CN109900224B - 基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法，其通过分别在车头和挂车上安装第一旋转编码器、第二旋转编码器，与旋转轴中心构成线性映射关系，在挂车相对车头发生角度变化时，控制模块通过接收光电检测阵列的输出电平控制驱动电机进行相应转动，使第一旋转编码器、第二旋转编码器始终实现互相追踪的情况下，能高频率，高精度的实时获得第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度，从而结合偏差常量常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度。该方法精度高，抗干扰能力好，不依赖卫星定位，相对组合惯导测量角度具有使用范围广、成本低等性能。

Description

基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法

技术领域

本发明涉及智能驾驶技术领域，具体涉及一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法。

背景技术

很多场景中，自动驾驶的卡车需要完成精准行驶或倒车需要实时获取车头与挂车的夹角作为控制参数。而现有技术中，一种常用的测量夹角方法是利用两个GNSS组合惯导输出的航向角来计算夹角。此种方法成本较高，并且测量精度、可靠性易受到外界高大物体的遮挡影响，使用范围限制较多。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种精度高，抗干扰能力好，且具有使用范围广、成本低等性能的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法。

一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，其包括分别安装在卡车车头和挂车的第一角度检测组件和第二角度检测组件；

所述第一角度检测组件包括设置在车头的第一旋转编码器；固定设置在第一旋转编码器的转轴上、且发射端面向挂车方向设置的第一激光器，同样面向挂车方向固定设置的第一光电检测阵列，所述第一激光器的出射光朝向挂车方向射出；

所述第二角度检测组件包括设置在挂车的第二旋转编码器；固定设置在第二旋转编码器的转轴上、且发射端面向卡车车头方向设置的第二激光器，同样固定设置在第二旋转编码器的转轴上、且与所述第二激光器设置在同一径向方向上的第二光电检测阵列，所述第二激光器的出射光朝向车头方向射出；

其中，第一旋转编码器的转轴由传动皮带与一第一驱动电机的动力输出轴传动连接；第二旋转编码器的转轴由传动皮带与一第二驱动电机的动力输出轴传动连接，所述第一驱动电机通过一控制模块与第一光电检测阵列电性连接，所述第二驱动电机通过控制模块与第二光电检测阵列电性连接。

一种采用上述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法包括以下步骤：

S1、在卡车上安装所述的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置；

S2、在卡车工作时，控制模块控制第一驱动电机和第二驱动电机通过传动皮带分别带动第一旋转编码器的转轴、第二旋转编码器的转轴顺时针或逆时针转动，直至第一光电检测阵列和第二光电检测阵列中的中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

S3、采集第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度，并结合偏差常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度。

本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法，其通过分别在车头和挂车上安装第一旋转编码器、第二旋转编码器，与旋转轴中心构成线性映射关系，在挂车相对车头发生角度变化时，控制模块通过接收光电检测阵列的输出电平控制驱动电机进行相应转动，使第一旋转编码器、第二旋转编码器始终实现互相追踪的情况下，能高频率，高精度的实时获得第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度，从而结合偏差常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度。该方法精度高，抗干扰能力好，不依赖卫星定位，相对组合惯导测量角度具有使用范围广、成本低等性能。

附图说明

图1是本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置安装在卡车上的结构示意图；

图2是本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置设置在卡车中轴线上的俯视位置分布图；

图3是本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法的原理示意图；

图4是本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法的步骤概要图；

图5是图1中步骤S2的步骤框图。

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。

为了测量计算得到卡车车头1与挂车2夹角，就需要用旋转编码器转轴(转子)与外壳(定子)的相对旋转角位移来表征卡车车头1与挂车2相对旋转角位移。由于卡车挂车2旋转轴较粗，不易确定其旋转轴中心，并且旋转轴中心附近安装旋转编码器困难甚至不可行。这样一来旋转编码器就不能安装在理想的旋转中心处，所以旋转编码器转轴与外壳的相对旋转角位移并不能直接表征卡车车头1与挂车2的夹角，需要借助一些其他几何量才能计算挂车2夹角θ，如图1所示，图1中，圆心O表示卡车车头1与挂车2的旋转轴中心，圆上点A可以在圆上(位于挂车2刚体上)运动，另一个点B表示车头1刚体上的一个定点。由于O点上安装旋转编码器是困难甚至不可实现的，所以可以选择上图中的A点或B点安装编码器。假设在A点安装一个编码器(同时保证其转轴的某一侧永远朝向B点)则，图1所示变量满足以下约束关系：

