专利名称：智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及机动车导航技术，尤其涉及一种智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统。
背景技术：
汽车是人们日常工作生活中不可缺少的交通工具。随着私家车的普及，汽车己变成老百姓的重要消费品之一，因此汽车的消费市场是庞大的。目前，汽车产品在以下三领域存在不足之处一、导航，二、驾驶、三、防盗。具体说明如下基于卫星信号的汽车导航设备在国际上正在普及，但只能提供相对于固定电子地图的绝对定位。该类设备主要包含固有电子地图，旅程信息输入，(非实时)汽车绝对定位，模拟跟踪选定路径，实时辅助导航提示，和汽车现在位置显示。该类设备的明显缺点是一、不具备自制地图的功能、二、不具备自动驾驶汽车的功能，三、不具备相对地面及地面物的定位功能，四、定位误差和行驶速度成正比。
汽车需要小心驾驶，任何差错都可能导致伤亡。这一事实说明汽车需要具备自动辅助驾驶的功能，其目的是让汽车成为绝对安全的消费品，而目前只有少数品牌的汽车开始推出比较原始的自动驾驶功能。
汽车是高档消费品，因此汽车防盗变成汽车消费者的一大心病。目前，汽车防盗的手段主要是被动式的，即阻止盗贼进入汽车。显然，这不是十分有效的方法，所以主动式的防盗技术开始成为新的研究重点。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，既实现汽车在己知或未知环境中的辅助导航，又能实现安全可靠的自动驾驶或辅助驾驶。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，它包括视觉测位仪，用于锁定图像目标并计算出它们的相对位置和相对方位；GPS测位仪，用于测量汽车相对地球经纬参照点的绝对位置；实时汽车相对定位装置，用于读取视觉测位仪的输出并计算出汽车相对地面固定目标的位置和方向，以及汽车相对地面的位置位移和方向位移；实时汽车绝对定位装置，用于读取GPS测位仪的输出并换算出汽车的第一绝对位置，以及读取汽车相对地面的位置位移和方向位移并运算出汽车的第二绝对位置；电子地图更新与自制装置，用于读取实时汽车绝对定位装置的输出并计算出可行路径查询表；汽车现在位置显示装置，用于标定出汽车在电子地图上的当前位置；旅程信息输入装置，用于驾驶员输入简单的点到点的旅程或复杂的驾驶任务描述；旅程路径动态规划装置，用于根据汽车当前位置实时地确定所有符合指定约束的路径；模拟跟踪选定路径装置，用于在电子地图上演示汽车虚拟地执行跟踪选定路径；辅助导航动态提示装置，在汽车行程中提示和旅程有关的信息；行驶任务输入装置，用于驾驶员输入行驶任务；行驶轨迹动态规划装置，用于读取实时汽车相对定位装置的输出，并根据选定的当前行驶任务和当前目的地规划出汽车行驶轨迹；实时自动兼辅助驾驶装置，当驾驶员选择任何一项自动行驶任务时，控制或辅助提示汽车的行驶方向和行驶速度。
在上述方案中所述视觉测位仪包括摄像设备、与该摄像设备连接的计算机，所述摄像设备包括一组双目彩色摄像机，每个双目彩色摄像机的输出是一对系列彩色图像，所述计算机对摄像机输出的彩色图像作如下处理(1)用人工神经网络对彩色种类进行学习和记忆，然后用最短距离法对图像点进行分类；(2)用图像边缘点检测算法计算出所有图像边缘点；(3)根据路面特征点在左右摄像机中同时成像并通过单一变换可以在左图像或右图像中重叠的特征来区分路面特征点和非路面特征点；(4)把同类相联的彩色图像点集合成图像中的彩色目标，用局部相邻区域把边缘点集合成边缘链，其中，具有一定结构的边缘链被设定为图像中的轮廓目标，最后，彩色目标和轮廓目标根据其特征的属性被分类成路面目标和路上目标；(5)针对每两幅连续图像，把形状相以、尺寸相近、彩色相似和位移相邻的彩色目标在时间轴上配对；(6)针对每两幅连续图像，把结构相以、尺寸相近和位移相邻的轮廓目标在时间轴上配对；(7)把属于路面的彩色目标和轮廓目标通过单一变换投影到汽车的路面空间而获取路面目标相对视觉测位仪的位置和方向，然后利用特征目标的跟踪信息计算出路面目标相对视觉测位仪的位置位移和方向位移；(8)把路上目标在每一对左右图像上配对，在每个时间点上，利用双目摄像机的己知参数计算路上目标相对视觉测位仪的位置和方向，最后在相邻的两个时间点上，利用路上目标的跟踪信息计算出路上目标相对视觉测位仪的位置位移和方向位移。
