CN110580049A - 一种无轨游览车的循迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轨游览车的循迹控制方法，用于在规划的行走路径对无轨游览车进行循迹行走控制，包括以下步骤：在规划的行走路径上张贴PGV的颜色码带；并在无轨游览车底部前、后位置分别布置前、后拍照读头、以前、后两个拍照读头读取的横向距离偏差作为主要的数据反馈源，经过计算转换得到与差速轮轴中点重合的前、后拍照读头连线中点偏离行走路径的距离偏差和方向角度偏差，控制定轴连线经过该主控点(两个拍照读头的连线中点)的两个差速轮的轮速、实现无轨游览车两个拍照读头沿预设在行走路径上的颜色码带轨迹的导引行走。该方法操作简单，能准确控制无轨游览车循迹行走，易于在实际应用的无轨游览车上使用，具有很强的实操性。

Description

一种无轨游览车的循迹控制方法

技术领域

本发明涉及游览车控制领域，尤其涉及一种无轨游览车的循迹控制方法。

背景技术

游览车是主题乐园中广泛使用的一种载人设备，一般室内游览车项目主要以有轨游览车为主；受其轨道限制，有轨游览车的行驶路径不能根据游乐体验需求改变而灵活改变，若想改变运行路径存在改变的费用成本高、智能化和柔性水平低。因此，借鉴成熟的轮式移动机器人应用案例-AGV(Automated Guided Vehicles)自动导航车的经验理念，轮式无轨游览车被移植引入到游乐行业。其装备有自动导向系统，可以保障车身在不需要人工引航的情况下就能够顺利沿预定的路线自动行驶，将游客自动有序运送到各场景体验区，具有灵活、轻便、自动化水平高等典型特点。

目前的商用AGV的控制导引方式多为磁导或激光导引等目标路径导引方式，一般只需导航、无需定位；也有使用惯性传感器(磁罗盘、陀螺仪、加速度计)等进行先定位后导航的无路径导引式方式；其实现路径和方向变换的具体硬件结构形式一般分为转向舵轮式和差速轮式；他们一般体积尺寸小、负载轻且行驶速度低，但现有AGV的控制方法多存在路径定制性，商业保护性、一般不开源等技术问题，无法简单获取其控制方法用于无轨游览车的控制。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种无轨游览车的循迹控制方法，能实现在设定的行走路径对无轨游览车进行准确的循迹控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种无轨游览车的循迹控制方法，用于在规划的行走路径对无轨游览车进行循迹行走控制，包括以下步骤：

步骤1)设置颜色码带和拍照读头：

沿规划的行走路径张贴PGV的颜色码带；

在所述无轨游览车的底部前、后端分别布置扫描所述颜色码带的前、后拍照读头，前、后拍照读头之间连线的中点与所述无轨游览车的差速轮轴中点重合；

步骤2)对无轨游览车行走时通过前、后拍照读头获取的数据进行转换处理：

通过以下公式计算将前、后拍照读头反馈的横向距离偏差转换到差速轮轴中点的距离偏差和方向角度偏差，具体为：

上式(1)和式(2)中，e为中点距离偏差，是差速轮轴中点与行走路径的横向距离偏差；e₁为前距离偏差，是前拍照读头与行走路径之间的横向距离偏差；e₂为后距离偏差，是后拍照读头与行走路径的横向距离偏差；α为方向角度偏差，是所述无轨游览车的车身实际行走方向与期望行走方向之间的角度偏差；L为前、后拍照读头之间的距离；

步骤3)通过差速轮轴中点的距离偏差和方向角度偏差闭环控制差速轮的轮速：

差速轮的控制量Δv按以下公式确定：

Δv＝k1·α+k2·e (3)；

vr＝v±Δv (4)；

上述式(3)、(4)和(5)中，Δv为差速轮的控制量；α为方向角度偏差；e为中点距离偏差；k1、k2为误差反馈控制系数，k1、k2与Δv的具体数值采用模糊逻辑控制法量化得出；v为差速轮轴中点速度；vr为右轮的轮速；vl为左轮的轮速；

