CN112356626B - 用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其包括牵引车头和拖斗，其特征在于：所述牵引车头后部设置一牵引底座，所述拖斗上设置一牵引杆，所述牵引底座上垂直设置一销孔，所述牵引杆上设置一连接孔，还包括一插销以及驱动所述插销沿所述销孔上下移动的驱动装置，所述牵引底座正面设置有漏斗形的导引槽，所述销孔设置在所述导引槽底部，所述牵引底座上还设置一检测所述牵引杆是否沿所述导引槽进入所述销孔的位置传感器，所述位置传感器与所述驱动装置电性连接。本发明的目的在于提供一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，以准确对准牵引底座与牵引杆，达到节省人力、提高自动驾驶牵引车的安全性的目的。

Description

用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法

技术领域

本发明属于智能驾驶领域，具体涉及一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法。

背景技术

自动驾驶前景广阔，相关的研究方兴未艾。目前，自动驾驶技术已经在货运方向上得到了广泛的应用，自动驾驶货车、自动驾驶牵引车等纷纷涌现。目前自动驾驶牵引车还需要人工进行拖斗的对接和拆卸，这使得其不能实现完全的无人化，导致效率降低；而且人、车在同一个区域内工作，增加了自动驾驶牵引车对人进行检测和避让的工作，降低了可靠性和安全性。如果能实现自动驾驶牵引车与拖斗自动对接以及拆卸，就可以减少或完全取消人工作业的内容，大大提高效率和安全性，也使得自动驾驶牵引车的结构更趋于简单。这其中，尤其以自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的难度最高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，达到节省人力、提高自动驾驶牵引车的安全性的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其包括牵引车头和拖斗，所述拖斗为长方体结构，所述拖斗包括前轮和后轮，所述牵引车头的尾部中心处设置一牵引底座，所述拖斗前部中心处设置一牵引杆，所述牵引杆可上下移动地枢轴设置在所述拖斗上；所述牵引底座的中心处垂直设置一销孔，所述牵引杆上设置一连接孔，还包括一插销以及驱动所述插销沿所述销孔上下移动的驱动装置，所述牵引底座正面设置有漏斗形的导引槽，所述销孔设置在所述导引槽底部；水平状态时所述牵引杆和导引槽的中心处高度相同；所述牵引底座上还设置一检测所述牵引杆是否沿所述导引槽进入所述销孔的位置传感器；所述位置传感器与所述驱动装置电性连接以在所述牵引杆进入所述销孔后，由所述驱动装置驱动所述插销向下移动，以进入所述连接孔，从而固定所述牵引杆；所述牵引车头前部中心处设置一用以扫描所述牵引车头前方区域的多线激光雷达；

该方法包括以下假设：

a）所述拖斗预先停留在设定的停车位上；

b）所述拖斗受力后可以以一所述前轮为圆心旋转；

c）所述牵引车头从所述拖斗的左后方开始与所述拖斗自动对接，此时所述牵引车头和拖斗的方向相互平行；

d）所述牵引车头和拖斗的外形尺寸以及牵引杆的尺寸信息已知；

该方法包括以下步骤：

1)所述多线激光雷达扫描所述牵引车头的前方区域，并对返回的点云数据进行识别分析，获得所述拖斗的轮廓数据，确定在以所述多线激光雷达为原点的坐标系中所述拖斗的至少三个角的坐标，所述多线激光雷达的位置记为O点；

2）根据所述拖斗的至少三个角A、B、C的坐标计算所述拖斗的宽度L₁和长度L₂，并根据已知的所述拖斗的外形尺寸以及牵引杆的尺寸信息，计算得到所述牵引杆的连接孔的坐标E（x₁,y₁），所述连接孔的位置记为E点；

3）所述牵引车头向前直线行驶一段距离S，使载货拖斗位于自动驾驶牵引车右后方；仍以O点为原点，则所述连接孔的位置E的坐标为（x₁,y₁+S）；

4）所述牵引车头的尾部中间位置记为O₂，O₂点到O点的距离记为L₄，左右轮距记为K，O₂点的坐标则为（x₀，y₀+L₄），所述销孔的中心的坐标O₃则为（x₀，y₀+L₄+L₅），其中L₅是所述销孔的中心到O₂点的距离；

5）所述牵引车头前轮向右偏转，偏转角记为α，在保持α不变的情况下倒车；此时，所述销孔的中心的坐标O₃在以圆心O₁，半径r的圆弧上移动；计算α使得确保所述连接孔的中心位置E点位于该圆弧上；