所述实时汽车相对定位装置的工作步骤为(1)读取视觉测位仪输出的所有被跟踪的目标的方位和它们的位移；(2)通过逆变换计算出汽车相对每一目标的相对方位和它的位移；(3)利用所有地面目标相对于视觉测位仪的位移，以最小二乘法估算出汽车相对地面的位置位移和方向位移。
所述实时汽车绝对定位装置的工作步骤为(1)读取GPS测位仪输出的直接绝对位置，并给出时间点给每个直接绝对位置；(2)读取实时汽车相对定位的位移输出，并给出它们的时间点；(3)在每两个直接绝对位置的时间点之间，以积分的算法计算出在每个位移时间点上的间接绝对位置。
如果具备预输入电子地图，所述电子地图更新与自制装置对预存电子地图以适当的方式作出必要的更新并计算出可行路径查询表，否则渐进式地自动生成电子地图并计算出可行路径查询表，计算可行路径查询表包括如下步骤(1)形成电子地图中所有路段和所有路口的联结关系网络，该网络用二维方矩阵表示；(2)系统地搜索从任一路口i到任一路口j的所有可行路径，并以三维矩阵表示；(3)计算从任一路口i到任一路口j的每一条路径的参数，并以四维矩阵表示。
所述旅程路径动态规划装置根据电子地图更新与自制装置输出的可询路径查询表，按如下步骤规划路径(1)根据汽车现在绝对位置和电子地图确定汽车所在路段，同时确定汽车前方路口；(2)根据汽车下一个中途点或终点在电子地图上确定该点所在的路段，同时确定汽车到达该点时的后方路口；(3)从可行路径查询表中，选择一条从路口i到路口j的最优路径。
所述行驶轨迹动态规划装置实现下列规划部分之一或组合(1)跟踪路线轨迹规划从路面矩阵上读出有路边线的方格，然后用一定阶数的多项式代数方程来平滑这些方格的中心点，对该多项式代数方程加入时间约束，并得到类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到跟踪路线轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(2)跟踪前行车辆轨迹规划从路面矩阵上读出有路上目标的方格，这些方格的中心点称为路上目标点，然后选出汽车正前方和一定宽度通道上的路上目标点，接着根据这些目标点计算出跟踪目标的中心点并算出保持和跟踪目标一定安全距离所需的位移，最后根据时间约束直接算出跟踪前行车辆轨迹的车速时间函数和转角时间函数；
(3)超车或避障轨迹规划从路面矩阵上读出所有空白方格，然后确定在二维路面矩阵的每列中所有连续相邻的空白方格并计算出它们的中点，这些点被称为轨迹关健点，之后在二维路面矩阵的每相邻两列中，把一列中的轨迹关健点和另一列中的轨迹关健点相连得到所有可行的超车或避障路径，接下来根据路面矩阵中关于路边线的信息选出一条超车或避障路径，用一定阶数的多项式代数方程来平滑这条选定的超车或避障路径，随后对该多项式代数方程加入时间约束，最后根据时间函数的微分直接得到超车或避障轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(4)停泊车位轨迹规划从路面矩阵上读出有停泊车位线的空格，然后用一个有一定尺寸的长方形来近似描述这些空格，该长方形代表汽车停泊方位，接着采用逆向规划法确定从停泊方位到一中间方位的路径，之后用一定阶数的多项式代数方程来连接汽车现在方位和该中间方位而得到连接汽车现在方位和停泊方位的路径，最后根据时间函数的微分直接得到停泊车位轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(5)起动或停车轨迹规划根据前方固定点或前方停车线中点选定一条直线路径，然根据所需时间约束来确定类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到起动或停车轨迹的车速时间函数和转角时间函数。
所述实时自动兼辅助驾驶装置包括自动车速控制和车速辅助提示部分，以及自动转向控制和转向辅助提示部分。
