CN112965373A - 一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，包括以下步骤：录入铰接式车辆的参数；控制器根据GNSS板卡获取的基站差分信号进行RTK解算获得车辆的实时位置信息，通过IMU和解算得到的位置信息进行姿态估计和位姿校正获得准确的位姿信息；下发自动驾驶指令时根据预定的行驶轨迹和车辆当前的位置、航向计算车辆与预定路径之间的横向偏差和速度信息；根据横向偏差、航向偏差、铰接处的角度、反馈增益矩阵和横向偏差的积分系数计算得到铰接处的目标角度；本发明根据车辆速度信息、横向偏差信息实时更改控制目标参数、最大转角约束、积分系数可以有效抑制铰接式车辆在自动驾驶模式下的车身抖动，提高轨迹跟踪控制精度。

Description

一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及路径跟踪控制领域，特别涉及一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法。
背景技术
地下辅助运输车辆是一种常见的铰接式车辆，其通常包括前车体和后车体，前车体与后车体以铰接的方式连接。地下辅助运输车辆的前车体一般包括车架及安装于车架上的柴油机、驾驶室、水冷装置、前车驱动桥、柴油箱、液压油箱等部件，车架上要承载柴油机、驾驶室、水冷装置、前车驱动桥、柴油箱、液压邮箱等部件的重量，因此车架的结构设置是否合理是决定地下辅助运输车辆的动力性能的主要因素；
目前铰接式车辆在泥泞、岩石、不平等路面上不容易操控，在具备大角度转弯的情况下会造成车架损坏。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明主要提供一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，本发明根据车辆速度信息、横向偏差信息实时更改控制目标参数、最大转角约束、积分系数可以有效抑制铰接式车辆在自动驾驶模式下的车身抖动，提高轨迹跟踪控制精度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)：录入铰接式车辆的参数；
步骤(2)：控制器根据GNSS板卡获取的基站差分信号进行RTK解算获得车辆的实时位置信息，通过IMU和解算得到的位置信息进行姿态估计和位姿校正获得准确的位姿信息；
步骤(3)：下发自动驾驶指令时根据预定的行驶轨迹和车辆当前的位置、航向计算车辆与预定路径之间的横向偏差和速度信息，反之则回到步骤(2)；
步骤(4)：根据横向偏差、航向偏差、铰接处的角度、反馈增益矩阵和横向偏差的积分系数计算得到铰接处的目标角度；
步骤(5)：将铰接处的目标角度发送给电动方向盘，由电动方向盘控制液压装置改变铰接处的角度。
优选的，所述步骤(1)中：录入铰接式车辆的参数包括前轮中心到铰接处的距离、后轮中心到铰接处的距离、GNSS天线到轮子中心的距离。
优选的，所述步骤(3)还包括：根据车辆的速度信息调整航向偏差、横向偏差在整个目标函数中的权重；以及根据车辆的速度信息更新车辆的运动学误差模型，根据更新后的目标函数和误差模型计算反馈增益矩阵。
优选的，控制模块包括控制器、卫星天线、安卓显示器、电动方向盘、角度传感器，卫星天线安装在前车架车顶，角度传感器安装在前车架和后车架的连接处，其余设备安装在驾驶室内。
优选的，所述控制器内置GNSS板卡、IMU和中央处理器，电动方向盘和角度传感器通过CAN总线与控制器进行通信，通过4G/GPRS接收器实时接收基站或者服务器发送的差分信息将其发送给GNSS模块。
优选的，通过中央处理器获取GNSS板卡、IMU、电动方向盘和角度传感器反馈的数据，通过组合导航算法和单天线融合方法获得车辆行驶的实时位置信息、速度信息、航向信息和铰接处的角度信息；根据实时获得的位姿信息和安卓显示器下发的作业路径信息计算出车辆与参考路径之间的横向偏差、航向偏差信息；将横向偏差、航向偏差、速度、铰接处的角度信息发送给控制方法并计算出铰接处的目标角度并通过CAN总线发送到电动方向盘由电动方向盘完成控制执行。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的轨迹跟踪控制方法计算方法可用在农用和矿用的铰接式车辆上；
