过i/o接口发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统，并将gps定位模块实时信号通过以太网送回pc机；pc机再将其发送给人机界面，并将无人集卡实时动态地显示在码头水平运输区域的虚拟场景中。

无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台的工作方法，包括以下步骤：

a、开启测试仿真平台；

b、通过人机界面设置无人集卡参数、起始位置和目的地；

c、通过人机界面在码头水平运输区域虚拟场景模块设置障碍物；

d、根据pc机上的人机界面的实验开始指令信号判断是否开始测试，如实时仿真机没有接收到信号，转步骤d；否则，执行步骤e；

e、无人集卡运动模块通过基于tcp/ip的以太网接收来自人机界面设置的无人集卡参数；所述的无人集卡参数包括无人集卡的质量、前轮胎和后轮胎的偏激刚度、无人集卡的质心分别到前轮和后轮的距离、车辆绕质心的转动惯量以及前进速度；

f、gps定位模块通过以太网接收来自人机界面设置的无人集卡的起始位置和目的地信息，并通过i/o接口将其发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统；

g、环境感知模块接收来自码头水平运输区域的虚拟场景信息，仿真运行，并将运行结果即“码头水平运输区域环境的完整表示”通过i/o接口发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统；

h、拟测试无人集卡自主驾驶系统通过i/o接口接收来自gps定位模块和环境感知模块发送的信号，分析、处理、决策，产生控制信号，并通过i/o接口将其发送给无人集卡运动模块，控制无人集卡运动；

i、无人集卡运动模块接收来自拟测试无人集卡自主驾驶系统的控制信号，仿真运行，并将运行结果即无人集卡的实时位置信息发送给gps定位模块；

j、gps定位模块接收来自无人集卡运动模块的无人集卡实时位置信息，仿真运行，并将运行结果通过i/o接口发给拟测试无人集卡自主驾驶系统，并通过以太网发送给pc机；

k、码头水平运输区域虚拟场景模块接收来自gps定位模块的信号，并将无人集卡实时动态地显示在码头水平运输区域的虚拟场景中；

l、根据来自gps定位模块的无人集卡实时位置信息判断无人集卡是否到达目的地，若否，转步骤h；若否，转步骤m；

m、人机界面显示：无人集卡参数、起始位置和目的地、码头水平运输区域障碍物信息、期望路径曲线和实际行驶路径曲线，并将测试结果存档；

n、是否继续进行测试，若是，转步骤0；若否，结束实验，关闭无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台；

o、判断是否改变测试条件，若是，转步骤b；若否，转步骤d。

与现有仿真测试技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明建立了一个无人集卡自主驾驶系统实时测试仿真平台，不仅能高效地测试其在复杂的码头水平运输环境下的有效性，避免基于实际车辆的自主驾驶系统测试带来的潜在危险，且可节省无人集卡的测试成本，缩短无人集卡的研发周期。

2、本发明用rt-lab的用户界面开发软件testdrive开发人机界面，易于编程实现，并能实现在线调参功能。

3、本发明通过openstreetmap和sketchup软件模拟集装箱码头水平运输区域环境，可以直观地显示无人集卡和障碍物的实时位置信息，并便于观查无人集卡自主驾驶系统的整个测试过程。

4、本发明通过基于tcp/ip的以太网实现实时仿真机和pc机的双向实时通讯，用实时仿真机作为“宿主机-目标机”双机互联模式下的目标机，可改善测试仿真平台的实时性，提高测试仿真平台的可靠性。

附图说明

图1是测试仿真平台结构示意图。

图2是测试仿真平台信号交换示意图。

图3是测试仿真平台工作流程图。

图中：1、拟测试无人集卡自主驾驶系统，2、i/o接口，3、实时仿真机，4、以太网，5、pc机，6、无人集卡运动模块，7、环境感知模块，8、gps定位模块，9、码头水平运输区域虚拟场景模块，10、人机界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台，包括pc机5和实时仿真机3，pc机5通过基于tcp/ip的以太网4与实时仿真机3双向连接；所述的实时仿真机3通过i/o接口2与拟测试无人集卡自主驾驶系统1双向连接；

所述的pc机5运行人机界面10和码头水平运输区域虚拟场景模块9；所述的实时仿真机3运行无人集卡运动仿真系统；

所述的人机界面10是测试无人集卡自主驾驶系统的监控界面，通过rt-lab的仿真管理软件testdrive设计实现；所述的码头水平运输区域虚拟场景模块9用来模拟集装箱码头水平运输区域环境，通过openstreetmap和sketchup软件设计实现，其中openstreetmap软件模拟特定的码头环境，sketchup软件设计虚拟对象；所述的无人集卡运动仿真系统由matlab/simulink在pc机5上设计实现，包括无人集卡运动模块6、环境感知模块7和gps定位模块8；所述的无人集卡运动模块6包括无人集卡运动的数学模型；所述的环境感知模块7包括摄相机、激光雷达、毫米级雷达和陀螺仪的数学模型；所述的gps定位模块8包括卫星定位导航系统的数学模型。

所述的人机界面10包含无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台的启动、暂停、结束、参数设置、测试曲线的显示所需的功能模块；所述的码头水平运输区域虚拟场景模块9实现码头水平运输区域虚拟环境、障碍物对象、无人集卡实时位置的显示；所述的pc机5通过基于tcp/ip的以太网4与实时仿真机3实现实时通讯，使得无人集卡运动仿真系统在实时仿真机3上运行；所述的实时仿真机3通过i/o接口2对拟测试无人集卡自主驾驶系统1进行实时测试。

