CN111007861B - 轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人 - Google Patents

轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人，涉及导航技术领域，方法包括：当机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外时，根据目标航道的目标航向角确定中间航向角；基于S型曲线算法、中间航向角和目标航向角生成机器人的目标行驶路线；控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道。本发明能够有效提升机器人行驶的稳定性。

Description

轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人
技术领域
本发明涉及导航技术领域，尤其是涉及一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人。
背景技术
轨迹跟踪控制是指从初始位置开始控制移动机器人沿着平稳的轨迹快速行驶至目标位置。然而现有的轨迹跟踪控制算法的稳定性并不理想，容易出现轨迹震荡的情况。诸如目前常见的轨迹跟踪控制算法有：PID(Proportion-Integral-Differential，比例-积分-微分)算法，模糊控制算法和L1轨迹跟踪算法。其中，PID算法和模糊控制算法在机器人当前偏差较大且电机响应性能有一定延迟的情况下，可能会出现控制量超调和偏差不收敛等问题，导致机器人航向偏差被放大，出现震荡的情况。而L1轨迹跟踪算法在曲率变化较大时可能发生机器人无法跟踪新规划的路径的情况，从而无法达到平稳快速地到达目标位置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人，能够有效提升机器人行驶的稳定性。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种轨迹跟踪控制方法，所述方法包括：当机器人的航向与目标航道平行且所述机器人位于所述目标航道之外时，根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，所述中间航向角为所述机器人在达到所述目标航向角之前预先达到的航向角调整结果；基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线；控制所述机器人按照所述目标行驶路线进入所述目标航道。
进一步，所述根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角的步骤，包括：判断所述机器人的当前路线是否位于所述目标航道的同一侧；其中，所述当前路线为当所述机器人的航向与目标航道平行时，所述机器人的已有路线；如果位于同一侧，将所述目标航向角和预设的航向角调整阈值之间的差值确定为中间航向角；如果位于两侧，将所述目标航向角和所述航向角调整阈值之和确定为中间航向角。
进一步，所述基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：从所述机器人当前所处的第一位置开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第一行驶路线的航向角达到所述中间航向角时，将当前预测出的所述第一行驶路线的结束位置确定为所述机器人的第二位置；从所述第二位置开始，基于S型曲线算法预测所述机器人的第二行驶路线；其中，预测出的所述第二行驶路线为航向角达到所述目标航向角的路线；基于所述第一行驶路线和所述第二行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线。
进一步，所述基于所述第一行驶路线和所述第二行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：判断所述第二行驶路线的结束位置是否位于所述目标航道上；如果是，将所述第一行驶路线和所述第二行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线；如果否，判断所述第二行驶路线和所述目标航道的线段位置关系是否为所述第二行驶路线位于所述目标航道的同一侧，基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线。
进一步，所述线段位置关系的判断结果包括：所述第二行驶路线位于所述目标航道的同一侧；所述基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：将所述第二行驶路线沿着所述第一行驶路线的切线方向平移，直至所述第二行驶路线的结束位置位于所述目标航道上；在所述第一行驶路线和平移之后的第二行驶路线之间生成直线路线；将所述第一行驶路线、所述直线路线和所述第二行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线。
进一步，所述线段位置关系的判断结果包括：所述第二行驶路线位于所述目标航道的两侧；所述基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：采用二分法在所述第一行驶路线中查找位置点，从查找到的当前位置点开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第三行驶路线的航向角达到所述目标航向角，且当前预测出的所述第三行驶路线的结束位置位于所述目标航道上时，将查找到的所述当前位置点确定为第三位置；在所述第一行驶路线中截取所述第三位置之前的路线；将截取的路线和所述第三行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线。
