CN111338342A - 一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法 - Google Patents

一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，系统包括：路径输入模块，用于获取指定路径数据；定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角，控制实现自动循迹行驶。

Description

一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法
技术领域
本发明属于工程机械技术领域，涉及一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法。
背景技术
工程机械广泛应用于重大战略工程、基础设施建设中，是支撑我国国民经济发展的战略性产业，起着极其重要的作用。工程机械种类繁多，大致可以分为轮式和履带式两种。轮式工程机械的特点是机动性高，以轮式挖掘机为例，与履带式轮式挖掘机相比，更加适合于城市施工。
在某些特殊行业工程机械作业环境异常恶劣，比如：毒气废气场合、垃圾清理、抢险救灾、隧道开挖、防爆作业、放射性场合作业等。这些恶劣的作业环境给作业人员带来极大的困难和不便，有些作业环境还可能产生有毒气体、发生爆炸或者坍塌的危险，任何工作的开展都不能以牺牲作业人员的健康和生命为代价，因此如何实现工程机械的无人化控制已经成为了现代机械研究的一个重点。
中国专利CN108797669A，一种自主3D挖掘施工机器人，利用机器视觉、卫星定位等相结合，实现自动化行驶及挖掘作业。通过安装于机器上方的摄像机与机器视觉计算机构成机器视觉系统，能够立体地测量环境信息。并与3D设计模型相结合，形成AR增强现实能力，确定作业目标及导航前进方向，在线指定遍历作业范围的导航路线。
现有技术存在以下缺陷：专利CN108797669A的缺点：在自动行驶技术方面主要解决在局部作业区域内自动行驶到作业面的问题，依赖于机器视觉计算机识别作业点或者面，一旦遇到粉尘、浓雾、雨雪等环境时效果不好。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，以保证轮式工程机械能够自动、可靠、稳定、安全地抵达作业地点，不受粉尘、浓雾、雨雪等环境影响，适用于轮式工程机械，具有通用性和普适性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，包括：
路径输入模块，用于获取指定路径数据；
定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；
曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；
轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。
根据本发明的一个实施例，所述轨迹跟踪控制模块，包括：
横向控制模块，其基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；
纵向控制模块，其采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。
根据本发明的一个实施例，所述定位数据采集模块，利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。
根据本发明的一个实施例，所述定位数据采集模块，还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。
根据本发明的一个实施例，所述曲线拟合模块，使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式挖掘机的运行轨迹曲线。
第二方面，提供一种轮式挖掘机，包括搭载在轮式挖掘机上的多种传感器、控制器和所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统；所述多种传感器包括：多线激光雷达、差分GPS、长度传感器和压力传感器；所述控制器接收来自自动循迹行驶控制系统的控制信息来控制轮式挖掘机的底层设备工作。
第三方面，提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，包括：
获取路径数据以及位姿数据、定位数据；
对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；
基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。
根据本发明的一个实施例，获取路径数据，包括：
获取调度系统给定的路径数据(可以以文件的形式下发给自动循迹控制系统)；
或，轮式挖掘机选取一段路径首先进行人工行驶，通过自身的定位数据采集模块，采集轮式挖掘机的轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据。
根据本发明的一个实施例，基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角，包括：基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。
根据本发明的一个实施例，对坐标信息进行坐标转换，包括：利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。
