CN104908808A - 一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，属于自动控制和农业作业车辆应用领域。航向控制装置包括检测系统和转向控制系统两部分。检测系统包括前轮转角检测机构和相对航向偏角检测机构。前轮转角检测机构由前轮导向轴、绝对旋转编码器和编码器安装基座构成；相对航向偏角检测机构由跟随车前端的左、右两侧各4个反射型红外传感器和引导车后端的反射板构成，根据红外传感器的反射感应信息获取跟随车和引导车之间的相对航向偏角；转向控制机构由步进电机和链轮传动副构成。提出的航向控制系统建模方法和控制算法能稳定可靠地实现车辆的自主跟随。

Description

一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及车辆导航与自动控制技术领域，重点应用于农业作业车辆自主跟随和协同作业领域。

背景技术

农业生产中自主车辆导航方式主要有GPS导航和路标导航。GPS导航精度受到视野中卫星的几何分布状况、星历误差、时钟误差、传播误差、多路径误差以及接收机噪声等因素影响，同时其可靠性也受到高大树木、山坡以及建筑物等因素影响。路标导航中主要运用机器视觉技术和激光雷达扫描技术识别作物行、垄等自然路标，但路径特征的丢失(如植株的缺失、大面积杂草出现及路标环境杂乱复杂)和视觉传感器自身局限性(如动态范围、分辨率、漂移及噪声)及户外使用约束条件(如光照)等都可能会导致路标导航失效。

车辆引导与自主跟随能弥补自主导航车辆的智能不足，并提高安全性。国内外对车辆跟随控制和人机协同已取得一定的研究成果：日本京都大学农业机械化研究生院研究了人机协同自动跟随车辆系统收割水稻；北海道大学农业车辆系统工程研究生院研究了农业作业主-从机器人系统；德国芬特公司研究的芬特同步导航通信系统，实现一个驾驶员同时操纵两辆拖拉机作业；上海交通大学智能车实验室实现了针对城市环境的多智能车跟随协作。但是，实现主-从跟随控制大多数采用机器视觉、GPS、激光扫描等多传感器融合技术，成本高昂且结构复杂，在农业领域的相关研究较少。

小型电动车相比拖拉机体积小，车身矮，在果园环境中作业时具备良好的通过性能，避免果树枝叶和果实遭受损伤，同时电动车没有尾气污染，作业更加环保，在实际中有较好的应用前景。本发明以自主改装的两辆小型电动车构建了车辆自主跟随系统，在参考车辆速度、转向和跟随导航控制研究成果的基础上，设计了一套基于红外传感器的车辆自主跟随控制系统，并设计了相应的控制算法。在果园环境下开展了车辆自主跟随试验，果园的性能控制实验结果表明：本发明能有效实现车辆的自主跟随，性能可靠、成本低廉和结构简易。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主跟随车辆航向控制系统的硬件实现形式和控制方法的设计。

该控制系统应用红外传感器检测车辆跟随系统相对航向偏角，应用绝对编码器实现前轮偏转角的测量，应用步进电机实现前轮偏转角的控制，建立了车辆自主跟随的控制系统模型，设计了跟随控制算法，通过开展的果园环境控制实验，验证了本发明能有效检测相对航向偏转角，所设计的控制算法能有效实现对跟随车辆航向角的控制，实现车辆的自主跟随，体现了本发明在实际农业作业领域的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，它包括由主控制器、检测系统和转向控制系统构成的控制系统硬件结构。主控制器采用数字信号处理器TMS320F28335，检测系统实现跟随车前轮转角和跟随车相对引导车的航向偏角的检测，转向控制系统采用步进电机配合链轮传动机构带动方向盘旋转实现车辆转弯。

本发明的检测系统包括前轮转角检测机构和相对航向偏角检测机构。前轮转角检测机构中的绝对型旋转编码安装于前轮导向轴上，主控器的AD模块采集绝对型旋转编码器的输出电压，通过计算获知(B-2)、对跟随车的航向角速度ω_v进行积分运算计算出车辆航向偏转角β。

本发明根据前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有的动态传递关系，设计了航向跟随闭环控制系统结构。

本发明根据航向跟随闭环控制系统结构设计了航向跟随PD闭环控制器，建立了跟随车实际航向偏转角β和目标相对航向偏转角θ之间偏差e与前轮偏转角R之间的传递关系。

本发明根据航向跟随PD闭环控制器设计了跟随控制算法流程，跟随控制算法流程中撤销控制作用条件是所有红外传感器接收到反射信号，航向偏转角β值与控制目标θ的差值绝对值小于设定的阈值Δθ，前轮转向角量值小于设定的阈值Δ_δ。

