CN115092252A - 无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法，包括基于圆弧‑直线拼接的路径规划策略进行停车路径规划，以及采用单桥转向/双桥转向切换的控制策略。该方法能够显著提高矿卡运行的稳定性及控制算法运行的实时有效性，达到了矿卡的跟踪性以及停车规范性的要求，矿卡作业效率得到了提高的同时保证其运行可靠性。

Description

无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶车辆技术领域，尤其涉及自动驾驶车辆轨迹规划与控制领域，具体讲，涉及无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法。

背景技术

无驾驶室双桥转向矿卡在机械结构上具有轴对称性，因车辆的无驾驶室设计，车辆没有前端与后端的区分，即没有前行和倒车的区分。但是在系统设计过程中，我们将车辆安装定位装置的车桥(轴)称为“后桥”，没有定位装置的轴称为“前桥”，对应的，将“前桥”在前的行驶过程称为“前向行驶”，“后桥”在前的行驶过程称为“后向行驶”。同时，车辆具有两套转向系统，即单桥转向模式和双桥转向模式。在双桥转向模式下，由于车辆为低速行驶，能够通过前后轴的逆向转向，减小车辆的转弯半径。

当前矿区自动驾驶矿卡配置多为编组作业，但是装载区/卸载区内同时只能有一辆车辆作业，这就要求其他矿卡在装载区/卸载区外排队等候。此外，矿卡在装载区或者卸载区内，需要进入一个指定的停靠点，从而完成装载或卸载作业。但出于作业要求的考虑，传统的有驾驶室的自动驾驶矿卡在装载区/卸载区内需要进行倒车操作才能完成停靠，这就要求车辆有足够的空间由前向行驶调整为倒车行驶。同时，由于传统的有驾驶室的自动驾驶矿卡都属于前轮转向或后轮转向，具有转弯半径大的特点。

由于上述作业及结构特性，传统的有驾驶室的自动驾驶矿卡在作业中面临两个重要的缺点：一是装载区/卸载区的面积需求大，二是自动驾驶矿卡的作业效率较低。

无驾驶室双桥转向矿卡采用一种基于圆弧-直线拼接的路径规划策略。基于圆弧-直线拼接的路径，因其结构简单且易于实施被广泛用于实车中。根据规划路径曲率切换单桥转向/双桥转向的控制策略，利用双桥转向的特性，减小了对装载区/卸载区的面积需求。无驾驶室的特性决定了矿卡不需要倒车操作，因此可以取消在装载区/卸载区内倒车点的设置，编组车辆可由等候区直接行驶至停靠区，提高了作业效率，实现了效益的最大化。

发明内容

为了为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种应用于无驾驶室双桥转向矿卡的高精度快速停车路径规划与控制算法。具体而言，考虑矿卡运行的稳定性及算法运行的实时性，在综合考虑车辆的可跟踪性以及车辆的停车规范性的情形下，采用基于圆弧-直线拼接的路径规划策略进行停车路径规划。考虑到无驾驶室双桥转向矿卡运行的复杂地形以及作业效率的要求，采用单桥转向/双桥转向切换的控制策略，达到提高矿卡作业效率的同时保证其运行可靠性的目的。本发明采用以下技术方案：

一种无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法，包括以下步骤：

步骤(一)，设计无驾驶室双桥转向矿卡的两种转向控制方法——前轮单桥转向模式及双桥转向模式：

前轮单桥转向模式：以矿卡的前桥作为转向桥，后桥不执行转向动作；

双桥转向模式：矿卡的双桥同时执行转向操作，保持车辆稳定性并减小矿卡的转向半径；

步骤(二)，设计垂直泊车路径规划层：

如果车辆当前航向与停靠点航向平行，选择双圆弧的路径规划方法；

如果车辆当前航向与停靠点航向不平行，则选择单圆弧的路径规划方法；

然后通过基于圆弧-直线拼接的路径规划策略规划泊车路径；

步骤(三)，设计转向模式选择器：在路径规划完成后，解析整条路径的曲率半径，采用缓冲选择策略，选择合适的转向控制器：

当路径曲率较大时，采用前轮单桥转向控制器；

当路径曲率较小时，采用双桥转向控制器；

步骤(四)，设计前轮单桥转向、双桥转向控制器：分别建立单桥转向前向行驶纯追踪模型、单桥转向后向行驶纯追踪模型、双桥转向前向行驶纯追踪模型、双桥转向后向行驶纯追踪模型。

进一步，步骤(二)中的双圆弧的路径规划方法如下：以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标定义A_p(X,Y)，停车规划线路的圆弧起始段S₁与停车规划线路的圆弧终止段S₂相等，θ角为车辆在B_pC_p段的航向角，B_pC_p点分别为圆弧段S₁ S₂与停车规划线路直线引导段a的交点即相切点，转向半径R由车轮转角δ决定，δ≤30°，R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}，当δ确定以后，停车规划线路直线引导段a的长度与B_pC_p段的航向角θ由下式定义：

