CN113859234B - 一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统，该方法包括：设置激光雷达和深度视觉传感器对小车行驶过程中的实际路径进行实时采集，并发送至整机控制器。所述整机控制器将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值。如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制。建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致。本发明能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。

Description

一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统
技术领域
本发明涉及智能小车控制的技术领域，尤其涉及一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统。
背景技术
随着我国智能技术的快速发展，智能机器人的研究变得越来越热门，其应用也越来越广泛，价值也逐渐凸显。随着人工智能技术的发展，智能车的智能化需得到进一步提升。目前在智能小车行驶过程中，一般由整机控制器发送各电动轮转速指令，从而达到控制小车前进、后退、转弯等功能的实现。然而对于四轮独立驱动的轮毂电机机器人来说，由于四轮定位精度以及轮毂电机的制造精度、控制精度等问题的存在，即使给四个轮毂电机发送相同的速度指令，也很难保证小车能够按照预定的路线直线行驶。因此在行驶过程中自动纠偏功能的开发就显得尤其重要。
发明内容
本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统，解决现有四轮驱动的小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题，能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，包括：
设置激光雷达和深度视觉传感器对小车行驶过程中的实际路径进行实时采集，并发送至整机控制器；
所述整机控制器通过所述激光雷达及所述深度视觉传感器检测当前小车行走路径是否与预设路径一致，如果发生偏移，整机控制器通过动力学模型自动对四轮轮速指令进行实时调整，并在左右轮速存在偏差时，小车自动向左或者向右进行路径纠正；
所述整机控制器将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值；
如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制；
建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致。
优选的，还包括：
对各个转轮设置独立的驱动电机，并通过所述PID调节器对各个转轮的增速或减速控制；
如果所述路径偏角θ为正值，则小车行驶路径发生右偏，整机控制器控制右侧轮增速或左侧轮减速；
如果所述路径偏角θ为负值，则小车行驶路径发生左偏，整机控制器控制左侧轮增速或右侧轮减速。
优选的，所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，包括：
将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
优选的，所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，还包括：
将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
本发明还提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，包括：激光雷达、深度视觉传感器、整机控制器和PID调节器；
所述整机控制器分别与所述激光雷达和深度视觉传感器信号连接，以获取小车行驶过程中的实际路径；
所述整机控制器通过所述激光雷达及所述深度视觉传感器检测当前小车行走路径是否与预设路径一致，如果发生偏移，整机控制器通过动力学模型自动对四轮轮速指令进行实时调整，并在左右轮速存在偏差时，小车自动向左或者向右进行路径纠正；
所述整机控制器用于将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值，如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制；
所述PID调节器用于建立驱动轮转速与路径偏角调节模型，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致。
优选的，还包括：驱动电机；
对各个转轮设置独立的所述驱动电机，所述驱动电机与所述整机控制器信号连接，所述整机控制器通过所述PID调节器对所述驱动电机对相应的转轮进行增速或减速控制；
所述整机控制器在所述路径偏角θ为正值时控制右侧轮增速或左侧轮减速，以调节小车行驶路径发生右偏的状态；
所述整机控制器在所述路径偏角θ为负值时控制左侧轮增速或右侧轮减速，以调节小车行驶路径发生左偏的状态。
优选的，将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
优选的，将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统，通过激光雷达及深度视觉传感器将小车的实际行驶路径与规划路径进行实时比对，输出路径偏角θ，整机控制器根据路径偏角θ实时动态对四轮转速指令进行补偿，四轮存在轮速偏差后，小车会自动纠偏至正确的规划路径。能解决现有四轮驱动的小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题，能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法的示意图。