还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。
根据本发明的一个实施例，对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线，包括：使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式工程机械的运行轨迹。
有益效果：本发明提供的一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，以保证轮式工程机械能够自动、可靠、稳定、安全地抵达作业地点，不受粉尘、浓雾、雨雪等环境影响，适用于轮式工程机械，具有通用性和普适性。
附图说明
图1为本发明实施例的系统的传感器布局示意图；
图2为本发明实施例的轮式挖掘机自动循迹行驶系统的工作流程图；
图3为本发明实施例的轨迹跟踪控制模块30中的横向控制模块中的模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。相关术语定义如下：
地理坐标系(Geographic Coordinate System)---使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。
PID算法---在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的控制方法。
踏板深度---踏板控制量，用于控制油门的大小或制动的大小。
实施例1
在本发明的具体实施例中分成硬件层面和软件层面。在硬件层面上包括一台轮式挖掘机，并且在轮式挖掘机上搭载了多种传感器设备，采用多种传感器融合的方案，实现多重特定的功能。这些设备包括：32线激光雷达(多线激光雷达的一个例子)、毫米波雷达、差分GPS、惯导、工控机、CAN总线等。
以轮式挖掘机为例，传感器的布局如下，具体可参考图1。
(1)在轮式挖掘机的驾驶室顶部方安装：32线激光雷达(多线激光雷达的一个例子)；
(2)在轮式挖掘机的正前方安装：毫米波雷达；
(3)在轮式挖掘机车体的两侧对称安装：毫米波雷达；
(4)在轮式挖掘机的后方安装：毫米波雷达；
(5)在车尾部安装：差分GPS天线；
(6)在车内部安装：工控机、交换机、惯导；
(7)在工作装置上安装：长度传感器和倾角传感器。
需要说明的是，上述布置方法仅是一个实施例，本发明对此不做限制。轮式挖掘机传感器的布局主要是通过在现有传感器数量一定的基础之上，能够最大范围的感知周围的环境，并且能够准确定位自身车体的实时位置，保证轮式挖掘机自动化实施过程的可靠性。
此外，在本例中还包含一个可编程控制器，用于接收上层工控机发出的油门、制动、转向等控制信号，并且向底层转向控制器以及驱动系统控制器发送控制指令以实现上层的控制指令。其中惯导、雷达、工控机等均连接到交换机上，通过以太网进行通信，可编程控制器与工控机、长度传感器、倾角传感器、底层控制器等通过CAN线通信。
该系统包括路径输入模块00、定位数据采集模块10、曲线拟合模块20和轨迹跟踪控制模块30(如图2所示)，以实现轮式挖掘机的循迹行驶功能。在本例中，路径输入模块00、定位数据采集模块10、曲线拟合模块20和轨迹跟踪控制模块30，这四个模块均部署在上层工控机上。路径输入模块00获取指定路径数据。定位数据采集模块10，其主要完成轮式挖掘机的轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息的采集并对这些信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据。曲线拟合模块20，其主要接收定位数据采集模块10中转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线。轨迹跟踪控制模块30包括横向控制模块301和纵向控制模块302，其主要接收定位数据采集模块10输出的定位数据、曲线拟合模块20输出的行驶轨迹曲线以及可编程控制器输出的轮式挖掘机位姿数据，通过横向控制模块301和纵向控制模块302的计算，输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角等控制信息给可编程控制器。其中，横向控制模块301，其主要基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；纵向控制模块302，其主要采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。
下面具体说明上述各个模块的功能和实现方式。
(1)路径输入模块00
路径输入模块获取指定路径信息，可以通过调度系统输入给自动循迹控制系统，也可以由人工驾驶轮式挖掘机行驶一段路径，通过自身的定位数据采集模块10采集生成路径信息。
(2)定位数据采集模块10
由于通过GPS天线和惯导读到的GPS数据是地理坐标系(WGS84)，需要进行解析与坐标变换，转换成X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的直角坐标系数据。解析与坐标变换既可以通过高斯正算公式的计算实现，也可通过ArcGIS软件的工具包调用实现，生成带有ID及X/Y信息的GPS数据点集合。具体方法如下：
惯性导航单元可将采集到的GPS数据输出给工控机，GPS数据采用GPRMC格式(最小定位信息)，包含了时间日期、经纬度、航向、磁偏角等信息。在系统中创建GPS数据结构体，对得到的GPRMC数据进行数据解析，得到经度(L)和纬度(B)数据。由于采集到GPS数据是地球坐标，不能直接给轮式挖掘机使用，需要通过高斯投影的方法，将B、L坐标通过高斯投影(高斯正算公式)得到高斯平面直角坐标，然后再将高斯平面直角坐标，转换成当地的水平坐标，高斯正算公式可实现的精度为0.1m，具体公式如下(1)所示：