6）在所述牵引车头倒车过程中，即可使所述连接孔与所述销孔准确对接上，所述位置传感器可以判断所述牵引杆是否对接到位，如对接到位，所述驱动装置驱动所述插销向下移动，插入所述连接孔与销孔即可完成所述牵引车头和拖斗的自动对接。

优选的，所述步骤5）中，计算偏转角α的方法是：

5.1）假设位于该圆弧上的任意一个E’点，是由O₃以半径r旋转角度β得到的，则其坐标为（x₀-r+r*cos（β）, y₀+L4+ r*sin（β））；E’点和所述连接孔的中心位置E点重合时，有：x₁=x₀-r+r*cos（β）及y₁+S=y₀+L4+ r*sin（β）；两式中，仅r和β未知，对其进行求解，可得到r；

5.2）该圆弧的半径r=O₁O₃≈O₁O₂=O₁G+1/2K，因此r=L₄/tanα+1/2K；式中，仅α未知，对其进行求解，可得到α，其中G点为所述牵引车头右后车轮中心点。

优选的，所述驱动装置包括一电机，所述电机的输出轴上设置一蜗轮，所述插销为与所述蜗轮啮合的蜗杆。

优选的，所述牵引杆枢轴设置在所述拖斗上。

优选的，所述连接孔设置在所述牵引杆的前端，所述牵引杆的后端连接一给所述拖斗制动的液压制动装置。

优选的，所述驱动装置为一由电磁阀控制的气缸，所述插销为所述气缸的气缸臂。

优选的，所述导引槽包括设置在所述牵引底座侧面的方形孔，以及四个由所述方形孔边线向所述导引槽底部倾斜延伸的导引面。

本发明的有益效果是：能够实现牵引车头与拖斗能够自动精确定位对准，提高了自动驾驶牵引车的安全性和效率，节省人力。

附图说明

图1是牵引车头的正面示意图；

图2是牵引车头和拖斗连接状态时的侧面示意图；

图3是牵引车头和拖斗分开状态时的俯视示意图；

图4是本发明初始状态时，牵引车头和拖斗的位置关系示意图；

图5是本发明倒车状态时，牵引车头和拖斗的位置关系示意图。

其中：牵引车头2，拖斗4，牵引底座6，牵引杆8，销孔10，连接孔12，插销14，驱动装置16，导引槽18，位置传感器20。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

如图1至图5所示，本发明的一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其包括牵引车头2和拖斗4。牵引车头2后部设置一牵引底座6，拖斗4上设置一牵引杆8。牵引底座6上垂直设置一销孔10，牵引杆8上设置一连接孔12。还包括一插销14以及驱动插销14沿所述销孔10上下移动的驱动装置16。牵引底座6正面设置有漏斗形的导引槽18，销孔10设置在所述导引槽18底部，牵引杆8与牵引底座6对准，牵引车头2缓慢倒车，即可使牵引杆8落入牵引底座6最深处。牵引底座6上还设置一检测牵引杆8是否沿导引槽18进入销孔10的位置传感器20，位置传感器20与驱动装置16电性连接，可以判断牵引杆8是否对准牵引底座6，以控制插销14是否执行动作。

进一步地，驱动装置16包括一电机（未图示），电机（未图示）的输出轴上设置一蜗轮（未图示），插销14为与蜗轮啮合的蜗杆（未图示）。电机（未图示）通过涡轮蜗杆方式驱动插销14沿销孔10上下移动，其可以配合设置导引槽18底部的位置传感器20来判断是否有拖斗4的牵引杆8进入导引槽18。

进一步地，牵引杆8枢轴设置在拖斗4上。

进一步地，连接孔12设置在牵引杆8的前端，牵引杆8的后端连接一给拖斗4制动的液压制动装置（未图示）。拖斗4上的牵引杆8具有放下时自动刹车作用，车辆倒车时，当牵引杆8向导引槽18底部滑动过程中也能解除刹车。

进一步地，驱动装置16为一由电磁阀控制的气缸（未图示），插销14为所述气缸的气缸臂（未图示），通过这种方式驱动插销14沿销孔10上下移动，其可以配合设置导引槽18底部的位置传感器20来判断是否有拖斗4的牵引杆8进入导引槽18。

