CN106774366A - 一种仿生无人车控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种仿生无人车控制系统及其控制方法，以解决目前对无人车操作控制主要是通过遥控命令来实现，而在实际的使用过程中需要遥控的命令太多而造成操作不便的问题。该控制系统可概括为三大部分：信息采集系统、数据处理系统、命令执行系统。本发明提出的技术方案可通过遥控操作系统对工作模式进行选择，控制系统结合传感器采集信息自动对仿生无人车的行进姿态进行调节，提高仿生无人车的智能化水平，同时也提高了仿生无人车对复杂地形的适应能力。

Description

一种仿生无人车控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶和机器人技术领域，特别涉及一种仿生无人车控制系统及其控制方法。

背景技术

无人化技术在各个行业的应用越来越普遍，尤其在移动平台控制上体现的极为明显。虽然有少量无人汽车可以在平坦的高速公路上行驶，但尚无能够适应各种路面的移动平台，尤其是能适应崎岖山地的无人化平台。多路面适应的移动平台，不受路况环境的影响，为货物运输、抢险救灾、军事活动等方面提供有力保障，现有一种利用液压缸实现多路况动作的无人车，但是由于路况的复杂，导致控制的复杂难以实现，因此急需一种控制系统及方法来实现对此无人车的控制。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足而提供一种使仿生无人车能智能适应不同路况的性能稳定的仿生无人车控制系统及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种仿生无人车控制系统，包括可变接近角离去角的仿生无人车，可变接近角离去角的仿生无人车包括第一行走车和第二行走车，所述第一行走车的尾部设有液压缸与第二行走车活动连接，所述液压缸锁止在伸缩位时，所述第一行走车的前轮和第二行走车的后轮抬离地面或所述第一行走车的后轮和第二行走车的前轮抬离地面，所述第一行走车和第二行走车上分别独立设置一套控制系统，两套控制系统通过CAN总线连接，以标准CAN协议实现信息交互，同时作用控制所述液压缸动作。

优选地，所述控制系统包括用于获取仿生无人车定位信息、确定仿生无人车位置的GPS定位传感器、用于扫描仿生无人车周围环境信息的激光雷达传感器、用于检测行走车姿态的倾角传感器、用于检测各轮胎的胎压的轮胎压力传感器组、用于监控发动机的运行状态的发动机状态监控传感器组、用于检测行走马达输入输出口的压强的压力传感器组、

用于收集GPS定位传感器、激光雷达传感器、倾角传感器、轮胎压力传感器组、发动机状态监控传感器组输入模块和与对发动机转速进行控制的发动机控制模块、给仿生无人车提供行走动力源的行走液压马达组连接的输出模块；

两套控制系统把通过输入模块采集到的信息数据进行运算，对各执行机构动作调整量进行决策，最终把决策结果通过输出模块输出到执行机构。

优选地，还包括用于获取仿生无人车周围图像信息的摄像头组、用于对摄像头组采集的图像信息和激光雷达传感器采集的信息进行处理的图像处理系统，所述图像处理系统与输入模块连接。

优选地，还包括遥控发射机与遥控接收机，所述遥控接收机通过总线与输入模块相连，所述遥控发射机与遥控接收机通过有线或者无线方式进行通讯连接。

优选地，所述执行机构包括对发动机转速及油门大小进行控制的发动机控制模块、控制仿生无人车前进、后退、转弯的行走液压马达组、控制液压缸伸缩的车体姿态调整执行机构和控制摄像头视角的上下左右移动的摄像头控制系统。

一种仿生无人车控制方法，所述第一行走车的前车架尾端铰接在中间连接件的一端，所述中间连接件的另一端通过连接轴活动安装在第二行走车后车架的前端，所述后车架可绕连接轴轴向旋转，所述第一行走车的尾部还设有液压缸与第二行走车活动连接，所述液压缸的一端铰接在第一行走车顶端，另一端铰接在中间连接件上，所述液压缸锁止在收缩位时，所述第一行走车的前轮和第二行走车的后轮抬离地面，所述液压缸在浮动状态时，所述第一行走车和第二行走车自由动作，其特征在于：

