一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统

技术领域

本发明涉及车辆驾驶和轨迹预测的技术领域，特别涉及一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，车辆人均保有量越来越大，考取驾驶证的人数也逐年增多，越来越年轻化。随时随地都能看见行驶的汽车，但对车辆的操控还需要从学习驾驶技术开始。对于初次操控车辆的新手来说，最容易搞混淆且最常犯的错误就是将方向打反了。在油门与离合的配合还不熟练的情况下，打反方向很容易造成事故，不仅增加驾校的运营成本，还会给新手增加心理负担。

因此，如何基于计算机技术、数据运算与展示技术，得到操作人员操作时对应的车辆行驶预测轨迹，并将车辆驾驶人员的操作与车辆的行驶预测轨迹进行直接关联和直观展示，成为同行从业人员亟待解决的问题，同时也可以实时提醒新手降低他/她的心理负担，也可以在学习驾驶技术的过程中更快更好地掌握车辆方向控制的诀窍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统，解决了对车辆驾驶人员在操作时对应的车辆行驶轨迹进行精准预测的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统，包括：人员方向操控行为感知模块、车辆实时状态感知模块、算法模型推演计算模块和车辆模型实时展示模块；

其中，所述人员方向操控行为感知模块，用于感知方向盘的转动方向和转动角度，得到方向盘的状态信息；

所述车辆实时状态感知模块，用于获取车辆已经行驶过的轨迹线路；

所述算法模型推演计算模块，用于根据实时获取到的方向盘的状态信息，车辆所在GPS本地坐标系中的坐标、车身方向角度，以及行驶过的轨迹路线和当前车辆的行驶速度，输入到预测模型；对车辆在当前控制量作用下后续会行驶的坐标轨迹线路进行预测，并将预测轨迹以离散坐标点的方式传递给所述车辆模型实时展示模块；

所述车辆模型实时展示模块，用于将所述算法模型推演计算模块得出的车辆行驶预测轨迹数据进行实时更新和展示。

进一步地，所述人员方向操控行为感知模块包括：

采集单元，用于通过加装在方向盘转轴上的传感器进行信号采集；

转换单元，用于根据所述采集单元采集的方向盘的转动方向和转动角度信号转换为电信号；

行为感知单元，用于根据对比方向盘左右打死和方向回正时的信号量标定值，对所述电信号进行分析，获得方向盘的状态信息。

进一步地，所述车辆实时状态感知模块，包括：

获取单元，用于通过加装在车辆上的GPS信号采集器和GPS方向定位器，实时获取车辆在以GPS基站为原点坐标系中的坐标值；

车辆感知单元，用于标识车辆在目标区域场地中所处位置，并获取到车辆已经行驶过的轨迹线路。

进一步地，所述算法模型推演计算模块，包括：

初始车身点位坐标换算单元，用于根据GPS坐标系下标定的初始车身点位坐标、初始车辆中心点位坐标，换算出车身点位坐标和车辆中心点的映射关系，以便将预测车辆轨迹转化为仅预测车辆中心点，从而简化算法模型；

方向轮转向角度计算单元，用于根据实时获取到的方向盘的状态信息，换算出方向轮转向角度信息；

实时车身方向角度计算单元，用于根据所述方向轮转向角度信息，换算出实时车身方向角度信息；

预测单元，用于根据当前车辆的行驶速度计算在Δt时间内车辆行驶轨迹、及车身方向角度信息。

进一步地，所述初始车身点位坐标换算单元，具体用于：

a、同一GPS坐标系下，标记车辆周身点位坐标和车辆中心点位坐标；

b、根据初始标记的车辆周身点位坐标和初始车辆中心点位坐标的相对关系，将实时获取的车辆中心点位坐标，换算得到车辆周身点位坐标；所述车辆周身点位坐标包括车头中心点位坐标；

c、根据实时获取的所述车辆中心点位坐标和实时换算的车头中心点位坐标，换算得到车辆在GPS坐标系下的初始车身方向角度。

进一步地，所述方向轮转向角度计算单元，具体用于：

根据方向盘转动角度θ与方向轮转向角γ的关系式(1.1)，计算得出方向轮转向角度γ；

γ＝A*θ

式中，A表示γ与θ强相关性的系数；B表示表示γ与θ线性相关的系数；C表示γ与θ变化关系的补充系数。

进一步地，所述实时车身方向角度计算单元，具体用于：

根据所述方向轮转向角度γ和实时车身方向角度λ

γ＝a*λ

式中，a表示λ

进一步地，所述预测单元，具体用于：

1)假设Δt时间内车辆方向盘没有转动，则方向轮转向角γ没有变换，根据式(1.3)得出车辆行驶路程S；

S＝V*Δt (1.3)

