一种自动避障天线

1.本发明涉及智能天线技术领域，具体涉及一种自动避障天线。


背景技术：

2.除常见的固定式天线外，在军用、电磁测试等领域也需要应用(车载式)可移动式天线及支架；在天线移动过程中，操作员可能会视觉偏差、遮挡导致降低、丧失对天线支架及障碍物的空间感知能力，显著增加了与障碍物相撞的风险。因此，研究自动避障天线系统的需求十分迫切。
3.针对天线装置的避障系统的研究较少，主要集中于小型飞行器控制领域。其采用的方案一般为：采用高精度高线束的激光雷达、毫米波雷达、高精度视觉摄像头相融合的感知方式，通过高性能计算机应用深度学习方法实现障碍物的识别、定位，进而实现车辆的避障控制。然而，对(车载式)可移动式天线而言，上述方案对传感器、控制器要求高，最终系统复杂度高、成本高，不便于布置。


技术实现要素：

4.本实施例提供一种自动避障天线，其目的在于避免天线与障碍物发生碰撞。
5.一种自动避障天线,包括：激光雷达模块、毫米波雷达模块、超声波雷达模块、数据处理模块和自动避障模块；
6.其中，所述激光雷达模块、毫米波雷达模块、超声波雷达模块分别用于在车辆行驶中检测路径上的障碍物信息以得到激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号；
7.所述数据处理模块同于对所述激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离；
8.所述自动避障模块用于根据当前车辆和/或天线与障碍物的距离控制天线和/或车辆运动以避开障碍物。
9.在一种实施例中，还包括通信模块，所述通信模块与所述数据处理模块连接，用于和外部设备进行无线通信。
10.在一种实施例中，还包括电源管理模块，该电源管理模块包括储能电池、电压转换电路、稳压电路以及电池管理系统；所述电压转换电路用于对电压进行转换处理以输出适配的电压；所述稳压电路用于对输出电压进行稳压处理；所述电池管理系统用于对储能电池进行管理和监控储能电池的使用状态。
11.在一种实施例中，还包括车身机构和天线伺服调整机构，所述天线伺服调整机构设置在车身机构上，该车身机构用于带动天线运动；所述激光雷达模块、毫米波雷达模块、超声波雷达模块设置在所述车身机构上，该天线设置在天线伺服调整机构上，天线伺服调整机构用于被控制以调整天线的位置。
12.在一种实施例中，所述车身机构包括车轮、整车控制器、驱动电机、电机控制器、减速器、转向装置。
13.在一种实施例中，所述数据处理模块同于对所述激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离包括：
14.将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号的返回强度归一化至0～1范围；
15.对归一化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号中的障碍物距离信息按照置信度由大到小进行排序，存储到待处理列表中；
16.选取置信度最高的障碍物距离信息作为目标障碍物距离并将其存储至输出列表中，并将其从所述待处理列表中删除；
17.计算其余所有障碍物距离信息与所述目标障碍物距离之间的间距值；
18.将间距值小于阈值的障碍物距离信息删除，将间距值大于阈值的障碍物距离信息保留，并进行下一轮循环，直至待处理列表为空。根据所述输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
19.在一种实施例中，所述数据处理模块同于对所述激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离包括：
20.将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号的返回强度归一化至0～1范围；
21.对归一化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号中的障碍物距离信息按照置信度由大到小进行排序，存储到待处理列表中；
22.选取距离最小的障碍物距离信息作为目标障碍物距离并将其存储至输出列表中，并将其从所述待处理列表中删除；
23.计算其余所有障碍物距离信息与所述目标障碍物距离之间的间距值；
24.将间距值小于阈值的障碍物距离信息删除，将间距值大于阈值的障碍物距离信息保留，并进行下一轮循环，直至待处理列表为空。根据所述输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
25.在一种实施例中，所述数据处理模块同于对所述激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离包括：
26.将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号返回的距离信息归一化至0～1范围；
27.对归一化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号中的障碍物距离信息按照置信度由大到小进行排序，存储到待处理列表中；
28.选取置信度最高的障碍物距离信息作为目标障碍物距离并将其存储至输出列表中，并将其从所述待处理列表中删除；
29.计算其余所有障碍物距离信息与所述目标障碍物距离之间的间距值；