进一步地，导引槽18包括设置在所述牵引底座6侧面的方形孔，以及四个由所述方形孔边线向所述导引槽18底部倾斜延伸的导引面。

以上是实现的机械结构，图4和图5中，显示本发明牵引车头2和拖斗4自动对接的方法。图中：A、B、C和D是拖斗4四个角，E是连接孔的中心位置，F是牵引车头右前车轮中心点，G是牵引车头右后车轮中心点，O是牵引车头前部中心处（此处安装多线激光雷达），O₁是牵引车头倒车时的圆心，O₂是牵引车头后部中心处（此处安装牵引底座），O₃是销孔10的中心处，0₄是圆心O₁到牵引车头前轴延长线的垂直相交点，α是偏转角，β设定的未知角度，K是牵引车头两轮的宽度；L₁是拖斗4的宽度，L₂是拖斗4的长度,L₄是牵引车头的轴距，L₅是销孔的中心到O₂点的距离，L₁、L₂、L₄、L₅是已知的参数。

拖斗4为长方体结构，拖斗4包括前轮和后轮，牵引车头2的尾部中心处设置牵引底座6，拖斗4前部中心处设置牵引杆8，牵引杆8可上下移动地枢轴设置在拖斗4上；水平状态时牵引杆8和导引槽的中心处高度相同。牵引车头2前部中心处设置一用以扫描牵引车头2前方区域的多线激光雷达22。

该方法包括以下假设：

a）拖斗4预先停留在设定的停车位上；

b）拖斗4受力后可以以一前轮为圆心旋转；

c）牵引车头2从拖斗4的左后方开始与拖斗4自动对接，此时牵引车头2和拖斗4的方向相互平行；

d）牵引车头2和拖斗4的外形尺寸以及牵引杆8的尺寸信息已知；

该方法包括以下步骤：

1)多线激光雷达22扫描牵引车头2的前方区域，并对返回的点云数据进行识别分析，获得拖斗4的轮廓数据，确定在以多线激光雷达22为原点的坐标系中拖斗4的至少三个角A、B、C点的坐标，并可计算得到D点的坐标，多线激光雷达22的位置记为O点；

2）拖斗4是长方体，因此根据拖斗4的三个角A、B、C的坐标即可计算拖斗4的宽度L1和长度L2，并根据已知的拖斗4的外形尺寸以及牵引杆8的尺寸信息，计算得到牵引杆8的连接孔的坐标E（x₁,y₁），其中，连接孔的位置记为E点；

3）牵引车头2向前直线行驶一段距离S，使载货拖斗4位于自动驾驶牵引车右后方；仍以O点为原点，则连接孔的位置E的坐标为（x₁,y₁+S）；S是预设的距离，其可以根据有限次的实际试验数据得到。

4）牵引车头2的尾部中间位置记为O₂，O₂点到O点的距离记为L₄，左右轮距记为K，O₂点的坐标则为（x₀，y₀+L₄），销孔的中心的坐标O₃则为（x₀，y₀+L₄+L₅），其中L₅是销孔的中心到O₂点的距离；其中，L₄、K、L5都是牵引车头2的已知的尺寸信息。

5）牵引车头2前轮向右偏转，偏转角记为α，在保持α不变的情况下倒车；此时，销孔的中心的坐标O₃在以圆心O₁，半径r的圆弧上移动；计算α使得确保连接孔的中心位置E点位于该圆弧上；

6）在牵引车头2倒车过程中，即可使连接孔与销孔准确对接上，位置传感器可以判断牵引杆8是否对接到位，如对接到位，驱动装置驱动插销向下移动，插入连接孔与销孔即可完成牵引车头2和拖斗4的自动对接。因为拖斗4受到牵引车头2的推动后，会以较近的前轮为圆心旋转，配合牵引杆8进入到牵引底座6中。

步骤5）中，计算偏转角α的方式较多，而本发明采用的计算偏转角α的方法虽有一定误差，但是较为简单和快捷，其具体的方法是：

5.1）假设位于该圆弧上的任意一个E’点，是由O₃以半径r旋转角度β得到的，则其坐标为（x₀-r+r*cos（β）, y₀+L₄+ r*sin（β））；E’点和连接孔的中心位置E点重合时，有：x₁=x₀-r+r*cos（β）及y₁+S=y₀+L₄+ r*sin（β）；两式中，仅r和β未知，对其进行求解，可得到r；

