CN109814550A - 一种用于封闭园区的无人运输车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于封闭园区的无人运输车，采用全线控化通用底盘，使车辆可低成本快速搭建运行，并能够进行任务的灵活部署，无需园区内相关配套改建。包括：全线控化通用底盘以及设置在底盘上的差分GPS组合导航单元和车载运算控制单元；差分GPS组合导航单元用于对无人运输车进行导航和定位；车载运算控制单元内预设有无人运输车运行园区内各运输轨迹的轨迹地图，无人运输车启动前，通过差分GPS组合导航单元定位当前位置并发送给车载运算控制单元，车载运算控制单元依据当前位置、设定的运输目标点从轨迹地图中选择从当前位置出发抵达运输目标点的运输轨迹；无人运输车启动后，在车载运算控制单元的控制下按预设的速度沿所选择的运输轨迹行进。

Description

一种用于封闭园区的无人运输车

技术领域

发明涉及一种无人运输车辆，具体涉及一种用于封闭园区内的无人运输车辆。

背景技术

当前，随着无人驾驶技术所涉及的硬件及软件的发展和不断完善，无人驾驶产业将不断成熟和落地。由于政策和技术的优势，封闭园区内的应用场景将成为较早落地的一种应用场景。而在固定路线的园区内部运行是其中收益较大的应用。园区固定线路点对点全自动化运输、配送、物流任务实现无人化可大大增加效率，同时减小人力投入，将生产力从重复性繁重的劳动中解放，因此用于园区内固定线路运行的无人车辆是有相当大的市场需求。

然而，目前针对园区送货的低成本无人系统方案较少，无可参考成熟应用案例，针对园区环境无人驾驶方案存在技术空白。市场虽有成熟的基于AGV工业机器人底盘的方案，但大多在室内作业，无法完成园区内大范围多任务灵活部署，且前期建设需要大量设备铺设，后期改造难度大，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于封闭园区的无人运输车，采用全线控化通用底盘，使车辆可低成本快速搭建运行，并能够进行任务的灵活部署，无需园区内相关配套改建的硬件成本投入。

所述的用于封闭园区的无人运输车包括：底盘以及设置在底盘上的差分GPS组合导航单元和车载运算控制单元；

所述底盘为全线控化通用底盘，包括：车身、车轮、以及安装在车身上的驱动单元、转向单元和电路单元，所述车轮通过悬架单元与车身相连；所述驱动单元采用伺服电机作为驱动电机，向作为驱动轮的车轮提供驱动力矩和制动力矩；所述转向单元通过转向电机向作为转向轮的车轮提供转向力矩；所述电路单元包括电源和整车控制器，所述电源为整车控制器以及驱动电机和转向电机供电；所述整车控制器与车载运算控制单元相连，用于接收车载运算控制单元的驱动指令、制动指令和转向指令；同时所述整车控制器分别与驱动电机和转向电机相连，用于对所述驱动电机和转向电机进行控制；

所述差分GPS组合导航单元与车载运算控制单元相连；所述差分GPS组合导航单元用于对所述无人运输车进行导航和定位；所述车载运算控制单元内预设有无人运输车运行园区内各运输轨迹的轨迹地图，所述无人运输车启动前，通过所述差分GPS组合导航单元定位当前位置并发送给所述车载运算控制单元，所述车载运算控制单元依据当前位置、设定的运输目标点从轨迹地图中选择从当前位置出发抵达运输目标点的运输轨迹；所述无人运输车启动后，在所述车载运算控制单元的控制下按预设的速度沿所选择的运输轨迹行进。

此外，还包括：设置在底盘上的检测避障单元，所述检测避障单元包括：车载毫米波雷达和环绕车身布置的三个以上超声波雷达，所述车载毫米波雷达用于和所述车载运算控制单元通信，三个以上所述超声波雷达用于感知运输车辆周围障碍物位置信息，并将感知的信息通过车载毫米波雷达发送给所述车载运算控制单元，所述车载运算控制单元依据接收到的障碍物位置信息和当前运输轨迹进行比对，判断障碍物是否位于当前运输轨迹，若位于当前运输轨迹，则避开所述障碍物；若没有，则继续沿当前运输轨迹行进。

