CN109582023A - 一种新型载人工具以及适用其的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型载人工具以及适用其的控制方法，属于载人工具技术领域。现有的载人工具，其与地面接触的驱动装置和载人结构机械连接，驱动装置的颠簸以及晃动会直接传递到载人结构上，影响使用者的乘坐舒适性。本发明的驱动装置即两个移动器，其移动原理为：其中一个移动件的缠绕线圈产生磁场，同时另一个移动件的升降线圈通电，产生向上驱动力，驱动产生磁场的移动件上升，使得该移动件与地面脱离接触。载人结构即车厢通过悬浮线圈悬浮在移动器上方，与地面接触的移动器和车厢非物理接触，移动器的颠簸以及晃动不会传递到载人结构上，能够有效提高使用者的乘坐舒适性。

Description

一种新型载人工具以及适用其的控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型载人工具以及适用其的控制方法，属于载人工具技术领域。
背景技术
现有的移动装置主要包括燃油车，燃油车，其工作原理是：燃油在密闭的容器中被点燃 后能量爆发并通过活塞做功出力，再通过传动机构来推动轮子的转动，让被推动的轮子在被驱 动后前行或者倒退。上述方案，与地面接触的驱动装置和载人结构机械连接，驱动装置的颠 簸以及晃动会直接传递到载人结构上，影响使用者的乘坐舒适性。
进一步，现有的自动驾驶技术包括视频摄像头、雷达传感器以及激光测距器来了解周围 的交通状况，并通过数据中心来实现，自动驾驶载人工具相当于数据中心的遥控载人工具或 者智能载人工具。智能驾驶技术在智能交通领域方面是极为重要的组成部分，随着计算能力 的迅速提升以及智能交通自动化需求的日益提升，越来越多的国家研究机构与公司企业更多 地关注智能驾驶这一领域。
目前公开的相关文献、报告主要是使用多个模式的判定以及匹配进行载人工具的纵向控 制，实现较为简单，容易在多个模式之间频繁切换，传统的载人工具纵向控制采用定速巡航 CC、自适应巡航ACC和自动紧急制动AEB功能的融合算法，这种算法对于简单路况可行， 但对于稍复杂的交通环境来说，难以采用统一程序框架进行描述，传统的载人工具因状态及 目标的频繁切换会造成载人工具速度跳变问题，舒适性较差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种与地面接触的驱动装置和载人结构非 物理接触，驱动装置的颠簸以及晃动不会传递到载人结构上，使用者的乘坐舒适的新型载人 工具。
进一步，本发明的另一目的在于提供一种能够应对复杂交通环境，对行驶路线进行统一 描述的，减少无人驾驶载人工具速度跳变的舒适性好的适用新型载人工具的控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种新型载人工具，包括车厢，所述车厢下端设有车体线圈，其下方设有能够产生磁场 的移动器；所述移动器上端部设有能够产生竖向磁场的产磁线圈；所述车体线圈包括悬浮线 圈、移动线圈、调整线圈，所述悬浮线圈在车厢下端部绕圈布置，所述移动线圈布置方向与 移动器的延伸方向相垂直；所述调整线圈与移动线圈布置方向相垂直；
悬浮线圈在移动器产磁线圈产生的磁场中通电，使得车厢悬浮在移动器上方，移动线圈 在磁场中通电，使得车厢纵向移动；调整线圈在磁场中通电，使得车厢横向移动；
所述移动器包括第一移动件、第二移动件，所述第一移动件和第二移动件分别设有电磁 驱动装置；所述电磁驱动装置包括用于产生横向磁场的缠绕线圈、用于产生纵向驱动力的驱 动线圈，所述驱动线圈竖向布置；其中一个移动件的缠绕线圈产生磁场，另一个移动件的驱 动线圈在磁场通电，产生纵向驱动力驱动该移动件纵向移动。
本发明的驱动装置即两个移动器，其移动原理为：其中一个移动件的缠绕线圈产生磁场， 同时另一个移动件的升降线圈通电，产生向上驱动力，驱动产生磁场的移动件上升，使得该 移动件与地面脱离接触；同时产生向上驱动力的移动件的驱动线圈在磁场通电，产生纵向驱 动力驱动产生磁场的移动件纵向移动，由于运动的移动件与地面不接触，能够有效减少该移 动件的摩擦力，同时能够提升该移动件的移动速率。载人结构即车厢通过悬浮线圈悬浮在移 动器上方，与地面接触的移动器和车厢非物理接触，移动器的颠簸以及晃动不会传递到载人 结构上，能够有效提高使用者的乘坐舒适性。
作为优选技术措施，所述车厢四个角设有可伸缩或可折叠的支撑腿，所述支撑腿底部设 有滚轮以及驱动滚轮转动的旋转电机。当移动器出现故障时，车厢可以采用机械传动进行运 行，增加车厢的安全系数。
作为优选技术措施，电磁驱动装置设有用于产生竖向驱动力的升降线圈，所述升降线圈 与驱动线圈的布置方向相垂直；所述驱动线圈、升降线圈分别位于第一移动件和第二移动件 的侧面；第一移动件、第二移动件底端分别设置至少一个可伸缩的定位件；所述定位件为圆 锥体，其伸出与地面相抵触，使得移动件定位在地面上。
当第一移动件需要驱动第二移动件相对平移时，第一移动件下端的圆锥体伸出并与地面 相抵触，使得第一移动件固定在地面，进而第二移动件的缠绕线圈产生磁场，第一移动件的 驱动线圈在磁场通电，产生纵向驱动力驱动第二移动件纵向移动。
进一步，第一移动件、第二移动件底端分别设置至少一个滑动轮，当地面较为平坦时， 升降线圈可以不启动或者部分启动，驱动线圈直接驱动第一移动件和第二移动件相对移动。
作为优选技术措施，所述车厢以及移动器分别设有控制模块、电池以及数据测量模块； 所述数据测量模板包括速度测量仪、加速度测量仪、陀螺仪、激光雷达、摄像机；所述控制 模块包括数据传输模块、数据处理模块、显示模块。所述数据传输模块包括无线传输模块。