设第一行走车前轮轴心为点O，第一行走车前轮半径为R，第一行走车前轮与地面接触为E点，所述第一行走车的前车架尾端与中间连接件的铰接点为B点，S为第一行走车前轮轴心距地面的距离；L为液压缸的总长度；L0为单节行走车两轴之间的距离；L1为第一行走车前轮轴心到第一行走车与液压缸绞点之间的距离；L2为第一行走车前轮轴心到第一行走车与中间连接件绞点的距离；T为第一行走车前轮轴心到中间连接件绞点所在垂直线之间的水平距离；L3为第一行走车与液压缸绞点到第一行走车与中间连接件绞点之间的距离；L4为第一行走车与中间连接件绞点到第二行走车连接轴之间的距离；

当跨越地面上障碍时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越的垂直障碍物的高度H，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当H≤R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当R<H≤L2时，控制系统控制姿态调整液压缸伸长或者缩短至S≥H，跨越障碍物；

当H>L2时，障碍无法越过，控制系统控制仿生无人车左转弯行走或者右转弯行走绕过障碍物或停止前进；

当跨越沟壑时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越沟壑的宽度W，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当W≤2*R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当2*R<W≤L2时，控制系统控制姿态调整液压缸伸长或缩短至T≥W，以增大整车的接近、离去角，提高整车跨越障碍物的性能；

当W>L2时，障碍无法越过，此时仿生无人车会结合激光雷达传感器和摄像头组所采集的外界环境信息，控制系统选取可绕过障碍物路段通过或控制系统控制仿生无人车停止前进；

在正常行驶时：通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测，通过胎压的高低确认轮胎与地面接触力的大小，通过控制系统对分别对各车轮驱动力调控，从而实现整车的匀速直线行驶、转向动作；

当轮胎打滑时：控制系统通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测确认打车轮，控制液压缸伸缩，驱动打滑的车轮抬起，使得车辆的重心处于未打滑车轮上，同时增大未打滑车轮的驱动力。

具体的，当R<H≤L2时，控制液压缸伸缩，具体伸缩量通过公式计算：

公式中的S不小于H时可以通过障碍，将H的值的带入公式的S中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L；

当2*R<W≤L2时，控制液压缸伸缩，具体伸缩量通过公式计算：

公式中的T不小于W时可以通过障碍，将W的值的带入公式的T中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L。

仿生无人车行走的路面情况和行走方向障碍的具体判断方法如下：

通过发动机状态监控传感器组监控发动机的运行参数计算仿生无人车理论行驶里程数的大小，通过GPS定位传感器监控仿生无人车实际行驶里程数，控制系统实时监控两者参数的差值，并且将参数的差值结合GPS定位传感器实时获取的路段状况进行对比判断，从而确认仿生无人车行驶的路面情况；

通过激光雷达传感器扫描的仿生无人车周围环境信息，形成虚拟环境，从而实时判断仿生无人车行走方向障碍的高度或沟壑的宽度。

本发明的有益效果在于：本发明通过激光雷达传感器、发动机状态监控传感器组、GPS定位传感器能有效的对路况进行识别，并且通过相应的路况调整液压缸不同的姿态，从而适应不同的路况，克服了传统方式下的多地形适应困难的弊端，具有可靠的稳定性和通过性；本发明通过对液压缸的控制，从而控制仿生无人车调整到相应动作姿态，倾角传感器用于检测车体两车轮轴心连线与水平面的夹角∠EOB，从而计算出液压缸的动作量，提高了仿生无人车对多种路况的适应性，保证使用者能更快、更精准的操作仿生无人车，同时也减小了操作者的劳动强度。

综上所述，本发对泥泞路、砾石路、山坡路、垂直障碍、壕沟等路面具有极好的适应性，弥补了现有产品对复杂地形适应能力不足的弊端。

附图说明

图1是本发明跨越地面上障碍时的状态图；

图2是本发明跨越沟壑时的状态图；

图3是本发明跨越泥泞路面时的状态图。

图4是本系统的流程图。

附图中：1、第一行走车；2、第二行走车；3、液压缸。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，可变接近角离去角的仿生无人车包括第一行走车1和第二行走车2，所述第一行走车的前车架尾端铰接在中间连接件的一端，所述中间连接件的另一端通过连接轴活动安装在第二行走车后车架的前端，所述后车架可绕连接轴轴向旋转，所述第一行走车的尾部还设有液压缸与第二行走车活动连接，所述液压缸的一端铰接在第一行走车顶端，另一端铰接在中间连接件上，所述液压缸3锁止在收缩位时，所述第一行走车的前轮和第二行走车的后轮抬离地面，所述液压缸在浮动状态时，所述第一行走车和第二行走车自由动作；