Figure BDA0002394672810000081
因为l是个小量，可将上式展开为l的幂级数，如式(2)所示：
Figure BDA0002394672810000082
其中，X，Y是坐标值，其中Y轴向东为正，X轴向北为正，l是无限小的数，m，n是待定系数，是等量维度q的函数。
经过上述过程得到的坐标系Y轴向东为正，X轴向北为正，与习惯的坐标系定义不统一，通过坐标转换可得到通用坐标系。转换公式如下(3)所示：
Figure BDA0002394672810000091
其中，X2、Y2是坐标值，其中X2轴向东为正，Y2轴向北为正。
通过上述方法，定位数据采集模块10将WGS84坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。其中可能会有失真点和误差很大的点(简称误差点)，这些点的存在会影响导航的准确性，还需要对转换后的坐标点进行筛选去除这些失真点和误差点数据。具体筛选的算法有如下2种：
a)依次判断相邻两点的距离，除首尾两点只有一个距离值，其他点都有两个距离值，根据文件中GPS数据的密集度设定一个距离阈值，若一点的两个距离值均大于该阈值，则判定该点为失真点，将该点从数据中去除；
b)栅格法，细分足够精度的栅格，在栅格中预描出轮式挖掘机行驶轨迹，对采集到的GPS点数据进行判定，超过预描栅格内的点做剔除。
(2)曲线拟合模块20
由于GPS数据点是离散的，可以通过曲线拟合模块20利用最小二乘法进行曲线拟合，得到轮式挖掘机的运行轨迹曲线。
最小二乘法中对于一元线性回归模型,是从总体中获取了n组观察值(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(Xn，Yn)。对于平面中的这n个点，可以使用无数条曲线来拟合，要求样本回归函数尽可能好地拟合这组值。综合起来看，这条直线处于样本数据的中心位置最合理，选择最佳拟合曲线的标准可以确定为：使总的拟合误差(即总残差)达到最小。有以下三个标准可以选择：
a)用“残差和最小”确定直线位置是一个途径。但很快发现计算“残差和”存在相互抵消的问题。
b)用“残差绝对值和最小”确定直线位置也是一个途径。但绝对值的计算比较麻烦。
c)最小二乘法的原则是以“残差平方和最小”确定直线位置。用最小二乘法除了计算比较方便外，得到的估计量还具有优良特性。这种方法对异常值非常敏感。
最常用的是普通最小二乘法：所选择的回归模型应该使所有观察值的残差平方和达到最小(Q为残差平方和)，即采用平方损失函数。
(3)轨迹跟踪控制模块30
1)横向控制模块301
图3为横向控制模块301的模型。横向控制采用的是预瞄PID控制算法，首先通过定位数据采集模块10获得当前车辆坐标和航向角，然后结合曲线拟合模块20中获取的轨迹曲线，进行最近路径点的搜索，求出离当前位置最近的路径点，根据得到的路径点和下两个路径点，可以求出车辆横向运动的曲率ρ，并通过式(4)求得转向前馈角度θ1。
θ1＝actan[(a+b)ρ] (4)
式中：a为轮式挖掘机质心到前轴的长度；b为轮式挖掘机质心到后轴的长度。
之后根据图3中的横向控制模型，确定预瞄距离L后得到预瞄点，根据式(5)可以获得预瞄点的横向偏差ela。
ela＝e+Lsin(Δψ) (5)
式中：e为车辆质心到轨迹曲线的横向偏差，Δψ为航向角偏差。
以预瞄点的横向偏差ela作为PID输入，PID的输出为转向反馈角度θ2。则通过式(6)可以求出最终的转向角θ。
θ＝k1θ1+k2θ2 (6)
式中：k1为前馈角度权重，k2为反馈角度权重。
2)纵向控制模块302
纵向控制模块302采用的是PID算法，主要是控制轮式挖掘机按照轨迹曲线中期望的速度行驶，即控制油门的开度和制动踏板的制动量，并根据可编程控制器反馈的当前车速信息，完成轮式挖掘机行驶速度的闭环控制。纵向控制模块302将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，输出为油门/制动开度的控制信息。
实施例2
如图2所示，一种轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，包括：
首先是预处理：
1)首先采用两种方法获得路径数据，可以通过路径输入模块从调度系统获得，也可以通过GPS天线以及惯导等硬件将轮式挖掘机的行进路径的坐标等信息发送至工控机，由定位数据采集模块10进行采集，从而获得地理坐标系下的路径数据；
2)之后定位数据采集模块10将获得路径数据进行解析和坐标变换，主要通过高斯正算公式转换成X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的直角坐标系数据，之后将这些转换后的路径数据发送至曲线拟合模块20；
3)曲线拟合模块20使用最小二乘法对接受到的离散的路径数据进行曲线拟合；
4)存储拟合后的轮式挖掘机行驶轨迹曲线并发送给轨迹跟踪控制模块30。
其次是轮式挖掘机自动循迹行驶实现：
1)通过GPS天线以及惯导等硬件将轮式挖掘机当前的坐标信息发送至工控机，由定位数据采集模块10进行采集，从而获得地理坐标系下的定位数据；
2)通过定位数据采集模块10将获得定位数据进行解析和坐标变换，主要通过高斯正算公式转换成X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的直角坐标系数据，之后将这些转换后的定位数据发送至轨迹跟踪控制模块；
3)轨迹跟踪控制模块30接收定位数据、曲线拟合模块20输出的行驶轨迹曲线以及可编程控制器输出的车辆位姿信息；
