CN112193243B - 一种基于避障系统的多转向模式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于避障系统的多转向模式控制方法。该方法包括以下步骤：第一步，在触摸屏中按下启动按钮，激光雷达开始扫描周围环境，最后将像素数据传到可编程逻辑控制器；第二步，可编程逻辑控制器根据像素数据计算得到距离信息，然后根据障碍物的距离信息选择不同的运动模式和避障模式；第三步，在触摸屏中设置障碍物的有效距离和碰撞距离，最后可编程逻辑控制器以此为基准进行判断；第四步，可编程逻辑控制器根据障碍物的不同方位执行不同的模式；本发明不但解决了传统车辆视野区域过小，转向不灵活等技术缺陷，而且能够实现应对不同的障碍物采取不同的转向模式，极大地提高了转向灵活性。

Description

一种基于避障系统的多转向模式控制方法

技术领域：

本发明涉及车辆转向技术领域，尤其涉及一种基于避障系统的多转向模式控制方法。

背景技术：

随着汽车行业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，越来越多的人开始拥有自己的汽车，但随之也带来许多意想不到的问题。车辆在行驶过程中不可避免的会遇到各种各样的障碍物，如何有效、灵活地避开障碍是衡量车辆实用性的重要指标。

交通事故不断发生，造成巨大经济损失的同时也严重威胁着人民生命安全。在所发生的碰撞事故中，因为倒车雷达所探测的范围极为有限，驾驶员视野盲区造成车辆碰撞是其主要原因。为了减少此类交通事故的发生，车辆有必要增加探测范围更广的激光雷达进行避障。

传统车辆由于机械结构的原因，导致前轮转向的角度被限制在很小的范围内，具有较差的转向灵活性，在进行调头行驶，侧方停车，倒车入库等操作时不仅要求驾驶员具备熟练的操作技术，也占据了较大的泊车空间，造成资源浪费。为了应对复杂的道路环境，减少转弯半径，提高车辆的机动性，需要一种能应对不同的运动模式的、多转向模式的四轮独立驱动、独立转向车辆的控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于避障系统的多转向模式控制方法。该方法通过激光雷达的实时数据信息传输到可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根据信息计算得到障碍物的距离信息，以此选择不同的运动模式进行应对。本发明不但解决了传统车辆视野区域过小，转向不灵活，浪费空间资源的技术缺陷，而且能够实现应对不同的障碍物采取不同的转向模式，极大地提高了转向灵活性。

本发明的技术方案为：

一种基于避障系统的多转向模式控制方法，该方法包括以下步骤：

第一步，在触摸屏中按下启动按钮，激光雷达开始扫描周围环境，最后将像素数据传到可编程逻辑控制器；

第二步，可编程逻辑控制器根据像素数据计算得到距离信息，然后根据障碍物的距离信息选择不同的运动模式；最后车辆根据周围环境的变化选择不同的避障模式；

第三步，在触摸屏中设置障碍物的有效距离和碰撞距离，最后可编程逻辑控制器以此为基准进行判断；

第四步，当障碍物距离无法检测即超过有效距离时，车辆保持原有状态继续行驶；障碍物距离等于或小于碰撞距离时，可编程逻辑控制器进入制动模式，四个伺服电机通过转向架转过的角度为

同时四个驱动模块的轮毂电机处于制动状态；当障碍物距离大于碰撞距离时，可编程逻辑控制器根据障碍物的不同方位执行不同的模式；

其中，包括以下四种情况之一：

情况一，当两侧存在障碍时；可编程逻辑控制器进入前后运动模式，四个伺服电机不动作，处于默认零点位置即δ₁＝δ₂＝δ₃＝δ₄＝0，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况二，当前后方存在障碍时；可编程逻辑控制器进入斜向平移模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过相同的角度δ(该角度范围为0～90°)，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况三，当前方侧方存在障碍时，可编程逻辑控制器进入零半径转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为v₁＝-v₂＝-v₃＝v₄；