进一步，所述方法还包括：从初始位置开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测；其中，所述初始位置为所述目标航道之外的任意位置；在当前预测出的初始行驶路线的航向与所述目标航道平行时，检测所述初始行驶路线的结束位置是否位于所述目标航道上；如果否，确定所述机器人位于所述目标航道之外。
进一步，所述方法还包括：根据S型曲线算法控制所述机器人从初始位置向目标航道行驶；其中，所述初始位置为所述目标航道之外的任意位置；在所述机器人从所述初始位置向所述目标航道行驶过程中，检测所述机器人的航向角是否与所述目标航道的目标航向角相同；如果是，确定所述机器人的航向与所述目标航道平行。
进一步，所述方法还包括：检测所述机器人的路线曲率是否与所述目标航道的曲率相同；如果所述机器人的路线曲率与所述目标航道的曲率相同且所述机器人的航向与所述目标航道平行，检测所述机器人是否位于所述目标航道上；如果位于所述目标航道上，确定所述机器人进入所述目标航道。
进一步，所述方法还包括：设置所述S型曲线算法的约束条件；其中，所述约束条件包括：所述目标行驶路线对应的路线曲率的最大值、航向角调整阈值和路线曲率变化率的最大值。
进一步，所述路线曲率的最大值的设置方式包括：获取所述机器人预设的最大加速度和最大线速度；根据所述最大加速度和所述最大线速度设置所述路线曲率的最大值。
进一步，所述路线曲率变化率的最大值的设置方式包括：获取所述机器人预设的最大加加速度和最大线速度；根据所述最大加加速度和所述最大线速度设置所述路线曲率变化率的最大值。
第二方面，本发明实施例还提供一种轨迹跟踪控制装置，所述装置包括：中间航向角确定模块，用于当机器人的航向与目标航道平行且所述机器人位于所述目标航道之外时，根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，所述中间航向角为所述机器人在达到所述目标航向角之前预先达到的航向角调整结果；行驶路线生成模块，用于基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线；控制模块，用于控制所述机器人按照所述目标行驶路线进入所述目标航道。
第三方面，本发明实施例提供了一种轨迹跟踪控制系统，所述系统包括：处理器和存储装置；所述存储装置上存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时执行如第一方面任一项所述的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种移动机器人，所述移动机器人上设置有如第三方面所述的轨迹跟踪控制系统。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面任一项所述的方法的步骤。
本发明实施例提供了一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人，首先当机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外时，根据目标航道的目标航向角确定中间航向角；然后基于S型曲线算法、中间航向角和目标航向角生成机器人的目标行驶路线，以控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道。本实施例提供的上述方式，基于S型曲线算法能够预测得到回旋线线形的目标行驶路线，该路线具有较好的连续性；并在预测目标行驶路线过程中，通过结合机器人先后要达到的中间航向角和目标航向角，可以令机器人在行驶路线上的航向与距离目标航道的偏差进行同步调整，从而有效地提升了机器人行驶的稳定性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种电子设备的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种轨迹跟踪控制方法流程图；
图3示出了本发明实施例所提供的在场景一中机器人的预测路线示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的在场景二中机器人的行驶路线示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的一种进入行驶路线的示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的一种调整中间航向角的示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的另一种轨迹跟踪控制方法流程图；
图8示出了本发明实施例所提供的另一种进入行驶路线的示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的一种轨迹跟踪控制装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
现有的诸如PID算法和模糊控制算法等轨迹跟踪算法在应用于机器人轨迹跟踪控制时，存在轨迹震荡、机器人行驶稳定性较差的问题。基于此，为改善以上问题至少之一，本发明实施例提供了一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人，该技术不仅可以应用于工业生产物流、商业配送物流等领域，实现移动机器人(如AGV小车)行驶路径的控制等功能。
实施例一：