所述车载运算控制单元内预设的无人运输车运行园区内各运输轨迹的轨迹地图由所述差分GPS组合导航单元建立，建立一条运输轨迹的过程为：首先遥控所述无人运输车往返设定的出发点和目标点，出发点和目标点之间每间隔设定距离设置一个中间点，无人运输车运行过程中所述差分GPS组合导航单元采集轨迹信息，所述轨迹信息包含：出发点信息、目标点信息和各中间点信息；将所述出发点、目标点和各中间点统称为路点，则所述轨迹信息包含各路点信息，每个路点信息包括：该位置点的三维信息、该位置点航向角以及该位置点曲率，三维信息指该位置点的经度、纬度和高度；所述差分GPS组合导航单元将采集的轨迹信息发送给车载运算控制单元作为运输轨迹保存。

所述无人运输车的前轮为转向轮，所述无人运输车行进过程中，所述车载运算控制单元通过轨迹跟踪算法计算车辆当前的前轮转角，依据所计算的前轮转角向所述整车控制器发送转向指令，通过所述整车控制器对转向电机进行控制，实现轨迹跟踪；

所述轨迹跟踪算法包含前馈控制器和反馈控制器：所述前馈控制器为以二自由度车辆动力学模型为基础获得前轮转角传递函数：

式中：δ_r为前馈控制器输出的前轮转角，ω为车辆横摆角速度，L为无人运输车轴距；r为无人运输车横摆角速度；u为车速；a为无人运输车质心距前轴距离；b为无人运输车质心距后轴距离；K_f为前轮侧偏刚度；K_r为后轮侧偏刚度；R为转向半径；s为位移；

所述反馈控制器为：

其中：δ_e为反馈控制器输出的前轮转角，k_e为轨迹误差反馈系数，Δy为轨迹跟踪的横向误差，Δψ为轨迹跟踪的航向误差，x_l为预瞄距离。由此通过轨迹跟踪算法计算的车辆当前的前轮转角为δ_r+δ_e。

有益效果：

(1)该无人运输车采用全线控化通用底盘，可根据运行环境工况与载物情况随意更换，从而可配适不同运行场景、室外室内、不同路面、不同运输任务需求。

(2)全线控化通用底盘配合差分GPS组合导航单元、车载运算控制单元，预先建立园区内的运行路线的轨迹地图，无人运输车在运输过程中，使用差分GPS组合导航系统实现定位与导航，跟随预设好的路线轨迹，由此能够实现无人运输车的定位和导航控制，车辆可低成本快速搭建运行，并能够进行任务的灵活部署，无需园区内相关配套改建的硬件成本投入。

(3)通过预设的轨迹跟踪算法进行路线轨迹的跟随，能够消除轨迹误差，保证无人车严格跟踪期望轨迹行驶。

(4)通过检测避障单元能够进行障碍物检测与壁障停车。

附图说明

图1为该无人运输车辆的系统框架图；

图2为车辆结构与传感器布局前视图；

图3为传感器布局侧视图；

图4为轨迹跟踪前馈控制示意图；

图5为轨迹跟踪反馈控制示意图；

图6为控制算法流程图。

其中：1-车架、2-车轮、3-悬架单元、4-双卫星天线、5-车载工控机、6-超声波雷达

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种用于封闭园区内具有固定线路运行的无人运输车，采用该无人运输车能够使车辆低成本快速搭建运行和多任务灵活部署，无需园区改建的硬件成本投入，可广泛用于园区内不同生产线、车间和厂房间全自动化运输。所述的多任务指可以设定多个不同的终点，对应预设多条不同的行驶路线，运输时，依据终点选择对应的行驶路线。