本发明搭建的电动车辆自主跟随控制系统，完成了果园环境自主跟随试验，试验结果证明本发明能稳定可靠地实现车辆的自主跟随。

本发明的有益效果：

本发明中相对航向偏角检测机构能稳定可靠地检测跟随车相对于引导车的航向偏角，并且结构简易，成本低廉。

本发明提出了一种实现车辆自主跟随航向控制的系统硬件实现形式、控制系统建模方法和控制算法的实现形式。

附图说明

图1是本发明的控制系统硬件结构图；

图2是本发明的前轮转角检测机构图；

图3是本发明的相对航向偏角检测机构图；

图4是本发明的车辆自主跟随控制系统示意图；

图5是本发明的转向系统闭环控制结构图；

图6是本发明的前轮转角δ和航向角β动态传递关系图；

图7是本发明的航向跟随闭环控制系统结构图；

图8是本发明的航向跟随PD闭环控制器结构图；

图9是本发明的跟随控制算法流程图；

其中：1、主控器；2、检测系统；3、转向控制系统；4、绝对型旋转编码器；5、跟随车前轮导向轴；6、安装于跟随车前端的红外传感器安装板；7、左侧红外传感器；8、右侧红外传感器；9、安装于引导车后端的反射板；10、引导车；11、跟随车

具体实施方式

一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，由主控制器1、检测系统2和转向控制系统3构成控制系统硬件结构(如图1)，其次包括跟随控制系统的模型建立、跟随控制系统控制器设计和跟随控制算法的设计。

下面结合附图和实施对本发明作进一步的说明。

(1)检测系统具体实施方案

前轮转角检测机构(如图2)中的绝对型旋转编码器4，电压输出量程为0-5v，对应测量角度为0-360°，通过主控器1的AD模块采集绝对型旋转编码器4的输出电压，经过计算可获知前轮转向角δ。

相对航向偏角检测机构(如图3)中在跟随车11前端的红外传感器安装板6上左右对称布置反射型红外传感器共8个，引导车10后端安装有反射板9，初始对中后，反射板9尺寸宽于红外传感器安装尺寸，此时所有传感器均能接收到反射信号，当引导车10和跟随车11产生航向偏角时，安装在跟随车11上左侧红外传感器7和右侧红外传感器8将根据转向的变化和偏角的增大而逐步丢失反射信号，根据红外传感器的安装位置可以获知相应的偏转角度，实现相对航向偏角的检测。当引导车10左转，最右侧红外传感器丢失反射信号时，如图3所示，假定引导车10反射板9宽度为W，跟随车11外端传感器与反射板9外端的距离为a1，则相对航向偏转角θ₁可由以下公式计算： ${\mathrm{\θ}}_1=a\cos \frac{W-a_1}{W}.$

(2)转向控制系统具体实施方案

转向控制系统3采用步进电机配合链轮传动机构带动方向盘旋转实现车辆转弯，步进电机采用定速转动，带动前轮的转向角速度为ω_s，理论上对ω_s积分运算可计算出前轮的转向角δ，实际系统中δ可以通过绝对型旋转编码器4测量所得。在控制系统建模时可以将步进电机等效成一个典型继电器单元，设计的转向系统闭环控制结构(如图5)中，前轮目标控制偏转角R与δ差值的极性决定步进电机的旋转方向，为了减少步进电机在目标值附近的颤振现象，可以人为限定一个最小偏差允许范围，此时，步进电机的运行方式具有带死区的继电器特征。

(3)跟随控制系统建模具体实施方案

前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有确定的动态传递关系(如图6)，当跟随车11的纵向速度为v，跟随车11前后轮轴距为L，采用以下公式可求取跟随车11的角速度ω_v：对跟随车11的角速度ω_v进行积分运算可计算出车辆航向偏转角β。

结合转向系统闭环控制结构(如图5)与前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间的动态传递关系(如图6)建立跟随车实际航向偏转角β和目标偏转角θ之间偏差e与前轮偏转角R之间的传递关系，即建立航向跟随闭环控制系统模型结构(如图7)。

(4)跟随控制系统控制器设计具体实施方案

从航向跟随闭环控制系统模型结构(如图7)分析，系统包含带前轮转角。相对航向偏角检测机构中通过跟随车前端的安装板上左侧4个反射型红外传感器和右侧4个反射型红外传感器对引导车后端的反射板进行反射感应，根据红外传感器的不同安装位置获得不同的相对航向偏角，本系统的设计结构可以对应检测5°、10°、15°和20°四个角度。

本发明的相对航向偏角检测机构中跟随车前端的安装板上左侧4个反射型红外传感器和右侧4个反射型红外传感器对引导车后端的反射板进行反射感应，根据不同安装位置红外传感器的接收反射信号的状态获取不同的相对航向偏角，计算相对航向偏角的方法为：

(A-1)、按照权利要求4所述的相对航向偏角检测机构，实时检测红外传感器的反射状态，并将无反射信息且距离引导车反射板外端最远的红外传感器位置信息告知主控器；

(A-2)、引导车后端的反射板宽度为W，传感器的位置信息a1(假定右侧最外端红外传感器无反射信号)，可采用下述公式求取相对航向偏角θ₁， ${\mathrm{\θ}}_1=a\cos \frac{W-a_1}{W}.$

本发明的转向控制系统转化为包含带死区继电器单元的闭环控制结构，步进电机带动前轮的转向角速度保持为定值ω_s，前轮的转向角为δ，前轮目标控制偏转角R与δ差值的极性决定步进电机的旋转方向。