作为优选技术措施，所述第一移动件与第二移动件分别设置能够产生竖向磁场的产磁线 圈、使得车厢纵向移动的纵向线圈、使得车厢横向移动的横向线圈；所述第一移动件与第二 移动件之间设有能够相对滑动的关联件，所述关联件一端穿过第一移动件，另一端穿过第二 移动件，所述第一移动件和第二移动件设置供关联件滑动的长槽，使得第一移动件与第二移 动件能够保持相对移动，避免一方移动时，脱离正常移动范围。
适用新型载人工具的控制方法，包括以下步骤：
第一步，通过有人驾驶载人工具采集路径地图；
第二步，通过摄像头获取无人驾驶载人工具周边图像，并与路径地图的对应位置对比判
断出是否存在障碍物，所述障碍物包括车或人或马路桩；
第三步，通过激光雷达测出无人驾驶载人工具与障碍物之间的距离
第四步，根据路径地图以及障碍物距离信息，生成行驶路线；
第五步，根据样条插补法对行驶路线进行路线规划；
第六步，采用S型加减速方法对第一移动件和第二移动件进行速度控制；
第七步，无人驾驶载人工具根据规划的路线并按照预定速度进行行驶。
本发明采用样条插补算法，能够对复杂的路线进行准确描述，通过获得路线上离散的点 比如拐弯坐标以及障碍物坐标，直接计算出若干个中间点的坐标值，进而根据插补出的坐标 值，控制无人驾驶载人工具的运动。并采用S型加减速方法控制无人驾驶载人工具的行驶速 度，S型加减速控制，有速度曲线光滑、均匀、运动平稳、无跳变等优势，舒适好。S型加 减速控制能较好的实现移动器的平滑启停和速度切换，可做到无加速的突变，能够较好的减 少移动器的运动冲击和震荡，从而有效的提高自动驾驶载人工具的舒适性。
现有的样条插补以及S型加减速控制主用用于数控机床加工方面，能够有效提高数控加 工的加工精度以及加工效率，本发明打破现有技术偏见，把样条插补以及S型加减速控制应 用到自动驾驶控制技术上，构思巧妙，方案详尽，切实可行，能够极大提高自动驾驶载人工 具的适用性以及舒适性。
作为优选技术措施，
对于复杂的路线进行行驶，首先需要对路线进行准确描述，比较容易获得路线上离散的 点，如果根据离散点直接利用常规的参数曲线进行拟合，参数曲线的次数会比较高，也很难 准确描述行驶路线；因此利用样条曲线对行驶路线进行描述；
所述行驶路线根据障碍物的移动随时进行调整，根据障碍物的位置以及路径特点并加上 始末位置点构成样条插补的控制点；根据控制点以及必要的安全距离生成通过点；根据障碍 物的移动速度、路径特点以及法定限速生成速度边界控制曲线；
样条插补法中的NURBS曲线由控制点、节点向量、权重因子、基函数四个因素构成；根据控制点能够通过相关公式得到节点向量，进而由节点向量能够得到基函数，权重因子一 般给定或根据偏移量计算得到；根据已知的控制点在哈德利-贾德方法基础上进行变形计算 出合适的节点向量；再根据需要的偏移量计算权重因子，得到权重因子和节点向量就能够得 到基函数，进而利用控制点、基函数和权重因子构造NURBS曲线。
作为优选技术措施，
计算节点向量：
已知m+p+1个控制点p为所构造的基函数次数；根据控制点之间的距离远近， 计算出合适的节点向量值u；
先计算控制点之间距离dj，公式为：
其中xj表示控制点Pj的横轴坐标，yj表示控制点Pj的纵轴坐标；
哈德利-贾德方法递推公式进行变形，变形后公式为：
其中ui表示第i个节点，进而可得节点向量U递推公式为：
求出的节点向量形式为：U＝[0，0，0，up，up+1，...um+p1，m+1，m+1，m+1]；
NURBS表达式：
利用节点向量求得基函数，NURBS基函数有很多种构造形式，一般常用的构造形式是由 如下递推公式给出的，用下列递推方式确定的基函数Ni，p(u)称为相应于节点向量U的P次 NURBS基函数：
其中i是基函数的序列号，给定节点向量U，根据上面的递推公式就能够推导出所需要 的基函数；进而可得第i段NURBS曲线Pi(u)，表达式为：
NURBS曲线是一种特殊的参数曲线，它能对复杂曲线简洁、高效表述。NURBS曲线即非均匀有理B样条，它通过引入权重因子以及分母，能够精确的表示二次曲线，即能够准确描述各种复杂的路径。
作为优选技术措施，
权重因子对NURBS曲线的影响：
权重因子能够调节NURBS曲线与控制点的距离，权重因子取值越大，NURBS曲线越靠近相应的控制点，根据权重因子与偏移量的关系式，能够利用偏移量计算对应的权重因子， 代入NURBS曲线表达式，进而实现对NURBS曲线的调整，权重因子根据经验取值或根据移动器长度以及宽度确定，权重因子初始值都取1；
分别计算当u＝uk，wk＝1时，插补点p1，当u＝uk，wk＝0时，插补点p0；
进而可得距离量Sk，Kk，计算公式如下：
其中PK是第k个控制点，k＝0，1，2，...，m+p
可求得权重因子wk与偏移量dk之间的关系式，计算公式为：
作为优选技术措施，
无人驾驶载人工具从起始位置运动到目标位置，涉及到移动器位姿变化矢量的描述，把 移动器轴简化为一个直杆，描述一个直杆在空间的变化姿态；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点，以及移动器轴相应变化角度，来描述它从起 始点到目标点之间的位姿变化；根据无人驾驶载人工具需要通过的离散点以及移动器轴空间 变化角度，移动器的最长长度一般是固定不变；根据有效长度和对应的空间变化角度，利用 移动器前端通过点，能够求得移动器后端的通过点，进而通过NURBS理论反算出相应二组 控制点，根据控制点利用NURBS理论进行插补计算，生成一系列点，代入样条插补公式中 进行反解计算，得到前后端处的位置信息；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点为Ti＝(xti，yti，zti)，以及移动器轴的一组变化 角度(αi，βi)，移动器的长度固定，设定为l，那对应的移动器轴矢量的离散通过点坐标 Hi＝(xhi，yhi，zhi)的计算公式为：
