CN110045727B - 一种园区无人车路径规划与控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种园区无人车路径规划与控制方法，无人车首先通过卫星导航方式在工业园区、校园、旅游景点、港口码头等固定场所采集路径位置信息，由控制器建立规划主线路与建立路径跟踪算法，从而控制无人车沿之前规划路径运行，并实时通过TOF三维相机获取周边环境信息，用于检测行进过程中障碍物，以进行规避重新规划线路，有效提高无人车运行的稳定性。

Description

一种园区无人车路径规划与控制方法
技术领域
本发明涉及智能移动技术领域，尤其涉及一种园区无人车路径规划与控制方法。
背景技术
无人车是一种具备自动驾驶功能的移动车辆，也可成为轮式移动机器人，是一种通过计算机系统实现无人驾驶的智能汽车。
随着科技的进步、智能技术的发展，无人车研究也获得快速发展，国外谷歌、国内百度等科技企业开发的无人驾驶汽车都在进行紧张的测试中，但都难以获得大范围实质性的使用。主要是由于道路环境比较复杂多变，而现有无人驾驶技术还不够成熟，无法达到稳定安全地在道路上运行。因此针对特定区域范围内开展无人车的设计研发，技术难度低，运行更加稳定可靠，能够更加快捷实现应用。
在工业园区、校园、旅游景点、港口码头等场所人员、货物流动比较频繁，传统的方式一般采用有人驾驶燃油车辆或者电动车辆进行转运，存在效率低，人力资源消耗大等，无人车的使用完美解决这些缺陷。
当前无人车主要依靠人工智能、视觉传感器、雷达测距、监控装置和卫星定位系统等协同合作，由计算机整合规划无人车的运行路径及控制无人车运行，该方式存在多传感器融合算法复杂，运算量大，实现难度大等特点。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种园区无人车路径规划与控制方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种园区无人车路径规划与控制方法，具体步骤如下：
1)无人车上安装有用于采集周边环境信息的TOF三维传感器、控制器及用于采集路径位置信息的卫星导航接收机，且TOF三维传感器、卫星导航接收机分别与控制器连接；
2)根据无人车的具体工作性质及工作需求，控制器将其规划线路划分为多个直线段LN，并采集上述各直线段端点的精确位置信息Sn(Xn，Yn)，Xn为经度值，Yn为纬度值，直线段LN用首尾端点表示(Sn，Sn+1)，无人车规划路径主线路则为直线段Ln的集合；
3)建立无人车运动模型，通过卫星导航接收机获取前转向轮轴中心A1(XA1，YA1)、后轮轴中心A3(XA3，YA3)的坐标，且卫星导航接收机同时能够提供表示A3指向A1角度的无人车航向角度
Figure BDA0001889420460000021
4)控制器控制无人车沿规划线路运行，实时获得无人车与规划线路距离偏差及角度偏差，d1为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的垂直距离偏差，d3为无人车后轮轴中心A3与线段Ln的垂直距离偏差，β为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的角度偏差，θ为控制无人车前轮转向的角度，公式为：
θ＝a*β+b*d1+c*d3 (1)
公式(1)中，a、b、c为系数，通过实验获得，角度偏差β为无人车航向角
Figure BDA0001889420460000022
与线段Ln对应角度γ的差值；
5)控制无人车前轮转向角度θ与无人车当前速度有关，无人车当前速度越大，前轮转向角度θ越小，最终控制转向角度θ′公式为：
θ′＝e*v2*θ+f (2)
其中e、f为系数，通过实验获得，v为无人车当前速度；
6)无人车根据公式(1)～(2)控制无人车按规划轨迹运行，在正常运行时需时刻检测周边环境是否有障碍物；
7)以无人车中心
Figure BDA0001889420460000031
为坐标原点，建立无人车当前三维地图，TOF三维传感器扫描所得数据集合Dn为[Xn，Yn，Zn，δn]，其中δn为对应三维坐标(Xn，Yn，Zn)处灰度值；
8)控制器根据TOF三维传感器所得数据判断前方有无障碍物，若有，则计算获得障碍物尺寸，舍弃当前线路，并重新插入新路径与后续线路连接，保证规划线路连续。
在本发明中，卫星导航接收机为双天线式卫星导航接收机，包括前天线与后天线，前天线放置于前转向轮轴中心，后天线放置于后轮中心。
在本发明中，卫星导航接收机通过具有RTK技术的全球卫星导航获取通用基站差分信号。
在本发明中，卫星导航接收机通过北斗或GPS获取通用基站差分信号。
在本发明中，TOF三维传感器安装在无人车中心。
在本发明中，无人车的规划线路为环形线路，则主线路集合Ln的首尾端点坐标值相同，无人车的规划线路往返式路径，则在转向时将主线路集合Ln坐标调转即可。
有益效果：
1)本发明采用具有RTK载波相位差分技术的卫星导航获取精密位置信息用于采集路径位置信息，并以此为基础建立路径线路；
2)本发明中控制器将采集的路径位置信息归为规划线路集合，作为无人车行进主线路，从而确定规划线路；
3)本发明将卫星导航精密位置信息结合TOF三维传感器用于导航控制，即可实现室外精密位置导航，同时可用于实时避障判断，有效提高无人车运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的无人车运行模型示意图。
图2为本发明的较佳实施例中的无人车轨迹跟踪示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1～图2的一种园区无人车路径规划与控制方法，以在工业园区、校园、旅游景点、港口码头等室外固定场所开展通勤、客运、观光、物流转运等特定作业方式的无人车为例，具体步骤如下：
1)由具有RTK技术全球卫星导航、北斗或GPS的双天线式卫星导航接收机采集固定场所路径位置信息并通过经移动4G网络获取通用基站差分信号，如“千寻位置网络”提供的差分数据，使双天线式卫星导航接收机可在更广阔范围内接受差分信号，从而计算获得厘米级精度的位置信息；
