CN110850876A - 一种无人驾驶设备的自动错距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人驾驶设备的自动错距方法，使用开环控制算法，根据机器的运动学模型，计算机器当前距离误差下的转向角度，根据后退距离信息，下发给执行器固定角度，使机器在最短时间内减小与下一条目标轨迹的距离误差；计算当前轨迹与目标轨迹的距离误差与航向误差，计算转向执行器的控制量，使机器在后退过程中保持直线行驶。本发明实现了从无人驾驶设备进入错距模式、闭环控制直线后退、开环控制前进、退出错距模式的无人驾驶全过程，是无人驾驶设备无人驾驶作业中必要的环节。

Description

一种无人驾驶设备的自动错距方法
技术领域
本发明属于工程机械领域，涉及无人驾驶设备，尤其是一种无人驾驶设备的自动错距方法。
背景技术
无人驾驶设备的错距过程是指无人驾驶设备在作业区域中，完成一条碾压轨迹碾压后，由上一条碾压路径更换到下一条碾压路径的运动过程。错距过程时间的减少，能够增大无人驾驶设备的单位时间作业面积，提高工作效率；错距过程精度的提高，能够避免漏碾、重碾等问题，提高工作质量。
现在无人驾驶设备的错距过程依靠人工进行，耗费人力资源，人工成本高；精度欠缺，人工操作过程中错距的精度无法保证，会产生漏碾、重碾等问题，碾压质量低；速度缓慢，人工操作过程由于只能依靠人眼和经验进行判断，需要多次进行调整，错距速度缓慢，碾压工作效率低。
目前并没有针对无人驾驶设备错距过程的相关的程序或者算法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种无人驾驶设备的自动错距方法，提高了无人驾驶设备错距速度，提高了工作效率。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种无人驾驶设备的自动错距方法，包括：
使用开环控制算法，根据机器的运动学模型，计算机器当前距离误差下的转向角度，根据后退距离信息，下发给执行器固定角度，使机器在最短时间内减小与下一条目标轨迹的距离误差；
计算当前轨迹与目标轨迹的距离误差与航向误差，计算转向执行器的控制量，使机器在后退过程中保持直线行驶。
所述的无人驾驶设备为无人驾驶的碾压机或推土机或拖拉机或收割机或播种机等。
一种无人驾驶设备的自动错距方法，步骤如下：
(1)无人驾驶设备完成上一轨道碾压工作后，达到错距算法的开启条件，错距算法开始运行，相关硬件设备开始工作；
(2)利用GPS传感器获取无人驾驶设备坐标信息与航向信息，利用铰接角传感器测量无人驾驶设备前车体与后车体的交接角度，读取当前无人驾驶设备的运行状态、安全阈值、错距后退目标距离信息；
(3)向无人驾驶设备手柄执行器发送后退指令，使无人驾驶设备后退行驶；
(4)使用开环控制算法，根据无人驾驶设备的运动学模型，计算无人驾驶设备当前距离误差下的转向角度，根据后退距离信息，下发给执行器固定角度，使无人驾驶设备在最短时间内减小与下一条目标轨迹的距离误差；
(5)判断无人驾驶设备后退距离是否达到错距后退目标距离，若已经达到，则执行下一步骤；若没有达到，则返回步骤(3)，再次执行；
(6)向无人驾驶设备手柄执行器发送后退指令，使无人驾驶设备前进行驶；
(7)计算当前轨迹与目标轨迹的距离误差与航向误差，使用闭环反馈控制算法计算转向执行器的控制量，使无人驾驶设备在后退过程中保持直线行驶；
(8)判断无人驾驶设备当前位置是否满足错距精度，若已经达到，则执行下一步骤；若没有达到，则返回步骤(6)，再次执行；
(9)退出无人驾驶设备的错距模式，完成错距过程，进入无人驾驶设备下一工作模式。
而且，步骤(7)所述的距离误差计算公式为：
Figure BDA0002276725570000021
距离误差D_error，起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，当前点P坐标:(X、Y)。
而且，步骤(7)所述的航向误差计算公式为：
Figure BDA0002276725570000022
航向误差H_error，起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，θact为实际行驶航向角，θaim为期望行驶航向角。
而且，所述的闭环反馈控制算法计算转向执行器的控制量的公式为：
方向盘打角增量＝(闭环参数1*距离误差+闭环参数2*距离误差变化率+闭环参数3*航向误差)，
方向盘打角＝从当前位置转方向盘打角增量+无人驾驶设备偏差角*转向半径。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明实现了从无人驾驶设备进入错距模式、闭环控制直线后退、开环控制前进、退出错距模式的无人驾驶全过程，是无人驾驶设备无人驾驶作业中必要的环节。
2、本发明可以实现无人驾驶设备精准错距，错距精度可以达到±10cm，要优于人工作业过程，有助于提高无人驾驶设备作业质量。
3、本发明可以在较短的后退距离内完成错距过程，提高无人驾驶设备错距速度，提高工作效率。经过试验验证，后退或者前进3米即可实现1-2米的错距距离。
4、本发明使用闭环与开环协同的控制方式，相较于单纯的闭环控制，转向执行器执行的作业命令减少，执行器作业能量消耗减少，可以减少整个无人驾驶设备工作的能量消耗。
附图说明
图1为本发明的硬件架构图；
图2为本发明错距算法流程图；
图3为无人驾驶设备运动学模型；
图4为距离误差计算过程图；