V表示车辆行驶速度；S表示车辆在Δt时间内的行驶路程，视为弧长；

2)根据车辆前后轴的轴距L、弧长S及方向轮转向角γ，得出弧度

3)确定车辆行驶过程中车身方向角度的影响系数δ和偏向距离的影响系数ε；其中：

δ＝δ

ε＝ε

V

4)计算GPS坐标系下在水平面内车辆中心点位坐标在Δt时间内的Y轴方向偏移距离N

式(1.7)中，N

计算GPS坐标系下在水平面内车辆中心点位坐标在Δt时间内的X轴方向偏移距离E

式(1.8)中，E

预测目标位置的车身方向角度λ

λ

式(1.9)中，λ

进一步地，所述车辆模型实时展示模块：

具体用于根据预测单元输出的车辆中心点位坐标在Δt时间内的Y轴方向偏移距离N

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统，融合计算机技术、车辆运动控制、无线信号应用、信号处理传输、数据计算与显示等技术为一体，可以实时监测车辆的运动轨迹和驾驶人员对车辆方向的操控，并将这些状态信息与操作转换成为数字信号进行计算、显示和输出；有助于驾驶操作人更快的熟悉并熟练操控车辆，减少事故的发生，同时还可以实时提醒新手降低他/她的心理负担，有助于新手在学习驾驶技术的过程中更快更好地掌握车辆方向控制的诀窍。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统的框图；

图2为GPS坐标系下车身的点位坐标示意图；

图3为方向盘角度与车轮转角的关系原理图；

图4为将前后轮各自合并进行模型简化后的车辆转向示意图；

图5为机械式转向系统原理图；

图6为预测Δt时间内车辆行驶轨迹的分析示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统，通过在车辆上加装一些传感器来对驾驶人员的方向操作行为进行检测，并根据无线信号定位技术对车辆自身的行驶轨迹进行测量感知，再通过算法模型的推演计算，将车辆的实时位置和运动预测轨迹进行展示输出。

该系统具体包括：人员方向操控行为感知模块、车辆实时状态感知模块、算法模型推演计算模块和车辆模型实时展示模块；

其中，人员方向操控行为感知模块，主要是通过加装在方向盘转轴上的传感器进行信号采集，其可将方向盘的转动方向和转动角度转换为电信号，再通过对比方向盘左右打死和方向回正时的信号量标定值，得到方向盘的状态信息。

车辆实时状态感知模块，主要通过加装在车辆上的GPS信号采集器和GPS方向定位器，实时获取车辆在以GPS基站为原点坐标系中的坐标值，以此来标识车辆在驾校场地中所处位置，从而获取到车辆已经行驶过的轨迹线路。

算法模型推演计算模块，主要根据实时获取到的方向盘的状态信息，车辆所在GPS本地坐标系中的坐标、车身方向角度，以及行驶过的轨迹路线和当前车辆的行驶速度，输入到预测模型，将车辆在当前控制量作用下后续会行驶的坐标轨迹线路进行预测，并将预测轨迹以离散坐标点的方式传递给车辆模型实时展示模块。

推演计算如下：

1、如图2所示，GPS坐标系下车身的点位坐标和车身方向角度换算：

a.同一GPS坐标系下，标记车辆周身点位坐标和车辆中心点位坐标O

b、根据初始标记的车辆周身点位坐标和初始车辆中心点位坐标的相对关系，将实时获取的车辆中心点位坐标，换算得到车辆周身点位坐标；所述车辆周身点位坐标包括车头中心点位坐标；

c、根据实时获取的所述车辆中心点位坐标和实时换算的车头中心点位坐标，换算得到车辆在GPS坐标系下的初始车身方向角度。

即：根据GPS坐标系下标定的初始车身点位坐标、初始车辆中心点位坐标，换算出车身点位坐标和车辆中心点的映射关系，以便将预测车辆轨迹转化为仅预测车辆中心点，从而简化算法模型；还可在后续实时预测出车辆中心坐标后，再换算出车身周围点的坐标。