2、本发明的轨迹跟踪控制方法可实现厘米级的跟踪控制效果；
3、本发明根据车辆速度信息、横向偏差信息实时更改控制目标参数、最大转角约束、积分系数可以有效抑制铰接式车辆在自动驾驶模式下的车身抖动，提高轨迹跟踪控制精度。
4、本发明中的反馈增益矩阵的计算方法采用上次计算输出的反馈矩阵作为当前迭代计算的初始值降低了迭代计算时间。
5、本发明利用卫星速度航向和惯导信息融合，实时计算车辆航向角，同时弥补了陀螺仪积分发散和卫星速度航向精度低的缺陷，获取连续、高精度、稳定的航向角。
附图说明
图1为本发明中提到的铰接式车辆参数示意图；
图2为本发明中提到的铰接式车辆自动驾驶硬件组成结构图；
图3为本发明中提到的铰接式车辆轨迹跟踪控制整体流程图；
图4为本发明中提到的在线求解反馈矩阵流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明旨在解决铰接式车辆在自动驾驶模式下进行轨迹跟踪过程中车身频繁抖动、跟随参考轨迹精度较低的问题，如图1主要由前车架、铰接转向机构、后车架三部分组成。在方向盘转动时铰接转向结构会推动前车架和后车架发生转动使得在前车架和后车架的连接处产生一个角度δ，因此铰接式车辆的转向部位位于车辆的中间。在控制铰接式车辆转向时前车架的前端和后车架的尾端绕着铰接处向中间转动，两部分同时转动使得车身的抖动比前轮转向的车辆更大，同时转向时前车架和后车架朝着不同方向转动也增加了铰接式车辆轨迹跟踪控制的难度；在图1中，ex表示：前车架中心到参考轨迹之间的垂直距离；eh表示：前车架与参考轨迹之间的夹角；δ表示：前车架与后车架之间的夹角。
铰接式车辆的前车架-铰接转向机构-后车架组合允许车身和装载单元分开弯曲，在具备大角度转弯的情况下而不会造成车架损坏，在泥泞、岩石、不平等路面上更容易操控，广泛的应用于农业打药和矿物运输。铰接式车辆的轨迹跟踪控制方法作为精准农业和数字施工领域自动驾驶技术中的一项核心关键技术。铰接式车辆轨迹跟踪控制主要包括预定导航路径、车辆的实时位姿、控制算法、电动方向盘等。准确获取车辆的实时位姿信息是实现准确跟随预定轨迹的前提条件；高效的控制算法能够准确快速的根据车辆当前位姿与预定位姿之间的差异输出控制指令；可靠的电动方向盘能够准确、快速的执行控制指令。主要解决方法如下：
方法一：离线基于固定参数的方法：根据离线状态下建立的车辆的数学模型，采用李雅普诺夫稳定性定理设计控制算法的形式然后通过仿真和实际过程中不断调整控制算法中参数的具体数值直到控制效果达到要求为止。然后在实际过程中使用该控制律控制车辆的行驶轨迹。如：常见的滑模变结构控制等是通过离线计算出控制律并作用于实际系统中。该类方法的特点是离线计算控制律在实际使用过程中极大的降低了在实际系统中计算时间，同时不能够根据车辆的实际状态改变控制律中的相关参数。
方法二：在线基于固定目标函数的方法：根据建立的车辆的数学模型，设计期望的目标函数，设计求解控制律的公式或方法，在实际系统中根据根据预先设计的目标函数和控制律求解方法，实时求解出控制律和控制量并作用于执行机构，常见的如模型预测控制等。该类方法的特点是在实时计算控制律和控制量的时候需要花费一定的计算时间，因此降低计算时间成为该类算法的难点，同时也不能够实时根据车辆的状态改变目标函数。
综合上述两种轨迹跟踪控制方法都是基于固定的一些参数计算控制律或控制量不能够根据车辆的实际状态对控制律或目标函数进行适当的调整，因此对在实际使用过程中时需要车辆在一定的状态范围内如速度在较小的范围内才可以得到较好的轨迹跟踪效果。
本发明采用的是在线变化的目标函数的方法。在实际过程中根据车辆的速度、横向偏差改变目标函数中的一些参数、积分系数以及最大转角的限幅。在线实时计算控制律时采用的时迭代的方式求解控制律，由于在相邻两次采样间隔车辆的运动学误差模型的变化不是很大，因此迭代求解的初始值为上一次的计算结果，可以在一定程度上降低计算时间。
具体如下：