(R+L)/Sin[α]＝R/Sin[θ+α]

其中，α为A点旋转编码器读数；θ为挂车2与车头1夹角；R为挂车2上的旋转编码器(A点)的公转半径；L为AB点的最近距离。

如果提前测量出R,L,然后根据旋转编码器输出角度α及上述约束关系可以计算出目标值θ。但由于约束关系存在非线性关系，并不是一个线性映射，并且很难保证R与L的测量精度。所以这种计算θ的模型有较大的误差。同理，若只把旋转编码器安装在B点(同时保证其编码器转轴某一侧永远朝向A点)，结果类似于前一种情况，并且由于角度β变化范围较α小，会产生更低的分辨力和更大的误差。综上缺点，本发明提出同时在A点和B点安装旋转编码器来测量计算θ，则两者约束关系如下：

α+β+θ＝π

AOB刚好构成一个三角形，并且α、β为旋转编码器的直接输出，所以θ＝π-α-β，完全是一个线性映射，误差主要来自编码器的输出误差。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，包括分别安装在卡车车头1和挂车2的第一角度检测组件和第二角度检测组件；

所述第一角度检测组件包括设置在车头1的第一旋转编码器11；固定设置在第一旋转编码器11的转轴上、且发射端面向挂车2方向设置的第一激光器12，同样面向挂车2方向固定设置的第一光电检测阵列13，所述第一激光器12的出射光朝向挂车2方向射出；为保证卡车左右转动的角度行程一致，优选的，所述第一旋转编码器11与第一光电检测阵列13设置在车体中轴线3上。

所述第二角度检测组件包括靠近挂车2旋转轴设置、且与第一旋转编码器11设置在同一水平高度上的第二旋转编码器21；固定设置在第二旋转编码器21的转轴上、且发射端面向卡车车头1方向设置的第二激光器22，同样固定设置在第二旋转编码器21的转轴上、且与所述第二激光器22设置在同一径向方向上的第二光电检测阵列23，所述第二激光器22的出射光朝向车头1方向射出。

其中，第一旋转编码器11的转轴由传动皮带与一第一驱动电机14的动力输出轴传动连接，第二旋转编码器21的转轴由传动皮带与一第二驱动电机24的动力输出轴传动连接，所述第一驱动电机14通过一控制模块与第一光电检测阵列13电性连接，所述第二驱动电机24通过控制模块与第二光电检测阵列23电性连接；所述第一光电检测阵列13和第二光电检测阵列23均包括至少三组依次水平均匀排列的左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管，所述控制模块通过接收左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管输出的高低电平控制第一驱动电机14、第一驱动电机14分别带动第一旋转编码器11的转轴、第二旋转编码器21的转轴做顺时针或逆时针转动。

本发明还提供一种应用上述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置计算卡车车头和挂车夹角的方法，所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法包括以下步骤：

S1、在卡车上安装所述的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置；

S2、在卡车工作时，控制模块控制第一驱动电机14和第二驱动电机24通过传动皮带分别带动第一旋转编码器11的转轴、第二旋转编码器21的转轴顺时针或逆时针转动，直至第一光电检测阵列13和第二光电检测阵列23中的中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平。

具体的，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、首先控制模块控制第二驱动电机24通过传动皮带带动第二旋转编码器21的转轴顺时针或逆时针转动；