xhi＝xti+lcosαicosβi
yhi＝yti+lcosαisinβi
zhi＝zti+lsinαi
通过上述步骤就能够求出移动器通过点以及移动器轴矢量另一组通过点，这样移动器轴 的变化就能清楚的描述出来，知道通过点根据NURSB曲线生成理论就能够得到对应的控制 点；
为了准确描述无人驾驶载人工具的变化，还需要知道无人驾驶载人工具的轨迹变化的切 向量，由于NURBS曲线能够看作是关于u的参数方程，能够通过参数方程的求导理论计算 得到移动器插补轨迹的切向量，即基函数对u进行求导，然后再代入相关NURBS公式；
计算公式如下：
本发明根据无人驾驶载人工具位姿的控制特点，提出通过二组相关的NURBS曲线进行 描述位姿的变化，并且给出了曲线偏移量与权重因子的变化关系，以便能灵活的改变NURBS 曲线，同时求出样条曲线的切向量便于反解计算，通过权重因子控制移动器与障碍物之间的 距离，最大程度保证载人工具行驶时安全以及完美避障。
作为优选技术措施，
S型加减速方法为非对称型S型加减速控制方法：
常规的点到点轨迹规划，采用对称的S型加减速控制方法，运行过程被分为七段，分别 是加加速度段、匀加速度段、减加速度段、匀速度段、加减速度段、匀减速度段、减减速度 段；其中加加速度段、减加速段、加减速段与减减速段这四个时间段时间值相同，匀加速度 段和匀减速度段时间值相同；考虑加加速度对机构运动的影响，本发明采用非对称的S型加 减速控制方法，开始阶段即加速度段采用较大加加速度，结束阶段即减速度段采用较小的加 加速度，消除因为加加速度过大导致移动器停止时出现的较大振动，无法兼顾精度与效率的 问题；
对于一段完整对称型S型加减速控制方法，根据时间最优算法，对它的轨迹规划实际上 就是求解三个时间量：加加速度时间tj，匀加速度时间ta，匀速度时间tv，采用非对称型S 型加减速控制方法，轨迹规划会比对称型S型加减速控制方法复杂的多，加加速度段与减加 速段的时间相同，加减速段与减减速段的时间相同，但是二个变加速度时间段和二个变减速 度段时间不再相同，同时匀加速度段和匀减速度段时间也不同，时间未知量变为5个；
加加速度变化率与各阶段时间的变化关系
虽然加加速度段和减减速度段时间值不相等，但根据后面的公式推导能够得知，二个阶 段的时间值变化与加加速度前后变化比率相关；
不考虑到轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值；
采用工程上常用的面积割补法，进行分析计算；
能够解得tj1、tj2的关系，
K为加加速度变化率，即加加速度阶段加加速度值与减减速度阶段加加速度值相比；
当tv1＝0时，据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积 割补法能够得到ta1、ta2变化关系；计算公式如下：
这样五个时间未知量又转为求三个时间量；
非对称S型加减速控制各阶段时间求解算法
根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有加加速度段、减加速度段、加 减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段，加速度变化；因此先令ta1＝0，ta2＝0， tv1＝0，求tj1，tj2值；根据非对称S型加减速控制方法可得到关于速度和位移的二元三次方 程组，进而可得tj1，计算公式如下：
考虑速度，加速度限制要求由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现 在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
经过上面对时间点的修正求出的tj1、tj2能满足速度和加速度的限制要求，但一般无法 满足行驶位移的要求，一般会存在匀加速段、匀减速段和匀速段，根据时间最优原则令tv1＝0， 类似tj1、tj2求解过程，可求得ta1、ta2值，进而求出tv1值；求出非对称S型加减速控制涉及 的五个未知时间量，能够得到整个运动轨迹的速度曲线，进而利用泰勒展开式构造速度与参 数u值的关系式，根据变化的u值以及上述关于双NURBS曲线理论完成插补运算，实现对 无人驾驶载人工具位姿的准确描述以及速度控制，进而实现样条插补公式高效、精确的运作。
本发明对于行驶速度的控制给出一种简洁、易理解的非对称的S型加减速控制方法，加 加速度的绝对值前后不同，开始加速阶段的加加速度值较大，停止减速阶段的加加速度值较 小，能有效避免移动器因为停止时振动过大，而影响行驶安全、舒适的问题，兼顾速度和安 全、舒适问题。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的驱动装置即两个移动器，其移动原理为：其中一个移动件的缠绕线圈产生磁场， 同时另一个移动件的升降线圈通电，产生向上驱动力，驱动产生磁场的移动件上升，使得该 移动件与地面脱离接触；同时产生向上驱动力的移动件的驱动线圈在磁场通电，产生纵向驱 动力驱动产生磁场的移动件纵向移动，由于运动的移动件与地面不接触，能够有效减少该移 动件的摩擦力，同时能够提升该移动件的移动速率。载人结构即车厢通过悬浮线圈悬浮在移 动器上方，与地面接触的移动器和车厢非物理接触，移动器的颠簸以及晃动不会传递到载人 结构上，能够有效提高使用者的乘坐舒适性。