2)根据无人车的具体工作性质及工作需求，将其规划线路划分为多个直线段LN，并采集上述各直线段端点的精确位置信息Sn(Xn，Yn)，Xn为经度值，Yn为纬度值，直线段LN用首尾端点表示(Sn，Sn+1)，无人车规划路径主线路则为直线段Ln的集合；
3)若规划线路为环形线路，则主线路集合Ln的首尾端点坐标值相同，若为往返式路径，则在转向时将主线路集合Ln坐标调转即可；
4)建立无人车运动模型，如图1所示，A1为前转向轮轴中心，A2为无人车中心，A3为后轮轴中心，前天线放置于前转向轮轴中心A1，后天线放置于后轮中心A3，用以获得两处精确位置坐标A1(XA1，YA1)、A3(XA3，YA3)，双天线式卫星导航接收机同时能够提供无人车航向角度
Figure BDA0001889420460000051
表示A3指向A1的角度；
5)控制器控制无人车沿规划线路运行，实时获得无人车与规划线路距离偏差及角度偏差，如图2所示，d1为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的垂直距离偏差，d3为无人车后轮轴中心A3与线段Ln的垂直距离偏差，β为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的角度偏差，θ为控制无人车前轮转向的角度，公式为：
θ＝a*β+b*d1+c*d3 (1)
公式(1)中，a、b、c为系数，通过实验获得，角度偏差β为无人车航向角
Figure BDA0001889420460000052
与线段Ln对应角度γ的差值；
6)控制无人车前轮转向角度θ与无人车当前速度有关，无人车当前速度越大，前轮转向角度θ越小，最终控制转向角度θ′公式为：
θ′＝e*v2*θ+f (2)
其中e、f为系数，通过实验获得，v为无人车当前速度；
7)无人车根据公式(1)～(2)控制无人车按规划轨迹运行，在正常运行时需时刻检测周边环境是否有障碍物，在无人车中心A2安装有TOF三维传感器用于采集周边环境信息；
8)以无人车中心
Figure BDA0001889420460000061
为坐标原点，建立无人车当前三维地图，TOF三维传感器扫描所得数据集合Dn为[Xn，Yn，Zn，δn]，其中δn为对应三维坐标(Xn，Yn，Zn)处灰度值；
9)控制器根据TOF三维传感器所得数据判断前方有无障碍物，若有，则计算获得障碍物尺寸，舍弃当前线路，并重新插入新路径，与后续线路连接，保证规划线路连续。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)无人车上安装有用于采集周边环境信息的TOF三维传感器、控制器及用于采集路径位置信息的卫星导航接收机，且TOF三维传感器、卫星导航接收机分别与控制器连接；
2)根据无人车的具体工作性质及工作需求，控制器将其规划线路划分为多个直线段LN，并采集上述各直线段端点的精确位置信息Sn(Xn，Yn)，Xn为经度值，Yn为纬度值，直线段LN用首尾端点表示(Sn，Sn+1)，无人车规划路径主线路则为直线段Ln的集合；
3)建立无人车运动模型，通过卫星导航接收机获取前转向轮轴中心A1(XA1，YA1)、后轮轴中心A3(XA3，YA3)的坐标，且卫星导航接收机同时能够提供表示A3指向A1角度的无人车航向角度
Figure FDA0001889420450000011
4)控制器控制无人车沿规划线路运行，实时获得无人车与规划线路距离偏差及角度偏差，d1为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的垂直距离偏差，d3为无人车后轮轴中心A3与线段Ln的垂直距离偏差，β为无人车前轮轴中心A1与线段Ln的角度偏差，θ为控制无人车前轮转向的角度，公式为：
θ＝a*β+b*d1+c*d3 (1)
公式(1)中，a、b、c为系数，通过实验获得，角度偏差β为无人车航向角
Figure FDA0001889420450000012
与线段Ln对应角度γ的差值；
5)控制无人车前轮转向角度θ与无人车当前速度有关，无人车当前速度越大，前轮转向角度θ越小，最终控制转向角度θ′公式为：
θ′＝e*v2*θ+f (2)
其中e、f为系数，通过实验获得，v为无人车当前速度；
6)无人车根据公式(1)～(2)控制无人车按规划轨迹运行，在正常运行时需时刻检测周边环境是否有障碍物；
7)以无人车中心
Figure FDA0001889420450000021
为坐标原点，建立无人车当前三维地图，TOF三维传感器扫描所得数据集合Dn为[Xn，Yn，Zn，δn]，其中δn为对应三维坐标(Xn，Yn，Zn)处灰度值；
8)控制器根据TOF三维传感器所得数据判断前方有无障碍物，若有，则计算获得障碍物尺寸，舍弃当前线路，并重新插入新路径与后续线路连接，保证规划线路连续。
2.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，卫星导航接收机为双天线式卫星导航接收机，包括前天线与后天线。
3.根据权利要求2所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，前天线放置于前转向轮轴中心，后天线放置于后轮中心。
4.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，卫星导航接收机通过具有RTK技术的全球卫星导航获取通用基站差分信号。
5.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，卫星导航接收机通过北斗或GPS获取通用基站差分信号。
6.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，TOF三维传感器安装在无人车中心。
7.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，无人车的规划线路为环形线路，则主线路集合Ln的首尾端点坐标值相同。
8.根据权利要求1所述的一种园区无人车路径规划与控制方法，其特征在于，无人车的规划线路往返式路径，则在转向时将主线路集合Ln坐标调转即可。
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