30.将间距值小于阈值的障碍物距离信息删除，将间距值大于阈值的障碍物距离信息保留，并进行下一轮循环，直至待处理列表为空。
31.根据所述输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
32.在一种实施例中，还包括显示报警模块，所述显示报警模块用于在触发报警机制时发出报警提示信号。
33.在一种实施例中，还包括：根据计算出的当前车辆和/或天线与障碍物的距离，根
据距离和置信度计算碰撞风险，若碰撞风险大于风险阈值，则触发报警机制以报警。
34.依据上述实施例的自动避障天线,其包括：激光雷达模块、毫米波雷达模块、超声波雷达模块、数据处理模块和显示报警模块。其中，激光雷达模块、毫米波雷达模块、超声波雷达模块分别用于在车辆行驶中检测路径上的障碍物信息以得到激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号；数据处理模块同于对所述激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离，自动避障模块用于根据当前车辆和/或天线与障碍物的距离控制天线和/或车辆运动以避开障碍物。通过本技术的自动避障天线成本低、可靠性高且避障效果的天线。
附图说明
35.图1为本技术在一种实施例中传感器的设置示意图；
36.图2为本技术在另一种实施例中传感器的设置示意图；
37.图3为本技术在另一种实施例中传感器的设置示意图；
38.图4为本技术实施例的数据处理流程示意图；
39.图5为本技术实施例的置信度系数与速度关系图；
40.图6为本技术实施例的报警显示界面示意图。
具体实施方式
41.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
42.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
43.实施例一：
44.请参考图1，本实施例提供一种自动避障天线,其包括：激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7、数据处理模块4和自动避障模块。
45.其中，激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7分别用于在车辆行驶中检测路径上的障碍物信息以得到激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号。数据处理模块4同于对激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号进行处理得到当前车辆和/或天线与障碍物的距离；自动避障模块用于根据当前车辆和/或天线与障碍物的距离控制天线和/或车辆运动以避开障碍物。
46.其中，本实施例的激光雷达模块2包含激光雷达和支持激光雷达运行及数据传输的外围电路部分，其用于实现基于飞行时间检测(tof)的环境扫描和建模，其原理为：激光
器发射一个激光脉冲，由计时器记录下出射的时间，回返光经接收器接收，并由计时器记录下回返的时间。两个时间相减即得到了光的“飞行时间”，而光速是一定的，因此在已知速度和时间后很容易就可以计算出距离。通过向多个方向发射线束并测量距离，就可以得到物体相对于环境的位置、距离关系，其返回值的形式为[距离x，距离y，返回波强度]。
[0047]
本实施例的毫米波雷达模块6包含毫米波雷达和支持毫米波雷达运行及数据传输的外围电路部分，其基本原理为：电磁信号发射过程中被其发射路径上的物体阻挡进行的反射，从而可以测得障碍物的距离，其返回值的形式为[距离x，距离y，返回波强度]。
[0048]
本实施例的超声波雷达模块7包含超声波雷达和支持超声波雷达运行及数据传输的外围电路部分，其基本原理为：通过超声波发射装置向外发出超声波，通过接收器接收到发送过来超声波时的时间差来测算距离，从而可以测得障碍物的距离[距离，返回波强度]。
[0049]
本实施例的数据处理模块4包含处理芯片、数据储存部分。
[0050]
本实施例的天线还包括通信模块3，通信模块3与数据处理模块4连接，通信模块3用于和外部设备进行无线通信。本实施例的通信模块3可以采用蓝牙通信、4g/5g网络通信、wifi通信等技术。
[0051]
在一种实施例中，天线系统还包括电源管理模块5，该电源管理模块5包括储能电池、电压转换电路、稳压电路以及电池管理系统；电压转换电路用于对电压进行转换处理以输出适配的电压；稳压电路用于对输出电压进行稳压处理；电池管理系统用于对储能电池进行管理和监控储能电池的使用状态。
[0052]
在一种实施例中，该天线还包括车身机构8和天线伺服调整机构1，天线伺服调整机构1设置在车身机构8上，该车身机构8用于带动天线运动10；激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7设置在车身机构8上，该天线10设置在天线伺服调整机构1上，天线伺服调整机构1用于被控制以调整天线的位置。其中，天线包括发射天线、接收天线以及用于连接天线以通信的信号线，天线伺服调整机构1包括支撑固定部分、伺服齿轮齿条、伺服卷线机构等其他可以实现升降功能与控制的部件。
[0053]