本发明采用样条插补算法，能够对复杂的路线进行准确描述，通过获得路线上离散的点 比如拐弯坐标以及障碍物坐标，直接计算出若干个中间点的坐标值，进而根据插补出的坐标 值，控制无人驾驶载人工具的运动。并采用S型加减速方法控制无人驾驶载人工具的行驶速 度，S型加减速控制，有速度曲线光滑、均匀、运动平稳、无跳变等优势，舒适好。S型加 减速控制能较好的实现移动器的平滑启停和速度切换，可做到无加速的突变，能够较好的减 少移动器的运动冲击和震荡，从而有效的提高自动驾驶载人工具的舒适性。
现有的样条插补以及S型加减速控制主用用于数控机床加工方面，能够有效提高数控加 工的加工精度以及加工效率，本发明打破现有技术偏见，把样条插补以及S型加减速控制应 用到自动驾驶控制技术上，构思巧妙，方案详尽，切实可行，能够极大提高自动驾驶载人工 具的适用性以及舒适性。
附图说明
图1为车厢下端部结构示图；
图2为移动器部分结构示图；
图3为载人工具结构示图。
附图标记说明：
1、车厢；11、悬浮线圈；12、移动线圈；13、调整线圈；2、移动器；201、第一移动 件；202、第二移动件；21、纵向线圈；22、产磁线圈；23、横向线圈；24、缠绕线圈；25、 升降线圈；26、驱动线圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用 于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等 效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述 中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也能 够完全理解本发明。
如图1-3所示，一种新型载人工具，包括车厢1，所述车厢1下端设有车体线圈，其下方设有能够产生磁场的移动器2；所述移动器2上端部设有能够产生竖向磁场的产磁线圈22； 所述车体线圈包括悬浮线圈11、移动线圈12、调整线圈13，所述悬浮线圈11在车厢1下端 部绕圈布置，所述移动线圈12布置方向与移动器2的延伸方向相垂直；所述调整线圈13与 移动线圈12布置方向相垂直；
悬浮线圈11在移动器2产磁线圈22产生的磁场中通电，使得车厢1悬浮在移动器2上 方，移动线圈12在磁场中通电，使得车厢1纵向移动；调整线圈13在磁场中通电，使得车厢1横向移动；
所述移动器2包括第一移动件201、第二移动件202，所述第一移动件201和第二移动 件202分别设有电磁驱动装置；所述电磁驱动装置包括用于产生横向磁场的缠绕线圈24、用 于产生纵向驱动力的驱动线圈26，所述驱动线圈26竖向布置；其中一个移动件的缠绕线圈 24产生磁场，另一个移动件的驱动线圈26在磁场通电，产生纵向驱动力驱动该移动件纵向 移动。
本发明的驱动装置即两个移动器2，其移动原理为：其中一个移动件的缠绕线圈24产生 磁场，同时另一个移动件的升降线圈25通电，产生向上驱动力，驱动产生磁场的移动件上 升，使得该移动件与地面脱离接触；同时产生向上驱动力的移动件的驱动线圈26在磁场通 电，产生纵向驱动力驱动产生磁场的移动件纵向移动，由于运动的移动件与地面不接触，能 够有效减少该移动件的摩擦力，同时能够提升该移动件的移动速率。载人结构即车厢1通过 悬浮线圈11悬浮在移动器2上方，与地面接触的移动器2和车厢1非物理接触，移动器2 的颠簸以及晃动不会传递到载人结构上，能够有效提高使用者的乘坐舒适性。
所述车厢1四个角设有可伸缩或可折叠的支撑腿，所述支撑腿底部设有滚轮以及驱动滚 轮转动的旋转电机。当移动器2出现故障时，车厢1可以采用机械传动进行运行，增加车厢 1的安全系数。
电磁驱动装置设有用于产生竖向驱动力的升降线圈25，所述升降线圈25与驱动线圈26 的布置方向相垂直；所述驱动线圈26、升降线圈25分别位于第一移动件201和第二移动件 202的侧面；第一移动件201、第二移动件202底端分别设置至少一个可伸缩的定位件；所 述定位件为圆锥体，其伸出与地面相抵触，使得移动件定位在地面上。
当第一移动件201需要驱动第二移动件202相对平移时，第一移动件201下端的圆锥体 伸出并与地面相抵触，使得第一移动件201固定在地面，进而第二移动件202的缠绕线圈24 产生磁场，第一移动件201的驱动线圈26在磁场通电，产生纵向驱动力驱动第二移动件202 纵向移动。
进一步，第一移动件201、第二移动件202底端分别设置至少一个滑动轮，当地面较为 平坦时，升降线圈25可以不启动或者部分启动，驱动线圈26直接驱动第一移动件201和第 二移动件202相对移动。
所述车厢1以及移动器2分别设有控制模块、电池以及数据测量模块；所述数据测量模 板包括速度测量仪、加速度测量仪、陀螺仪、激光雷达、摄像机；所述控制模块包括数据传 输模块、数据处理模块、显示模块。所述数据传输模块包括无线传输模块。
所述第一移动件201与第二移动件202分别设置能够产生竖向磁场的产磁线圈22、使得 车厢1纵向移动的纵向线圈21、使得车厢1横向移动的横向线圈23；所述第一移动件201 与第二移动件202之间设有能够相对滑动的关联件，所述关联件一端穿过第一移动件201， 另一端穿过第二移动件202，所述第一移动件201和第二移动件202设置供关联件滑动的长 槽，使得第一移动件201与第二移动件202能够保持相对移动，避免一方移动时，脱离正常 移动范围。