S22、第二旋转编码器21的转轴同步带动第二激光器22转动，使第二激光器22的光束打到第一光电检测阵列13的中间光电接收二极管上，即第一光电检测阵列13的中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

即如果左侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第二驱动电机24相应带动第二旋转编码器21的转轴旋转使激光束向右移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果右侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第二驱动电机24相应带动第二旋转编码器21的转轴旋转使激光束向左移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管均输出低电平，则使第二驱动电机24相应带动第二旋转编码器21的转轴朝着一个方向旋转，直到出现上述两种情况。

S23、接着控制模块控制第一驱动电机14通过传动皮带带动第一旋转编码器11的转轴顺时针或逆时针转动；

S24、第一旋转编码器11的转轴同步带动第一激光器12转动，使第一激光器12的光束打到第二光电检测阵列23的中间光电接收二极管上，即第二光电检测阵列23的中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平。

即如果左侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第一驱动电机14相应带动第一旋转编码器11的转轴旋转使激光束向右移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果右侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第一驱动电机14相应带动第一旋转编码器11的转轴旋转使激光束向左移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管均输出低电平，则使第一驱动电机14相应带动第一旋转编码器11的转轴朝着一个方向旋转，直到出现上述两种情况。

S3、采集第一旋转编码器11、第二旋转编码器21的当前角度，并结合偏差常量计算得到卡车车头1和挂车2之间的夹角角度。

经过步骤S2之后，两个编码器准确测量出挂车2与车头1的夹角的前提是要保持两个区域编码器经过自身反光镜的光线能打到对方组件的光电接受阵列上，并且能区分三个光电二极管，则此时第一旋转编码器11、第二旋转编码器21的当前角度即分别为车头1相对挂车2的角度、挂车2相对车头1的角度。

由几何关系约束，由于两个编码器初始角度未知，初始输出α、β可能是[0,360)范围的任何一个浮点数值，由于这种装置相对于上文装置使用了反光镜，故这里对应角度存在二倍的关系，同上必然存在一个常量C满足：

2*α+2*β+θ+C＝π

其中,C为偏差常量；α,β分别为第一旋转编码器11、第二旋转编码器21的当前角度读数；注意：由于旋转编码器转轴方向可以朝天也可以朝地，同时不同旋转编码器度数增加方向可能是左旋或者右旋，这些区别导致α、β的符号要在具体的编码器和安装方式下才能确定，本发明按照正号描述；θ为卡车车头1和挂车2之间的夹角角度。

则通过第一旋转编码器11、第二旋转编码器21的当前角度结合偏差常量可以计算得到卡车车头1和挂车2之间的夹角角度，具体公式如下:

2*α+2*β+θ+C＝π (1)

具体的，在前期校准时，车头1与挂车2呈直线时的状态作为一个参考标准(选择参考标准，如果此时参考标准为惯导，那么此刻惯导的夹角必定为0)，在上述参考标准下，两个旋转编码器必定有读数输出，分别记为α₀，β₀，同时设定此时卡车旋转夹角θ为0(因为在参考标准下)，所以:

C＝π-2*α₀-2*β₀(2)

由(1)(2)得到

θ＝-2*α-2*β+2*α₀+2*β₀

从而计算得到卡车车头1和挂车2夹角角度。

本发明所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法，其通过分别在车头1和挂车2上安装第一旋转编码器11、第二旋转编码器21，与旋转轴中心构成线性映射关系，在挂车2相对车头1发生角度变化时，控制模块通过接收光电检测阵列的输出电平控制驱动电机进行相应转动，使第一旋转编码器11、第二旋转编码器21始终实现互相追踪的情况下，能高频率，高精度的实时获得第一旋转编码器11、第二旋转编码器21的当前角度，从而结合偏差常量计算得到卡车车头1和挂车2之间的夹角角度。该方法精度高，抗干扰能力好，不依赖卫星定位，相对组合惯导测量角度具有使用范围广、成本低等性能。

以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能性一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应超过本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可檫除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，其特征在于，包括分别安装在卡车车头和挂车的第一角度检测组件和第二角度检测组件；