图2是本发明提供的自动纠偏方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对当前四轮驱动的智能小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题。本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法及系统，通过激光雷达及深度视觉传感器将小车的实际行驶路径与规划路径进行实时比对，输出路径偏角θ，整机控制器根据路径偏角θ实时动态对四轮转速指令进行补偿，四轮存在轮速偏差后，小车会自动纠偏至正确的规划路径。能解决现有四轮驱动的小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题，能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。
如图1所示，一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，包括：
S1：设置激光雷达和深度视觉传感器对小车行驶过程中的实际路径进行实时采集，并发送至整机控制器。
S2：所述整机控制器将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值。
S3：如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制。
S4：建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致。
具体地，自动纠偏控制包括：整机控制器通过激光雷达及3D深度视觉摄像头检测当前小车行走路径是否与预设路径一致，如果发生偏移，整机控制器通过动力学模型自动对四轮轮速指令进行实时调整，左右轮速存在偏差，小车可以自动向左或者向右进行路径纠正。如图2所示，整机控制器通过激光雷达及深度视觉传感器获取车身当前路径偏角θ(右偏为正值，左偏为负值)。根据小车动力学模型，增加右侧转轮转速，小车会向左偏，增加左侧转轮转速，小车会向右偏，根据该原理，当小车路径偏角θ持续时间T大于设定时间阈值后，通过PID调节器根据路径偏角与规划路径调节转轮的转速所需要增加速度△V，如果路径偏角大于0°，则为右偏，需要调节右侧转轮转速，以动态达到校准偏移功能，其中PID中的PI参数可根据实际调节效果进行标定。根据PID调节器输出的转速叠加到需求车速对应的转速上，形成最终的转速指令以控制小车的转轮的转速，最终达到小车行径路径与目标路径一致。该方法能可以大幅度降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车的行进路线准确性。
该方法还包括：
S5：对各个转轮设置独立的驱动电机，并通过所述PID调节器对各个转轮的增速或减速控制。
S6：如果所述路径偏角θ为正值，则小车行驶路径发生右偏，整机控制器控制右侧轮增速或左侧轮减速。
S7：如果所述路径偏角θ为负值，则小车行驶路径发生左偏，整机控制器控制左侧轮增速或右侧轮减速。
在实际应用中，在四轮独立驱动的轮毂电机小车上，驱动电机作为唯一动力源，可通过CAN总线与整机控制器相连，根据整机控制器的四轮轮速指令完成小车的前进后退及转弯工需求。当车辆在直线行驶的时候，假设各个轮毂的电机特性及附着条件一致，没有侧向风的影响，整机控制器给四个轮子的轮速指令V1、V2、V3、V4是相同的，但由于电机的控制误差以及机械装配的误差，实际开发过程中四轮独立驱动小车很难保证直线行驶。因此需要采用一定的控制方法来弥补由于各种因素造成的小车直线行驶的稳定性，通过整机控制器对直线行驶时左右轮速的不同补偿，依靠左右轮速差实现小车路径的纠正。本方法通过激光雷达及深度视觉传感器将小车实际行驶路线与规划路径进行实时比对，输出路径偏角θ，整机控制器根据路径偏角θ实时动态对四轮转速指令进行补偿，四轮存在轮速偏差后，小车会自动纠偏至正确的规划路线路。
所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，包括：将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，还包括：将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
可见，本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，通过激光雷达及深度视觉传感器将小车的实际行驶路径与规划路径进行实时比对，输出路径偏角θ，整机控制器根据路径偏角θ实时动态对四轮转速指令进行补偿，四轮存在轮速偏差后，小车会自动纠偏至正确的规划路径。能解决现有四轮驱动的小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题，能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。
相应地，本发明还提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，包括：激光雷达、深度视觉传感器、整机控制器和PID调节器。
所述整机控制器分别与所述激光雷达和深度视觉传感器信号连接，以获取小车行驶过程中的实际路径。
所述整机控制器用于将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值，如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制。
所述PID调节器用于建立驱动轮转速与路径偏角调节模型，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致。