本实施例中车身机构8包括车轮、整车控制器、驱动电机、电机控制器、减速器、转向装置等结构，这些机构配合以实现车辆的移动、转向控制，可以通过通信模块3实现车身状态的实时上报。
[0054]
在另一种实施例中，提供另一种天线布置方式，如图2，激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7均固定安装于天线伺服调整机构1的顶端，可随着天线伺服调整机构1的升降而升降，激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7相对于天线原点的安装偏移分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)；则对于远处安全距离上的某一障碍a，各传感器检测到的相对坐标分别为(x1_a,y1_a),(x2_a,y2_a),(x3_a,y3_a),通过坐标变换统一至天线支架坐标系下后三个坐标分别为：(x1_a+x1,y1_a+y1)、(x2_a+x2,y2_a+y2)、(x3_a+x3,y3_a+y3)。
[0055]
在另一种实施例中，提供另一种天线布置方式，如图3，激光雷达模块2、毫米波雷达模块6、超声波雷达模块7均安装车辆的结构上，不随可随着天线支架的升降而升降，但可控制各传感器随自身转轴旋转。各传感器相对于天线原点的安装偏移分别为(x1,y1,θ1),(x2,y2,θ2),(x3,y3,θ3)；则对于远处安全距离上的某一障碍b，各传感器检测到的相对坐标分别为(x1_b,y1_b),(x2_b,y2_b),(x3_b,y3_b),通过坐标变换统一至天线支架坐标系
下后三个坐标分别为：
[0056]
(x1_b*cosθ1+y1_b*sinθ1+x1,y1_b*cosθ1
‑
x1_b*sinθ1+y1),
[0057]
(x2_b*cosθ2+y2_b*sinθ2+x2,y2_b*cosθ2
‑
x2_b*sinθ2+y2),
[0058]
(x3_b*cosθ3+y3_b*sinθ3+x3,y3_b*cosθ3
‑
x3_b*sinθ3+y3),
[0059]
传感器的布置并不限于本实施例所明确指出的3种方式，在其他实施例中，根据使用要求，可以使用组合方案，如激光雷达固定在天线支架顶端、毫米波雷达和超声波雷达固定在车体上可以旋转；也可以根据要求略去特定传感器，如只采用激光雷达和毫米波雷达；对于同一类的传感器数量也是可以变化的，如采用2个激光雷达。总之，这些传感器在数量、种类和安装方式的组合都可应用，并且都可以设定安全距离，也可以设定多程度的安全距离，实现预警、报警、紧急报警的分级检测和策略。
[0060]
本实施例的数据处理流程如图4所示，获取三个传感器的信息后，对传感器信息进行融合处理得到障碍物距离，然后获取车辆当前的运行状态，结合车辆运行状态以及障碍物距离即可计算出碰撞风险，根据碰撞风险控制车辆或者天线运动，以实现避障。
[0061]
其中，本实施例中数据处理模块对数据的处理方式包括以下三种，在实际处理中，技术人员可选其中任意一种。
[0062]
第一种，按照各传感器信号的置信度进行信息融合处理，本实施例中重点以各传感器的信号的置信度作为重要参考量，具体包括：
[0063]
步骤1.1：预先对激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号在同一个环境下对同一个物体在同样的距离、大小下进行标定。然后将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号的返回强度归一化至0～1范围，称之为置信度。
[0064]
步骤1.2:对归化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号中的距离信息按照置信度由大到小进行排序，存储到待处理列表中。
[0065]
步骤1.3：选取置信度最高的距离信息(x1，y1，α1)作为目标距离并将其存储至输出列表中，并将其从所述待处理列表中删除。其中，(x1，y1)表示距离障碍物α1的距离信息。
[0066]
步骤1.4：计算其余所有距离信息与所述目标距离之间的间距值。具体的，通过公式
[0067]
步骤1.5：将间距值小于阈值(如0.6m)的距离信息删除，将间距值大于阈值的距离信息保留。其中，与目标距离之间间距值小于阈值的点被认为是同一障碍物，因此需要删除；其中，距离阈值可根据运行工况设定，例如：若环境中实际障碍物体积均较大(如山石、建筑)，可将阈值设定为1.2m；若环境中实际障碍物体积较小(如树枝、微型飞行器)，可将阈值设定为0.2m。
[0068]
步骤1.6：重复步骤1.3至步骤1.5，直至待处理列表为空或最高置信度的小于某一阈值(如0.3)或输出列表中障碍物信息已达到阈值个(如5个)。
[0069]
步骤1.7：根据输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
[0070]
在一种实施例中，数据处理部分还可以采用下述第二种方法，本实施例中重点以信号中的距离信号作为参考量，具体包括：
[0071]
步骤2.1：将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号的返回强度归一化至0～1范围，称之为置信度。
[0072]