情况四，当转向侧存在障碍时，若车辆处于低速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮反向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

若车辆处于高速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮同向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

以上公式中，W为车辆轮距；L为车辆轴距；v₁、v₂、v₃、v₄分别为四个车轮的速度；δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个车轮的转向角；c为转向半径；d为转向中心到后轴的距离；

第四步：用户在触摸屏上将速度与车轮转向设置为零，可编程逻辑控制器接受信号后，将指令传递到伺服电机和轮毂电机，最后车辆进入停止状态。

所述的方法是在基于激光雷达避障的多转向模式车辆上进行的，该车辆的结构包括驱动电机模块、转向架、转向电机模块、激光雷达系统、底盘、中央控制器和充电电池；

所述的底盘的前后的两侧安装有转向电机模块，转向电机模块通过转向架与驱动电机模块相连；充电电池、中央控制器和激光雷达系统安装在底盘上，其中，激光雷达系统放置在底盘前上端；

所述的驱动电机模块包括轮毂电机、车轮、驱动器和编码器；

所述的转向电机模块包括伺服电机；

所述中央控制器包括触摸屏与可编程逻辑控制器；

所述的可编程逻辑控制器分别与触摸屏、激光雷达系统、驱动器相连；其中，触摸屏、激光雷达系统分别与可编程逻辑控制器相连；可编程逻辑控制器还与驱动器相连，驱动器分别和轮毂电机相连。

本发明有益效果：

本发明采用具有四个独立驱动，独立转向车轮的激光雷达避障车辆。车辆搭载了激光雷达系统，可以对周围的环境更宽广的距离探测，进而使得车辆满足了复杂环境的避障需求。

本发明在传统汽车前后移动，前轮转向的运动基础上可以实现更多运动模式，提升了车辆运动的多样性。斜向平移运动时车辆可以按照设定的角度斜向运动，若设定角度为90°，车辆实现蟹行运动，简化了侧方入库等操作；四轮独立转向的转弯半径比传统车辆前轮转向的转弯半径要小，节约了转向空间；零半径转向时车辆可以进行原地旋转，提高了车辆的灵活性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明

图1为本发明一种基于激光雷达避障的多转向模式车辆系统结构图，包括1驱动电机模块、2转向架、3转向电机模块、4激光雷达系统、5底盘、6中央控制器、7电池及充电装置。

图2为本发明控制结构图

图3为本发明控制程序框图

图4为本发明前后运动示意图

图5为本发明斜向平移运动示意图

图6为本发明前轮转向运动示意图

图7为本发明四轮独立转向低速运动示意图

图8为本发明四轮独立转向高速运动示意图

图9为本发明零半径转向运动示意图

图10为本发明制动模式示意图

具体实施方式

本发明提供一种基于避障系统的多转向模式控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的方法是在基于激光雷达避障的多转向模式车辆上进行的，该车辆的结构如图1所示，包括驱动电机模块1、转向架2、转向电机模块3、激光雷达系统4、底盘5、中央控制器6和充电电池7；

所述的底盘5的前后的两侧安装有转向电机模块3，转向电机模块3通过转向架2与驱动电机模块1相连；充电电池7、中央控制器6和激光雷达系统4安装在底盘5上，其中，激光雷达系统4放置在底盘前上端；

所述的驱动电机模块1为公知器件，包括轮毂电机、车轮、驱动器和编码器；

所述的转向架2为公知器件，包括连接杆、减震弹簧；

所述的转向电机模块3为公知器件，包括伺服电机、编码器、连接杆、减震弹簧；

所述中央控制器6为公知器件，包括触摸屏与可编程逻辑控制器，进行信息处理与运动控制。

如图2所示，所述的可编程逻辑控制器分别与触摸屏、激光雷达系统、驱动器相连；其中，触摸屏与可编程逻辑控制器相连，设置速度、方向、避障距离等信息，激光雷达系统与可编程逻辑控制器相连，探测障碍物距离，可编程逻辑控制器与驱动器相连，传递操作指令，驱动器分别和轮毂电机、伺服电机相连，控制车辆行走与转向。