首先，参照图1来描述用于实现本发明实施例的轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人的示例电子设备100。
如图1所示的一种电子设备的结构示意图，电子设备100包括一个或多个处理器102以及一个或多个存储装置104，这些组件通过总线系统112和/或其它形式的连接机构(未示出)互连。可选地，电子设备100还可以包括输入装置106、输出装置108以及图像采集装置110。应当注意，图1所示的电子设备100的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，所述电子设备可以具有图1所示出的部分组件和结构，也可以具有图1未示出的其他组件和结构。
所述处理器102可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述电子设备100中的其它组件以执行期望的功能。
所述存储装置104可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器102可以运行所述程序指令，以实现下文所述的本发明实施例中(由处理器实现)的客户端功能以及/或者其它期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储各种应用程序和各种数据，例如所述应用程序使用和/或产生的各种数据等。
所述输入装置106可以是用户用来输入指令的装置，并且可以包括键盘、鼠标、麦克风和触摸屏等中的一个或多个。
所述输出装置108可以向外部(例如，用户)输出各种信息(例如，图像或声音)，并且可以包括显示器、扬声器等中的一个或多个。
所述图像采集装置110可以拍摄用户期望的图像(例如照片、视频等)，并且将所拍摄的图像存储在所述存储装置104中以供其它组件使用。
示例性地，用于实现根据本发明实施例的一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人的示例电子设备可以被实现为诸如移动机器人、移动机器人内部的控制系统、或者可控制移动机器人的独立控制系统等智能终端。
实施例二：
参照图2所示的一种轨迹跟踪控制方法的流程图，该方法具体包括如下步骤：
步骤S202，当机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外时，根据目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，中间航向角为机器人在达到目标航向角之前预先达到的航向角调整结果。
在实际应用中，机器人可以为AGV小车等移动机器人；目标航道为基于机器人导航路径上的定位标识确定的一条直线，定位标识诸如二维码标识、指示牌和标志杆等等；以二维码标识为例，该目标航道可以是导航路径上连接两个二维码标识中心点的直线。
当机器人达到航向与目标航道平行且位于目标航道之外这一状态时，为了使机器人快速平稳地进入目标航道，可以在机器人最终达到目标航向角之前，将机器人需要达到的航向角先调整为中间航向角。本实施例中的航向或者航向角一般是一段行驶路线最后轨迹点处的航向或航向角。可以理解的是，当机器人达到上述状态时，机器人的已有路线可能位于目标航道的同侧或者两侧，针对同侧或者两侧的不同情况，本实施例利用目标航道来调整中间航向角，令机器人在行驶路线上的航向与距离目标航道的偏差进行同步调整，确保机器人需要到达的航向角总是指向目标航道的。
步骤S204，基于S型曲线算法、中间航向角和目标航向角生成机器人的目标行驶路线。
在本实施例中，S型曲线算法是一种受到速度、加速度、曲率和航向角等参数约束的S型速度规划的算法。基于S型曲线算法预测机器人行驶的行驶路线，该行驶路线为机器人先行驶到达中间航向角，后由到达中间航向角的位置继续行驶至到达目标航向角，从而生成的机器人的目标行驶路线。基于S型曲线算法生成的行驶路线的线形为回旋线，回旋线线形的行驶路线能够实现路线曲率连续变化，从而有效提升机器人行驶的稳定性，较好地避免震荡情况的发生。
步骤S206，控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道。
本发明实施例提供的上述轨迹跟踪控制方式，基于S型曲线算法能够预测得到回旋线线形的目标行驶路线，该路线具有较好的连续性；并在预测目标行驶路线过程中，通过结合机器人先后要达到的中间航向角和目标航向角，可以令机器人在行驶路线上的航向与距离目标航道的偏差进行同步调整，从而有效地提升了机器人行驶的稳定性。
为了便于理解上述步骤S202中机器人所达到的航向与目标航道平行且位于目标航道之外这一状态，本实施例给出如下两种不同场景下该状态的确定方式。
场景一：该场景为机器人处于静止状态下预测机器人要行驶的路线。在此场景下，可以参照如下步骤(a)和(b)以确定机器人所达到的上述状态：
(a)从初始位置开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测；其中，初始位置为目标航道之外的任意位置。
为了便于描述，可以参照图3，图3中的虚线表示当前预测出的行驶路线。将初始位置处机器人的状态表示为(x1,y1,θ1,k1)，(x1,y1)分别表示机器人初始位置在横向(x轴)和纵向(y轴)的坐标；与机器人的状态相对应的，目标航道也可以采用状态来表示，为(xt,y,θt,kt)，xt表示目标航道在x轴上的位置，由于目标航道是垂直于x轴的直线，故其参数y并不限定具体的数值，目标航道的航向角θt即为机器人行驶的目标航向角，同样的，目标航道的曲率kt即为机器人行驶的目标路线曲率。