所述自动车速控制和车速辅助提示部分包括油门开合电子调节设备、车速测量反馈单元和车速辅助提示单元，车速辅助提示单元根据车速误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示。
所述自动转向控制和转向辅助提示部分包括方向盘电子制动设备，转角测量反馈单元和转角辅助提示单元，转角辅助提示单元根据转角误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示。
与现有技术相比，在GPS测位仪和视觉测位仪的基础上以全新的方式实现汽车绝对定位、汽车相对定位、电子地图更新与自制、汽车行驶轨迹规划和汽车自动兼辅助驾驶，既能实现汽车在己知或未知环境中的辅助导航，又能实现安全可靠的自动驾驶或辅助驾驶。鉴于车外驾驶员可以选定一系列自动行驶任务，该发明间接地提供了一种主动式的防盗技术，即在汽车丢失情况下，车主可以远程地驾驶汽车使之物归原主。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明的总体构造框图。
图2是本发明中视觉测位仪的工作原理框图。
图3是本发明中行驶轨迹动态规划装置的组成框图。
图4是本发明中自动车速控制和车速辅助提示部分以及自动转向控制和转向辅助提示部分组成框图。
具体实施例方式
请参阅图1，本发明的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统包括视觉测位仪1，它以适当的方式锁定图像目标并计算出它们和视觉测位仪1的相对位置和相对方位；GPS(全球卫星定位系统)测位仪2，它既可选用低精度慢速产品，也可采用高挡快速产品，用于测量汽车相对地球经纬参照点的绝对位置；实时汽车相对定位装置3，用于读取视觉测位仪1的输出并以适当的方式计算出汽车相对地面固定目标的位置和方向，地面固定目标包括路面上的彩色，路面上的轮廓，路标，或建筑物等等，同时它以适当的方式计算出汽车相对地面的位置位移和方向位移；实时汽车绝对定位装置4，它一方面读取GPS测位仪2的输出并适当的方式换算出汽车的第一绝对位置，另一方面，它同时读取汽车相对地面的位置位移和方向位移并通过适当的方式运算出汽车的第二绝对位置，第一绝对位置定义为离散的直接绝对位置，第二绝对位置定义为连续的间接绝对位置，任何绝对位置都是以电子地图作为参照坐标；电子地图更新与自制装置5，它读取实时汽车绝对定位的输出，如果本系统具备预输入电子地图，该模块的功能是对预存电子地图以适当的方式作出必要的更新并计算出可行路径查询表，否则，该模块的功能是渐进式地并以适当的方式自动生成电子地图并计算出可行路径查询表；汽车现在位置显示装置6，它是在液晶显示器上以适当的方式标定出汽车在电子地图上的当前位置，同时它也可以用适当的方式显示出视觉相对定位仪1中的参照物；旅程信息输入装置7。它以适当方式方便驾驶员输入简单的点到点的旅程或输入复杂的驾驶任务描述；旅程路径动态规划装置8，它根据汽车当前位置实时地并以适当的方式确定所有符合指定约束的路径，指定约束包括电子地图、途中访问地点、时间及距离等等；模拟跟踪选定路径装置9，它在电子地图上以适当的方式演示汽车虚拟地执行跟踪选定路径；辅助导航动态提示装置10，它在汽车行程中以适当的方式提示汽车当前位置，汽车当前执行的路径，以及和旅程有关的提示信息；行驶任务输入装置11，行驶任务包括起动引擎、辅助导航、自动跟踪路标、自动跟踪前行车辆、自动停泊车位、自动超车以及自动停车等等，该装置以适当的方式方便车内驾驶员或车外驾驶员输入当前行驶任务；行驶轨迹动态规划装置12，它读取实时汽车相对定位装置3的输出，并根据选定的当前行驶任务和当前目的地，以适当的方式规划出汽车行驶轨迹；实时自动兼辅助驾驶装置13，当车内驾驶员或车外驾驶员选择任何一项自动行驶任务时，该装置以适当的方式控制或辅助提示汽车的行驶方向和行驶速度，从而实现选定的自动行驶或辅助行驶任务；
