CN116300409A - 一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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CN116300409A CN202310551487.1A CN202310551487A CN116300409A CN 116300409 A CN116300409 A CN 116300409A CN 202310551487 A CN202310551487 A CN 202310551487A CN 116300409 A CN116300409 A CN 116300409A
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Abstract

本发明提供了一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质，涉及轨迹跟踪技术领域。该轨迹跟踪控制方法包括以下步骤：基于差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度；根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度；根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度；根据驱动轮速度控制差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。本发明能够在单纯使用PID控制器时对机器人的位置和航向角进行耦合，以此使轨迹跟踪达到更好的效果。

Description

一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及轨迹跟踪技术领域，具体而言，涉及一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
差速轮移动机器人的轨迹跟踪是影响机器人导航精度的一个重要因素，目前的主流轨迹跟踪算法有比例-积分-微分(PID)、纯跟踪(Pure Pursuit)、线性二次规划调节器(LQR)、模型预测控制器(MPC)。
对于平面移动机器人而言，共有三个自由度，分别是X方向的平移(位置X坐标)、Y方向的平移(位置Y坐标)和Z方向的旋转(航向角)，机器人的轨迹跟踪输入的是线速度V和角速度W，输出的是机器人的位置(即位置X坐标和位置Y坐标)和航向角，且在机器人轨迹跟踪中，机器人的位置和航向角之间存在耦合关系。
在传统的PID轨迹跟踪算法中，因为PID控制器只适用于单输入单输出的控制系统，为实现轨迹跟踪，因此往往需要使用两个PID控制器分别单独控制机器人的位置和航向角，然而这种单独控制并没有考虑机器人的位置和航向角之间的耦合关系（即无法处理多输入多输出的耦合关系），以致控制效果并不理想。
针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轨迹跟踪控制方法、装置、电子设备及存储介质，能够在单纯使用PID控制器时对机器人的位置和航向角进行耦合，以此使轨迹跟踪达到更好的效果。
第一方面，本发明提供了一种轨迹跟踪控制方法，应用于差速轮移动机器人的控制系统，包括以下步骤：
S1.基于所述差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
S2.根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
S3.基于双环PI控制器，根据所述目标位置点和所述当前位置点，计算所述差速轮移动机器人的第一线速度；
S4.根据所述第一线速度计算所述差速轮移动机器人的角速度；
S5.根据所述第一线速度和所述角速度计算驱动轮速度；
S6.根据所述驱动轮速度控制所述差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
本发明提供的轨迹跟踪控制方法解决了单纯使用PID控制器无法处理多输入多输出的耦合关系问题，实现对机器人的位置和航向角的耦合，确保轨迹跟踪具有良好的控制效果。
进一步的，步骤S2中的具体步骤包括：
S21.根据所述第一轨迹位置点，获取所述第一轨迹位置点的曲率；
S22.根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点的曲率，获取第二前瞻距离；
S23.根据所述第二前瞻距离，获取所述目标位置点。
根据被跟踪轨迹的曲率动态调速，以此适应不同曲率的被跟踪轨迹，进而确保机器人能够顺利沿弯曲轨迹跟踪。
进一步的，步骤S21中的具体步骤包括：
S211.在被跟踪轨迹上获取第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，所述第二轨迹位置点、所述第三轨迹位置点和所述第一轨迹位置点均不相同；
S212.根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，获取曲线参数；
S213.根据所述曲线参数计算所述第一轨迹位置点的曲率。
利用三点法计算出第一轨迹位置点的曲率，计算过程简单，运算量小。
进一步的，步骤S212中的具体步骤包括：
S2121.根据以下公式计算所述曲线参数：
Figure SMS_1
；
Figure SMS_2
；
Figure SMS_3
；
Figure SMS_4
；
其中，
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为第一参数，/>
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为第二参数，/>
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为第三参数，/>
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为第四参数，/>
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为第五参数，/>
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为第六参数，/>
Figure SMS_18
为所述第二轨迹位置点和所述第一轨迹位置点之间的第一距离；/>
Figure SMS_7
为所述第三轨迹位置点和所述第一轨迹位置点之间的第二距离；/>
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为所述第二轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_14
为所述第一轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_17
为所述第三轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_6
为所述第二轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_12
为所述第一轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_16
为所述第三轨迹位置点的y轴坐标值。
进一步的，步骤S213中的具体步骤包括：
S2131.根据以下公式计算所述第一轨迹位置点的曲率：
Figure SMS_19
；
其中，
Figure SMS_20
为所述第一轨迹位置点的曲率。
进一步的，步骤S22中的具体步骤包括：
S221.根据以下公式计算所述第二前瞻距离：