(b)在当前预测出的初始行驶路线的航向与目标航道平行时，检测初始行驶路线的结束位置是否位于目标航道上；如果否，确定机器人位于目标航道之外。该步骤也可以理解为，当初始行驶路线的航向角等于目标航道的航向角θt时，初始行驶路线的结束位置的横坐标(假设为x2)不等于目标航道的横坐标xt，在此情况下，确定机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外。
场景二：该场景为机器人处于行驶状态中预测机器人接下来要行驶的路线。在此场景下，可以参照如下步骤(1)和(2)以确定机器人所达到的上述状态：
(1)根据S型曲线算法控制机器人从初始位置向目标航道行驶；其中，初始位置为机器人行驶过程中，机器人所处的目标航道之外的任意位置。可以参照图4，其中的较粗曲线表示机器人从初始位置向目标航道行驶时走过的路线。机器人从初始位置向目标航道行驶，表示机器人还未达到目标航道，也即此时机器人位于目标航道之外。
(2)在机器人从初始位置向目标航道行驶过程中，检测机器人的航向角是否与目标航道的目标航向角相同；如果相同，也即较粗曲线所表示的行驶路线的航向角等于目标航道的航向角θt，确定机器人的航线与目标航道平行。在此情况下，确定机器人满足上述状态，即机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外。
在本实施例提供的轨迹跟踪控制方法中，考虑到用于表征路线的参数除了上述航向角之外，还可以包括路线曲率。为了提升路线预测的可靠性，本实施例还可以针对轨迹跟踪控制的多个过程，进一步考虑对路线曲率的检测和判断；其中，轨迹跟踪控制的多个过程诸如：上述场景一或场景二中确定机器人状态的过程，上述步骤S204中生成目标行驶路线的过程等。
基于此，本实施例可以包括如下所示的路线曲率的检测方法：检测机器人的路线曲率是否与目标航道的曲率kt(也可称为目标曲率)相同；如果机器人的路线曲率与目标航道的曲率相同且机器人的航向与目标航道平行，检测机器人是否位于目标航道上。如果机器人位于目标航道上，确定机器人进入目标航道。在此情况下，可参照如图5所示的进入行驶路线的示意图，机器人的路线曲率与目标航道的曲率相同、机器人的航向角与目标航道角相同且机器人位于目标航道上，表示机器人已成功进入目标航道并继续沿着目标航道行驶即可。如果机器人位于目标航道之外，根据目标航向角确定中间航向角。在此情况下，机器人的路线曲率与目标航道的曲率相同、机器人的航向与目标航道平行、但机器人仍位于目标航道之外，可以通过调整机器人要达到的中间航向角以使机器人向着目标航道继续行驶。
为了防止行驶过程中机器人的震荡较大以及考虑到机器人电机的运动能力，本实施针对S型曲线算法这一影响行驶路线的关键因素进行展开描述，具体可参照如下所示：设置S型曲线算法的约束条件；其中，约束条件包括：目标行驶路线对应的路线曲率的最大值、航向角调整阈值和路线曲率变化率的最大值。
航向角调整阈值(表示为)为机器人在行驶过程中航向角的最大调整值，设置航向角调整阈值是为了防止行驶过程中机器人晃动过大，航向角调整阈值的大小诸如可以设置于[0.02rad,0.04rad]范围内。
在实际应用中，电机的运动能力可以包括但不限于如下参数：机器人行驶的最大加速度为A、最大减速度为D、最大加加速度为J和最大线速度Vm。基于以上体现电机的运动能力的参数，可以设置约束S型曲线算法的路线曲率的最大值kmax和路线曲率变化率的最大值
行驶路线的弯曲程度较大时，会影响机器人行驶的稳定性，机器人容易发生歪斜。路线曲率用于衡量行驶路线的弯曲程度，通过设置路线曲率的最大值，可以有效限制行驶路线的弯度，从而提升机器人行驶稳定性。路线曲率的最大值kmax的设置方式包括：获取机器人预设的最大加速度A和最大线速度Vm；根据最大加速度A和最大线速度Vm设置路线曲率的最大值，如以下公式所示：
行驶路线的路线曲率变化过快时(如急转弯)，不但会造成行驶路线的连续性较差，而且机器人出于惯性作用，也容易发生歪斜等不稳定状态。路线曲率变化率表示路线曲率的变化快慢，也即能够衡量行驶路线的弯度变化大小，通过设置路线曲率变化率的最大值，可以有效限制路线曲率的变化快慢，从而提升行驶路线的连续性和机器人行驶稳定性。路线曲率变化率的最大值的设置方式包括：获取机器人预设的最大加加速度J和最大线速度Vm；根据最大加加速度J和最大线速度Vm设置路线曲率变化率的最大值如以下公式所示：/>
通过上述方式确定具有约束条件的S型曲线算法，并基于该S型曲线算法生成机器人的目标行驶路线，使得在控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道的过程中，能够行驶平稳、减少震动。
在基于S型曲线算法生成机器人的目标行驶路线的过程中，为了提升机器人行驶的稳定性，可以令机器人的航向先达到中间航向角、再达到目标航向角。对于其中的中间航向角，本实施例提供了一种确定中间航向角的方法，具体可参照如下所示：
首先判断机器人的当前路线是否位于目标航道的同一侧；其中，当前路线为当机器人的航向与目标航道平行时，机器人的已有路线。在上述场景一中，当前路线为从初始位置开始已预测出的初始行驶路线，诸如图3中虚线所示的路线。或者，在上述场景二中，当前路线为机器人已行驶过的路线，且该路线以机器人的航向与目标航道平行时的位置为结束位置，诸如图4中较粗曲线所示的路线。在具体判断时，可以将机器人当前路线上轨迹点的x轴坐标与目标航道x轴坐标进行比较，以判断机器人的当前路线是否位于目标航道的同一侧。如图6所示，针对机器人的当前路线位于目标航道的同侧(如实线所示)和位于目标航道两侧(如虚线所示)的情况，基于目标航向角(表示为θt)调整后的中间航向角(表示为θm)是不同的。如果位于同一侧，将目标航向角和预设的航向角调整阈值之间的差值确定为中间航向角，即如果位于两侧，将目标航向角和航向角调整阈值之和确定为中间航向角，即/>可以看出，在同侧或两侧的不同情况下，调整后的中间航向角均是偏向目标航道的。
