CN112215539B - 一种智能码头水平运输系统调度方法 - Google Patents

Abstract

一种智能码头水平运输系统调度方法，属于智能无人自主系统领域。为了解决由于智能码头无人集卡车辆较多导致计算量较大以及计算机硬件水平的限制难以满足控制精度要求的问题。具体方案如下：将整个任务时间分割为若干个控制周期，在每个控制周期起始阶段接收车辆运动状态信息反馈和控制指令的计算和下发，剩余时间内接收车辆运动状态信息反馈并对其余状态信息进行监测，若无人集卡路径偏离程度ε较大或车辆未来时刻可能发生碰撞，则根据控制律计算并下发控制指令，否则不进行控制指令的计算和下发。本发明可以在无人集卡较多导致计算量较大以及计算机硬件水平不能满足要求的情况下，减小计算量，同时实现对车辆的高精度控制。

Description

一种智能码头水平运输系统调度方法

技术领域

本发明属于智能无人自主系统领域，具体涉及一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法。

背景技术

智能码头是码头未来的发展方向，其中水平运输调度系统是其极其重要的组成部分。水平运输调度系统主要负责的内容可以分为无人集卡的任务分配、路径规划和路径控制三部分。

无人集卡路径控制环节主要包括两部分：接收车辆状态信息反馈和无人集卡路径控制指令的计算与下发。其基本工作逻辑为：通过数据链将车辆位置P_x,P_y、速度V_x,V_y和姿态θ等运动状态信息反馈到调度系统之后，调度系统通过计算实际路径与规划路径之间的偏差ε，并预测车辆未来时刻发生碰撞的可能性，综合考虑上述两个因素并根据一定的控制律，计算并下发控制指令。将车辆状态信息反馈所耗时间记为t_f，系统计算并下发控制指令所耗时间记为t_c，则完整的接受车辆状态信息并下发控制指令的最短周期可以表示为T_cpmin＝t_f+t_c。若对车辆控制精度要求较高，理论上来讲则需要缩短控制指令下发周期T_cp，但实际中经常可能由于无人集卡较多导致计算量较大以及计算机硬件水平的限制等因素，导致控制指令最短下发周期T_cpmin是一个相对较大的量，即使令控制周期T_cp＝T_cpmin，也难以满足控制精度要求。

发明内容

本发明目的是为了解决由于无人集卡较多导致计算量较大以及计算机硬件水平的限制等因素导致的控制指令最短下发周期T_cpmin相对较大进而难以满足控制精度要求的问题，提出了一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法，包括以下步骤：

步骤一：水平运输调度系统对任务进行分配，

步骤二：水平运输调度系统规划出具体的车辆路径及到达各路径点的时刻；

步骤三：以实际码头场景、车辆数量、无人集卡参数为约束条件，选择控制周期T_p，将整个任务时间分割为0～T_p,T_p～2T_p,2T_p～3T_p,…；每个控制周期，根据运算耗时分为两个阶段T_p1和T_p2；