所述的基于避障系统的多转向模式控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

第一步，在触摸屏中按下启动按钮，激光雷达开始扫描周围环境，最后将像素数据传到可编程逻辑控制器；

激光雷达发射一束激光，然后接收到反射回来的激光，经过激光雷达内部处理得到点云数据，每一个点都包括了三维坐标信息，包括x值、y值、z值以及GPS时间戳；可编程逻辑控制器据此实时获取周围环境的信息；

第二步，可编程逻辑控制器根据像素数据计算得到距离信息，然后根据障碍物的距离信息选择不同的运动模式；最后车辆根据周围环境的变化选择不同的避障模式；

可编程逻辑控制器先将点云数据进行特征点数据匹配，再把相同的点云数据进行重叠融合，建立周围环境模型；运动模式为:制动模式、前后运动模式、斜向平移模式、零半径转向模式、前后轮反向转向模式、前后轮同向转向模式；

第三步，在触摸屏中设置障碍物的有效距离和碰撞距离，最后可编程逻辑控制器以此为基准进行判断；

用户可以根据实际需求自行设置距离；

第四步，当障碍物距离无法检测即超过有效距离时，车辆保持原有状态继续行驶；障碍物距离等于或小于碰撞距离时，可编程逻辑控制器进入制动模式，四个伺服电机通过转向架转过的角度为

同时四个驱动模块的轮毂电机处于制动状态；当障碍物距离大于碰撞距离时，可编程逻辑控制器根据障碍物的不同方位执行不同的模式；

其中，包括以下四种情况之一：

情况一，当两侧存在障碍时；可编程逻辑控制器进入前后运动模式，四个伺服电机不动作，处于默认零点位置即δ₁＝δ₂＝δ₃＝δ₄＝0，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况二，当前后方存在障碍时；可编程逻辑控制器进入斜向平移模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过相同的角度δ(该角度范围为0～90°可以根据需求在触摸屏上设置)，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况三，当前方侧方存在障碍时，可编程逻辑控制器进入零半径转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为v₁＝-v₂＝-v₃＝v₄；

情况四，当转向侧存在障碍时，若车辆处于低速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮反向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

若车辆处于高速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮同向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

以上公式中，W为车辆轮距；L为车辆轴距；v₁、v₂、v₃、v₄分别为四个车轮的速度；δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个车轮的转向角；c为转向半径；d为转向中心到后轴的距离。

从而完成针对不同障碍判断与执行的过程；

第四步：用户在触摸屏上将速度与车轮转向设置为零，可编程逻辑控制器接受信号后，将指令传递到伺服电机和轮毂电机，最后车辆进入停止状态。

通过以上步骤，本发明能够实时检测到周围障碍物的距离和方向，并针对不同的障碍物采取不同的转向模式，计算得到车辆的速度和转向角度，四轮独立驱动、独立转向车辆依靠自身结构极大地提高了车辆的转向灵活性，在使用过程中，可以在触摸屏上根据实际情况更改参数，人机交互更加友好，功能性也更强，从而完善了当前汽车控制系统的操作，使汽车驾驶更为安全。

所述移动车辆包括底盘5，底盘前后的两侧转向电机模块3依靠转向架2与驱动电机模块1相连，实现移动车辆驱动和转向的功能；所述的电池及充电装置7与底盘5相连接，安装在底盘5的后侧，为电机提供电力；所述激光雷达系统4放置在底盘前上端，高度有利的位置方便采集信息；所述中央控制器6与底盘5相连接，中央控制器6搭载在底盘5的后方，进行信息处理与运动控制。