根据上述的S型曲线算法、中间航向角和目标航向角，本实施例提供了一种生成机器人的目标行驶路线的可能方式，主要包括如下步骤一至步骤三：
步骤一、从机器人当前所处的第一位置开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第一行驶路线的航向角达到中间航向角时，将当前预测出的第一行驶路线的结束位置确定为机器人的第二位置。其中，在不同的场景中，第一位置并不相同。参照图3所示的场景一，由于预测出的初始行驶路线无法成功进入目标航道，由此，以预测初始行驶路线的初始位置作为第一位置，重新进行机器人的行驶路线预测；该第一位置处机器人的状态可表示为(x1,y1,θ1,k1)，以该第一位置预测的行驶路线可参照图3中实线所示意的路线。参照图4所示的场景二，由于机器人处于行驶状态，由此将机器人的航向与目标航道平行时机器人的位置确定为第一位置，该第一位置处机器人的状态可表示为(x1,y1,θt,kt)，以该第一位置预测的行驶路线可参照图4中较细曲线所示意的路线。
基于S型曲线算法可以令机器人以最快的效率达到航向角为中间航向角θm以及曲率km＝0的状态，第二位置处机器人的状态可表示为(xm,ym,θm,km)，(xm,ym)为第二位置的坐标；第一行驶路线为回旋曲线，可表示为C1。
步骤二、从第二位置(也即(xm,ym,θm,km))开始，基于S型曲线算法预测机器人的第二行驶路线；其中，预测出的第二行驶路线为航向角达到目标航向角的路线；第二行驶路线可表示为C2，当前机器人的状态可表示为(xn,yn,θt,kt)，(xn,yn)为当前机器人的坐标。
步骤三、基于第一行驶路线C1和第二行驶路线C2生成机器人的目标行驶路线。
考虑到第二行驶路线C2上的机器人可能恰好到达目标航道，也有可能依然并未位于目标航道上，基于此，该步骤三在实际应用中，还可以包括：
先判断第二行驶路线的结束位置是否位于目标航道上；如果位于目标航道上，将第一行驶路线C1和第二行驶路线C2的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线，该目标行驶路线为C1+C2。此时机器人实现了进入目标航道；在此情况下，机器人沿着目标轨迹继续行驶即可。
如果没有位于目标航道上，判断第二行驶路线和目标航道的线段位置关系是否为第二行驶路线C2位于目标航道的同一侧；并基于线段位置关系的判断结果和第一行驶路线C1生成机器人的目标行驶路线。
可以理解的是，线段位置关系的判断结果包括如下两种情况：第二行驶路线C2位于目标航道的同一侧以及第二行驶路线C2位于目标航道的两侧。本实施例针对该两种判断结果分别给出生成机器人的目标行驶路线的方式，参照如下方式一和方式二。
方式一、线段位置关系的判断结果为：第二行驶路线C2位于目标航道的同一侧。在该场景中，生成机器人的目标行驶路线的方式包括如下步骤1至步骤3：
步骤1，将第二行驶路线C2沿着第一行驶路线C1的切线方向平移，直至第二行驶路线C2的结束位置位于目标航道上。
步骤2，在第一行驶路线C1和平移之后的第二行驶路线C2之间生成直线路线L1。可以理解为在第一行驶路线C1和第二行驶路线C2之间插入了一条直线路线L1，该直线路线L1的方向为第一行驶路线C1的切线方向，该直线路线L1在x轴方向的投影长度等于第二行驶路线C2的结束位置与目标航道之间的垂直距离。
步骤3，将第一行驶路线C1、直线路线L1和第二行驶路线C2的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线，该目标行驶路线为C1+L1+C2。
方式二、线段位置关系的判断结果为：第二行驶路线C2位于目标航道的两侧；在该场景中，生成机器人的目标行驶路线的方式包括如下步骤a至步骤c：
步骤a，采用二分法在第一行驶路线C1中查找位置点，从查找到的当前位置点开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第三行驶路线C3的航向角达到目标航向角θt、第三行驶路线C3的路线曲率达到目标曲率kt，且当前预测出的第三行驶路线C3的结束位置位于目标航道上时，将查找到的当前位置点确定为第三位置。
上述步骤a可以理解为：通过迭代的方法在第一行驶路线C1中找到一个位置点s，该位置点能够满足如下条件：从该位置点s开始，基于S型曲线算法能够以最快的效率刚好到达目标航道，即到达(xt,y,θt,kt)的状态。
步骤b，在第一行驶路线C1中截取第三位置之前的路线。截取的路线可表示为C1'。
步骤c，将截取的路线C1'和第三行驶路线C3的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线，该目标行驶路线为：C1'+C3。
当然，以上两种方式仅为对生成机器人的目标行驶路线的方式的示例性说明，在实际应用中，还可以包括其它方式，在此不进行限制。其它方式诸如参照如下步骤1)至4)：
步骤1)，采用二分法在第一行驶路线C1中查找位置点s'，从查找到的当前位置点s'开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第四行驶路线C4的航向角达到目标航向角θt、第四行驶路线C4的路线曲率达到目标曲率kt，且当前预测出的第四行驶路线C4位于目标航道的同一侧时，将查找到的当前位置点确定为第四位置。
步骤2)，在第一行驶路线C1中截取四位置之前的路线。截取的路线可表示为C1”。
步骤3)，在截取的路线C1”和第四行驶路线C4之间插入直线路线L2，插入直线路线L2的方式可参照上述方式一。
步骤4)，将截取的路线C1”、直线路线L2和第四行驶路线C4的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线，该目标行驶路线为：C1”+L2+C4。