进一步，步骤(二)中的单圆弧的路径规划方法如下：以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标定义A_p(X,Y)，停车规划的调整圆弧段S为一段角度为90°的圆弧，转向半径R由车轮转角δ决定，δ≤30°，R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}，其中，当δ确定以后，停车规划线路的起始直线段a与停车规划线路的终止直线段b的长度由下式得出：

进一步，步骤(四)中建立单桥转向前向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

进一步，步骤(四)中建立单桥转向后向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

进一步，步骤(四)中建立双桥转向前向行驶纯追踪模型如下：δ为车轮转角，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

即：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

进一步，步骤(四)中建立双桥转向后向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

进一步，预瞄距离l_d作为纯追踪控制中能够决定跟踪精度的变量，设置预瞄距离l_d＝K_v*v+l_dmin，其中，l_dmin为最小的预瞄距离，K_v为可调参数，v为车辆纵向速度。

进一步，单桥转向的最小转弯半径R_{min_s}为20米，双桥转向的最小转弯半径R_{min_d}为10米；步骤(三)中，当路径曲率超过24m时，采用前轮单桥转向控制器，当路径曲率小于22m时，采用双桥转向控制器。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的方法。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

a)根据车辆位姿与停靠位姿制定垂直泊车路径规划策略；b)基于双桥转向及单桥转向共同约束的基于圆弧-直线拼接的路径规划算法；c)转向模式切换思想以及切换选择器设计，提高转向系统可靠性；d)基于单桥转向的“后向行驶”纯追踪控制算法以及基于双桥转向的纯追踪控制算法。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。附图说明如下：

图1无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车规划及控制方法的技术方案。

图2无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划方式选择流程图。

图3装载区不同停靠位停车路径规划示意图。

图4无驾驶室双桥转向矿卡的泊车流程图。

图5单桥转向示意图。

图6双桥转向示意图。

图7双圆弧规划示意图。

图8单圆弧规划示意图。

图9转向控制器选择逻辑图。

图10无驾驶室双桥转向矿卡单桥转向“前向行驶”纯追踪模型。

图11无驾驶室双桥转向矿卡单桥转向“后向行驶”纯追踪模型。

图12无驾驶室双桥转向矿卡双桥转向“前向行驶”纯追踪模型。

图13无驾驶室双桥转向矿卡双桥转向“后向行驶”纯追踪模型。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是，基于圆弧-直线拼接的无驾驶室双桥转向矿卡轨迹规划方法及基于智能控制器的前轮转向/双桥转向切换的控制方法，具体步骤如下：

第一步，无驾驶室双桥转向矿卡转向两种转向控制方案——单桥转向模式及双桥转向模式。

单桥转向模式：以车辆的“前桥”作为转向桥，“后桥”不执行转向动作，此时的矿卡可以作为一个传统的自动驾驶矿卡进行控制。其转向示意图如图5所示。

双桥转向模式：矿卡的双桥同时执行转向操作，因为矿卡在转向时速度较低，能够通过前后转向桥的逆向转向，在保持车辆稳定性的同时减小矿卡的转向半径。其转向示意图如图6所示。

第二步，垂直泊车路径规划层设计。

首先，根据GPS数据获取当前位姿以及停靠点位姿，并根据航向状态选择路径规划方法。

具体策略如下：

a)如果车辆当前航向与停靠点航向平行，则选择双圆弧的路径规划方法；

b)如果车辆当前航向与停靠点航向不平行，则选择单圆弧的路径规划方法。

其次，通过基于圆弧-直线拼接的路径规划策略规划泊车路径。

具体策略如下：

a)双圆弧规划方法：

由图7，以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标，可知A_p(X,Y)。圆弧段S₁与S₂相等，θ角为车辆在B_pC_p段的航向角，转向半径R由车轮转角δ决定。

其中，当δ确定以后，直线段a的长度与B_pC_p段的航向角θ可由下式计算出。

目标：在保证安全以及停靠准确的情况下，尽可能的使车轮车轮转角较小，目的是为了减小车辆转向机构的损耗。

约束：车轮转角δ≤30°，即R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}。

b)单圆弧规划方法：

由图8，以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标，可知A_p(X,Y)。S为一段角度为90°的圆弧，转向半径R由车轮转角δ决定。

其中，当δ确定以后，直线段a与直线段b的长度可由下式计算出。

目标：在保证安全以及停靠准确的情况下，尽可能的使车轮车轮转角较小，目的是为了减小车辆转向机构的损耗。

约束：车轮转角δ≤30°，即R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}。

第三步，转向模式选择器设计。

在路径规划完成后，解析整条路径的曲率半径，采用缓冲选择策略，选择合适的转向控制器。本文所涉及的双桥转向矿卡的车辆轴距为10米，单桥、双桥转向的最大转角均为30°，因此可以计算得到单桥转向的最小转弯半径R_{min_s}为20米，双桥转向的最小转弯半径R_{min_d}为10米。当路径曲率超过24m时，采用单桥转向控制器，当路径曲率小于22m时，采用双桥转向控制器，控制逻辑如图9。