请参阅图1和图2，本发明中的视觉测位仪1包括摄像设备14、计算机15和装载在计算机15内的视觉软件16。其摄像设备14由一组双目彩色摄像机构成。每个双目彩色摄像机都预先校准好(即内部和外部参数己知)，每个双目彩色摄像机的输出是一对系列彩色图像。视觉软件16由以下运算模块组成基于彩色的图像分割17，它采用人工神经网络对彩色种类进行学习和记忆，然后用最短距离法对图像点进行分类；基于轮廓的图像分割18，它采用图像边缘点检测算法计算出所有图像边缘点；路面和路上特征分割19，在双目视觉中，路面特征点(即彩色点和边缘点)在左右摄像机中同时成像，它们通过单一变换可以在左图像或右图像中重叠。非路面特征点(即彩色点和边缘点)则不满足该几何变换的约束，利用这一条件，路面特征和路上特征被区分；特征目标选取和分类20，首先它把同类相联的彩色图像点集合成图像中的彩色目标，所用的条件是一、同类，二、相联(即一点通过其它同点可以到达另一点)，其次它用局部相邻区域把边缘点集合成边缘链，其中具有一定结构的边缘链被设定为图像中的轮廓目标，最后特征目标(即彩色目标和轮廓目标)根据其特征的属性被分类成路面目标和路上目标；彩色目标跟踪21，它针对每两幅连续图像，把形状相以，尺寸相近，彩色相似和位移相邻的彩色目标在时间轴上配对；轮廓目标跟踪22，它针对每两幅连续图像，把结构相以，尺寸相近和位移相邻的轮廓目标在时间轴上配对；计算路面目标位移23，首先它把属于路面的特征目标(即彩色目标和轮廓目标)通过单一变换投影到汽车的路面空间从而获取路面目标相对视觉测位仪1的位置和方向，然后利用特征目标的跟踪信息计算出路面目标相对视觉测位仪1的位置位移和方向位移；计算路上目标位移24，首先它把路上目标在每一对左右图像上配对，配对的约束包括双目视觉的向极线(epipolar line)、路上目标的结构或彩色和路上目标的尺寸，其次在每个时间点上，利用双目摄像机的已知参数计算路上目标相对视觉测位仪1的位置和方向，最后在相邻的两个时间点上，利用路上目标的跟踪信息计算出路上目标相对视觉测位仪1的位置位移和方向位移；请参阅图1，本发明中的GPS测位仪2采用市场提供的GPS产品，它可以是低速产品，也可以是高速产品。它可以是普通GPS，也可以是高精度的DGPS。
请参阅图1，本发明中的实时汽车相对定位装置3读取视觉测位仪1输出的所有被跟踪的目标的方位(即方向和位置)和它们的位移，然后通过逆变换计算出汽车相对每一目标的相对方位和它的位移，最后利用所有地面目标相对于视觉测位仪1的位移，以最小二乘法估算出汽车相对地面的位置位移和方向位移。
请参阅图1，本发明中的实时汽车绝对定位装置4读取GPS测位仪2输出的直接绝对位置并给出时间点给每个直接绝对位置，然后它读取实时汽车相对定位装置3的位移输出并给出它们的时间点，最后在每两个直接绝对位置的时间点之间，以积分的算法计算出在每个位移时间点上的间接绝对位置。
请参阅图1，本发明中的电子地图更新与自制装置5实现两个运算。如果汽车具备已知电子地图，它一方面添加新的路段或恢复除去的路段，比如，汽车的某段行驶路径在已知电子地图上没有记录或以前被去除。另一方面，它临时去除电子地图中的已有的路段，比如，驾驶员设定某条路段被封闭，或者汽车由于路上目标出现而被迫倒回并选择其它路段。在这种情形下，封闭路段被临时去除。如果汽车不具备某个地区的电子地图，该模块则渐进式地自动添加行驶过的路段到自制的电子地图中，电子地图的数据结构包括路口(即交通路口)和路段(即连接两个路口)。最后它计算出可行路径查询表，计算可行路径查询表的步骤如下1、形成电子地图中所有路段和所有路口的联结关系网络。该网络用二维方矩阵表示，比如，C(i，j)＝k表示路段k把路口i和路口j相联结；
2、系统地搜索从任一路口i到任一路口j的所有可行路径，并以三维矩阵表示，比如，R(i，j，n)＝{k，p，q，s}表示沿着路径n可以从路口i通过路段k，路段p，路段q和路段s到达路口j；3、计算从任一路口i到任一路口j的每一条路径的参数，并以四维矩阵表示，比如说，P(i，j，n，m)＝d表示沿路径n从路口i到达路口j所走的路径参数m的值是d，路径参数m包括时间，路程，所经过中间路口总数等等。
请参阅图1，本发明中的汽车现在位置显示装置6读取实时汽车绝对定位装置4的输出，然后在平面显示器上描绘电子地图并在汽车的现在绝对位置上标定汽车图形符号，最后它记录该绝对位置并以连续点的形式显示所有被记录的绝对位置。