如图4所示，第一行走车上安装有GPS定位传感器、激光雷达传感器、摄像头组A、摄像头控制系统A、倾角传感器、轮胎压力传感器组A、行走液压马达组A、发动机控制模块A、输入模块A、控制器A、输出模块A、照明灯A、喇叭A和警示灯A，GPS定位传感器获取仿生无人车的定位信息，确认仿生无人车具体位置，激光雷达传感器扫描仿生无人车周围环境信息，形成虚拟环境，从而实时判断仿生无人车行走方向障碍的高度或沟壑的宽度，摄像头组采集周围环境图像信息，通过采集的周围环境图像信息，如路标、路面标示等信息通过图像处理系统A确认前方路面的具体类型，倾角传感器用于检测车体两车轮轴心连线与水平面的夹角∠EOB。

输入模块A用于收集GPS定位传感器、激光雷达传感器、倾角传感器、轮胎压力传感器组A、发动机控制模块A、行走液压马达组A、遥控接收机的信号传递给控制器A；

输出模块A将控制器A的信号传递给对发动机转速进行控制的发动机控制模块A、给仿生无人车提供行走动力源的行走液压马达组A、摄像头控制系统A、照明灯A、喇叭A和警示灯A，同时通过CAN总线与第二行走车上的输入模块B连接实现信息交互。

第二行走车上安装有姿态调整油缸B、摄像头组B、摄像头控制系统B、倾角传感器、轮胎压力传感器组B、行走液压马达组B、发动机控制模块B、输入模块B、控制器B、输出模块B、照明灯B、喇叭B和警示灯B，输入模块B用于收集GPS定位传感器、激光雷达传感器、倾角传感器、轮胎压力传感器组B、发动机控制模块B、行走液压马达组B、遥控接收机的信号传递给控制器B；

输出模块B将控制器B的信号传递给对发动机转速进行控制的发动机控制模块组B、给仿生无人车提供行走动力源的行走液压马达组B、摄像头控制系统B、照明灯B、喇叭B和警示灯B，

控制器A和控制器B根据软件程序设定规则，对输入的控制器的数据进行运行、处理，并把运算、处理后的结果按软件程序设定规则进行输出，最终控制姿态调整油缸B。

所述遥控发射机与遥控接收机通过有线或者无线方式进行通讯连接。

遥控接收机安装于仿生无人车的最前端；摄像头组中的摄像头安装在第一行走车和第二行走车的前侧、左侧和右侧；激光雷达传感器位于第一行走车和第二行走车居中的位置；GPS定位传感器位于第一行走车左右居中靠后的位置；倾角传感器位于第一行走车和第二行走车左右居中靠后侧；轮胎压力传感器组位于第一行走车和第二行走车的车轮内；发动机状态监控传感器第一行走车和第二行走车的发动机上；

具体控制方法如下：设第一行走车前轮轴心为点O，第一行走车前轮半径为R，第一行走车前轮与地面接触为E点，所述第一行走车的前车架尾端与中间连接件的铰接点为B点，所述B点在地面的垂直映射为D点，所述液压缸与第一行走车铰接点为A点，所述液压缸与中间连接件铰接点为C点，第二行走车前轮轴心为O1，后轮轴心为O2；S为第一行走车前轮轴心距地面的距离，也就是直线OE的长度；L为液压缸的总长度，也就是直线AC的长度；L0为单节行走车两轴之间的距离，也就是直线O1O2的长度；L1为第一行走车前轮轴心到第一行走车与液压缸绞点之间的距离，也就是直线OA的长度；L2为第一行走车前轮轴心到第一行走车与中间连接件绞点的距离，也就是直线OC的长度；T为第一行走车前轮轴心到中间连接件绞点所在垂直线之间的水平距离；L3为第一行走车与液压缸绞点到第一行走车与中间连接件绞点之间的距离，也就是直线AB的长度；L4为第一行走车与中间连接件绞点到第二行走车连接轴之间的距离，也就是直线BC的长度；

当跨越地面上障碍时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越的垂直障碍物的高度H，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当H≤R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当R<H≤L2时，控制液压缸伸缩，具体伸缩量通过公式计算：

公式中的S不小于H时可以通过障碍，将H的值的带入公式的S中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L；