Figure SMS_21
;
Figure SMS_22
；
Figure SMS_23
;
其中，
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为所述第二前瞻距离，/>
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为第一增益系数，/>
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为最大曲率，/>
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为所述差速轮移动机器人的行驶速度，/>
Figure SMS_27
为第二增益系数，/>
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为最小前瞻距离，/>
Figure SMS_31
为所述第一前瞻距离,/>
Figure SMS_26
为所述差速轮移动机器人的最大角速度，/>
Figure SMS_28
为所述差速轮移动机器人的最小线速度。
进一步的，所述双环PI控制器包括位置环和速度环；
步骤S3中的具体步骤包括：
S31.根据所述目标位置点和所述当前位置点，通过所述位置环计算出所述差速轮移动机器人的参考线速度；
S32.将所述参考线速度输入到所述速度环中，以计算出所述差速轮移动机器人的参考加速度；
S33.根据所述参考线速度和所述参考加速度，计算出所述第一线速度；
步骤S4中的具体步骤包括：
S41.根据以下公式计算所述角速度：
Figure SMS_33
；
Figure SMS_34
；
其中，
Figure SMS_35
为所述角速度，/>
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为所述第一线速度，/>
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为所述第二前瞻距离，/>
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为所述当前位置点与所述目标位置点的连线与轨迹切线之间的夹角，/>
Figure SMS_39
为所述当前位置点和所述目标位置点在y轴方向的偏差，/>
Figure SMS_40
为所述当前位置点和所述目标位置点在x轴方向的偏差，/>
Figure SMS_41
为所述差速轮移动机器人的当前航向角。
速度环能够对机器人加速度进行约束，使得机器人的行驶速度曲线平滑且满足物理加速度约束，进而确保后续计算得到的角速度不会超出物理限制范围，以顺利沿弯曲轨迹进行轨迹跟踪。
第二方面，本发明提供了一种轨迹跟踪控制装置，应用于差速轮移动机器人的控制系统，包括：
第一获取模块，用于基于所述差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
第二获取模块，用于根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
第一计算模块，用于基于双环PI控制器，根据所述目标位置点和所述当前位置点，计算所述差速轮移动机器人的第一线速度；
第二计算模块，用于根据所述第一线速度计算所述差速轮移动机器人的角速度；
第三计算模块，用于根据所述第一线速度和所述角速度计算驱动轮速度；
控制模块，用于根据所述驱动轮速度控制所述差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
本发明提供的轨迹跟踪控制装置可以使机器人在进行轨迹跟踪时，根据被跟踪轨迹的曲率动态调速，以此适应不同曲率的被跟踪轨迹；且终点的稳态跟踪精度高，计算量小，能够在低性能的硬件上应用。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述轨迹跟踪控制方法中的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述轨迹跟踪控制方法中的步骤。
由上可知，本发明提供的轨迹跟踪控制方法，双环PI控制器根据目标位置点和当前位置点在保证满足速度约束的情况下计算出第一线速度，然后根据第一线速度计算出角速度，以此将第一线速度和角速度耦合，从而确保机器人的位置和航向角具有耦合关系，进而使轨迹跟踪达到更好的效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例提供的轨迹跟踪控制方法的一种流程图。
图2为本发明实施例提供的轨迹跟踪控制装置的一种结构示意图。
图3为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
图4为本发明实施例中的轨迹跟踪几何模型的示意图。
图5为本发明实施例中机器人进行轨迹跟踪的实验结果示意图。
标号说明：100、第一获取模块；200、第二获取模块；300、第一计算模块；400、第二计算模块；500、第三计算模块；600、控制模块；1301、处理器；1302、存储器；1303、通信总线；13、电子设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，图1是轨迹跟踪控制方法的流程图。该轨迹跟踪控制方法，应用于差速轮移动机器人的控制系统，包括以下步骤：
S1.基于差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离（前瞻距离是指车辆在路径上所看到的未来路径的长度，此为公知常识，在此不再赘述），在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
S2.根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
S3.基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度；
S4.根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度；
S5.根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度；
S6.根据驱动轮速度控制差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
实际应用中，差速轮移动机器人（以下简称机器人）跟踪直线轨迹时速度比较大，此时遇到曲率较大的弯曲轨迹则很有可能因为转向时的角速度超出物理限制范围而导致无法实现轨迹跟踪。
本实施例中，双环PI控制器实现对目标位置点的位置进行跟踪，根据机器人当前位置点和目标位置点的偏差计算出机器人的第一线速度，双环PI控制器能够有效约束机器人的行驶速度和加速度，以此确保后续计算得到的角速度不会超出物理限制范围。同时角速度根据第一线速度计算所得，实现将第一线速度和角速度的耦合，确保了两者的耦合关系进而克服了传统基于PID轨迹跟踪算法的控制系统无法处理多输入多输出的耦合关系的技术难点，以此提高控制效果，使轨迹跟踪达到更好的效果。
参考附图5，附图5为机器人进行轨迹跟踪的实验结果示意图。其中，规划轨迹即为被跟踪轨迹，实际轨迹即为机器人实际的移动轨迹，实际轨迹由多个轨迹点组成。
需要说明的是，本发明以设置有两个驱动轮的差速轮移动机器人为例，两个驱动轮通过中心轴连接，而本发明中所述的线速度（包括第一线速度、参考线速度和最小线速度）是以机器人的两个驱动轮中心轴的中间点为基准点进行计算。
在某些实施例中，步骤S2中的具体步骤包括：
S21.根据第一轨迹位置点，获取第一轨迹位置点的曲率；
S22.根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点的曲率，获取第二前瞻距离；