请参阅图1，本发明中的旅行信息输入装置7由手写触屏和键盘输入器组成，一方面，它可以读取驾驶员输入的起点、中途点和终点，另一方面，它可以提供起点、中途点和终点给驾驶员选择。
请参阅图1，本发明中的旅行路径动态规划装置8读取旅行信息输入装置7给出的起点、中途点和终点，同时它读取实时汽车绝对定位装置4给出的汽车现在绝对位置，然后根据电子地图更新与自制装置5输出的可询路径查询表，它实时规划旅行路径的步骤如下1、根据汽车现在绝对位置和电子地图确定汽车所在路段，同时确定汽车前方路口(比方说，路口i)；2、根据汽车下一个中途点或终点，在电子地图上确定该点所在的路段，同时确定汽车到达该点时的后方路口(比方说，路口j)；3、从可行路径查询表中，选择一条从路口i到路口j的最优路径，最优条件可以是时间、距离等等；请参阅图1，本发明中的模拟跟踪选定路径装置9读取旅行路径动态规划装置8输出的选定路径和电子地图，然后直接在电子地图上显示汽车图形沿选定路径运动的动态演示。
请参阅图1，本发明中的辅助导航动态提示装置10读取旅行路径动态规划装置8输出的汽车现在位置选定路径和电子地图，然后直接在电子地图上实时标出汽车的位置并且提示前方路口或中途点的信息。
请参阅图1，本发明中的行驶任务输入装置11读取旅行路径动态规划装置8输出的汽车现在位置选定路径和电子地图，然后它在电子地图上实时标出汽车的位置，其次它通过触屏显示一系列可选的行驶任务，这些任务包括起动引擎、辅助导航、自动跟踪路标、自动跟踪前行车辆、自动停泊车位、自动超车、自动停车以及关闭引擎等等，最后驾驶员手选一个行驶任务。
请参阅图1和图3，本发明中的行驶轨迹动态规划装置12实现以下规划包括跟踪路线轨迹规划、跟踪前行车辆轨迹规划、超车或避障轨迹规划、停泊车位轨迹规划、起动或停车轨迹规划等等。行驶轨迹动态规划装置12的输出是汽车理想行驶中的车速时间函数和转角时间函数。行驶轨迹动态规划装置12首先读取实时汽车相对定位装置3输出的路面和路上目标、电子地图更新与自制装置5输出的电子地图和行驶任务输入装置11输出的行驶任务和选定路径，然后在汽车坐标系上实时生成一幅二维离散路面空间，该路面空间可以用二维矩阵来表示，并被定义为路面矩阵。同时根据路面和路上目标，它实时设置该二维路面矩阵的值，比方说，M(i，j)＝0表示方格(i，j)上没有任何目标(即空白方格)，M(i，j)＝1表示方格(i，j)上有路上目标，M(i，j)＝2表示方格(i，j)上有路边线，M(i，j)＝3表示方格(i，j)上有停车线，M(i，j)＝4表示方格(i，j)上有停泊车位线，M(i，j)＝5表示方格(i，j)上有其它路标，以及M(i，j)＝-1表示方格(i，j)上的内容不确定。最后，根据选定行驶任务，它规划出汽车行驶轨迹，具体如下跟踪路线轨迹规划25首先从路面矩阵上读出有路边线的方格，然后它用一定阶数的多项式代数方程来平滑这些方格的中心点(即得到类似y＝f(x)函数)，其次它对该多项式代数方程加入时间约束，并得到类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到跟踪路线轨迹的车速时间函数和转角时间函数；
跟踪前行车辆轨迹规划26首先从路面矩阵上读出有路上目标的方格，这些方格的中心点称为路上目标点，然后它选出汽车正前方和一定宽度通道上的路上目标点。接着，根据这些目标点计算出跟踪目标的中心点，之后它直接算出保持和跟踪目标一定安全距离所需的位移，比方说，跟踪目标中心点是(x，y)和设定的安全距离为d，则计算汽车位移公式为Δx=(x2+y2-d)cos(arctan(yx))]]>和Δy=(x2+y2-d)sin(arctan(yx)),]]>最后根据时间约束(即选定的Δt)直接算出跟踪前行车辆轨迹的车速时间函数和转角时间函数；超车或避障轨迹规划27它首先从路面矩阵上读出所有空白方格，然后确定在二维路面矩阵的每列中所有连续相邻的空白方格，并计算出它们的中点，这些点被称为轨迹关健点，之后在二维路面矩阵的每相邻两列中，把一列中的轨迹关健点和另一列中的轨迹关健点相连，这种连接的约束条件是一列中的一个轨迹关健点可以通过空白方格到达下一列中一个轨迹关健点，至此所得结果是所有可行的超车或避障路径，接下来根据路面矩阵中关