本发明的工作原理：
首先，第一移动件201下端的圆锥体伸出并与地面相抵触，使得第一移动件201固定在 地面，第一移动件201的产磁线圈22通电产生磁场。
然后，车厢1通过悬浮线圈11悬浮在第一移动件201上方，移动线圈12在磁场中通电 产生纵向移动力，使得车厢1从第一移动件201的一端向另一端移动。
同时，第二移动件202的缠绕线圈24产生磁场，第一移动件201的驱动线圈26在磁场 通电，产生较大纵向驱动力驱动第二移动件202纵向移动，所述第二移动件202的移动速度 比车厢1要快。
当车厢1移动到第一移动件201的端部时，第二移动件202已经移动到第一移动件201 的端部，调整线圈13在磁场通电产生横向移动力，使得车厢1横向移动到第二移动件202 上，车厢1继续在第二移动件202上移动，第一移动件201在第二移动件202上移动，反复进行此过程，完成整个位移。
适用新型载人工具的控制方法，包括以下步骤：
第一步，通过有人驾驶载人工具采集路径地图；
第二步，通过摄像头获取无人驾驶载人工具周边图像，并与路径地图的对应位置对比判
断出是否存在障碍物，所述障碍物包括车或人或马路桩；
第三步，通过激光雷达测出无人驾驶载人工具与障碍物之间的距离
第四步，根据路径地图以及障碍物距离信息，生成行驶路线；
第五步，根据样条插补法对行驶路线进行路线规划；
第六步，采用S型加减速方法对第一移动件和第二移动件进行速度控制；
第七步，无人驾驶载人工具根据规划的路线并按照预定速度进行行驶。
本发明采用样条插补算法，能够对复杂的路线进行准确描述，通过获得路线上离散的点 比如拐弯坐标以及障碍物坐标，直接计算出若干个中间点的坐标值，进而根据插补出的坐标 值，控制无人驾驶载人工具的运动。并采用S型加减速方法控制无人驾驶载人工具的行驶速 度，S型加减速控制，有速度曲线光滑、均匀、运动平稳、无跳变等优势，舒适好。S型加 减速控制能较好的实现移动器的平滑启停和速度切换，可做到无加速的突变，能够较好的减 少移动器的运动冲击和震荡，从而有效的提高自动驾驶载人工具的舒适性。
现有的样条插补以及S型加减速控制主用用于数控机床加工方面，能够有效提高数控加 工的加工精度以及加工效率，本发明打破现有技术偏见，把样条插补以及S型加减速控制应 用到自动驾驶控制技术上，构思巧妙，方案详尽，切实可行，能够极大提高自动驾驶载人工 具的适用性以及舒适性。
对于复杂的路线进行行驶，首先需要对路线进行准确描述，比较容易获得路线上离散的 点，如果根据离散点直接利用常规的参数曲线进行拟合，参数曲线的次数会比较高，也很难 准确描述行驶路线；因此利用样条曲线对行驶路线进行描述；
所述行驶路线根据障碍物的移动随时进行调整，根据障碍物的位置以及路径特点并加上 始末位置点构成样条插补的控制点；根据控制点以及必要的安全距离生成通过点；根据障碍 物的移动速度、路径特点以及法定限速生成速度边界控制曲线；
样条插补法中的NURBS曲线由控制点、节点向量、权重因子、基函数四个因素构成；根据控制点能够通过相关公式得到节点向量，进而由节点向量能够得到基函数，权重因子一 般给定或根据偏移量计算得到；根据已知的控制点在哈德利-贾德方法基础上进行变形计算 出合适的节点向量；再根据需要的偏移量计算权重因子，得到权重因子和节点向量就能够得 到基函数，进而利用控制点、基函数和权重因子构造NURBS曲线。
计算节点向量：
已知m+p+1个控制点p为所构造的基函数次数；根据控制点之间的距离远近， 计算出合适的节点向量值u；
先计算控制点之间距离dj，公式为：
其中xi表示控制点Pj的横轴坐标，yi表示控制点Pj的纵轴坐标；
哈德利一贾德方法递推公式进行变形，变形后公式为：
其中ui表示第i个节点，进而可得节点向量U递推公式为：
求出的节点向量形式为：U＝[0，0，0，up，up+1，...um+p1，m+1，m+1，m+1]；
NURBS表达式：
利用节点向量求得基函数，NURBS基函数有很多种构造形式，一般常用的构造形式是由 如下递推公式给出的，用下列递推方式确定的基函数Ni，p(u)称为相应于节点向量U的P次 NURBS基函数：
其中i是基函数的序列号，给定节点向量U，根据上面的递推公式就能够推导出所需要 的基函数；进而可得第i段NURBS曲线Pi(u)，表达式为：
NURBS曲线是一种特殊的参数曲线，它能对复杂曲线简洁、高效表述。NURBS曲线即非均匀有理B样条，它通过引入权重因子以及分母，能够精确的表示二次曲线，即能够准确描述各种复杂的路径。
作为优选技术措施，
权重因子对NURBS曲线的影响：
权重因子能够调节NURBS曲线与控制点的距离，权重因子取值越大，NURBS曲线越靠近相应的控制点，根据权重因子与偏移量的关系式，能够利用偏移量计算对应的权重因子， 代入NURBS曲线表达式，进而实现对NURBS曲线的调整，权重因子根据经验取值或根据移动器长度以及宽度确定，权重因子初始值都取1；
分别计算当u＝uk，wk＝1时，插补点p1，当u＝uk，wk＝0时，插补点p0；
进而可得距离量Sk，Kk，计算公式如下：
其中PK是第k个控制点，k＝0，1，2，...，m+p
可求得权重因子wk与偏移量dk之间的关系式，计算公式为：