5.2）该圆弧的半径r=O₁O₃≈O₁O₂= O₁G+1/2K，因此r=L4/tanα+1/2K；式中，仅α未知，对其进行求解，可得到α。其中，O₁O₃为O₁点到O₃点的距离；O₁O₂为O₁点到O₂点的距离；O₁G是O₁点到G点的距离。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其包括牵引车头和拖斗，所述拖斗为长方体结构，所述拖斗包括前轮和后轮，其特征在于：所述牵引车头的尾部中心处设置一牵引底座，所述拖斗前部中心处设置一牵引杆，所述牵引杆可上下移动地枢轴设置在所述拖斗上；所述牵引底座的中心处垂直设置一销孔，所述牵引杆上设置一连接孔，还包括一插销以及驱动所述插销沿所述销孔上下移动的驱动装置，所述牵引底座正面设置有漏斗形的导引槽，所述销孔设置在所述导引槽底部；水平状态时所述牵引杆和导引槽的中心处高度相同；所述牵引底座上还设置一检测所述牵引杆是否沿所述导引槽进入所述销孔的位置传感器；所述位置传感器与所述驱动装置电性连接以在所述牵引杆进入所述销孔后，由所述驱动装置驱动所述插销向下移动，以进入所述连接孔，从而固定所述牵引杆；所述牵引车头前部中心处设置一用以扫描所述牵引车头前方区域的多线激光雷达；

该方法包括以下假设：

a）所述拖斗预先停留在设定的停车位上；

b）所述拖斗受力后可以以一所述前轮为圆心旋转；

c）所述牵引车头从所述拖斗的左后方开始与所述拖斗自动对接，此时所述牵引车头和拖斗的方向相互平行；

d）所述牵引车头和拖斗的外形尺寸以及牵引杆的尺寸信息已知；

该方法包括以下步骤：

1)所述多线激光雷达扫描所述牵引车头的前方区域，并对返回的点云数据进行识别分析，获得所述拖斗的轮廓数据，确定在以所述多线激光雷达为原点的坐标系中所述拖斗的至少三个角的坐标，所述多线激光雷达的位置记为O点；

2）根据所述拖斗的至少三个角A、B、C的坐标计算所述拖斗的宽度L1和长度L2，并根据已知的所述拖斗的外形尺寸以及牵引杆的尺寸信息，计算得到所述牵引杆的连接孔的坐标E（x₁,y₁），所述连接孔的位置记为E点；

3）所述牵引车头向前直线行驶一段距离S，使载货拖斗位于自动驾驶牵引车右后方；仍以O点为原点，则所述连接孔的位置E的坐标为（x₁,y₁+S）；

4）所述牵引车头的尾部中间位置记为O₂，O₂点到O点的距离记为L4，左右轮距记为K，O₂点的坐标则为（x₀，y₀+L4），所述销孔的中心的坐标O₃则为（x₀，y₀+L4+L5），其中L5是所述销孔的中心到O₂点的距离；

5）所述牵引车头前轮向右偏转，偏转角记为α，在保持α不变的情况下倒车；此时，所述销孔的中心的坐标O₃在以圆心O₁，半径r的圆弧上移动；计算α使得确保所述连接孔的中心位置E点位于该圆弧上；

6）在所述牵引车头倒车过程中，即可使所述连接孔与所述销孔准确对接上，所述位置传感器可以判断所述牵引杆是否对接到位，如对接到位，所述驱动装置驱动所述插销向下移动，插入所述连接孔与销孔即可完成所述牵引车头和拖斗的自动对接。

2.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述步骤5）中，计算偏转角α的方法是：

5.1）假设位于该圆弧上的任意一个E’点，是由O₃以半径r旋转角度β得到的，则其坐标为（x₀-r+r*cos（β）, y₀+L4+ r*sin（β））；E’点和所述连接孔的中心位置E点重合时，有：x₁=x₀-r+r*cos（β）及y₁+S=y₀+L4+ r*sin（β）；两式中，仅r和β未知，对其进行求解，可得到r；

5.2）该圆弧的半径r=O₁O₃≈O₁O₂= O₁G+1/2K，因此r=L4/tanα+1/2K；式中，仅α未知，对其进行求解，可得到α，其中G点为所述牵引车头右后车轮中心点。

3.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述驱动装置包括一电机，所述电机的输出轴上设置一蜗轮，所述插销为与所述蜗轮啮合的蜗杆。

4.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述牵引杆枢轴设置在所述拖斗上。

5.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述连接孔设置在所述牵引杆的前端，所述牵引杆的后端连接一给所述拖斗制动的液压制动装置。

6.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述驱动装置为一由电磁阀控制的气缸，所述插销为所述气缸的气缸臂。

7.根据权利要求1所述的用于自动驾驶牵引车与拖斗自动对接的方法，其特征在于：所述导引槽包括设置在所述牵引底座侧面的方形孔，以及四个由所述方形孔边线向所述导引槽底部倾斜延伸的导引面。

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