于路边线的信息，它选出一条超车或避障路径(即超车或避障路径不能越出路边线)，再接下来它用一定阶数的多项式代数方程来平滑这条选定的超车或避障路径(即得到类似y＝f(x)函数)，随后它对该多项式代数方程加入时间约束，并得到类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到超车或避障轨迹的车速时间函数和转角时间函数；停泊车位轨迹规划28它首先从路面矩阵上读出有停泊车位线的空格，然后它用一个有一定尺寸的长方形来近似描述这些空格，该长方形代表汽车停泊方位，接着它采用逆向规划法(即假设汽车从停泊方位驶出)确定从停泊方位到一中间方位(即假设中汽车驶出后到达的任一方位)的路径，之后它用一定阶数的多项式代数方程来连接汽车现在方位和该中间方位，至此所得结果是连接汽车现在方位和停泊方位的路径，加入一定时间约束后，所得结果是类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到停泊车位轨迹的车速时间函数和转角时间函数；起动或停车轨迹规划29它根据前方固定点或前方停车线中点(即从路面矩阵上读出前方停车线空格并计算这些空格的中心点)选定一条直线路径，然后它根据所需时间约束(比方说，到达直线终端的车速为零或为某个期望值)来确定类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到起动或停车轨迹的车速时间函数和转角时间函数；其它轨迹规划30它可以运用上述中的部分或全部方法去规划其它轨迹。
请参阅图1和图4，本发明中的实时自动兼辅助驾驶装置13由自动车速控制和车速辅助提示部分31，以及自动转向控制和转向辅助提示部分36组成。
自动车速控制和车速辅助提示部分31由车速自动控制算法单元32、(汽车)油门开合电子调节设备33、车速测量反馈单元34和车速辅助提示单元35组成。车速自动控制算法单元32由车速误差的比例量、积分量和微分量以线性组合形成。(汽车)油门开合电子调节设备33则由汽车自身提供。车速测量反馈单元34可由汽车自身提供，如果汽车本身不提供车速反馈，则由微型摄像机加图像处理软件组成。微型摄像机被安装在适当位置，它的作用是采集汽车速度仪表的彩色图像。微型摄像机的图像处理软件则利用特定彩色检测速度仪表的指针，并根据指针的位置读出汽车车速。车速辅助提示单元35的作用是根据车速误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示，提示语包括车速过快，车速过慢，危险，小心等等。
自动转向控制和转向辅助提示部分36由转角自动控制算法单元7，(汽车)方向盘电子制动设备38、转角测量反馈单元39和转角辅助提示40组成。转角自动控制算法单元37由转角误差的比例量，积分量和微分量以线性组合形成。(汽车)方向盘电子制动设备38则由汽车自身提供。转角测量反馈单元39可由汽车自身提供。如果汽车本身不提供转角反馈，转角测量反馈单元39则由微型摄像机加图像处理软件组成。微型摄像机被安装在适当位置，它的作用是采集汽车方向盘的彩色图像。微型摄像机的图像处理软件则利用特定边缘特征检测方向盘的转角，并根据比例变换得出汽车转角。转角辅助提示单元40的作用是根据转角误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示，提示语包括转角过度，转角过少，危险，小心＝等等。
权利要求
1.一种智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，它包括视觉测位仪，用于锁定图像目标并计算出它们的相对位置和相对方位；GPS测位仪，用于测量汽车相对地球经纬参照点的绝对位置；实时汽车相对定位装置，用于读取视觉测位仪的输出并计算出汽车相对地面固定目标的位置和方向，以及汽车相对地面的位置位移和方向位移；实时汽车绝对定位装置，用于读取GPS测位仪的输出并换算出汽车的第一绝对位置，以及读取汽车相对地面的位置位移和方向位移并运算出汽车的第二绝对位置；电子地图更新与自制装置，用于读取实时汽车绝对定位装置的输出并计算出可行路径查询表；汽车现在位置显示装置，用于标定