步骤2.2：对归化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号中的距离信息由大到小进行排序，存储到待处理列表中。
[0073]
步骤2.3：选取最小的距离信息作为目标距离并将其存储至输出列表中，并将其从所述待处理列表中删除。
[0074]
步骤2.4：计算其余所有距离信息与所述目标距离之间的间距值。
[0075]
步骤2.5：将间距值小于阈值(如0.6m)的距离信息删除，将间距值大于阈值的距离信息输出至待所述输出列表中。
[0076]
步骤2.6：重复步骤2.3至步骤2.5，直至待处理列表为空或剩余最小距离大于某一阈值(如5m)或输出列表中障碍物信息已达到阈值个(如5个)。
[0077]
步骤2.7：根据输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
[0078]
第三种，在另一种实施例中，重点考虑车速的影响，由于传感器自身的工作特性，激光雷达对远距离的物体检测更可靠，毫米波雷达对中距离的物体检测更可靠，超声波雷达对近距离的物体检测更可靠。第一种方法虽然对信号强度做了归一化，但并没有充分利用传感器的特性；另外，容易理解，相较于速度较高的情况下，速度低时我们更关心与中、近距离的物体。基于以上考虑，设定随车速变化的置信度调整系数，其中一种调整系数如图5所示。
[0079]
本实施例的方法具体包括：
[0080]
步骤3.1：将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号返回的距离信息归一化至0～1范围，称之为置信度。
[0081]
步骤3.2：对归一化后的激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达信号的距离信息分别乘以当前车速下其对应的调整系数；不同速度下对应的调整系数如图5所示，另一个简单的例子为：考虑到在车速增高的情况下超声波雷达更容易出现误报警且超声波雷达的自身检测距离较短；在车速小于3km/h时，将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达的调整系数均设置为1；在车速大于3km/h时，将激光雷达信号、毫米波雷达信号和超声波雷达的调整系数设置为1、1、0。
[0082]
步骤3.3：按照置信度由大到小进行排序，存储到待处理列表中；
[0083]
步骤3.4：选取置信度最高的距离信息作为目标距离，并将该目标距离存储到待处理列表中；
[0084]
步骤3.5：计算所有距离信息与所述目标距离之间的间距值，将间距值小于阈值的距离信息删除，将间距值大于阈值的距离信息输出至待所述输出列表中；
[0085]
步骤3.6：重复步骤3.3至步骤3.5，直至待处理列表为空或最高置信度的小于某一阈值(如0.3)或输出列表中障碍物信息已达到阈值个(如5个)。
[0086]
步骤3.7：根据输出列表中的距离信息计算车辆和/或天线与障碍物之间的距离。
[0087]
进一步的，本实施例的天线还包括显示报警模块，显示报警模块用于在触发报警机制时发出报警提示信。例如，显示报警模块的报警显示界面如图6所示，界面显示碰撞物体、碰撞可能性、碰撞方位等；警示灯转动并发出声音等提醒驾驶员。
[0088]
进一步的，本实施例的天线还包括：根据计算出的当前车辆和/或天线与障碍物的距离，根据距离和置信度计算碰撞风险，若碰撞风险大于风险阈值，则触发报警机制以报警。
[0089]
例如通过通讯接口和通信模块可以取得车辆的运动信息，运动信息包括当前的车速、加速度、方向盘转角、油门踏板百分比、制动踏板百分比等。可以通过这些状态预测很短时间后(例如1s后)的车辆位置和状态：对于自动驾驶车辆，该信息往往可以通过从控制策略中直接得出，对有人驾驶车辆和其他车辆，可以采取等速估计，也就是认为在较短时间内车辆的速度v、方向盘转角θ等是不变的，则这段时间的位移可表示为：
[0090][0091][0092]
需要说明的是，本实施例只为了说明车辆状态预测而举例，并不现定于使用何种方法；本系统也可以接受来自其他方法的车辆状态预测结果，如长短时记忆(lstm)预测、马尔可夫模型、递归神经网络等。
[0093]
本实施例的碰撞风险计算包括：
[0094]
采用上述输出列表中取得的障碍物信息列表[(x
obs1
,y
obs1
,a
obs1
),(x
obs2
,y
obs2
,a
obs2
),...]和取得的车辆状态获取与预测结果。
[0095]
例如分别对1s后、2s后、5s后的碰撞可能性与风险进行计算。
[0096]
对某一时刻t1，预测得到的车辆位置位于(x
t1
,y
t1
)，判断距离的大小，取距离的倒数乘以置信度作为碰撞风险如果β
t1
大于某一值，则认为有碰撞可能，存入输出列表；并计算与下一障碍物的碰撞风险，若碰撞风险高于风险阈值，则控制车辆转向或者天线运动以避障。例如，可以将风险阈值设置为0.2m
‑1,其物理意义可以理解为对5m处的置信度为1的物体(碰撞风险为1/5＝0.2)需要进行动作、对2m处置信度为0.4的物体(碰撞风险为0.4/2＝0.2)需要进行动作，但对于1m处置信度为0.1的物体(碰撞风险为0.1/1＝0.1)不进行动作。例如，可以将例如发出天线控制指令使天线下降，减少碰撞风险与碰撞损失。
[0097]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。