该无人运输车包括：底盘以及设置在底盘上的控制单元，该控制单元包括差分GPS组合导航单元、车载运算控制单元和检测避障单元。

其中底盘采用全线控化、模块化设计的通用系列底盘。全线控化通用底盘包括：车身、车轮2、车架1、以及安装在车架1上的驱动单元、转向单元和电路单元，车身采用非承载式车身，使用方管焊接成的车架作为整体支撑。车轮2通过悬架单元3与车身相连。车身外包在车架上，将车架封闭，保证其内部电路单元防水。其中驱动单元为伺服电机驱动单元，即驱动电机为伺服电机，由伺服电机向作为驱动轮的车轮提供驱动力矩和制动力矩，并通过其内部的抱闸实现驻车制动；转向单元为电机转向单元，由转向电机向作为转向轮的车轮提供转向力矩；电路单元包括电源和整车控制器(VCU)，电源为整车控制器以及驱动单元和转向单元中的电机供电；整车控制器通过CAN总线分别与驱动电机和转向电机相连，并通过CAN总线与车载运算控制单元相连，用于接收车载运算控制单元的驱动指令、制动指令和转向指令，当接收到驱动指令或制动指令后，控制驱动单元中的伺服电机输出驱动力矩或制动力矩；当接收到转向指令后，控制转向单元中的伺服电机输出转向力矩。

不同型号的底盘尺寸、载重、通过性、功耗与行驶车速指标不同，可根据运行环境工况与载物情况随意更换，从而可配适不同运行场景、室外室内、不同路面、不同运输任务需求。全线控化通用底盘的整车控制器采用全线控化集成，与外界无机械耦合，仅通过整车控制器即可控制。

其中差分GPS组合导航单元与车载运算控制单元之间通过RS232串口方式通讯，检测避障单元与车载运算控制单元之间通CAN总线通讯。

差分GPS组合导航单元用于对无人运输车进行导航，包括车载移动站、通讯单元和基站，其中车载移动站包括设置在无人运输车底盘中轴线前后两端的双卫星天线4以及安装在无人运输车底盘质心位置的包含惯性导航的车载工控机5(将惯性导航安装在质心位置以保证测得的数据是最准确的)，如图2和图3所示。车载移动站能够测量无人运输车的三维信息(经度、纬度和高度)、航向角、速度和加速度等数据，从而用于定位、控制和路点采集。基站设置在封闭园区内的固定位置，由单卫星接收天线与解算主机组成，基站作为差分GPS组合导航单元的基准，用于提供差分参考；通信单元由车载电台与基站电台构成，用于基站与车载移动站之间的通讯数据的传输，用于向车载移动站提供基准坐标。

为实现在园区内沿固定线路运行，需要预先对园区内的运行路线进行轨迹地图的建立，即无人运输车在使用之前，先掌握其运行园区的地图用于导航和定位。为建立轨迹地图，使用高精度差分GPS组合导航单元建立无人运输车运行园区的地图用于定位和导航，使用高精度差分GPS组合导航系统建图过程为：首先由人工遥控无人运输车往返出发点和目标点，运行过程中车载高精度差分GPS组合导航采集轨迹信息，结束时将轨迹信息发送给车载运算控制单元保存。采集的轨迹信息包含起点(出发点)信息、终点(目标点)信息和起点与终点之间每间隔10cm一个的路点信息。每个路点信息(包括起点信息、终点信息)包括该位置点的三维信息、该位置点航向角以及该位置点曲率，三维信息指该位置点的经度、纬度和高度。

利用上述预先采集的轨迹信息，无人运输车在运输过程中，使用差分GPS组合导航系统实现定位与导航，并利用车载运算控制单元内设的轨迹跟踪算法跟随预设好的路线轨迹。具体实现过程如下：启动无人运输车后，车载工控机5启动并接收前后两端的双卫星天线的实时位置数据，定位车辆当前位置，完成初始化，进入人工选择运输目标点模式。当选定目标点(即终点)后，导航程序将选择由当前位置出发抵达运输目标点的地图轨迹，读入并加载。按下启动按钮后，车辆按预设的速度开始出发，同时车载运算控制单元通过目标路线的路点信息与车辆当前位置信息通过轨迹跟踪算法计算车辆当前的转向轮转角，并通过总线向底盘的整车控制器发送指令控制转向单元。