步骤4)按上述步骤3确定的差速轮的控制量，进行所述无轨游览车的差速轮的轮速控制，实现所述无轨游览车在规划的行走路径上循迹行走。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的无轨游览车的循迹控制方法，其有益效果为：

通过沿规划的行走路径张贴PGV的颜色码带，并在无轨游览车的底部前、后端分别布置扫描所述颜色码带的前、后拍照读头，进而能获取无轨游览车行走时相对于规划的行走路径的偏差，依据获取的偏差确定该无轨游览车差速轮的控制量，实现对无轨游览车在规划的行走路径上的准确循迹行走控制。该方法操作简单，控制准确，易于在实际应用的无轨游览车上使用，具有很强的实操性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的无轨游览车的循迹控制方法的车身状态示意图；

图2为本发明实施例提供的无轨游览车的循迹控制方法的规划的行走路径示意图；

图3为本发明实施例提供的循迹控制方法中计算k1、k2的模糊逻辑控制方法的框图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

参见图1，本发明实施例提供一种无轨游览车的循迹控制方法，用于在规划的行走路径对无轨游览车进行循迹行走控制，包括以下步骤：

步骤1)设置颜色码带和拍照读头：

沿规划的行走路径张贴PGV的颜色码带；

在所述无轨游览车的底部前、后端分别布置扫描所述颜色码带的前、后拍照读头，前、后拍照读头之间连线的中点与所述无轨游览车的差速轮轴中点重合；

步骤2)对无轨游览车行走时通过前、后拍照读头获取的数据进行转换处理：

通过以下公式计算将前、后拍照读头反馈的横向距离偏差转换到差速轮轴中点的距离偏差和方向角度偏差，具体为：

上式(1)和式(2)中，e为中点距离偏差，是差速轮轴中点与行走路径的横向距离偏差；e₁为前距离偏差，是前拍照读头与行走路径之间的横向距离偏差；e₂为后距离偏差，是后拍照读头与行走路径的横向距离偏差；α为方向角度偏差，是所述无轨游览车的车身8实际行走方向与期望行走方向之间的角度偏差；L为前、后拍照读头之间的距离；

步骤3)通过差速轮轴中点的距离偏差和角度偏差闭环控制差速轮的轮速：

差速轮的控制量Δv按以下公式确定：

Δv＝k1·α+k2·e (3)；

vr＝v±Δv (4)；

上述式(3)、(4)和(5)中，Δv为差速轮的控制量；α为方向角度偏差；e为中点距离偏差；k1、k2为误差反馈控制系数，k1、k2与Δv的具体数值量采用模糊逻辑控制法量化得出；v为差速轮轴中点速度；vr为右轮的轮速；vl为左轮的轮速；

步骤4)按上述步骤3确定的差速轮的控制量，进行所述无轨游览车的差速轮的轮速控制，实现所述无轨游览车在规划的行走路径上循迹行走。

上述循迹控制方法中，规划的行走路径为由直线和圆弧连接而成的组合线路。这种组合路线能使颜色码带张贴尽可能的准确可控且易定位。

上述循迹控制方法的步骤3)中，数值的确定方式如下：

所述方法步骤3)中，k1、k2与Δv的具体数值采用模糊逻辑控制法量化得出(具体计算方法见后续的“确定控制参数(k1、k2与Δv)的模糊逻辑控制方法”)。

上述循迹控制方法中，所述前、后拍照读头之间的距离越短越好、建议不超过1m。这样具有使前、后两个读头不过分偏离行走路径以及导引过渡距离尽可能短的优点。

在无轨游览车行走过程中，因组合路线的曲率跳变不连续的直线和圆弧过渡处，车身方向若始终取路径切线方向，则车身转向也将存在跳变，本发明的循迹控制方法具有纠偏的功能，可避免无轨游览车的行走冲击和产生较大的跟踪误差，通过前、后拍照读头的双点定向对行车方向进行控制，在直线和圆弧过渡处能很好的引导车身顺滑行走。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