所述激光雷达系统用于实时获取周围环境的三维信息，经过分析构造出各个方向障碍物的精确轮廓，并计算出相应的距离。

所述激光雷达系统4检测车辆周围最大8米范围内路面信息，传输至车辆的中央控制器，中央控制器根据路面信息中的障碍物进一步控制伺服电机和轮毂电机的速度、方向。

所述触摸屏可以实现运动模式设定、运行速度设定、运行方向设定、障碍报警提示、电池电量显示功能。

所述中央控制器根据激光雷达系统反馈的不同障碍物选择合适的转向方式。

实施例1

所用车辆轴距L为1200mm，轮距W为1000mm，在触摸屏中所设有效距离为3000mm，速度为1m/s，当车辆前方侧方3000mm均存在障碍物时，车辆进入零半径转向模式，四个伺服电机运动带动转向架转过的角度为

四个轮毂电机转速为v₁＝-v₂＝-v₃＝v₄＝1，最后车辆开始自旋，当车辆前方不存在障碍时，直线运动即可驶出障碍区。

如图2所示为控制结构图，触摸屏下达指令到可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器控制八个电机，编码器和激光雷达系统将实时信号反馈到可编程逻辑控制器。

如图4所示当激光雷达系统探测到车辆两侧存在障碍物，即阴影区域。车辆的四个车轮以相同的转速正转或反转时，可实现前进或者后退的运动。

如图5所示当激光雷达系统探测到车辆两侧存在障碍物，即阴影区域。四个车轮转过相同的角度δ，以相同的转速正转或反转时，车辆可实现斜向前进或后退的运动，当δ＝90°时，车辆进行横向运动。

如图6所示当激光雷达系统探测到车辆一侧存在障碍物，即阴影区域。当转向中心O′在车辆后轴DC的延长线上时，车辆进行前轮转向，是传统汽车的转向方式，即为后轮不做转向，只有前轮左转向动作。

两个前轮在转向的过程中围绕同一转动中心做纯滚动运动，利用Ackermann几何转向模型，可得到各个车轮转向角与车辆的各项参数之间的关系为：

如图7所示为车辆低速行驶时，激光雷达系统探测到车辆一侧存在障碍物，即阴影区域。两个前轮与两个后轮的转向角是相反的，与传统的前轮转向车辆相比，这能使车辆的转向半径变小，提高车辆的灵活性。在某些转向空间狭窄的场地体现出优异的功能。

在传统前轮转向的Ackermann原理基础之上扩展，使得四个车轮在转向的过程中围绕同一转动中心做纯滚动。车轮的转过的角度为：

根据各个车轮转弯半径与各车车轮的转速是成正比的，然后利用三角函数可以算出相关量之间的关系。通过这些参数就可以实现车辆的转向时各车轮的差速控制。其中以前内侧轮A的转速为参照转速。假设车辆A轮速度为v₁

故B轮与A轮的转速关系为：

故C轮与A轮的转速关系为：

故D轮与A轮的转速关系为：

图8所示为车辆高速转向行驶时，激光雷达系统探测到车辆一侧存在障碍物，即阴影区域。两个前轮与两个后轮的转向角是相同的，这种转向方式可以避免车辆发生过度转向的情况出现，从而提升了车辆高速运动时的转向稳定性。

利用Ackermann几何转向模型，可得到各个车轮转向角与车辆的各项参数之间的关系为：

根据各个车轮转弯半径与各车车轮的转速是成正比的，然后利用三角函数可以算出相关量之间的关系。通过这些参数就可以实现车辆转向时各车轮的差速控制。其中以前内侧轮A的转速为参照转速。假设A轮速度为v₁

故B轮与A轮的转速关系为：

故C轮与A轮的转速关系为：

故D轮与A轮的转速关系为：

如图9所示为激光雷达系统探测到车辆周围存在障碍物，即阴影区域。车辆零半径转向时通过控制各个车轮的转向偏转角，使每个车轮的转向中心都位于车辆几何中心，所以可以通过车辆的几何关系，计算出车轮此时的转向偏角。每个车轮的偏转角度根据轮距和轴距，由三角函数得出，计算公式如下：