轨迹跟踪算法为使用组合导航设备数据实现控制车辆跟随目标轨迹的控制算法，通过该算法算出此时需要的转向轮转角，以控制车辆转向，实现轨迹跟踪。轨迹跟踪算法包含前馈控制器和反馈控制器：

前馈控制器为以二自由度车辆动力学模型为基础获得前轮转角传递函数，如图5所示：

式中：δ_r为前馈控制器计算的前轮转角，ω为车辆横摆角速度，L为无人运输车轴距；r为无人运输车横摆角速度；u为车速；a为质心距前轴距离；b为质心距后轴距离；Kf为前轮侧偏刚度；Kr为后轮侧偏刚度；R为转向半径，s为位移。

但单纯的前馈控制并不能保证无人车严格跟踪期望轨迹行驶，为追求轨迹跟踪的准确性，通过反馈控制器消除轨迹误差。考虑到无人运输车的高速性及硬件设备和信号传输可能出现的延迟现象，跟踪误差的计算应采用预瞄思想。

如图6所示：以车辆质心为参考，由车辆质心向期望轨迹作垂线，垂线段长度Δy轨迹跟踪的横向误差，垂点处轨迹的切线与无人车行进方向的夹角Δψ为轨迹跟踪的航向误差，设预瞄距离为x_l。在考虑预瞄的情况下，无人车的预瞄误差Δy_l为预瞄点至垂点切线的距离：

Δy_l＝Δy+x_lsin(Δψ)

前轮转角对其侧偏角大小产生直接影响，而当轮胎的侧偏刚度不同时，同样的轮胎侧向力需求的轮胎侧偏角不同，因此轮胎刚度对需求前轮转角具有很大影响。设计轨迹误差反馈侧向控制策略为：

其中，k_e为轨迹误差反馈系数，δ_e为反馈控制器计算的前轮转角。

最终的侧向控制策略应是前馈侧向控制策略和轨迹误差反馈侧向控制策略的总和。

检测避障单元用于在无人运输车行进过程中进行障碍物检测与壁障停车，检测避障单元包括：一个前向120°车载毫米波雷达与环绕车体的四个超声波雷达传感器6，车载毫米波雷达通过CAN总线与车载运算控制单元相连。四个超声波雷达传感器用于感知运输车辆周围障碍物位置并将其通过车载毫米波雷达传给车载运算控制单元处理分析，实现控制车辆避障的信息获取模块。

该无人运输车的自动运行行驶控制流程如图6所示，首先通过差分GPS组合导航单元进行离线地图的采集，采集从起点到终点的高精度地图数据(即轨迹信息)，并将轨迹信息保存至车载运算控制单元。无人运输车执行运输任务时，车载工控机定位车辆当前位置发送给车载运算控制单元，车载运算控制单元读取本地离线地图，获得当前位置出发抵达运输目标点的地图轨迹，车载运算控制单元通过目标路线的路点信息与车辆当前位置信息通过轨迹跟踪算法计算车辆当前的转向轮转角，并通过总线向底盘的整车控制器发送指令控制转向单元。在该过程中，检测避障单元实时监测目标轨迹是否有障碍，如果没有，则继续通过轨迹跟踪算法对目前轨迹进行跟踪，如果有，则规划避障轨迹，并依据规划后的避障轨迹控制底盘行进。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于封闭园区的无人运输车，其特征在于，包括：底盘以及设置在底盘上的差分GPS组合导航单元和车载运算控制单元；

所述底盘为全线控化通用底盘，包括：车身、车轮、以及安装在车身上的驱动单元、转向单元和电路单元，所述车轮通过悬架单元与车身相连；所述驱动单元采用伺服电机作为驱动电机，向作为驱动轮的车轮提供驱动力矩和制动力矩；所述转向单元通过转向电机向作为转向轮的车轮提供转向力矩；所述电路单元包括电源和整车控制器，所述电源为整车控制器以及驱动电机和转向电机供电；所述整车控制器与车载运算控制单元相连，用于接收车载运算控制单元的驱动指令、制动指令和转向指令；同时所述整车控制器分别与驱动电机和转向电机相连，用于对所述驱动电机和转向电机进行控制；