在拟测试无人集卡自主驾驶系统1实时测试的信号交换过程中，人机界面10实现以下功能：各种控制指令的设定；无人集卡起始位置和目的地信息的设置和显示；无人集卡参数的设置和显示；码头水平运输区域内障碍物的设置和显示；期望路径、实际行驶路径显示和测试结果的显示及存档；码头水平运输区域虚拟场景模块9实现以下功能：码头水平运输区域虚拟环境的显示；障碍物对象的显示；无人集卡实时位置的显示；所述的控制指令包括实验开始指令、实验暂停指令和实验结束指令；所述的无人集卡参数包括无人集卡的质量、无人集卡的质心分别到前轮和后轮的距离、无人集卡绕质心的转动惯量以及行驶速度；所述的障碍物信息包括动静态障碍物的位置和数量；pc机5通过以太网4与实时仿真机3实时通讯，rt-lab实时仿真软件在实时仿真机3平台上将所建立的无人集卡运动仿真系统的simulink模型转化成为.c文件，并进行实时仿真运行；无人集卡运动仿真系统的无人集卡运动模块6实时模拟无人集卡运动；无人集卡运动仿真系统的环境感知模块7实时模拟摄像机、毫米波雷达、激光雷达和陀螺仪所采集的码头水平运输区域内的环境信息和障碍物信息；无人集卡运动仿真系统的gps定位模块8实时模拟卫星导航系统测量的无人集卡实时位置信息；码头水平运输区域虚拟场景模块9实时模拟码头水平运输区域内的环境信息；实时仿真机3将实时仿真结果即模拟的摄像机、毫米波雷达、激光雷达、陀螺仪、gps定位模块8的实时信号通过i/o接口2发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统1，并将gps定位模块8实时信号通过以太网4送回pc机5；pc机5再将其发送给人机界面10，并将无人集卡实时动态地显示在码头水平运输区域的虚拟场景中。

如图3所示，一种无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台工作方法，包括以下步骤：

a、开启测试仿真平台进行无人集卡参数初始化

在拟测试无人集卡自主驾驶系统1测试前，将起始位置、目的地位置、无人集卡参数以及障碍物信息初始化。起始位置和目的地初始化是人机界面10将起始位置和目的地信息传递给gps定位模块8，然后gps定位模块8会将起始位置和目的地信息传递给拟测试无人集卡自主驾驶系统1；无人集卡参数初始化是人机界面10将设置的无人集卡参数传递给无人集卡运动模块6，无人集卡运动模块6根据接收到的无人集卡参数进行初始化操作，所述的无人集卡参数包括无人集卡的质量、前后轮胎的偏激刚度、无人集卡的质心到前后轮的距离、车辆绕质心的转动惯量以及前进速度；障碍物信息初始化是人机界面10在码头水平运输区域模块9进行障碍物初始化设置，所述的障碍物信息包括动静态障碍物的位置和数量。

b、判断是否开始测试

在初始化完成后，实时仿真机3接收来自人机界面10的实验开始信号，根据实验开始指令的状态判断是否开启测试，如不需要测试则在此步骤等待；否则执行下一步；

c、开始测试

拟测试无人集卡自主驾驶系统1通过i/o接口2与实时仿真机3实现实时数据交换，开始测试；

d、无人集卡运动模块6工作方法

无人集卡运动模块6接收来自人机界面10设置的无人集卡参数和来自测试无人集卡自主驾驶系统1的控制信号，仿真运行，将运行结果即无人集卡实时位置信息发送给gps定位模块8；

e、环境感知模块7的工作方法

环境感知模块7接收来自码头水平运输区域虚拟场景模块9中的码头水平运输区域环境信息，仿真运行，并将运行结果即码头水平运输区域环境的完整表示,发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统1；

f、gps定位模块8的工作方法

gps定位模块8接收来自人机界面10和无人集卡运动模块6的运行结果，仿真运行，将运行结果即无人集卡的起始位置、目的地和实时位置信息发送给拟测试无人集卡自主驾驶系统1，并将无人集卡的实时位置信息发送给pc机5；

g、码头水平运输区域虚拟场景模块9工作方法

通过人机界面在码头水平运输区域虚拟场景模块9设置障碍物信息即动静态障碍物的位置和数量，由环境感知模块7接收来自码头水平运输区域虚拟场景模块9的水平运输区域环境信息；而且码头水平运输区域虚拟场景模块9接收gps定位模块8的运行结果，在码头水平运输区域虚拟环境中显示无人集卡和障碍物的实时位置信息；

h、人机界面10的工作方法

人机界面10设置无人集卡参数，发送给无人集卡运动模块6；人机界面10设置的起始位置和目的地信息，发送给gps定位模块8；人机界面10在码头水平运输区域虚拟场景模块9设置障碍物信息；并接收来自gps定位模块8的运行结果，最后显示无人集卡参数、起始位置和目的地信息、障碍物信息、期望路径和实际行驶路径测试曲线，并将测试结果存档；

i、判断是否需要下一次测试，若是，执行下一步；若否，结束测试，关闭无人集卡自主驾驶系统测试仿真平台；

j、判断是否改变测试条件，若是，在人机界面上重新设置无人集卡参数、起始位置和目的地以及码头水平运输区域障碍物信息；若否，不改变测试条件，继续测试。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。