相比于方式二中查找的位置点s，在该方式中，第一行驶路线C1中会存在数量更多的位置点s'，从该位置点s'开始能够预测得到满足航向角、路线曲率以及目标航道同侧的第四行驶路线C4，基于此，可以减少查找位置点的迭代次数，从而能够提升目标行驶路线的生成效率。
为了更好地描述上述轨迹跟踪控制方法，本实施例以机器人处于行驶状态中并预测接下来要行驶的路线这一应用场景为例，提供一种综合考虑上述多种情况的轨迹跟踪控制方法，参照如图7所示的另一种轨迹跟踪控制方法流程图和图8所示的另一种进入行驶路线的示意图，该方法可以包括如下步骤：
步骤S702，根据S型曲线算法控制机器人从初始位置P0向目标航道行驶；
步骤S704，检测到机器人的航向与目标航道平行，且机器人的路线曲率与目标航道的曲率相同；在此情况下，根据实际场景执行如下步骤S706或者步骤S708；
步骤S706，机器人位于目标航道上，确定机器人进入目标航道；
步骤S708，机器人不位于目标航道上，记录此时机器人在第一位置P1的状态为(x1,y1,θt,kt)；
步骤S710，判断机器人的当前路线是否位于目标航道的同一侧；根据判断结果确定中间航向角，并基于确定的目标航向角继续执行如下步骤S712；
步骤S712，从P1(x1,y1,θt,kt)开始，基于S型曲线算法进行机器人行驶路线预测，在当前预测出的第一行驶路线C1的航向角达到中间航向角时，将当前预测出的第一行驶路线的结束位置确定为机器人的第二位置P2，记录当前机器人的状态为(xm,ym,θm,km)；
步骤S714，从P2(xm,ym,θm,km)开始，基于S型曲线算法预测机器人的第二行驶路线C2；其中，第二行驶路线C2为航向角达到目标航向角，路线曲率达到目标曲率的路线，记录当前机器人的状态为(xn,yn,θt,kt)；
步骤S716，判断机器人是否位于目标航道上；如果位于(即xn＝xt)，执行如下步骤S718，如果不位于，执行如下步骤S720；
步骤S718，将第一行驶路线C1和第二行驶路线C2的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线，即C1+C2；该目标行驶路线可参照图8，图8展示了机器人从初始位置开始，基于S型曲线算法预测到的第一行驶路线C1和第二行驶路线C2，并标出了各个位置处机器人的状态。
步骤S720，判断第二行驶路线C2是否位于目标航道的同一侧；如果是同一侧，执行如下步骤S722；如果不是同一侧，执行如下步骤S724；
步骤S722，参照生成机器人的目标行驶路线的方式一(在此不再赘述)，生成目标行驶路线为C1+L1+C2；
步骤S724，参照生成机器人的目标行驶路线的方式二(在此不再赘述)，生成目标行驶路线为C1'+C3；
步骤S726，控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道。
综上，上述实施例提供的轨迹跟踪控制方式，基于S型曲线算法能够预测得到回旋线线形的目标行驶路线，该路线具有较好的连续性；并在预测目标行驶路线过程中，通过结合机器人先后要达到的中间航向角和目标航向角，可以令机器人在行驶路线上的航向与距离目标航道的偏差进行同步调整，从而有效地提升了机器人行驶的稳定性。
实施例三：
基于上述实施例所提供的轨迹跟踪控制方法，本实施例提供一种轨迹跟踪控制装置。参见图9所示的一种轨迹跟踪控制装置的结构框图，该装置包括：
中间航向角确定模块902，用于当机器人的航向与目标航道平行且机器人位于目标航道之外时，根据目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，中间航向角为机器人在达到目标航向角之前预先达到的航向角调整结果；
行驶路线生成模块904，用于基于S型曲线算法、中间航向角和目标航向角生成机器人的目标行驶路线；
控制模块906，用于控制机器人按照目标行驶路线进入目标航道。
本发明实施例提供的上述轨迹跟踪控制装置，基于S型曲线算法能够预测得到回旋线线形的目标行驶路线，该路线具有较好的连续性；并在预测目标行驶路线过程中，通过结合机器人先后要达到的中间航向角和目标航向角，可以令机器人在行驶路线上的航向与距离目标航道的偏差进行同步调整，从而有效地提升了机器人行驶的稳定性。
在一些实施方式中，上述中间航向角确定模块902进一步用于：判断机器人的当前路线是否位于目标航道的同一侧；其中，当前路线为当机器人的航向与目标航道平行时，机器人的已有路线；如果位于同一侧，将目标航向角和预设的航向角调整阈值之间的差值确定为中间航向角；如果位于两侧，将目标航向角和航向角调整阈值之和确定为中间航向角。
在一些实施方式中，上述行驶路线生成模块904进一步用于：从机器人当前所处的第一位置开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第一行驶路线的航向角达到中间航向角时，将当前预测出的第一行驶路线的结束位置确定为机器人的第二位置；从第二位置开始，基于S型曲线算法预测机器人的第二行驶路线；其中，预测出的第二行驶路线为航向角达到目标航向角的路线；基于第一行驶路线和第二行驶路线生成机器人的目标行驶路线。
在一些实施方式中，上述行驶路线生成模块904进一步用于：判断第二行驶路线的结束位置是否位于目标航道上；如果是，将第一行驶路线和第二行驶路线的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线；如果否，判断第二行驶路线和目标航道的线段位置关系是否为第二行驶路线位于目标航道的同一侧，基于线段位置关系的判断结果和第一行驶路线生成机器人的目标行驶路线。