步骤四：在每个控制周期的T_p1阶段，接收车辆运动状态信息的反馈，进行控制指令的计算和下发；

步骤五：在每个控制周期的T_p2阶段，接收车辆运动状态信息的反馈并同时对车辆其余状态进行监测；

步骤六：预测车辆未来m个控制周期，即m·T_p时间内发生碰撞的可能性；

步骤七：当车辆和规划路径之间的偏离程度ε超出阈值ε₁或者预测到未来m个控制周期内可能发生碰撞时，根据控制律计算并下发控制指令，否则便不进行控制指令的计算和下发；

步骤八：当前控制周期结束后，进入下一控制周期，重复步骤四、五、六、七，直到车辆完成任务到达终点；

本发明的优点：

本发明提出了一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法。该方法针对无人集卡较多导致计算量较大以及计算机硬件水平的限制等因素导致的控制指令最短下发周期T_cpmin相对较大进而难以满足控制精度要求的问题，首先提出了一种基于时序控制的方法，其主要思想是选择合适的且相对较长的控制周期T_p，将整个任务时间分割为0～T_p,T_p～2T_p,2T_p～3T_p,…，在控制周期起始阶段完成上述车辆状态信息反馈和控制指令的计算和下发，剩余时间内进行车辆状态信息反馈并监测，若无人集卡路径偏离程度ε较大或车辆未来时刻可能发生碰撞，则下发控制指令，否则便不进行控制指令的计算和下发这一步骤。其次为了减少计算量，提出了一种基于角度约束的碰撞检测算法，其主要思想是在车辆本体周围按照规则选取一些参考点，通过角度关系逐一判断各参考点是否位于其它车辆内，将车辆的碰撞问题转换为有限个参考点之间的角度约束问题，以此来进行碰撞检测。通过这两种方法结合，可以在无人集卡车辆较多导致计算量较大以及计算机硬件水平不能满足要求的情况下，大大减小计算量，与此同时实现对车辆的高精度控制。

附图说明

图1是本发明所述调度系统工作流程图；

图2是本发明所述时序控制工作流程图；

图3是本发明所述控制律示意图；

图4是本发明所述角度约束碰撞检测示意图，其中，A为第一无人集卡，B为第二无人集卡，(a)为参考点1位于第一无人集卡的等效矩形框内的示意图，(b)为参考点2没有位于第一无人集卡的等效矩形框内的示意图；

图5是本发明所述碰撞检测参考点错误选取方法示意图，A为第一无人集卡，B为第二无人集卡；

图6是本发明所述考虑误差情况下角度约束碰撞检测方法改进示意图，C为初始等效矩形框，D为考虑定姿误差Δα后的等效矩形框，E为考虑定姿误差Δα和定位误差Δd后的等效矩形框。

具体实施方式

具体实施方式一

下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法包括以下步骤：

步骤一：水平运输无人集卡调度系统对任务进行分配，

步骤二：水平运输无人集卡调度系统规划出具体的车辆运行路径及到达各路径点的时刻；

步骤三：以实际码头场景、车辆数量、无人集卡参数为约束条件，选择控制周期T_p，将整个任务时间分割为0～T_p,T_p～2T_p,2T_p～3T_p,…；每个控制周期，根据运算耗时分为两个阶段T_p1和T_p2；

步骤四：在每个控制周期的T_p1阶段，接收车辆运动状态信息的反馈，进行控制指令的计算和下发；

步骤五：在每个控制周期的T_p2阶段，接收车辆运动状态信息的反馈并同时对车辆其余状态进行监测；

步骤六：根据角度约束碰撞检测算法预测车辆未来若干个(m个)控制周期，即m·T_p时间内发生碰撞的可能性；

步骤七：当车辆和规划路径之间的偏离程度ε超出阈值ε₁或者预测到未来m个控制周期内可能发生碰撞时，根据控制律计算并下发控制指令，否则便不进行控制指令的计算和下发；

步骤八：当前控制周期结束后，进入下一控制周期，重复步骤四、五、六、七，直到车辆完成任务到达终点。

具体实施方式二

下面结合图3、图4、图5和图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明：

所述步骤六中所述角度约束碰撞检测算法见图4，其原理为：

①根据几何外形尺寸，将每个无人集卡边界等效成一个矩形框。

②将矩形框四个顶点按照顺时针或者逆时针的顺序定义为基本参考点p₁,p₂,p₃,p₄。

③在矩形框的两个长边上选取其他若干个参考点，长边上相邻两个参考点之间的距离不能超过矩形框的短边的距离。

④判断两辆无人集卡是否发生碰撞，即依次判断两辆无人集卡上的每个参考点是否位于对方无人集卡等效矩形框内，其方法为：依次以双方车辆上的各参考点为起点，以对方无人集卡等效矩形框的四个基本参考点为终点，做四条矢量s₁,s₂,s₃,s₄，其中<s₁,s₂>,<s₂,s₃>,<s₃,s₄>,<s₄,s₁>分别为β₁,β₂,β₃,β₄，若

则当前参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，若

则当前参考点没有位于对方无人集卡等效矩形框内；若存在参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，则判定为两辆无人集卡发生碰撞，若没有参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，则判定为两辆无人集卡不会发生碰撞。

