[发明专利]用于自主交通工具导航的系统和方法

说明书

公开了一种用于自动导航交通工具的系统，该系统包括：数据储存器，包含一个或多个区域的一个或多个地图；电子接口，用于：(i)从外部数据源接收与所述一个或多个区域相关的数据；(ii)从物理传感器接收与所述交通工具的运动相关的参数；以及(iii)从定位设备接收所述交通工具的位置；包括处理电路的导航处理器，所述处理电路被适配成通过在计算上求解约束最小化问题来确定用于使所述交通工具从所述一个或多个区域中的给定点通行到所述一个或多个区域中的另一个点的初始最优路线。

技术领域

本发明总体上涉及自动化交通工具系统的领域。更具体地，本发明涉及用于自主交通工具导航的系统和方法。

背景技术

数字计算、通信的领域中的进步以及计算机视觉、感测、导航、控制、力学、发动机的算法和系统中的进步导致各种交通工具类型自动导航而不必使人类有负担的新时代的黎明。

尽管已经在该领域中论证了一些进步，但有多得多的事情要做以便实现真正自主、可靠且安全的交通工具导航。

发明内容

本发明包括用于自主交通工具导航的系统和方法。所公开的架构和算法方案允许实质上在没有来自人类驾驶员的帮助和干预的情况下的自主交通工具导航。

本发明将经常针对有轮子的地面交通工具(诸如，私家车)加以说明和解释，然而，交通工具类型和应用不受任何具体类型的交通工具的限制，而是还包括有轮子的汽车、家庭机器人、旋翼飞行器、无人机、步行机、飞机、小船、帆船等——实际上，现今已知或未来将发明出的有受控导航能力的任何机器。

自主导航的问题可以被定义为环境中的交通工具从特定初始位置或起点位移到特定最终位置或目的地的位移的问题。为了简明，将通常表示空间中的交通工具位置的完整描述，并包括其质心的坐标{x₁，x₂，x₃}和其相对于某预选择坐标系的旋转角度两者：该坐标可以是欧几里得体系中的空间坐标，并且该角度可以是滚转、俯仰和偏航的角度或者沿交通工具的惯性力矩的主轴的角度。可以为了方便而选择其他类型的空间坐标和角度，诸如球坐标、欧拉角、四元数等。

我们将通过交通工具的刚性体描述来限制讨论，然而，所公开的本发明也适用于其他类型的交通工具，诸如步行机或者在其运动期间显著改变其形状和惯性力矩的其他交通工具。

沿特定路径或轨迹从起点到目的地导航交通工具，该特定路径或轨迹可以被描述为特定时刻处交通工具位置的序列或者更准确地被描述为交通工具位置对时间t的参数依赖性：

轨迹由自主交通工具导航系统(也称为“交通工具导航系统”、“导航系统”或“系统”)计算，且在必要时沿途更新或更改。交通工具由其(一个或多个)发动机的力经由促动器或运动控制器来移动。

(一个或多个)发动机以及促动器可以在不同种类的交通工具之间不同：对于有轮子的汽车，控制器是油门、传动装置、轮子的转向装置以及制动器；对于机动船，其为其发动机的推力和方向以及其舵的倾斜度；对于帆船，其为其帆相应于风的位置和幅度的位置以及相应的船和舵方向。四轴无人机的运动控制器是其发动机和螺旋桨。飞机的运动控制器是其发动机、方向舵、升降舵、副翼、襟翼的推力。

尽管针对各种类型的交通工具的不同类型的运动控制器之间有明显区别，它们具有很多共同之处——每一个运动控制器将力施加到交通工具上，交通工具进而将该力转换成交通工具速度和运动方向的改变(或保持)。

由运动控制器施加的力依赖于控制器、交通工具和周围环境的状态。例如，由汽车的发动机通过轮子施加的力依赖于发动机的扭矩的量、发动机与驱动轮之间的传动装置、以及轮子与道路之间的摩擦力；由转弯轮施加到汽车上的力依赖于汽车速度、轮子的倾角以及轮子与道路之间的摩擦力；由帆船舵或由飞机控制表面(例如，方向舵、升降舵、副翼、襟翼)施加的力依赖于其倾角和水或气流的相对速度等。