当H>L2时，障碍无法越过，控制系统控制仿生无人车左转弯行走或者右转弯行走绕过障碍物或停止前进；

当跨越沟壑时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越沟壑的宽度W，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当W≤2*R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当2*R<W≤L2时，控制液压缸伸缩，具体伸缩量通过公式计算：

公式中的T不小于W时可以通过障碍，将W的值的带入公式的T中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L；

当W>L2时，障碍无法越过，此时仿生无人车会结合激光雷达传感器和摄像头组所采集的外界环境信息，控制系统选取可绕过障碍物路段通过或控制系统控制仿生无人车停止前进；

在正常行驶时：通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测，通过胎压的高低确认轮胎与地面接触力的大小，通过控制系统对分别对各车轮驱动力调控，从而实现整车的匀速直线行驶、转向动作；

当轮胎打滑时：控制系统通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测确认打车轮，控制液压缸伸缩，驱动打滑的车轮抬起，使得车辆的重心处于未打滑车轮上，同时增大未打滑车轮的驱动力。

如图1-3所示，上述具体公式的推导如下：由于每节车体上都安装有倾角传感器，由第一行走车倾角传感器可测得∠EOB的值，OE和BD分别为以O、B点为固定点的铅垂线，由几何关系(补角)可得∠OBD＝180°-∠EOB的值，同时可得∠CBD＝90°，∠OBA的值可由车体上固定长度L1、L2、L3所构成的三角形计算得到

，由几何关系可得∠CBA＝360°-∠OBD-∠OBA-∠CBD。在△ABC中，由三角关系可得

，经转化可得：

其中L1、L2、L3、L4均为已知量。

如图1所示，当跨越地面上障碍时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越的垂直障碍物的高度H，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当H≤R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当R＜H≤L2时，将S＝R+L2*cos∠EOB，代入公式(1)得

根据公知技术可知公式中的S大于等于H时可以通过障碍，将H的值的带入公式的S中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L；

当H>L2时，障碍无法越过，控制系统控制仿生无人车停止前进；

如图2所示，当跨越沟壑时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越沟壑的宽度W，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当W≤2*R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当2*R<W≤L2时，将T＝L2*sin∠EOB代入公式(1)得到

根据公知技术可知公式中的T大于等于W时可以通过障碍，将W的值的带入公式的T中，从而得到液压缸能通过障碍的最短伸缩长度L；

当W>L2时，障碍无法越过，控制系统控制仿生无人车停止前进；

在正常行驶时：通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测，通过胎压的高低确认轮胎与地面接触力的大小，通过控制系统对分别对各车轮驱动力调控，从而实现整车的匀速直线行驶、转向动作；

当轮胎打滑时：控制系统通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测确认打车轮，控制液压缸伸缩，驱动打滑的车轮抬起，使得车辆的重心处于未打滑车轮上，同时增大未打滑车轮的驱动力。

以上所述，仅为本发明以两车组成的智能控制系统为例，详细阐述了智能控制系统的工作原理，但本发明的保护范围并不局限于由两车所构成的此类智能控制系统，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生无人车控制系统，包括可变接近角离去角的仿生无人车，可变接近角离去角的仿生无人车包括第一行走车和第二行走车，所述第一行走车的尾部设有液压缸与第二行走车活动连接，所述液压缸锁止在伸缩位时，所述第一行走车的前轮和第二行走车的后轮抬离地面或所述第一行走车的后轮和第二行走车的前轮抬离地面，其特征在于：所述第一行走车和第二行走车上分别独立设置一套控制系统，两套控制系统通过CAN总线连接，以标准CAN协议实现信息交互，同时作用控制所述液压缸动作。

2.根据权利要求1所述的仿生无人车控制系统，其特征在于：所述控制系统包括用于获取仿生无人车定位信息、确定仿生无人车位置的GPS定位传感器、用于扫描仿生无人车周围环境信息的激光雷达传感器、用于检测行走车姿态的倾角传感器、用于检测各轮胎的胎压的轮胎压力传感器组、用于监控发动机的运行状态的发动机状态监控传感器组、用于检测行走马达输入输出口的压强的压力传感器组、

用于收集GPS定位传感器、激光雷达传感器、倾角传感器、轮胎压力传感器组、发动机状态监控传感器组输入模块和与对发动机转速进行控制的发动机控制模块、给仿生无人车提供行走动力源的行走液压马达组连接的输出模块；