进一步的，矩形框长边上相邻的参考点之间的距离不能超过矩形框的短边的距离，若超出会出现图5所示情况，参考点没有位于对方无人集卡等效矩形框内，但车辆已然发生了碰撞，按照此规则取参考点可以在保证角度约束碰撞检测算法的可靠性的情况下，使得参考点数目最少。

进一步的，角度约束碰撞检测算法的可靠性证明过程如下：

①当前参考点位于对方无人集卡车辆的等效矩形框内时，由图4，可以得出

的结论。

②当前参考点不位于对方无人集卡车辆的等效矩形框内时，由图4可以看出β₁,β₂,β₃,β₄四个角度满足其中一个是其它三个角度和的关系，以图4为例，β₃＝β₁+β₂+β₄，即

又因为当前参考点不位于对方无人集卡车辆的等效矩形框内，所以β₃＜π，进而得到

进一步的，上述角度约束碰撞检测方法在没有考虑无人集卡定位误差Δd和定姿误差Δα的情况下，是绝对准确的，若考虑上述误差，则需对角度约束碰撞检测方法进行改进，改进的基本思想是：将无人集卡的等效矩形框向外进行扩张，使得在存在上述定位误差Δd和定姿误差Δα的情况下，等效矩形框仍然可以将无人集卡包络起来，且等效矩形框往外扩展程度应尽量小，下面结合图6说明具体改进方法：

①设初始等效矩形框C长为2L，宽为2W，则对角线与长边夹角α₁为：

二分之一对角线的长度S为：

②首先考虑定姿误差Δα的影响，由于存在定姿误差Δα，车辆位置可能在图6中所示两个虚线矩形框之间，因此考虑定姿误差Δα后的等效矩形框D如图6所示，考虑Δα为小量，由几何关系可得，扩张后的等效矩形框长L₁为：

同理，扩张后的等效矩形框宽W₁为：

③然后考虑定位误差Δd的影响，由图6不难看出，由于存在定位误差Δd，等效矩形框四个顶点D会落在图6所示四个半径为Δd的圆内，因此等效矩形框应向四周扩张Δd长度，考虑定位误差Δd和定姿误差Δα后的等效矩形框E如图6所示。

④综上，若无人集卡初始等效矩形框C长为2L，宽为2W，无人集卡定位误差为Δd，定姿误差为Δα，则最终扩张后的等效矩形框E的长L₂为：

宽W₂为：

⑤将无人集卡等效矩形框扩张为长为L₂和宽为W₂的矩形框，再重新根据上述规则选取参考点，按照上述角度约束碰撞检测方法，即可在存在定位误差Δd和定姿误差Δα的情况下，实现对无人集卡的碰撞检测。

进一步的，步骤七中所述控制律应满足以下三点要求：

①无人集卡行驶路径与规划路径偏离程度ε较小时，为防止过于频繁的对无人集卡进行控制，因此不下发控制指令。

②无人集卡行驶路径与规划路径偏离程度ε适中时，为保证无人集卡行驶的平稳性，因此控制指令不易过大。

③无人集卡行驶路径与规划路径偏离程度ε较大时，为保证可以及时纠正无人集卡行驶轨迹，因此控制指令应相对较大。

图3为符合以上三点要求的控制律，其函数表达式如下：

其中a_max为最大指令加速度，a为指令加速度，k₁,b₁,k₂,b₂,ε₀,α为函数参数，其中，k₁为一次项系数，k₂为α次项系数，b₁,b₂为零次项系数，函数中参数的具体数值需要结合实际场景给出。

本发明提出了一种基于时序控制和角度约束碰撞检测的智能码头水平运输系统调度方法。该方法针对无人集卡车辆较多导致计算量较大以及计算机硬件水平的限制等因素导致的控制指令最短下发周期T_cpmin相对较大进而难以满足控制精度要求的问题，首先提出了一种基于时序控制的方法，其主要思想是选择合适的且相对较长的控制周期T_p，将整个任务时间分割为0～T_p,T_p～2T_p,2T_p～3T_p,…，在控制周期起始阶段接收上述车辆状态信息反馈和控制指令的计算和下发，剩余时间内进行车辆状态信息反馈并监测，若无人集卡路径偏离程度ε较大或车辆未来时刻可能发生碰撞，则下发控制指令，否则便不进行控制指令的计算和下发这一步骤。其次为了减少计算量，提出了一种基于角度约束的碰撞检测算法，其主要思想是在车辆本体周围按照一定的规则选取一些参考点，通过角度关系逐一判断各参考点是否位于其它车辆内，以此来进行碰撞检测，并详细介绍了参考点的选取规则以及存在定位误差Δd和定姿误差Δα的情况下的处理办法，在保证碰撞检测结果可靠性的情况下大大减小了计算量。通过这两种方法结合，可以在无人集卡较多导致计算量较大以及计算机硬件水平不能满足要求的情况下，减小计算量，与此同时实现对车辆的高精度控制。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.一种智能码头水平运输系统调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：水平运输无人集卡调度系统对任务进行分配；