本发明的前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有确定的动态传递关系，根据此动态传递关系计算跟随车辆与引导车辆之间的相对航向偏转角，其计算方法为步骤：

(B-1)、跟随车前后轮轴距L，跟随车的纵向速度v，采用下述公式求取跟随车的航向角速度ω_v，

死区继电器特性单元和正切函数单元两个非线性环节，将控制器等效成单位比例环节时，系统闭环总体呈现二阶系统特征，由于非线性环节的影响，系统运行特征会随着运行状态的变化而变化。根据控制理论知识可知，采用比例控制器(P控制器)或比例微分控制器(PD控制器)可以保持系统稳定，但在控制器中引入积分控制量将导致系统不稳定，因此跟随控制系统采用比例微分控制器，并通过Matlab仿真确定控制器的控制参数，控制器输出端添加一个线性饱和环节是考虑前轮转向角的极限值，当控制器产生的前轮转向角目标值超出转向角极限值时起限位作用。

(5)控制算法设计具体实施方案

控制目标θ来源于相对航向偏角检测机构(如图3)提供的4个离散目标值，控制系统的反馈量β(也是控制系统达到的控制效果)需要通过模型运算给出，航向跟随闭环控制系统模型(如图7)中的前轮转角δ的获取实际中不需要对前轮转向角速度ω_s进行积分运算，而是通过绝对型编码传感器4实时获取，也避免了积分带来的累积误差，跟随车11的相对航向偏转角β需要根据前轮转角δ值和车辆的纵向速度v进行积分运算获取。

当相对航向偏角检测机构(如图3)产生可检测值时，开始对前轮施加转向控制作用，而控制作用的撤销需要同时满足三个条件：所有红外传感器接收到反射信号；航向偏转角β值与控制目标θ的差值绝对值小于设定的阈值Δ_θ；前轮转向角量值小于设定的阈值Δ_δ。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是包括由主控制器(1)、检测系统(2)和转向控制系统(3)构成的控制系统硬件结构(图1)。主控制器(1)采用数字信号处理器TMS320F28335，检测系统(2)实现跟随车(11)前轮转角和跟随车(11)相对引导车(10)的航向偏角的检测，转向控制系统(3)采用步进电机配合链轮传动机构带动方向盘旋转实现车辆转弯。

2.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是所述的检测系统(2)包括前轮转角检测机构(图2)和相对航向偏角检测机构(图3)。

3.根据权利要求2所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是前轮转角检测机构(图2)中绝对型旋转编码器(4)安装于前轮导向轴(5)上，主控器(1)的AD模块采集绝对型旋转编码器(4)的输出电压，通过计算获知前轮转向角δ。

4.根据权利要求2所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是相对航向偏角检测机构(图3)中跟随车(11)前端的安装板(6)上左侧4个反射型红外传感器(7)和右侧4个反射型红外传感器(8)对引导车(10)后端的反射板(9)进行反射感应，根据不同安装位置红外传感器的接收反射信号的状态获取不同的相对航向偏角，计算相对航向偏角的方法为：

(A-1)、按照权利要求4所述的相对航向偏角检测机构(图3)，实时检测红外传感器的反射状态，并将无反射信息且距离引导车(10)反射板(9)外端最远的红外传感器位置信息告知主控器；

(A-2)、引导车(10)后端的反射板(9)宽度为W，传感器的位置信息a1(假定右侧最外端红外传感器无反射信号)，可采用下述公式求取相对航向偏角θ₁，

5.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是将所述的转向控制系统(3)转化为包含带死区继电器单元的闭环控制结构(图5)，步进电机带动前轮的转向角速度保持为定值ω_s，前轮的转向角为δ，前轮目标控制偏转角R与δ差值的极性决定步进电机的旋转方向。

6.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，其特征是前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有确定的动态传递关系(图6)，根据此动态传递关系计算跟随车(11)与引导车(10)之间的相对航向偏转角，其计算方法为步骤：

(B-1)、跟随车(11)前后轮轴距L，跟随车(11)的纵向速度v，采用下述公式求取跟随车(11)的航向角速度ω_v，

(B-2)、对跟随车(11)的航向角速度ω_v进行积分运算计算出车辆航向偏转角β。

7.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，应用权利要求6所述的前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有动态传递关系(图6)，设计了航向跟随闭环控制系统结构(图7)。

8.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，应用权利要求7所述的航向跟随闭环控制系统结构(图7)设计了航向跟随PD闭环控制器(图8)，建立了跟随车(11)实际航向偏转角β和目标相对航向偏转角θ之间偏差e与前轮偏转角R之间的传递关系。

9.根据权利要求1所述的一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，应用权利要求8所述的航向跟随PD闭环控制器(图8)设计了跟随控制算法流程(图9)，跟随控制算法流程(图9)中撤销控制作用条件是所有红外传感器接收到反射信号，航向偏转角β值与控制目标θ的差值绝对值小于设定的阈值Δ_θ，前轮转向角量值小于设定的阈值Δ_δ。