在一些实施方式中，上述线段位置关系的判断结果包括：第二行驶路线位于目标航道的同一侧；上述行驶路线生成模块904进一步用于：将第二行驶路线沿着第一行驶路线的切线方向平移，直至第二行驶路线的结束位置位于目标航道上；在第一行驶路线和平移之后的第二行驶路线之间生成直线路线；将第一行驶路线、直线路线和第二行驶路线的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线。
在一些实施方式中，上述线段位置关系的判断结果包括：第二行驶路线位于目标航道的两侧；上述行驶路线生成模块904进一步用于：采用二分法在第一行驶路线中查找位置点，从查找到的当前位置点开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第三行驶路线的航向角达到目标航向角，且当前预测出的第三行驶路线的结束位置位于目标航道上时，将查找到的当前位置点确定为第三位置；在第一行驶路线中截取第三位置之前的路线；将截取的路线和第三行驶路线的拼接路线确定为机器人的目标行驶路线。
在一些实施方式中，上述轨迹跟踪控制装置还包括检测模块(图中未示出)，该检测模块用于：从初始位置开始，基于S型曲线算法进行机器人的行驶路线预测；其中，初始位置为目标航道之外的任意位置；在当前预测出的初始行驶路线的航向与目标航道平行时，检测初始行驶路线的结束位置是否位于目标航道上；如果否，确定机器人位于目标航道之外。
在一些实施方式中，上述检测模块用于：根据S型曲线算法控制机器人从初始位置向目标航道行驶；其中，初始位置为目标航道之外的任意位置；在机器人从初始位置向目标航道行驶过程中，检测机器人的航向角是否与目标航道的目标航向角相同；如果是，确定机器人的航向与目标航道平行。
在一些实施方式中，上述轨迹跟踪控制装置还包括进入航道确定模块(图中未示出)，该进入航道确定模块用于：检测机器人的路线曲率是否与目标航道的曲率相同；如果机器人的路线曲率与目标航道的曲率相同且机器人的航向与目标航道平行，检测机器人是否位于目标航道上；如果位于目标航道上，确定机器人进入目标航道。
在一些实施方式中，上述轨迹跟踪控制装置还包括算法设置模块(图中未示出)，该算法设置模块用于：设置S型曲线算法的约束条件；其中，约束条件包括：目标行驶路线对应的路线曲率的最大值、航向角调整阈值和路线曲率变化率的最大值。
在一些实施方式中，上述路线曲率的最大值的设置方式包括：获取机器人预设的最大加速度和最大线速度；根据最大加速度和最大线速度设置路线曲率的最大值。
在一些实施方式中，上述路线曲率变化率的最大值的设置方式包括：获取机器人预设的最大加加速度和最大线速度；根据最大加加速度和最大线速度设置路线曲率变化率的最大值。
本实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例二相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考前述实施例二中相应内容。
实施例四：
基于前述实施例，本实施例给出了一种轨迹跟踪控制系统，该系统包括：处理器和存储设备；存储设备上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如实施例二所提供的任一项轨迹跟踪控制方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
进一步，本实施例还提供了一种移动机器人，该移动机器人上设置有上述的轨迹跟踪控制系统。
进一步，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理设备运行时执行上述实施例二提供的任一项方法的步骤，或者，计算机程序被处理设备运行时执行上述实施例三提供的任一项的方法的步骤。
本发明实施例所提供的一种轨迹跟踪控制方法、装置、系统及移动机器人的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：
当机器人的航向与目标航道平行且所述机器人位于所述目标航道之外时，根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，所述目标航道为基于机器人导航路径上的定位标识确定的一条直线；所述中间航向角为所述机器人在达到所述目标航向角之前预先达到的航向角调整结果且所述中间航向角指向所述目标航道；
基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线；其中，所述目标行驶路线为所述S型曲线算法预测的所述机器人先行驶到达所述中间航向角，后由到达所述中间航向角的位置继续行驶到达所述目标航向角的回旋线线形的行驶路线；
控制所述机器人按照所述目标行驶路线进入所述目标航道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角的步骤，包括：
判断所述机器人的当前路线是否位于所述目标航道的同一侧；其中，所述当前路线为当所述机器人的航向与目标航道平行时，所述机器人的已有路线；
如果位于同一侧，将所述目标航向角和预设的航向角调整阈值之间的差值确定为中间航向角；
如果位于两侧，将所述目标航向角和所述航向角调整阈值之和确定为中间航向角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：
从所述机器人当前所处的第一位置开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第一行驶路线的航向角达到所述中间航向角时，将当前预测出的所述第一行驶路线的结束位置确定为所述机器人的第二位置；
从所述第二位置开始，基于S型曲线算法预测所述机器人的第二行驶路线；其中，预测出的所述第二行驶路线为航向角达到所述目标航向角的路线；