本发明提供的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其中控制模块的结构，如图2所示，包含控制器、卫星天线、安卓显示器、电动方向盘、角度传感器和相关馈线，卫星天线安装在前车架车顶，角度传感器安装在前车架和后车架的连接处，其余设备安装在驾驶室内。
在本发明中，控制器内置GNSS板卡、IMU和中央处理器，电动方向盘和角度传感器通过CAN总线与控制器进行通信。4G/GPRS接收器实时接收基站或者服务器发送的差分信息将其发送给GNSS模块。中央处理器获取GNSS板卡、IMU、电动方向盘和角度传感器反馈的数据，通过组合导航算法和单天线融合方法获得车辆行驶的实时位置信息、速度信息、航向信息和铰接处的角度信息。
具体控制流程包括：
根据实时获得的位姿信息和安卓显示器下发的作业路径信息计算出车辆与参考路径之间的横向偏差、航向偏差信息。最后将横向偏差、航向偏差、速度、铰接处的角度信息发送给控制方法并计算出铰接处的目标角度并通过CAN总线发送到电动方向盘由电动方向盘完成控制执行。
模型参数调整：模型计算过程中将一些变化的参数作为模型的一部分，并实时的获取这些参数的具体数值用于更新模型。
自动控制参数调整：铰接式车辆是中间转向机构带动前车架和后车架转动，速度较高的情况两部分同时转动车身很可能就会失稳，因此速度越高时车辆的航向指标占比会越高，相对的横向偏差的占比会越小。同时车辆的速度越高时将最大转向角度约束在较小范围内，速度越小时最大转向角度约束范围越大。
自动控制反馈矩阵计算方法：根据建立的铰接式车辆轨迹跟踪控制的误差模型，计算误差比例反馈控制增益矩阵。控制增益矩阵是根据车辆的实时误差模型计算出来的，计算方法采用的是不断迭代求解里卡蒂方程的方式。当相邻两次迭代结果的差异很小(小于10-10)的时候输出计算结果。相邻两个采样间隔的误差模型的区别不是很大，因此迭代计算的初始值为上一次迭代输出的结果，可以在一定程度上提高计算反馈增益矩阵的效率。
积分控制方法：在比例反馈增益矩阵的基础上增加变速积分控制，在偏差过大时没有积分作用，主要是比例反馈控制起作用。当偏差在一定范围内偏差越大积分作用越小，偏差越小积分作用越大。通过增加变速积分在提高控制精度的同时避免了积分饱和的情况。
本发明能够实时根据车辆的状态模型参数、改变控制算法中的目标函数参数，根据车辆当前位置与参考轨迹之间的横向偏差控制参数以及提高反馈矩阵计算效率的方式。其中，根据车辆的状态改变模型参数包括对于模型中无法事先确定或无法控制的参数在实际控制过程中实时获取并更新这些参数以更新模型。根据车辆状态改变控制算法中的目标函数参数包括当车辆速度越大时目标函数中的航向偏差占比越高相应的横向偏差占比会变低。根据车辆当前位置与参考轨迹之间的横向偏差改变控制参数包括当横向偏差在一定范围内时横向偏差越大积分系数越小，横向偏差越大积分系数越小，当横向偏差过小时积分系数不在改变，当横向偏差过大积分系数越小。提高反馈矩阵计算效率的方式包括将上次计算反馈矩阵时的输出结果作为当前计算反馈矩阵时的初始值以提高计算效率。
以下提供本发明一具体实施例
实施例1
参照图3-图4所示，一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
第一步，录入铰接式车辆的参数包括前轮中心到铰接处的距离、后轮中心到铰接处的距离、GNSS天线到轮子中心的距离。
第二步，程序开始，获取平板发送给控制器的预定行驶轨迹，控制器根据GNSS板卡获取的基站差分信号进行RTK解算获得车辆的实时位置信息，通过IMU和解算得到的位置信息进行姿态估计和位姿校正获得准确的位姿信息。
第三步，当显示器下发自动驾驶指令时根据预定的行驶轨迹和车辆当前的位置、航向计算车辆与预定路径之间的横向偏差和速度信息，反之则回到第二步。
第四步，根据车辆的速度信息调整航向偏差、横向偏差在整个目标函数中的权重，速度越大航向偏差的占比越大，相应的横向偏差的占比会减小。
第五步，根据车辆的速度信息更新车辆的运动学误差模型，根据更新后的目标函数和误差模型计算反馈增益矩阵。
第六步，根据第三步计算的横向偏差调整积分项的系数。当横向偏差在一定范围内，偏差越大积分系数越小，偏差小到一定范围时积分项系数保持不变，当偏差过大时积分系数为0。
第七步，根据横向偏差、航向偏差、铰接处的角度、反馈增益矩阵和横向偏差的积分系数计算得到铰接处的目标角度。
