面向城市环境的无人驾驶车辆磁导航方法研究

摘要

磁导航技术由于其在可靠性方面的明显优势和广泛的应用场景而成为离实际应用最近的无人车技术。现有的一些演示应用项目都证明了磁导航方案的可行性。然而，在城市环境下，现有的磁导航方法在实现上遇到一些挑战，最主要的是城市环境下道路曲率较小，曲率突变较大，这使得磁传感器的无前瞻特性严重影响车辆的控制。现有的基于高精度磁钉坐标地图的方法可以解决这些问题，然而高精度磁钉坐标地图的建立过程非常繁琐，有时甚至不得不通过工程测绘方法一一测量。
　　本文针对城市环境下磁导航无人车的核心问题和现有方法的不足，对磁导航技术进行了系统而深入的研究。首先现有磁钉定位方法对传感器信息的利用不足，而基于磁场模型曲线拟合的方法又是非线性优化问题，计算复杂。针对这两个问题，本文提出了利用伪高斯曲线拟合法来实现磁钉的横向定位，将基于磁场模型曲线拟合的非线性优化问题化为伪高斯曲线拟合的线性最小二乘问题，并从数学上证明了二者在很高的精度上是可以相互近似的。另外，给出的弧长切向角坐标系下任意曲率可积道路模型的一般表达式，也为局部道路模型的建立提供了一般的解决方案。其次，现有基于高精度磁钉坐标地图的方法其地图生成过程比较复杂。针对这一问题，本文提出基于磁钉跟踪的曲率地图概念及其创建方法。和高精度磁钉坐标地图相比，曲率地图具有同等的前方道路描述作用，但其最大的优点是创建过程非常简单，手动驾驶车沿磁钉轨迹行驶一圈即可建立出来。最后，针对磁尺前瞻小，不利于车辆控制的问题，提出了基于曲率地图的磁导航预瞄控制方法。该方法利用任意曲率可积道路模型的一般表达式来融合磁钉跟踪结果信息和曲率地图信息，得到对传感器噪声和曲率地图误差鲁邦的前方道路信息，实现了磁导航无人车的预瞄控制。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 磁导航关键技术

1.4 本文主要研究内容

2 磁导航无人车的稳定性分析

2.1 概述

2.2 车辆模型

2.3 车辆稳定性分析

2.4 本章小结

3 基于磁尺的磁钉定位与跟踪

3.1 概述

3.2 基于磁阻传感器的磁尺

3.3 基于磁尺的磁钉定位方法

3.4 基于航位推算的磁钉跟踪方法

3.5 基于磁钉跟踪的局部道路模型

3.6 实验结果及其分析

3.7 本章小结

4 基于磁钉跟踪算法的曲率地图创建

4.1 概述

4.2 道路曲率地图的定义

4.3 道路曲率地图的生成方法

4.4 路网结构下的曲率地图表示

4.5 实验结果与分析

4.6 本章小结

5 基于曲率地图的预瞄控制

5.1 概述

5.2 基于道路曲率地图的预瞄控制

5.3 路网结构下的曲率地图导航

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文