在实际应用中，整机控制器可采用PLC控制器或微处理器实现。
该系统还包括：驱动电机；对各个转轮设置独立的所述驱动电机，所述驱动电机与所述整机控制器信号连接，所述整机控制器通过所述PID调节器对所述驱动电机对相应的转轮进行增速或减速控制。所述整机控制器在所述路径偏角θ为正值时控制右侧轮增速或左侧轮减速，以调节小车行驶路径发生右偏的状态。所述整机控制器在所述路径偏角θ为负值时控制左侧轮增速或右侧轮减速，以调节小车行驶路径发生左偏的状态。
进一步，将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
进一步，将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
可见，本发明提供一种四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，通过激光雷达及深度视觉传感器将小车的实际行驶路径与规划路径进行实时比对，输出路径偏角θ，整机控制器根据路径偏角θ实时动态对四轮转速指令进行补偿，四轮存在轮速偏差后，小车会自动纠偏至正确的规划路径。能解决现有四轮驱动的小车行驶中存在四轮校准难度大且一致性差的问题，能降低四轮定位的精度要求，可以保证机器小车行进路线的准确性，提高四轮驱动的一致性。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，其特征在于，包括：
设置激光雷达和深度视觉传感器对小车行驶过程中的实际路径进行实时采集，并发送至整机控制器；
所述整机控制器通过所述激光雷达及所述深度视觉传感器检测当前小车行走路径是否与预设路径一致，如果发生偏移，整机控制器通过动力学模型自动对四轮轮速指令进行实时调整，并在左右轮速存在偏差时，小车自动向左或者向右进行路径纠正；
所述整机控制器将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值；
如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制；
建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，并根据PID调节器输出的转速叠加到需求车速对应的转速上，形成最终的转速指令以控制小车的转轮的转速，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致；
对各个转轮设置独立的驱动电机，并通过所述PID调节器对各个转轮的增速或减速控制；
如果所述路径偏角θ为正值，则小车行驶路径发生右偏，整机控制器控制右侧轮增速或左侧轮减速；
如果所述路径偏角θ为负值，则小车行驶路径发生左偏，整机控制器控制左侧轮增速或右侧轮减速。
2.根据权利要求1所述的四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，其特征在于，所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，包括：
将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
3.根据权利要求2所述的四轮独立驱动小车的自动纠偏方法，其特征在于，所述建立驱动轮转速与路径偏角的PID调节器，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，还包括：
将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
4.一种四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，其特征在于，包括：激光雷达、深度视觉传感器、驱动电机、整机控制器和PID调节器；
所述整机控制器分别与所述激光雷达和深度视觉传感器信号连接，以获取小车行驶过程中的实际路径；
所述整机控制器通过所述激光雷达及所述深度视觉传感器检测当前小车行走路径是否与预设路径一致，如果发生偏移，整机控制器通过动力学模型自动对四轮轮速指令进行实时调整，并在左右轮速存在偏差时，小车自动向左或者向右进行路径纠正；
所述整机控制器用于将所述实际路径与规划路径进行比对以得到路径偏角θ，并在偏移时判断路径偏角θ是否持续大于设定角度阈值，如果是，则计算持续时间T，当持续时间T大于设定时间阈值时，则进入自动纠偏控制；
所述PID调节器用于建立驱动轮转速与路径偏角调节模型，并根据PID调节器输出的转速叠加到需求车速对应的转速上，形成最终的转速指令以控制小车的转轮的转速，以调整四轮独立驱动小车的左侧轮转速或右侧轮转速，使小车的行驶路径与规划路径相一致；
对各个转轮设置独立的所述驱动电机，所述驱动电机与所述整机控制器信号连接，所述整机控制器通过所述PID调节器对所述驱动电机对相应的转轮进行增速或减速控制；
所述整机控制器在所述路径偏角θ为正值时控制右侧轮增速或左侧轮减速，以调节小车行驶路径发生右偏的状态；
所述整机控制器在所述路径偏角θ为负值时控制左侧轮增速或右侧轮减速，以调节小车行驶路径发生左偏的状态。
5.根据权利要求4所述的四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，其特征在于，将所述路径偏角与预设目标偏角作为所述PID调节器的输入，所述PID调节器输出调节转速，所述整机控制器根据所述调节转速调节相应的驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
6.根据权利要求5所述的四轮独立驱动小车的自动纠偏系统，其特征在于，将所述路径偏角与预设目标偏角的差值作为PID调节器的输入，所述PID调节器输出转速增加值，所述整机控制器根据所述转速增加值控制驱动电机转速，以驱动左侧轮转速或右侧轮转速。
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