所述第一角度检测组件包括设置在车头的第一旋转编码器；固定设置在第一旋转编码器的转轴上、且发射端面向挂车方向设置的第一激光器，同样面向挂车方向固定设置的第一光电检测阵列，所述第一激光器的出射光朝向挂车方向射出；

所述第二角度检测组件包括设置在挂车的第二旋转编码器；固定设置在第二旋转编码器的转轴上、且发射端面向卡车车头方向设置的第二激光器，同样固定设置在第二旋转编码器的转轴上、且与所述第二激光器设置在同一径向方向上的第二光电检测阵列，所述第二激光器的出射光朝向车头方向射出；

其中，第一旋转编码器的转轴由传动皮带与一第一驱动电机的动力输出轴传动连接；第二旋转编码器的转轴由传动皮带与一第二驱动电机的动力输出轴传动连接，所述第一驱动电机通过一控制模块与第一光电检测阵列电性连接，所述第二驱动电机通过控制模块与第二光电检测阵列电性连接；

所述第一光电检测阵列和第二光电检测阵列均包括至少三组依次水平均匀排列的左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管。

2.根据权利要求1所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，其特征在于，第一旋转编码器和第二旋转编码器设置在同一水平高度上。

3.根据权利要求1所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，其特征在于，第一旋转编码器与第一光电检测阵列设置在车体中轴线上。

4.根据权利要求1所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置，其特征在于，所述第二旋转编码器靠近挂车旋转轴设置。

5.一种采用权利要求1所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，其特征在于，所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法包括以下步骤：

S1、在卡车上安装所述的基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置；

S2、在卡车工作时，控制模块控制第一驱动电机和第二驱动电机通过传动皮带分别带动第一旋转编码器的转轴、第二旋转编码器的转轴顺时针或逆时针转动，直至第一光电检测阵列和第二光电检测阵列中的中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

S3、采集第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度，并结合偏差常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度。

6.根据权利要求5所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、首先控制模块控制第二驱动电机通过传动皮带带动第二旋转编码器的转轴顺时针或逆时针转动；

S22、第二旋转编码器的转轴同步带动第二激光器转动，使第二激光器的光束打到第一光电检测阵列的中间光电接收二极管上；

S23、接着控制模块控制第一驱动电机通过传动皮带带动第一旋转编码器的转轴顺时针或逆时针转动；

S24、第一旋转编码器的转轴同步带动第一激光器转动，使第一激光器的光束打到第二光电检测阵列的中间光电接收二极管上。

7.根据权利要求6所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，其特征在于，

如果左侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第一/第二驱动电机相应带动第一/第二旋转编码器的转轴旋转使激光束向右移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果右侧光电接收二极管输出高电平，其他两个的光电接收二极管均输出低电平，则第一/第二驱动电机相应带动第一/第二旋转编码器的转轴旋转使激光束向左移动，直到中间光电接收二极管输出高电平，两侧的光电接收二极管均输出低电平；

如果左侧光电接收二极管、中间光电接收二极管、右侧光电接收二极管均输出低电平，则使第一/第二驱动电机相应带动第一/第二旋转编码器的转轴朝着一个方向旋转，直到出现上述两种情况。

8.根据权利要求5所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，其特征在于，

所述偏差常量的求解公式如下：

C＝π-2*α₀-2*β₀

其中，C为偏差常量；α₀，β₀分别为车头与挂车呈直线参考标准状态时，第一旋转编码器、第二旋转编码器的角度读数。

9.根据权利要求8所述基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的方法，其特征在于，

所述第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度结合偏差常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度的具体公式如下:

2*α+2*β+θ+C＝π (1)

C＝π-2*α₀-2*β₀ (2)

由(1)(2)得到

θ＝-2*α-2*β+2*α₀+2*β₀

其中,α,β分别为第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度读数；θ为卡车车头和挂车之间的夹角角度。

Images