无人驾驶载人工具从起始位置运动到目标位置，涉及到移动器位姿变化矢量的描述，把 移动器轴简化为一个直杆，描述一个直杆在空间的变化姿态；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点，以及移动器轴相应变化角度，来描述它从起 始点到目标点之间的位姿变化；根据无人驾驶载人工具需要通过的离散点以及移动器轴空间 变化角度，移动器的最长长度一般是固定不变；根据有效长度和对应的空间变化角度，利用 移动器前端通过点，能够求得移动器后端的通过点，进而通过NURBS理论反算出相应二组 控制点，根据控制点利用NURBS理论进行插补计算，生成一系列点，代入样条插补公式中 进行反解计算，得到前后端处的位置信息；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点为Ti＝(xti，yti，zti)，以及移动器轴的一组变化 角度(αi，βi)，移动器的长度固定，设定为l，那对应的移动器轴矢量的离散通过点坐标 Hi＝(xhi，yhi，zhi)的计算公式为：
xhi＝xti+lcosαicosβi
yhi＝yti+lcosαisinβi
zhi＝zti+lsinαi
通过上述步骤就能够求出移动器通过点以及移动器轴矢量另一组通过点，这样移动器轴 的变化就能清楚的描述出来，知道通过点根据NURSB曲线生成理论就能够得到对应的控制 点；
为了准确描述无人驾驶载人工具的变化，还需要知道无人驾驶载人工具的轨迹变化的切 向量，由于NURBS曲线能够看作是关于u的参数方程，能够通过参数方程的求导理论计算 得到移动器插补轨迹的切向量，即基函数对u进行求导，然后再代入相关NURBS公式；
计算公式如下：
本发明根据无人驾驶载人工具位姿的控制特点，提出通过二组相关的NURBS曲线进行 描述位姿的变化，并且给出了曲线偏移量与权重因子的变化关系，以便能灵活的改变NURBS 曲线，同时求出样条曲线的切向量便于反解计算，通过权重因子控制载人工具与障碍物之间 的距离，最大程度保证载人工具行驶时安全以及完美避障。
S型加减速方法为非对称型S型加减速控制方法：
常规的点到点轨迹规划，采用对称的S型加减速控制方法，运行过程被分为七段，分别 是加加速度段、匀加速度段、减加速度段、匀速度段、加减速度段、匀减速度段、减减速度 段；其中加加速度段、减加速段、加减速段与减减速段这四个时间段时间值相同，匀加速度 段和匀减速度段时间值相同；考虑加加速度对机构运动的影响，本发明采用非对称的S型加 减速控制方法，开始阶段即加速度段采用较大加加速度，结束阶段即减速度段采用较小的加 加速度，消除因为加加速度过大导致移动器停止时出现的较大振动，无法兼顾精度与效率的 问题；
对于一段完整对称型S型加减速控制方法，根据时间最优算法，对它的轨迹规划实际上 就是求解三个时间量：加加速度时间tj，匀加速度时间ta，匀速度时间tv，采用非对称型S 型加减速控制方法，轨迹规划会比对称型S型加减速控制方法复杂的多，加加速度段与减加 速段的时间相同，加减速段与减减速段的时间相同，但是二个变加速度时间段和二个变减速 度段时间不再相同，同时匀加速度段和匀减速度段时间也不同，时间未知量变为5个；
加加速度变化率与各阶段时间的变化关系
虽然加加速度段和减减速度段时间值不相等，但根据后面的公式推导能够得知，二个阶 段的时间值变化与加加速度前后变化比率相关；
不考虑到轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值；
采用工程上常用的面积割补法，进行分析计算；
能够解得tj1、tj2的关系，
K为加加速度变化率，即加加速度阶段加加速度值与减减速度阶段加加速度值相比；
当tv1＝0时，据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积 割补法能够得到ta1、ta2变化关系；计算公式如下：
这样五个时间未知量又转为求三个时间量；
非对称S型加减速控制各阶段时间求解算法
根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有加加速度段、减加速度段、加 减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段，加速度变化；因此先令ta1＝0，ta2＝0， tv1＝0，求tj1，tj2值；根据非对称S型加减速控制方法可得到关于速度和位移的二元三次方 程组，进而可得tj1，计算公式如下：
考虑速度，加速度限制要求由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现 在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
经过上面对时间点的修正求出的tj1、tj2能满足速度和加速度的限制要求，但一般无法 满足行驶位移的要求，一般会存在匀加速段、匀减速段和匀速段，根据时间最优原则令tv1＝0， 类似ti1、tj2求解过程，可求得ta1、ta2值，进而求出tv1值；求出非对称S型加减速控制涉 及的五个未知时间量，能够得到整个运动轨迹的速度曲线，进而利用泰勒展开式构造速度与 参数u值的关系式，根据变化的u值以及上述关于双NURBS曲线理论完成插补运算，实现 对无人驾驶载人工具位姿的准确描述以及速度控制，进而实现样条插补公式高效、精确的运 作。
本发明对于行驶速度的控制给出一种简洁、易理解的非对称的S型加减速控制方法，加 加速度的绝对值前后不同，开始加速阶段的加加速度值较大，停止减速阶段的加加速度值较 小，能有效避免移动器因为停止时振动过大，而影响行驶安全、舒适的问题，兼顾速度和安 全、舒适问题。