如图10所示为激光雷达系统探测到车辆周围存在小于最小安全距离的障碍物时，车辆处于制动模式。当处于制动模式时，车辆四面任何一侧受到外界一个力F，将力进行正交分解,可得到X轴力分解量f_x与Y轴力分解量f_y，即

对车轮受力分析，即可得到车轮方向受力为：

当α＝β＝45°时，f_x＝f_y，即四个车轮所受的力相等，即

可以得到：

上面所述的实施例仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种基于避障系统的多转向模式控制方法，其特征为该方法包括以下步骤：

第一步，在触摸屏中按下启动按钮，激光雷达开始扫描周围环境，最后将像素数据传到可编程逻辑控制器；

第二步，可编程逻辑控制器根据像素数据计算得到距离信息，然后根据障碍物的距离信息选择不同的运动模式；最后车辆根据周围环境的变化选择不同的避障模式；

第三步，在触摸屏中设置障碍物的有效距离和碰撞距离，最后可编程逻辑控制器以此为基准进行判断；

第四步，当障碍物距离无法检测即超过有效距离时，车辆保持原有状态继续行驶；障碍物距离等于或小于碰撞距离时，可编程逻辑控制器进入制动模式，四个伺服电机通过转向架转过的角度为

同时四个驱动模块的轮毂电机处于制动状态；当障碍物距离大于碰撞距离且小于有效距离时，可编程逻辑控制器根据障碍物的不同方位执行不同的模式；

其中，包括以下四种情况之一：

情况一，当两侧存在障碍时；可编程逻辑控制器进入前后运动模式，四个伺服电机不动作，处于默认零点位置即δ₁＝δ₂＝δ₃＝δ₄＝0，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况二，当前后方存在障碍时；可编程逻辑控制器进入斜向平移模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过相同的角度δ(该角度范围为0～90°)，最后四个轮毂电机以相同的转速正转或反转；

情况三，当前方侧方存在障碍时，可编程逻辑控制器进入零半径转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为v₁＝-v₂＝-v₃＝v₄；

情况四，当转向侧存在障碍时，若车辆处于低速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮反向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

若车辆处于高速运行，可编程逻辑控制器进入前后轮同向转向模式，四个伺服电机运动，带动转向架转过的角度为

最后四个轮毂电机转速为

以上公式中，W为车辆轮距；L为车辆轴距；v₁、v₂、v₃、v₄分别为四个车轮的速度；δ₁、δ₂、δ₃、δ₄分别为四个车轮的转向角；c为转向半径；d为转向中心到后轴的距离；

第四步：用户在触摸屏上将速度与车轮转向设置为零，可编程逻辑控制器接受信号后，将指令传递到伺服电机和轮毂电机，最后车辆进入停止状态。

2.如权利要求1所述的基于避障系统的多转向模式控制方法，其特征为该方法是在基于激光雷达避障的多转向模式车辆上进行的，该车辆的结构包括驱动电机模块、转向架、转向电机模块、激光雷达系统、底盘、中央控制器和充电电池；

所述的底盘的前后的两侧安装有转向电机模块，转向电机模块通过转向架与驱动电机模块相连；充电电池、中央控制器和激光雷达系统安装在底盘上，其中，激光雷达系统放置在底盘前上端；

所述的驱动电机模块包括轮毂电机、车轮、驱动器和编码器；

所述的转向电机模块包括伺服电机；

所述中央控制器包括触摸屏与可编程逻辑控制器；

所述的可编程逻辑控制器分别与触摸屏、激光雷达系统、驱动器相连；其中，触摸屏、激光雷达系统分别与可编程逻辑控制器相连；可编程逻辑控制器还与驱动器相连，驱动器分别和轮毂电机相连。

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