第四步，前轮单桥转向、双桥转向控制器设计。

首先，分别建立单桥转向前向行驶纯追踪模型、单桥转向后向行驶纯追踪模型、双桥转向前向行驶纯追踪模型、双桥转向后向行驶纯追踪模型；

(一)单桥转向前向行驶纯追踪模型如图10所示，其中δ为车轮转角，l_d为预瞄距离，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角，其中A点为后轴中心，B点为前轴中心，C点为预瞄点。

为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，为了达到这种关系，作为控制变量的前轮转角需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

(二)单桥转向后向行驶纯追踪模型如图11所示，其中δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角。

为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，为了达到这种关系，作为控制变量的前轮转角需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

(三)双桥转向前向行驶纯追踪模型如图12所示，其中δ为车轮转角，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角。

为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，为了达到这种关系，在ΔAOB中，作为控制变量的前轮转角需要满足：

即：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

(四)双桥转向后向行驶纯追踪模型如图13所示，其中δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角。

为了使车辆后轮跟踪圆弧虚线轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，为了达到这种关系，作为控制变量的前轮转角需要满足：

联立上面两式可得：

其次，预瞄距离l_d作为纯追踪控制中能够决定跟踪精度的一个关键变量，需要进行合理的设计，本方案中设置预瞄距离l_d＝K_v*v+l_dmin，其中，l_dmin为最小的预瞄距离，K_v为可调参数，v为车辆纵向速度。

进一步地，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例所述的方法。

以上结合图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种无驾驶室双桥转向矿卡的垂直泊车路径规划及控制方法，其特征在于，包括：

步骤(一)，设计无驾驶室双桥转向矿卡的两种转向控制方法——前轮单桥转向模式及双桥转向模式：

前轮单桥转向模式：以矿卡的前桥作为转向桥，后桥不执行转向动作；

双桥转向模式：矿卡的双桥同时执行转向操作，保持车辆稳定性并减小矿卡的转向半径；

步骤(二)，设计垂直泊车路径规划层：

如果车辆当前航向与停靠点航向平行，选择双圆弧的路径规划方法；

如果车辆当前航向与停靠点航向不平行，则选择单圆弧的路径规划方法；

然后通过基于圆弧-直线拼接的路径规划策略规划泊车路径；

步骤(三)，设计转向模式选择器：在路径规划完成后，解析整条路径的曲率半径，采用缓冲选择策略，选择合适的转向控制器：

当路径曲率较大时，采用前轮单桥转向控制器；

当路径曲率较小时，采用双桥转向控制器；

步骤(四)，设计前轮单桥转向、双桥转向控制器：分别建立单桥转向前向行驶纯追踪模型、单桥转向后向行驶纯追踪模型、双桥转向前向行驶纯追踪模型、双桥转向后向行驶纯追踪模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(二)中的双圆弧的路径规划方法如下：以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标定义A_p(X,Y)，停车规划线路的圆弧起始段S₁与停车规划线路的圆弧终止段S₂相等，θ角为车辆在B_pC_p段的航向角，B_pC_p点分别为圆弧段S₁ S₂与停车规划线路直线引导段a的交点即相切点，转向半径R由车轮转角δ决定，δ≤30°，R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}，当δ确定以后，停车规划线路直线引导段a的长度与B_pC_p段的航向角θ由下式定义：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(二)中的单圆弧的路径规划方法如下：以停靠点处后轴中心坐标为坐标系原点，以起始点处后轴中心坐标为起始点坐标定义A_p(X,Y)，停车规划的调整圆弧段S为一段角度为90°的圆弧，转向半径R由车轮转角δ决定，δ≤30°，R大于等于双桥转向最小转弯半径R_{min_d}，其中，当δ确定以后，停车规划线路的起始直线段a与停车规划线路的终止直线段b的长度由下式得出：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(四)中建立单桥转向前向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(四)中建立单桥转向后向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(四)中建立双桥转向前向行驶纯追踪模型如下：δ为车轮转角，L为轴距，α为A点与C点航向的夹角，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

即：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(四)中建立双桥转向后向行驶纯追踪模型如下：

δ为车轮转角，L为轴距，β为当前点与目标点的连线与目标点航向的夹角，l_d为预瞄距离，为了使车辆后轮跟踪圆弧轨迹到达C点，其中A点为后轴中心，C点为预瞄点，需要满足的关系为：

同时，控制变量的车轮转角δ需要满足：

考虑到时间变量t，联立上面两式可得：

8.根据权利要求4-7任一所述的方法，其特征在于，预瞄距离l_d作为纯追踪控制中能够决定跟踪精度的变量，设置预瞄距离l_d＝K_v*v+l_dmin，其中，l_dmin为最小的预瞄距离，K_v为可调参数，v为车辆纵向速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单桥转向的最小转弯半径R_{min_s}为20米，双桥转向的最小转弯半径R_{min_d}为10米；步骤(三)中，当路径曲率超过24m时，采用前轮单桥转向控制器，当路径曲率小于22m时，采用双桥转向控制器。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1所述的方法。

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