由于需要行驶的轨迹是不规则的路径，无人驾驶载人工具的速度以及方向变化不可能是 任意的；在一个采样周期内，无人驾驶载人工具的速度大小和方向一般固定，如果轨迹有突 变，无人驾驶载人工具的速度过大的情况下，就无法行驶出预期的路径；这就需要在一些位 置，如位置拐点处，限制无人驾驶载人工具的速度，保证行驶安全。
本发明提出了一种基于非对称S型加减速控制的双NURBS曲线无人驾驶载人工具位姿 轨迹控制研究，利用双NURBS曲线描述移动器轴矢量变化，实现对移动器轴变化位姿的准 确控制，根据偏移量计算相应的权重因子能实现对移动器轴矢量的准确调整。采用非对称S 型加减速控制方法能有效提高行驶速度，减少因加加速度过大导致的振动问题，经过仿真实 验验证本发明切实可行。

Claims (10)

1.一种新型载人工具，包括车厢(1)，其特征在于，所述车厢(1)下端设有车体线圈，其下方设有能够产生磁场的移动器(2)；所述移动器(2)上端部设有能够产生竖向磁场的产磁线圈(22)；所述车体线圈包括悬浮线圈(11)、移动线圈(12)、调整线圈(13)，所述悬浮线圈(11)在车厢(1)下端部绕圈布置，所述移动线圈(12)布置方向与移动器(2)的延伸方向相垂直；所述调整线圈(13)与移动线圈(12)布置方向相垂直；
悬浮线圈(11)在移动器(2)产磁线圈(22)产生的磁场中通电，使得车厢(1)悬浮在移动器(2)上方，移动线圈(12)在磁场中通电，使得车厢(1)纵向移动；调整线圈(13)在磁场中通电，使得车厢(1)横向移动；
所述移动器(2)包括第一移动件(201)、第二移动件(202)，所述第一移动件(201)和第二移动件(202)分别设有电磁驱动装置；所述电磁驱动装置包括用于产生横向磁场的缠绕线圈(24)组件、用于产生纵向驱动力的驱动线圈(26)，所述驱动线圈(26)竖向布置；其中一个移动件的缠绕线圈(24)组件产生磁场，另一个移动件的驱动线圈(26)在磁场通电，产生纵向驱动力驱动该移动件纵向移动。
2.如权利要求1所述的一种新型载人工具，其特征在于，所述车厢(1)四个角设有可伸缩或可折叠的支撑腿，所述支撑腿底部设有滚轮以及驱动滚轮转动的旋转电机。
3.如权利要求2所述的一种新型载人工具，其特征在于，电磁驱动装置设有用于产生竖向驱动力的升降线圈(25)，所述升降线圈(25)与驱动线圈(26)的布置方向相垂直；所述驱动线圈(26)、升降线圈(25)分别位于第一移动件(201)和第二移动件(202)的侧面；第一移动件(201)、第二移动件(202)底端分别设置至少一个可伸缩的定位件；所述定位件为圆锥体，其伸出与地面相抵触，使得移动件定位在地面上。
4.如权利要求2所述的一种新型载人工具，其特征在于，所述车厢(1)以及移动器(2)分别设有控制模块、电池以及数据测量模块；所述数据测量模板包括速度测量仪、加速度测量仪、陀螺仪、激光雷达、摄像机；所述控制模块包括数据传输模块、数据处理模块、显示模块。
5.如权利要求2-3任一项所述的一种新型载人工具，其特征在于，所述第一移动件(201)与第二移动件(202)分别设置能够产生竖向磁场的产磁线圈(22)、使得车厢(1)纵向移动的纵向线圈(21)、使得车厢(1)横向移动的横向线圈(23)；所述第一移动件(201)与第二移动件(202)之间设有能够相对滑动的关联件，所述关联件一端穿过第一移动件(201)，另一端穿过第二移动件(202)，所述第一移动件(201)和第二移动件(202)设置供关联件滑动的长槽。
6.适用如权利要求4所述的一种新型载人工具的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，通过有人驾驶载人工具采集路径地图；
第二步，通过摄像头获取无人驾驶载人工具周边图像，并与路径地图的对应位置对比判断出是否存在障碍物，所述障碍物包括车或人或马路桩；
第三步，通过激光雷达测出无人驾驶载人工具与障碍物之间的距离
第四步，根据路径地图以及障碍物距离信息，生成行驶路线；
第五步，根据样条插补法对行驶路线进行路线规划；
第六步，采用S型加减速方法对第一移动件和第二移动件进行速度控制；
第七步，无人驾驶载人工具根据规划的路线并按照预定速度进行行驶。
7.如权利要求6所述的适用新型载人工具的控制方法，其特征在于，
所述行驶路线根据障碍物的移动随时进行调整，根据障碍物的位置以及路径特点并加上始末位置点构成样条插补的控制点；根据控制点以及必要的安全距离生成通过点；根据障碍物的移动速度、路径特点以及法定限速生成速度边界控制曲线；
样条插补法中的NURBS曲线由控制点、节点向量、权重因子、基函数四个因素构成；根据控制点能够通过相关公式得到节点向量，进而由节点向量能够得到基函数，权重因子一般给定或根据偏移量计算得到；根据已知的控制点在哈德利-贾德方法基础上进行变形计算出合适的节点向量；再根据需要的偏移量计算权重因子，得到权重因子和节点向量就能够得到基函数，进而利用控制点、基函数和权重因子构造NURBS曲线。
8.如权利要求7所述的适用新型载人工具的控制方法，其特征在于，
计算节点向量：
已知m+p+1个控制点p为所构造的基函数次数；根据控制点之间的距离远近，计算出合适的节点向量值u；
先计算控制点之间距离dj，公式为：
其中xj表示控制点Pj的横轴坐标，yj表示控制点Pj的纵轴坐标；
哈德利-贾德方法递推公式进行变形，变形后公式为：
其中ui表示第i个节点，进而可得节点向量U递推公式为：
求出的节点向量形式为：U＝[0，0，0，up，up+1，...um+p1，m+1，m+1，m+1]；
NURBS表达式：