所述差分GPS组合导航单元与车载运算控制单元相连；所述差分GPS组合导航单元用于对所述无人运输车进行导航和定位；所述车载运算控制单元内预设有无人运输车运行园区内各运输轨迹的轨迹地图，所述无人运输车启动前，通过所述差分GPS组合导航单元定位当前位置并发送给所述车载运算控制单元，所述车载运算控制单元依据当前位置、设定的运输目标点从轨迹地图中选择从当前位置出发抵达运输目标点的运输轨迹；所述无人运输车启动后，在所述车载运算控制单元的控制下按预设的速度沿所选择的运输轨迹行进。

2.如权利要求1所述的用于封闭园区的无人运输车，其特征在于，还包括：设置在底盘上的检测避障单元，所述检测避障单元包括：车载毫米波雷达和环绕车身布置的三个以上超声波雷达，所述车载毫米波雷达用于和所述车载运算控制单元通信，三个以上所述超声波雷达用于感知运输车辆周围障碍物位置信息，并将感知的信息通过车载毫米波雷达发送给所述车载运算控制单元，所述车载运算控制单元依据接收到的障碍物位置信息和当前运输轨迹进行比对，判断障碍物是否位于当前运输轨迹，若位于当前运输轨迹，则避开所述障碍物；若没有，则继续沿当前运输轨迹行进。

3.如权利要求1或2所述的用于封闭园区的无人运输车，其特征在于，所述车载运算控制单元内预设的无人运输车运行园区内各运输轨迹的轨迹地图由所述差分GPS组合导航单元建立，建立一条运输轨迹的过程为：首先遥控所述无人运输车往返设定的出发点和目标点，出发点和目标点之间每间隔设定距离设置一个中间点，无人运输车运行过程中所述差分GPS组合导航单元采集轨迹信息，所述轨迹信息包含：出发点信息、目标点信息和各中间点信息；将所述出发点、目标点和各中间点统称为路点，则所述轨迹信息包含各路点信息，每个路点信息包括：该位置点的三维信息、该位置点航向角以及该位置点曲率，三维信息指该位置点的经度、纬度和高度；所述差分GPS组合导航单元将采集的轨迹信息发送给车载运算控制单元作为运输轨迹保存。

4.如权利要求1或2所述的用于封闭园区的无人运输车，其特征在于，所述无人运输车的前轮为转向轮，所述无人运输车行进过程中，所述车载运算控制单元通过轨迹跟踪算法计算车辆当前的前轮转角，依据所计算的前轮转角向所述整车控制器发送转向指令，通过所述整车控制器对转向电机进行控制，实现轨迹跟踪；

所述轨迹跟踪算法包含前馈控制器和反馈控制器：所述前馈控制器为以二自由度车辆动力学模型为基础获得前轮转角传递函数：

式中：δ_r为前馈控制器计算的前轮转角，ω为车辆横摆角速度，L为无人运输车轴距；r为无人运输车横摆角速度；u为车速；a为无人运输车质心距前轴距离；b为无人运输车质心距后轴距离；K_f为前轮侧偏刚度；K_r为后轮侧偏刚度；R为转向半径；s为位移；

所述反馈控制器为：

其中：δ_e为反馈控制器计算的前轮转角，k_e为轨迹误差反馈系数，Δy为轨迹跟踪的横向误差，Δψ为轨迹跟踪的航向误差，x_l为预瞄距离；

由此通过轨迹跟踪算法计算的车辆当前的前轮转角为δ_r+δ_e。

5.如权利要求1或2所述的用于封闭园区的无人运输车，其特征在于，所述差分GPS组合导航单元包括：车载移动站、通讯单元和基站，所述车载移动站包括：设置在无人运输车底盘中轴线前后两端的双卫星天线以及安装在无人运输车底盘质心位置的包含惯性导航的车载工控机；所述车载移动站用于测量无人运输车所在位置的三维信息、无人运输车的航向角、速度和加速度；所述基站设置在封闭园区内的固定位置，用于向车载移动站提供差分参考；所述通信单元包括车载电台和基站电台，用于基站与车载移动站之间的通讯数据的传输。