基于所述第一行驶路线和所述第二行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一行驶路线和所述第二行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：
判断所述第二行驶路线的结束位置是否位于所述目标航道上；
如果是，将所述第一行驶路线和所述第二行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线；
如果否，判断所述第二行驶路线和所述目标航道的线段位置关系是否为所述第二行驶路线位于所述目标航道的同一侧，基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述线段位置关系的判断结果包括：所述第二行驶路线位于所述目标航道的同一侧；
所述基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：
将所述第二行驶路线沿着所述第一行驶路线的切线方向平移，直至所述第二行驶路线的结束位置位于所述目标航道上；
在所述第一行驶路线和平移之后的第二行驶路线之间生成直线路线；
将所述第一行驶路线、所述直线路线和所述第二行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述线段位置关系的判断结果包括：所述第二行驶路线位于所述目标航道的两侧；
所述基于所述线段位置关系的判断结果和所述第一行驶路线生成所述机器人的目标行驶路线的步骤，包括：
采用二分法在所述第一行驶路线中查找位置点，从查找到的当前位置点开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测，在当前预测出的第三行驶路线的航向角达到所述目标航向角，且当前预测出的所述第三行驶路线的结束位置位于所述目标航道上时，将查找到的所述当前位置点确定为第三位置；
在所述第一行驶路线中截取所述第三位置之前的路线；
将截取的路线和所述第三行驶路线的拼接路线确定为所述机器人的目标行驶路线。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从初始位置开始，基于S型曲线算法进行所述机器人的行驶路线预测；其中，所述初始位置为所述目标航道之外的任意位置；
在当前预测出的初始行驶路线的航向与所述目标航道平行时，检测所述初始行驶路线的结束位置是否位于所述目标航道上；
如果否，确定所述机器人位于所述目标航道之外。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据S型曲线算法控制所述机器人从初始位置向目标航道行驶；其中，所述初始位置为所述目标航道之外的任意位置；
在所述机器人从所述初始位置向所述目标航道行驶过程中，检测所述机器人的航向角是否与所述目标航道的目标航向角相同；
如果是，确定所述机器人的航向与所述目标航道平行。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
检测所述机器人的路线曲率是否与所述目标航道的曲率相同；
如果所述机器人的路线曲率与所述目标航道的曲率相同且所述机器人的航向与所述目标航道平行，检测所述机器人是否位于所述目标航道上；
如果位于所述目标航道上，确定所述机器人进入所述目标航道。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
设置所述S型曲线算法的约束条件；其中，所述约束条件包括：所述目标行驶路线对应的路线曲率的最大值、航向角调整阈值和路线曲率变化率的最大值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述路线曲率的最大值的设置方式包括：
获取所述机器人预设的最大加速度和最大线速度；
根据所述最大加速度和所述最大线速度设置所述路线曲率的最大值。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述路线曲率变化率的最大值的设置方式包括：
获取所述机器人预设的最大加加速度和最大线速度；
根据所述最大加加速度和所述最大线速度设置所述路线曲率变化率的最大值。
13.一种轨迹跟踪控制装置，其特征在于，所述装置包括：
中间航向角确定模块，用于当机器人的航向与目标航道平行且所述机器人位于所述目标航道之外时，根据所述目标航道的目标航向角确定中间航向角；其中，所述目标航道为基于机器人导航路径上的定位标识确定的一条直线；所述中间航向角为所述机器人在达到所述目标航向角之前预先达到的航向角调整结果且所述中间航向角指向所述目标航道；
行驶路线生成模块，用于基于S型曲线算法、所述中间航向角和所述目标航向角生成所述机器人的目标行驶路线；其中，所述目标行驶路线为所述S型曲线算法预测的所述机器人先行驶到达所述中间航向角，后由到达所述中间航向角的位置继续行驶到达所述目标航向角的回旋线线形的行驶路线；
控制模块，用于控制所述机器人按照所述目标行驶路线进入所述目标航道。
14.一种轨迹跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括：处理器和存储装置；
所述存储装置上存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器运行时执行如权利要求1至12任一项所述的方法。
15.一种移动机器人，其特征在于，所述移动机器人上设置有如权利要求14所述的轨迹跟踪控制系统。
16.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求1至12任一项所述的方法的步骤。
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