利用节点向量求得基函数，NURBS基函数有很多种构造形式，一般常用的构造形式是由如下递推公式给出的，用下列递推方式确定的基函数Ni，p(u)称为相应于节点向量U的P次NURBS基函数：
p≥2
其中i是基函数的序列号，给定节点向量U，根据上面的递推公式就能够推导出所需要的基函数；进而可得第i段NURBS曲线Pi(u)，表达式为：
u∈[ui+p，ui+p+1]，i＝1，2，3...m+1。
9.如权利要求8所述的适用新型载人工具的控制方法，其特征在于，
权重因子能够调节NURBS曲线与控制点的距离，权重因子取值越大，NURBS曲线越靠近相应的控制点，根据权重因子与偏移量的关系式，能够利用偏移量计算对应的权重因子，代入NURBS曲线表达式，进而实现对NURBS曲线的调整，权重因子根据经验取值或根据移动器长度以及宽度确定，权重因子初始值都取1；
分别计算当u＝uk，wk＝1时，插补点p1，当u＝uk，wk＝0时，插补点p0；
进而可得距离量Sk，Kk，计算公式如下：
其中PK是第k个控制点，k＝0，1，2，...，m+p
可求得权重因子wk与偏移量dk之间的关系式，计算公式为：
10.如权利要求9所述的适用新型载人工具的控制方法，其特征在于，
无人驾驶载人工具从起始位置运动到目标位置，涉及到移动器位姿变化矢量的描述，把移动器轴简化为一个直杆，描述一个直杆在空间的变化姿态；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点，以及移动器轴相应变化角度，来描述它从起始点到目标点之间的位姿变化；根据无人驾驶载人工具需要通过的离散点以及移动器轴空间变化角度，移动器的最长长度一般是固定不变；根据有效长度和对应的空间变化角度，利用移动器前端通过点，能够求得移动器后端的通过点，进而通过NURBS理论反算出相应二组控制点，根据控制点利用NURBS理论进行插补计算，生成一系列点，代入样条插补公式中进行反解计算，得到前后端处的位置信息；
给定无人驾驶载人工具需要通过的离散点为Ti＝(xti，yti，zti)，以及移动器轴的一组变化角度(αi，βi)，移动器的长度固定，设定为l，那对应的移动器轴矢量的离散通过点坐标Hi＝(xhi，yhi，zhi)的计算公式为：
xhi＝xti+l cosαicosβi
yhi＝yti+l cosαisinβi
zhi＝zti+l sinαi
通过上述步骤就能够求出移动器通过点以及移动器轴矢量另一组通过点，这样移动器轴的变化就能清楚的描述出来，知道通过点根据NURSB曲线生成理论就能够得到对应的控制点；
通过参数方程的求导理论计算得到移动器插补轨迹的切向量，即基函数对u进行求导，然后再代入相关NURBS公式；
计算公式如下：
S型加减速方法为非对称型S型加减速控制方法：
常规的点到点轨迹规划，采用对称的S型加减速控制方法，运行过程被分为七段，分别是加加速度段、匀加速度段、减加速度段、匀速度段、加减速度段、匀减速度段、减减速度段；其中加加速度段、减加速段、加减速段与减减速段这四个时间段时间值相同，匀加速度段和匀减速度段时间值相同；考虑加加速度对机构运动的影响，本发明采用非对称的S型加减速控制方法，开始阶段即加速度段采用较大加加速度，结束阶段即减速度段采用较小的加加速度；
对于一段完整对称型S型加减速控制方法，根据时间最优算法，对它的轨迹规划实际上就是求解三个时间量：加加速度时间tj，匀加速度时间ta，匀速度时间tv，采用非对称型S型加减速控制方法，轨迹规划会比对称型S型加减速控制方法复杂的多，加加速度段与减加速段的时间相同，加减速段与减减速段的时间相同，但是二个变加速度时间段和二个变减速度段时间不再相同，同时匀加速度段和匀减速度段时间也不同，时间未知量变为5个；
加加速度变化率与各阶段时间的变化关系
虽然加加速度段和减减速度段时间值不相等，但根据后面的公式推导能够得知，二个阶段的时间值变化与加加速度前后变化比率相关；
不考虑到轨迹规划的约束条件，始末速度为零，加速度对时间积分得到速度值；
采用工程上常用的面积割补法，进行分析计算；
能够解得tj1、tj2的关系，
K为加加速度变化率，即加加速度阶段加加速度值与减减速度阶段加加速度值相比；
当tv1＝0时，据始末速度约束条件即始末速度为零，已知tj1、tj2的变化关系，利用面积割补法能够得到ta1、ta2变化关系；计算公式如下：
这样五个时间未知量又转为求三个时间量；
非对称S型加减速控制各阶段时间求解算法
根据时间最优原则，先不考虑限制条件，轨迹规划时只有加加速度段、减加速度段、加减速度段和减减速度段，不存在其他速度变化段，加速度变化；因此先令ta1＝0，ta2＝0，tv1＝0，求tj1，tj2值；根据非对称S型加减速控制方法可得到关于速度和位移的二元三次方程组，进而可得tj1，计算公式如下：
考虑速度，加速度限制要求由于最大速度出现减加速度段结束时，加速度最大值出现在加加速度段结束时，还必须对tj1进行修正计算公式如下：
经过上面对时间点的修正求出的tj1、tj2能满足速度和加速度的限制要求，但一般无法满足行驶位移的要求，一般会存在匀加速段、匀减速段和匀速段，根据时间最优原则令tv1＝0，类似tj1、tj2求解过程，可求得ta1、ta2值，进而求出tv1值；求出非对称S型加减速控制涉及的五个未知时间量，能够得到整个运动轨迹的速度曲线，进而利用泰勒展开式构造速度与参数u值的关系式，根据变化的u值以及上述关于双NURBS曲线理论完成插补运算，实现对无人驾驶载人工具位姿的准确描述以及速度控制。
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