步骤二：水平运输无人集卡调度系统对无人集卡的运行路径进行规划，给出具体的车辆运行线路以及到达各路径点的时刻；

步骤三：以实际码头场景、车辆数量、无人集卡参数为约束条件，选择控制周期T_p，将整个任务按时间分割为0～T_p,T_p～2T_p,2T_p～3T_p,…(n-1)T_p～nT_p,其中，n为控制周期的个数；每个控制周期，根据运算耗时分为两个阶段T_p1和T_p2；

步骤四：在每个控制周期的T_p1阶段，接收车辆运动状态信息的反馈，进行控制指令的计算和下发；

步骤五：在每个控制周期的T_p2阶段，接收车辆运动状态信息的反馈并同时对车辆其余状态进行监测；

步骤六：预测车辆未来m个控制周期，即m·T_p时间内发生碰撞的可能性；

步骤七：当车辆和规划路径之间的偏离程度ε超出阈值ε₁或者预测到未来m个控制周期内可能发生碰撞时，根据控制律计算并下发控制指令，否则便不进行控制指令的计算和下发；

步骤八：当前控制周期结束后，进入下一控制周期，重复步骤四、五、六、七，直到车辆完成任务到达终点；

所述步骤六的具体步骤如下：

①根据几何外形尺寸，将每个无人集卡边界等效成一个矩形框；

②将矩形框四个顶点按照顺时针或者逆时针的顺序定义为基本参考点p₁,p₂,p₃,p₄；

③在矩形框的两个长边上选取其他若干个参考点，所述矩形框长边上相邻两个参考点之间的距离不能超过对方矩形框的短边的距离；

④判断两辆无人集卡是否发生碰撞，即依次判断两辆无人集卡上的每个参考点是否位于对方无人集卡等效矩形框内，若存在参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，则两辆无人集卡发生碰撞，若没有参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，则两辆无人集卡不发生碰撞，所述步骤④的具体步骤如下：

依次以双方车辆上的参考点为起点，以对方无人集卡等效矩形框的四个基本参考点为终点，做四条矢量s₁,s₂,s₃,s₄，其中<s₁,s₂>,<s₂,s₃>,<s₃,s₄>,<s₄,s₁>分别为β₁,β₂,β₃,β₄，若

则当前参考点位于对方无人集卡等效矩形框内，若

则当前参考点没有位于对方无人集卡等效矩形框内。

2.根据权利要求1所述一种智能码头水平运输系统调度方法，其特征在于：步骤①中，若存在无人集卡定位误差Δd和定姿误差Δα的情况，需将无人集卡的等效矩形框向外进行扩张，使得在存在上述定位误差Δd和定姿误差Δα的情况下，等效矩形框仍然可以将无人集卡包络起来，且等效矩形框向外扩展程度应尽量小；

若无人集卡初始等效矩形框长为2L，宽为2W，无人集卡定位误差为Δd，定姿误差为Δα，则最终扩张后的等效矩形框的长L₂为：

宽W₂为：

3.根据权利要求1所述一种智能码头水平运输系统调度方法，其特征在于：步骤七中所述控制律应满足以下函数表达式：

其中a_max为最大指令加速度，a为指令加速度，k₁,b₁,k₂,b₂,ε₀,α为函数参数，ε₁、ε₂和ε₃均为阈值，其中，k₁为一次项系数，k₂为α次项系数，b₁,b₂为零次项系数，函数中参数的具体数值需要结合实际场景给出。

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