两套控制系统把通过输入模块采集到的信息数据进行运算，对各执行机构动作调整量进行决策，最终把决策结果通过输出模块输出到执行机构。

3.根据权利要求2所述的仿生无人车控制系统，其特征在于：还包括用于获取仿生无人车周围图像信息的摄像头组、用于对摄像头组采集的图像信息和激光雷达传感器采集的信息进行处理的图像处理系统，所述图像处理系统与输入模块连接。

4.根据权利要求3所述的仿生无人车控制系统，其特征在于：还包括遥控发射机与遥控接收机，所述遥控接收机通过总线与输入模块相连，所述遥控发射机与遥控接收机通过有线或者无线方式进行通讯连接。

5.根据权利要求1至4之一所述的仿生无人车控制系统，其特征在于：所述执行机构包括对发动机转速及油门大小进行控制的发动机控制模块、控制仿生无人车前进、后退、转弯的行走液压马达组、控制液压缸伸缩的车体姿态调整执行机构和控制摄像头视角的上下左右移动的摄像头控制系统。

6.一种仿生无人车控制方法，利用权利要求5所述的控制系统，所述第一行走车的前车架尾端铰接在中间连接件的一端，所述中间连接件的另一端通过连接轴活动安装在第二行走车后车架的前端，所述后车架可绕连接轴轴向旋转，所述第一行走车的尾部还设有液压缸与第二行走车活动连接，所述液压缸的一端铰接在第一行走车顶端，另一端铰接在中间连接件上，所述液压缸锁止在收缩位时，所述第一行走车的前轮和第二行走车的后轮抬离地面，所述液压缸在浮动状态时，所述第一行走车和第二行走车自由动作，其特征在于：

设第一行走车前轮轴心为点O，第一行走车前轮半径为R，第一行走车前轮与地面接触为E点，所述第一行走车的前车架尾端与中间连接件的铰接点为B点，S为第一行走车前轮轴心距地面的距离；L为液压缸的总长度；L2为第一行走车前轮轴心到第一行走车与中间连接件绞点的距离；T为第一行走车前轮轴心到中间连接件绞点所在垂直线之间的水平距离；

当跨越地面上障碍时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越的垂直障碍物的高度H，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当H≤R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当R<H≤L2时，控制系统控制姿态调整液压缸伸长或者缩短至S≥H，跨越障碍物；

当H>L2时，障碍无法越过，控制系统控制仿生无人车左转弯行走或者右转弯行走绕过障碍物或停止前进；

当跨越沟壑时：通过设置在第一行走车上的传感器实时检测待跨越沟壑的宽度W，通过倾角传感器检测∠EOB的角度；

当W≤2*R时，控制系统控制液压缸处于浮动模式；

当2*R<W≤L2时，控制系统控制姿态调整液压缸伸长或缩短至T≥W，以增大整车的接近、离去角，提高整车跨越障碍物的性能；

当W>L2时，障碍无法越过，此时仿生无人车会结合激光雷达传感器和摄像头组所采集的外界环境信息，控制系统选取可绕过障碍物路段通过或控制系统控制仿生无人车停止前进；

在正常行驶时：通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测，通过胎压的高低确认轮胎与地面接触力的大小，通过控制系统对分别对各车轮驱动力调控，从而实现整车的匀速直线行驶、转向动作；

当轮胎打滑时：控制系统通过轮胎压力传感器组对各轮胎的胎压进行监测确认打车轮，控制液压缸伸缩，驱动打滑的车轮抬起，使得车辆的重心处于未打滑车轮上，同时增大未打滑车轮的驱动力。

7.根据权利要求6所述的仿生无人车控制方法，其特征在于：仿生无人车行走的路面情况和行走方向障碍的具体判断方法如下：

通过发动机状态监控传感器组监控发动机的运行参数计算仿生无人车理论行驶里程数的大小，通过GPS定位传感器监控仿生无人车实际行驶里程数，控制系统实时监控两者参数的差值，并且将参数的差值结合GPS定位传感器实时获取的路段状况进行对比判断，从而确认仿生无人车行驶的路面情况；

通过激光雷达传感器扫描的仿生无人车周围环境信息，形成虚拟环境，从而实时判断仿生无人车行走方向障碍的高度或沟壑的宽度。