第八步，将铰接处的目标角度发送给电动方向盘，由电动方向盘控制液压装置改变铰接处的角度。
另外，在本发明中，关于迭代计算反馈增益矩阵的流程图，如图4所示：
第一步，更新车辆的误差模型，更新目标函数中的矩阵参数。
第二步，初始化矩阵S0赋值为InitS
第三步，迭代求解矩阵Sk
第四步，计算Sk与Sk-1之差的无穷范数ek
第五步，计算ek与ek-1之差的绝对值Δek
第六步，如果Δek小于10的-10次方则终止迭代，否则返回第三步继续迭代求解Sk。
第七步，当Δek小于10的-10次方时保存此使的迭代输出矩阵Sk为InitS以便下次迭代时从上次的结果出发开始迭代，这样能够减小迭代计算需要的时间。
本发明可用在农用和矿用的铰接式车辆上；可实现厘米级的跟踪控制效果；以及根据车辆速度信息、横向偏差信息实时更改控制目标参数、最大转角约束、积分系数可以有效抑制铰接式车辆在自动驾驶模式下的车身抖动，提高轨迹跟踪控制精度。其中反馈增益矩阵的计算方法采用上次计算输出的反馈矩阵作为当前迭代计算的初始值降低了迭代计算时间。利用卫星速度航向和惯导信息融合，实时计算车辆航向角，同时弥补了陀螺仪积分发散和卫星速度航向精度低的缺陷，获取连续、高精度、稳定的航向角。
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。

Claims (6)

1.一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)：录入铰接式车辆的参数；
步骤(2)：控制器根据GNSS板卡获取的基站差分信号进行RTK解算获得车辆的实时位置信息，通过IMU和解算得到的位置信息进行姿态估计和位姿校正获得准确的位姿信息；
步骤(3)：下发自动驾驶指令时根据预定的行驶轨迹和车辆当前的位置、航向计算车辆与预定路径之间的横向偏差和速度信息，反之则回到步骤(2)；
步骤(4)：根据横向偏差、航向偏差、铰接处的角度、反馈增益矩阵和横向偏差的积分系数计算得到铰接处的目标角度；
步骤(5)：将铰接处的目标角度发送给电动方向盘，由电动方向盘控制液压装置改变铰接处的角度。
2.根据权利要求1所述的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中：录入铰接式车辆的参数包括前轮中心到铰接处的距离、后轮中心到铰接处的距离、GNSS天线到轮子中心的距离。
3.根据权利要求2所述的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括：根据车辆的速度信息调整航向偏差、横向偏差在整个目标函数中的权重；以及根据车辆的速度信息更新车辆的运动学误差模型，根据更新后的目标函数和误差模型计算反馈增益矩阵。
4.根据权利要求2所述的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，控制模块包括控制器、卫星天线、安卓显示器、电动方向盘、角度传感器，卫星天线安装在前车架车顶，角度传感器安装在前车架和后车架的连接处，其余设备安装在驾驶室内。
5.根据权利要求4所述的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，所述控制器内置GNSS板卡、IMU和中央处理器，电动方向盘和角度传感器通过CAN总线与控制器进行通信，通过4G/GPRS接收器实时接收基站或者服务器发送的差分信息将其发送给GNSS模块。
6.根据权利要求5所述的一种农用和矿用铰接式车辆路径跟踪控制方法，其特征在于，通过中央处理器获取GNSS板卡、IMU、电动方向盘和角度传感器反馈的数据，通过组合导航算法和单天线融合方法获得车辆行驶的实时位置信息、速度信息、航向信息和铰接处的角度信息；根据实时获得的位姿信息和安卓显示器下发的作业路径信息计算出车辆与参考路径之间的横向偏差、航向偏差信息；将横向偏差、航向偏差、速度、铰接处的角度信息发送给控制方法并计算出铰接处的目标角度并通过CAN总线发送到电动方向盘由电动方向盘完成控制执行。
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