参见图1，本发明实施例提供的无轨游览车的循迹控制方法，是一种双点定向、码带导引控制差速转向的方法，能实现无轨游览车沿规划的行走路径进行循迹行走控制，具有实操简易的优点。该方法的实现方式具体为：选用现有商用的PGV光学导航系统，包括导引路径的颜色码带和扫描颜色码带的拍照读头(拍照读头能扫描路径上的颜色码带，输出拍照读头位置到颜色码带位置的横向距离偏差和方向角度偏差)，在规划的行走路径上张贴PGV的颜色码带；并在无轨游览车底部前、后位置分别布置前、后拍照读头、以前、后两个拍照读头读取的横向距离偏差作为主要的数据反馈源，经过计算转换得到前、后拍照读头连线中点(与差速轮轴中点重合)偏离行走路径的距离偏差和方向角度偏差，控制定轴连线经过该主控点(两个拍照读头的连线中点)的两个差速轮的轮速、实现无轨游览车双(读头)点沿预设在行走路径上的颜色码带轨迹的导引行走。

上述方法的具体的实现步骤如下：

(1)路径和读头布置：

为使颜色码带张贴尽可能的准确可控易定位，规划路径设计为直线和圆弧的组合线路。但这种组合连线在直线和圆弧过渡处曲率跳变不连续，车身方向若始终取路径切线方向，则车身转向也将存在跳变，这将导致无轨车的行走冲击并产生将大的跟踪误差，本发明通过采用双点定向的行车方向控制，在组合连线的直线和圆弧过渡处可很好引导无轨游览车的车身顺滑行走。如图2所示，从前拍照读头进入行走路径中的过渡点(直线和圆弧切点)始，即以两个拍照读头的弦长(即前、后拍照之间连线的长度)在行走路径上逐渐变换角度引导无轨游览车的车身改变方向直至顺滑进入圆弧段，此时的差速轮主控点的曲率半径实现从无穷大过渡到(规划的行走路径的弧形段半径²-(弦长/2)²)^0.5，当然为了两个拍照读头不过分偏离路径、以及导引过渡距离尽可能的短，布置在无轨游览车底部的两个拍照读头之间的距离(弦长)越短越好。图2中，1为行走路径的第一切线点；2为无轨游览车的车身开始出行走路径中的圆弧段的点；3为车身完全进入圆弧段的点；4为车身开始转向到完全进入圆弧外差速轮轨迹；5为行走路径的第二切线点；6为车身开始转向到完全进入圆弧段的差速轮轴的中点轨迹；7为车身开始转向到完全进入圆弧段内差速轮的轨迹；8为无轨游览车的车身方向；

(2)双读头数据反馈到主控点的距离和角度偏差数据转换：

参见图1标示，以下计算中各符号为：

L为前、后拍照读头之间的距离；

e₁、e₂、e分别为：前、后拍照读头和它们的连线中点(与差速轮轴中点重合)的距离偏差；

α为无轨游览车的车身实际行走方向和期望行走方向之间的方向角度偏差；

则前、后拍照读头反馈的横向距离偏差转换到差速轮轴中点的距离偏差和角度偏差可按以下公式计算：

(3)根据差速轮轴中点的距离偏差和角度偏差闭环控制差速轮轮速：

经过上述式(1)(2)计算得到差速轮轴中点的距离偏差e和方向角度偏差α后，则差速轮的控制量Δv为：

Δv＝k1·α+k2·e (3)；

vr＝v±Δv (4)；

上述式(3)至(5)中，k1、k2与Δv的具体数值使用模糊逻辑控制法量化得出(该方法可查阅现有很多规范操作应用得出，详细计算方法见附录)，该方法适用性强、效果稳定。

(4)确定控制参数(k1、k2与Δv)的模糊逻辑控制方法的方式如下(参见图3)：

该模糊逻辑控制方法已有较成熟通用的计算机构造方法体系，能够通过软件容易实现。对于输入量为方向角度偏差α和距离偏差e，在每一个采样时刻、对采样值α和e进行量程转换，即乘以输入值域的量化比例因子K1和K2，将输入的物理信号值转化成输入值域库上的点，然后通过查询模糊控制表得到控制输出(此时它是输出值域库上的点)，再乘以比例因子K3后进行量程转换，得到实际硬件接口所要求的精确物理量。具体操作步骤(可借助数学工具Matlab fuzzy工具完成)如下：