出汽车在电子地图上的当前位置；旅程信息输入装置，用于驾驶员输入简单的点到点的旅程或复杂的驾驶任务描述；旅程路径动态规划装置，用于根据汽车当前位置实时地确定所有符合指定约束的路径；模拟跟踪选定路径装置，用于在电子地图上演示汽车虚拟地执行跟踪选定路径；辅助导航动态提示装置，在汽车行程中提示和旅程有关的信息；行驶任务输入装置，用于驾驶员输入行驶任务；行驶轨迹动态规划装置，用于读取实时汽车相对定位装置的输出，并根据选定的当前行驶任务和当前目的地规划出汽车行驶轨迹；实时自动兼辅助驾驶装置，当驾驶员选择任何一项自动行驶任务时，控制或辅助提示汽车的行驶方向和行驶速度。
2.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述视觉测位仪包括摄像设备、与该摄像设备连接的计算机，所述摄像设备包括一组双目彩色摄像机，每个双目彩色摄像机的输出是一对系列彩色图像，所述计算机对摄像机输出的彩色图像作如下处理(1)采用人工神经网络对彩色种类进行学习和记忆，然后用最短距离法对图像点进行分类；(2)采用图像边缘点检测算法计算出所有图像边缘点；(3)根据路面特征点在左右摄像机中同时成像并通过单一变换可以在左图像或右图像中重叠的特征来区分路面特征点和非路面特征点；(4)把同类相联的彩色图像点集合成图像中的彩色目标，用局部相邻区域把边缘点集合成边缘链，其中，具有一定结构的边缘链被设定为图像中的轮廓目标，最后，彩色目标和轮廓目标根据其特征的属性被分类成路面目标和路上目标；(5)针对每两幅连续图像，把形状相以、尺寸相近、彩色相似和位移相邻的彩色目标在时间轴上配对；(6)针对每两幅连续图像，把结构相以、尺寸相近和位移相邻的轮廓目标在时间轴上配对；(7)把属于路面的彩色目标和轮廓目标通过单一变换投影到汽车的路面空间而获取路面目标相对视觉测位仪的位置和方向，然后利用特征目标的跟踪信息计算出路面目标相对视觉测位仪的位置位移和方向位移；(8)把路上目标在每一对左右图像上配对，在每个时间点上，利用双目摄像机的已知参数计算路上目标相对视觉测位仪的位置和方向，最后在相邻的两个时间点上，利用路上目标的跟踪信息计算出路上目标相对视觉测位仪的位置位移和方向位移。
3.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述实时汽车相对定位装置的工作步骤为(1)读取视觉测位仪输出的所有被跟踪的目标的方位和它们的位移；(2)通过逆变换计算出汽车相对每一目标的相对方位和它的位移；(3)利用所有地面目标相对于视觉测位仪的位移，以最小二乘法估算出汽车相对地面的位置位移和方向位移。
4.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述实时汽车绝对定位装置的工作步骤为(1)读取GPS测位仪输出的直接绝对位置，并给出时间点给每个直接绝对位置；(2)读取实时汽车相对定位的位移输出，并给出它们的时间点；(3)在每两个直接绝对位置的时间点之间，以积分的算法计算出在每个位移时间点上的间接绝对位置。
5.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，如果具备预输入电子地图，所述电子地图更新与自制装置对预存电子地图以适当的方式作出必要的更新并计算出可行路径查询表，否则渐进式地自动生成电子地图并计算出可行路径查询表，计算可行路径查询表包括如下步骤(1)形成电子地图中所有路段和所有路口的联结关系网络，该网络用二维方矩阵表示；(2)系统地搜索从任一路口i到任一路口j的所有可行路径，并以三维矩阵表示；(3)计算从任一路口i到任一路口j的每一条路径的参数，并以四维矩阵表示。
6.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述旅程路径动态规划装置根据电子地图更新与自制装置输出的可询路径查询表，按如下步骤规划路径(1)根据汽车现在绝对位置和电子地图确定汽车所在路段，同时确定汽车前方路口；(2)根据汽车下一个中途点或终点在电子地图上确定该点所在的路段，同时确定汽车到达该点时的后方路口；(3)从可行路径查询表中，选择一条从路口i到路口j的最优路径。