图5为航向误差计算过程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明的硬件架构方案如图1所示，包括传感器、算法控制器、输出执行机构。所述的传感器为GPS传感器和铰接角传感器。利用GPS传感器获取无人驾驶设备坐标信息与航向信息，利用铰接角传感器测量无人驾驶设备前车体与后车体的交接角度，并将两信息量发送给算法控制器。所述的输出执行机构为转向执行器与手柄执行器。转向执行器通过控制无人驾驶设备方向盘的转动来控制无人驾驶设备的转动方向，手柄执行器通过调节无人驾驶设备手柄位置来控制无人驾驶设备的速度。在本发明中，手柄执行器与转向执行器通过执行算法控制器的输出量，来调节无人驾驶设备的运行轨迹，实现错距过程。
本发明的错距算法流程如图2所示，由1-9步骤完成：
1.无人驾驶设备完成上一轨道碾压工作后，达到错距算法的开启条件，错距算法开始运行，相关硬件设备开始工作。
2.输入无人驾驶设备的坐标信息(X，Y)、航向信息与铰接角度信息，读取当前无人驾驶设备的运行状态(前进/后退)、安全阈值、错距后退目标距离等信息。
3.向无人驾驶设备手柄执行器发送后退指令，使无人驾驶设备后退行驶。
4.使用开环控制算法，根据无人驾驶设备的运动学模型，计算无人驾驶设备当前距离误差下的转向角度，根据后退距离信息，下发给执行器固定角度，使无人驾驶设备在最短时间内减小与下一条目标轨迹的距离误差。
所述的开环控制算法是根据无人驾驶设备设计原理与执行器性能参数，设置转向角度数组为(700、-700、0)，当无人驾驶设备后退目标距离设置为5米，当后退距离在0-2米时，执行器转向角度为700度；当后退距离在2-4米，执行器转向角度为-700米；当后退距离在4-5米，执行器转向角度为0度。
5.判断无人驾驶设备后退距离是否达到错距后退目标距离，若已经达到，则执行下一步骤；若没有达到，则返回步骤3，再次执行。
6.向无人驾驶设备手柄执行器发送后退指令，使无人驾驶设备前进行驶。
7.计算当前轨迹与目标轨迹的距离误差与航向误差，使用闭环反馈控制算法计算转向执行器的控制量，使无人驾驶设备在后退过程中保持直线行驶。
其中，距离误差计算过程如图4所示，
Figure BDA0002276725570000041
距离误差:D_error,起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，当前点P坐标:(X、Y)
其中，航向误差计算过程如图5所示，
Figure BDA0002276725570000051
航向误差：H_error，起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，θact为实际行驶航向角，θaim为期望行驶航向角。
方向盘打角增量＝(闭环参数1*距离误差+闭环参数2*距离误差变化率+闭环参数3*航向误差)
方向盘打角＝从当前位置转方向盘打角增量+无人驾驶设备偏差角*转向半径
8.判断无人驾驶设备当前位置是否满足错距精度，若已经达到，则执行下一步骤；若没有达到，则返回步骤6，再次执行。
9.退出无人驾驶设备的错距模式，完成错距过程，进入无人驾驶设备下一工作模式。
计算过程举例：
情形1：当前碾压机进入半开环错距过程，后退距离认为设置为5米，开环角度设置为(700，-700,0)，闭环参数1、2、3分别设置为10、5、1。
后退过程：根据后退距离调节当前执行器角度
0—2米，执行器角度＝700度；
2—4米，执行器角度＝-700度；
4—5米，执行器角度＝0度。
前进过程：假设某一时刻距离误差为0.3米，距离误差变化率为0，航向误差为200度。则
执行器角度＝10*0.3+5*0+1*200＝230度
情形2：当前播种机进入错距过程，后退距离认为设置为4米，开环角度设置为(600，-600,0)，闭环参数1、2、3分别设置为50、5、1。
后退过程：根据后退距离调节当前执行器角度
0—2米，执行器角度＝600度；
2—4米，执行器角度＝-600度；
4—5米，执行器角度＝0度。
前进过程：假设某一时刻距离误差为0.5米，距离误差变化率为0，航向误差为100度。则
执行器角度＝50*0.5+5*0+1*100＝125度
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无人驾驶设备的自动错距方法，其特征在于：包括：
使用开环控制算法，根据机器的运动学模型，计算机器当前距离误差下的转向角度，根据后退距离信息，下发给执行器固定角度，使机器在最短时间内减小与下一条目标轨迹的距离误差；
计算当前轨迹与目标轨迹的距离误差与航向误差，计算转向执行器的控制量，使机器在后退过程中保持直线行驶。
2.根据权利要求1所述的无人驾驶设备的自动错距方法，其特征在于：所述的无人驾驶设备为无人驾驶的碾压机或推土机或拖拉机或收割机或播种机。
3.根据权利要求1所述的无人驾驶设备的自动错距方法，其特征在于：所述的距离误差计算公式为：
Figure FDA0002276725560000011
距离误差D_error，起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，当前点P坐标:(X、Y)。
4.根据权利要求1所述的无人驾驶设备的自动错距方法，其特征在于：所述的航向误差计算公式为：
Figure FDA0002276725560000012
航向误差H_error，起点A坐标:(XA、YA)，终点坐标B:(XB、YB)，θact为实际行驶航向角，θaim为期望行驶航向角。
5.根据权利要求1所述的无人驾驶设备的自动错距方法，其特征在于：所述的计算转向执行器的控制量的公式为：
方向盘打角增量＝(闭环参数1*距离误差+闭环参数2*距离误差变化率+闭环参数3*航向误差)，
方向盘打角＝从当前位置转方向盘打角增量+机器偏差角*转向半径。
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