2、方向盘角度与车轮转角的映射关系：

如图3所示，车辆方向盘左右打满为一圈半，540°，回正方向盘为0°；方向盘转动会引起车辆方向轮内外轮的旋转角度差，如图3中，比如向左转向时，左前轮旋转角度为α，右前轮旋转角度为β，二者角度差为γ，可以简单认为方向盘转动角度θ与该旋转角度差γ存在线性变换关系：

即θ＝k*(α-β)，k为线段斜率，表示方向盘转动角度的变化快慢和车辆内外车轮旋转角度差的变化成正比关系。

将前后轮各自合并进行模型简化后，如图4所示，其中的γ就视为简化后的方向轮转向角度。

而实际的转向系统如图5所示，由于机械结构的联动存在间隙性，所以方向盘转动角度θ与简化后的方向轮转向角γ并非理想化的线性关系。需要通过车辆的实际数据进一步优化，最后得到近似公式：

γ＝A*θ

式中，式中，A表示γ与θ强相关性的系数；该模型简单采用的是2次方指数，后续也可采用更高指数的多项式拟合。其实际表现为方向盘的转动会迅速作用于车轮转动。B表示表示γ与θ线性相关的系数，其表现为方向盘匀速转动时，车轮也是匀速转动；C表示γ与θ变化关系的补充系数，其主要表现方向盘小范围转动时，车轮角度几乎无变换，这是传动装置引入的机械间隙。

3、方向轮转向角与车身方向角度的关系：

由于车身姿态的方向和后轮是一致的，根据图4所示，方向轮转向角γ和车身方向角λ

γ＝a*λ

式中，a表示λ

即：根据方向轮转向角度γ，代入上述(1.2)式，得出实时车身方向角度λ

4、Δt时间内车辆行驶路程与车身方向角度的换算：

如图6所示，假设Δt时间内车辆方向盘没有转动，即方向轮转角γ没有变换；车辆行驶速度记为V,Δt时间内车辆行驶的路程记为S，那么

S＝V*Δt (1.3)

如图6所示，S表示车辆在Δt时间内的行驶路程，视为弧长；即：弧长S就是车辆行驶的路程。记车辆起止位置所形成的转向角度为

由于车辆行驶受到行驶速度V和摩擦力等相关阻力的影响，可增加两个影响系数δ和ε。它们主要受到速度V的影响(V

δ＝δ

北向距离偏移和东向距离偏移的影响系数为ε，那么

ε＝ε

计算GPS坐标系下在水平面内车辆中心点位坐标在Δt时间内的Y轴方向偏移距离N

计算GPS坐标系下在水平面内车辆中心点位坐标在Δt时间内的X轴方向偏移距离E

预测目标位置的车身方向角度λ

其中，

λ

式(1.9)中，λ

综上，预测模型可计算出Δt时间后，车辆中心点所处GPS坐标系下的新坐标O

车辆模型实时展示模块，主要将算法模型推演计算模块得出的车辆行驶预测轨迹数据进行可视化呈现。在可视化屏幕上，预测轨迹将随着车辆的运动进行实时更新和展示；预测轨迹不仅可以按车辆中心点坐标单线方式呈现，还可以按照车辆轮胎行驶轨迹进行呈现，以及还可以在预测路径上以车身轮廓方式进行呈现。

本发明提供一种面向机动车驾驶训练的车辆实时行驶轨迹预测系统，可根据驾驶人员对车辆的操控，实现在未来时间段内的行驶轨迹进行精准预测；有利于驾驶人员更快更好地掌握方向操控技巧，提升车辆操控感知能力，养成良好的车辆操控行为。极大地缩短驾驶人员学习方向操控的时间，增加车辆运动状态下方向操控的时效性和准确性。同时降低驾驶人员的心理负担，增强学习积极性和自信心。对驾校而言，可以降低方向操作不当的事故率，降低运营成本，增加学员对驾校的亲和力。同时该系统还可以扩展输出给其它设备和应用场景，如应用于无人机操控、VR虚拟场景操控、机场扫地机器人操控、矿山车辆操控等特种作业，应用面广，有非常大的市场前景。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。