(a)变量模糊化：

设α、e、ΔV的取值范围分别为[-42°，42°]，[-70mm，70mm]，[-0.7V，0.7V]，其中α、e为输入量，ΔV为输出量。

模糊语言词集为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB)。

为确保模糊集合能较好的覆盖输入量取值、避免出现失控，选取三个变量的量化等级均为15级，即为{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}，各比例因子为：K1＝7/42＝1/6 K2＝7/70＝0.1 K3＝0.7V/7＝0.1V。

选取三个变量的隶属度函数均为均匀且对称的全交迭的三角形函数，量化后如下表所示：

变量隶属度函数表

(b)规则库建立及推理：

对变量进行模糊化并建立隶属度函数后，将需要再建立系统的控制规则库。所谓规则库是根据控制目的和控制策略给出一套自由变量描述的并由专家或自学习产生的控制规则的集合(如下表)。

模糊规则表

(c)解模糊化：

推理后，必须要有一个确定的值才能去控制或者驱动执行机构，在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就称为解模糊。解模糊的方法通常有最大隶属度平均法、重心法以及加权平均法。其中最大隶属度法是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素值作为输出结果，如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取他们的平均值作为输出结果。本文选取重心法解模糊。

重心法是指取模糊隶属度曲线与横坐标围成面积的中心为模糊推理最终输出值，对于具有m个输出量化级数的离散论域有计算公式：

Av＝v₀·K3

其中，v_k，μ_v(v_k)分别为输入量的量化值及相应的隶属度值，K3为ΔV的模糊化比例系数。上述公式解模糊后输入量α、e对应的输出量v₀控制表为：

模糊控制表

按上述模糊逻辑控制方法能确定控制参数k1、k2与Δv，用于本发明的循迹控制方法中，能稳定控制无轨游览车循迹运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无轨游览车的循迹控制方法，其特征在于，用于在规划的行走路径对无轨游览车进行循迹行走控制，包括以下步骤：

步骤1)设置颜色码带和拍照读头：

沿规划的行走路径张贴PGV的颜色码带；

在所述无轨游览车的底部前、后端分别布置扫描所述颜色码带的前、后拍照读头，前、后拍照读头之间连线的中点与所述无轨游览车的差速轮轴中点重合；

步骤2)对无轨游览车行走时通过前、后拍照读头获取的数据进行转换处理：

通过以下公式计算将前、后拍照读头反馈的横向距离偏差转换到差速轮轴中点的距离偏差和方向角度偏差，具体为：

上式(1)和式(2)中，e为中点距离偏差，是差速轮轴中点与行走路径的横向距离偏差；e₁为前距离偏差，是前拍照读头与行走路径之间的横向距离偏差；e₂为后距离偏差，是后拍照读头与行走路径的横向距离偏差；α为方向角度偏差，是所述无轨游览车的车身8实际行走方向与期望行走方向之间的角度偏差；L为前、后拍照读头之间的距离；

步骤3)通过差速轮轴中点的距离偏差和方向角度偏差闭环控制差速轮的轮速：

差速轮的控制量Δv按以下公式确定：

Δv＝k1·α+k2·e (3)；

vr＝v±Δv (4)；

上述式(3)、(4)和(5)中，Δv为差速轮的控制量；α为方向角度偏差；e为中点距离偏差；k1、k2为误差反馈控制系数，k1、k2与Δv的具体数值采用模糊逻辑控制法量化得出；v为差速轮轴中点速度；vr为右轮的轮速；vl为左轮的轮速；

步骤4)按上述步骤3确定的差速轮的控制量，进行所述无轨游览车的差速轮的轮速控制，实现所述无轨游览车在规划的行走路径上循迹行走。

2.根据权利要求1所述的无轨游览车的循迹控制方法，其特征在于，所述规划的行走路径为由直线和圆弧连接而成的组合线路。

3.根据权利要求1或2所述的无轨游览车的循迹控制方法，其特征在于，所述方法步骤3)中，k1、k2数值的确定方式如下：

采用模糊逻辑控制方法计算k1、k2与Δv数值。

4.根据权利要求1或2所述的无轨游览车的循迹控制方法，其特征在于，所述前、后拍照读头之间的距离不大于1m。