4)轨迹跟踪控制模块30中横纵向控制模块将轮式挖掘机当前位置与轨迹曲线进行对比和误差分析后，通过计算，输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角等控制信息给可编程控制器。
5)可编程控制器接受工控机发出的控制信息后，将控制信号发送至底层相应设备，底层设备接受控制信息后控制轮式挖掘机的动作从而实现轮式挖掘机的循迹行驶。并且在循迹行驶中，可编程控制器实时将车辆的位姿信息发送至工控机中的轨迹跟踪控制模块30。
综上所述，本申请实施例提出了一种实现轮式挖掘机自动循迹行驶的自动化系统及控制方法，通过分析轮式挖掘机的结构特点和运行模式后，设计出一套完整的轮式挖掘机传感器系统，并对各个传感器的安装位置进行了布局，以保证最大范围的感知周围的环境，并且能够准确定位自身车体的实时位置，保证轮式挖掘机自动循迹行驶的可靠性。在软件层面，分成了路径输入模块、定位数据采集模块、曲线拟合模块和轨迹跟踪控制模块。通过硬件和软件系统的配合，可以实现轮式挖掘机自动循迹行驶功能。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，包括：
路径输入模块，用于获取指定路径数据；
定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；
曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；
轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。
2.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述轨迹跟踪控制模块，包括：
横向控制模块，其基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；
纵向控制模块，其采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。
3.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述定位数据采集模块，利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。
4.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述定位数据采集模块，还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。
5.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述曲线拟合模块，使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式挖掘机的运行轨迹曲线。
6.一种轮式挖掘机，其特征在于，包括搭载在轮式挖掘机上的多种传感器、控制器和权利要求1-5任一项所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统；
所述多种传感器包括：多线激光雷达、差分GPS、长度传感器和压力传感器；
所述控制器接收来自自动循迹行驶控制系统的控制信息来控制轮式挖掘机的底层设备工作。
7.一种轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，其特征在于，包括：
获取路径数据以及位姿数据、定位数据；
对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；
基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。
8.根据权利要求7所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，其特征在于，获取路径数据，包括：
获取调度系统给定的路径数据；
或，轮式挖掘机选取一段路径首先进行人工行驶，通过自身的定位数据采集模块，采集轮式挖掘机的轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据。
9.根据权利要求7所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，其特征在于，基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角，包括：基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。
10.根据权利要求7所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，其特征在于，对坐标信息进行坐标转换，包括：利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中；
还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点；
和/或，对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线，包括：使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式工程机械的运行轨迹。
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