7.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述行驶轨迹动态规划装置实现下列规划之一或组合(1)跟踪路线轨迹规划从路面矩阵上读出有路边线的方格，然后用一定阶数的多项式代数方程来平滑这些方格的中心点，对该多项式代数方程加入时间约束，并得到类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到跟踪路线轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(2)跟踪前行车辆轨迹规划从路面矩阵上读出有路上目标的方格，这些方格的中心点称为路上目标点，然后选出汽车正前方和一定宽度通道上的路上目标点，接着根据这些目标点计算出跟踪目标的中心点并算出保持和跟踪目标一定安全距离所需的位移，最后根据时间约束直接算出跟踪前行车辆轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(3)超车或避障轨迹规划从路面矩阵上读出所有空白方格，然后确定在二维路面矩阵的每列中所有连续相邻的空白方格并计算出它们的中点，这些点被称为轨迹关健点，之后在二维路面矩阵的每相邻两列中，把一列中的轨迹关健点和另一列中的轨迹关健点相连得到所有可行的超车或避障路径，接下来根据路面矩阵中关于路边线的信息选出一条超车或避障路径，用一定阶数的多项式代数方程来平滑这条选定的超车或避障路径，随后对该多项式代数方程加入时间约束，最后根据时间函数的微分直接得到超车或避障轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(4)停泊车位轨迹规划从路面矩阵上读出有停泊车位线的空格，然后用一个有一定尺寸的长方形来近似描述这些空格，该长方形代表汽车停泊方位，接着采用逆向规划法确定从停泊方位到一中间方位的路径，之后用一定阶数的多项式代数方程来连接汽车现在方位和该中间方位而得到连接汽车现在方位和停泊方位的路径，最后根据时间函数的微分直接得到停泊车位轨迹的车速时间函数和转角时间函数；(5)起动或停车轨迹规划根据前方固定点或前方停车线中点选定一条直线路径，然根据所需时间约束来确定类似x＝x(t)和y＝y(t)的时间函数，最后根据时间函数的微分直接得到起动或停车轨迹的车速时间函数和转角时间函数。
8.如权利要求1所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述实时自动兼辅助驾驶装置包括自动车速控制和车速辅助提示部分，以及自动转向控制和转向辅助提示部分。
9.如权利要求8所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述自动车速控制和车速辅助提示部分包括油门开合电子调节设备、车速测量反馈单元和车速辅助提示单元，车速辅助提示单元根据车速误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示。
10.如权利要求8所述的智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，其特征在于，所述自动转向控制和转向辅助提示部分包括方向盘电子制动设备，转角测量反馈单元和转角辅助提示单元，转角辅助提示单元根据转角误差量以语言或音频信号的方式向驾驶员提示。
全文摘要
本发明公开了一种智能汽车辅助导航和自动兼辅助驾驶系统，在GPS测位仪和视觉测位仪的基础上以全新的方式实现汽车绝对定位、汽车相对定位、电子地图更新与自制、汽车行驶轨迹规划和汽车自动兼辅助驾驶，既能实现汽车在已知或未知环境中的辅助导航，又能实现安全可靠的自动驾驶或辅助驾驶。鉴于车外驾驶员可以选定一系列自动行驶任务，该发明间接地提供了一种主动式的防盗技术，即在汽车丢失情况下，车主可以远程地驾驶汽车使之物归原主。
文档编号G01C3/00GK101033978SQ20071002663
公开日2007年9月12日 申请日期2007年1月30日 优先权日2007年1月30日
发明者谢明 申请人:珠海市智汽电子科技有限公司