S23.根据第二前瞻距离，获取目标位置点。
如上述实施例中提及，机器人以较大的速度沿曲率较大的弯曲轨迹转向时，角速度可能超出物理限制范围而导致无法实现轨迹跟踪，对此，本实施例通过计算曲率，根据被跟踪轨迹的曲率动态调速，以此适应不同曲率的被跟踪轨迹，进而确保机器人能够顺利沿弯曲轨迹跟踪，且机器人在轨迹跟踪过程中能够在某一轨迹点上保持稳定，实现闭环控制，终点的稳态跟踪精度高，计算量小，能够在低性能的硬件上应用。
具体的，双环PI控制器根据机器人当前位置点和目标位置点的偏差计算出机器人的第一线速度，当偏差越大时，第一线速度就越大，由此可得，可以通过减少第一前瞻距离确保机器人在沿曲率较大的弯曲轨迹跟踪时实现减速（前瞻距离的大小反应了偏差的大小，前瞻距离与偏差正相关），减少后的第一前瞻距离则作为第二前瞻距离。
在某些实施例中，步骤S21中的具体步骤包括：
S211.在被跟踪轨迹上获取第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，第二轨迹位置点、第三轨迹位置点和第一轨迹位置点均不相同；
S212.根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，获取曲线参数；
S213.根据曲线参数计算第一轨迹位置点的曲率。
本实施例中，对于弯曲轨迹，通过采用离散化可以将弯曲轨迹切分成多段圆弧（近似圆弧），具体的，第一轨迹位置点为某段圆弧中的轨迹点，在该圆弧上获取第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，即可利用三点法计算出第一轨迹位置点的曲率，计算过程简单，运算量小。
需要说明的是，第二轨迹位置点可以为第一轨迹位置点的前一个轨迹点，第三轨迹位置点可以为第一轨迹位置点的后一个轨迹点；第二轨迹位置点也可以为第一轨迹位置点后的第一个轨迹点，第三轨迹位置点也可以为第一轨迹位置点后的第二个轨迹点；第二轨迹位置点也可以为第一轨迹位置点前的第一个轨迹点，第三轨迹位置点也可以为第一轨迹位置点前的第二个轨迹点。
具体的，根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点构建以下曲线参数方程：
Figure SMS_42
；
已知第一轨迹位置点的坐标：
Figure SMS_43
、第二轨迹位置点的坐标：/>
Figure SMS_44
和第三轨迹位置点的坐标/>
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，曲线参数方程中t满足以下条件：
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；
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；
Figure SMS_48
；
其中，
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，/>
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，代入上述条件则得到曲线参数方程中的各个参数：
Figure SMS_51
；
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；
其中，
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为第一参数，/>
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为第二参数，/>
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为第三参数，/>
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为第五参数，/>
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为第六参数，/>
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为第二轨迹位置点和第一轨迹位置点之间的第一距离；/>
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为第三轨迹位置点和第一轨迹位置点之间的第二距离；/>
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为第二轨迹位置点的x轴坐标值，/>
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为第一轨迹位置点的x轴坐标值，/>
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为第三轨迹位置点的x轴坐标值，/>
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为第二轨迹位置点的y轴坐标值，/>
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为第一轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_63
为第三轨迹位置点的y轴坐标值。
进一步的，对曲线参数方程进行求导计算，得到：
Figure SMS_67
；
Figure SMS_68
；
Figure SMS_69
；
Figure SMS_70
；
进而得到计算第一轨迹位置点的曲率的公式：
Figure SMS_71
；
其中，
Figure SMS_72
为第一轨迹位置点的曲率。
在某些实施例中，步骤S22中的具体步骤包括：
S221.根据以下公式计算第二前瞻距离：
Figure SMS_73
;
Figure SMS_74
；
Figure SMS_75
;
其中，
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为第二前瞻距离，/>
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为第一增益系数，/>
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为最大曲率（即机器人转向时所能承受的最大曲率），/>
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为差速轮移动机器人的行驶速度，/>
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为第二增益系数，/>
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为最小前瞻距离（在被跟踪轨迹上，获取两个偏差最小的轨迹点，机器人通过这两个轨迹点时第一线速度最小，基于这两个轨迹点根据后文的几何模型即可计算得到最小前瞻距离），/>
Figure SMS_84
为第一前瞻距离,/>
Figure SMS_78
为差速轮移动机器人的最大角速度，/>
Figure SMS_81
为差速轮移动机器人的最小线速度。
在某些实施例中，步骤S23中的具体步骤包括：
S231.在被跟踪轨迹上选取离当前位置点最近的轨迹点作为第五目标位置点；
S232.以第五目标位置点为起始点，在被跟踪轨迹上，起始点之后各个轨迹点之间的路径长度按顺序累加，获得累加长度；
S233.在累加长度大于第二前瞻距离时，停止累加，且累加的最后一个路径长度对应的最后一个轨迹点作为目标位置点。
具体的，例如被跟踪轨迹上包括5个按顺序排列的轨迹点：A、B、C、D和E，A作为第五目标位置点，则A和B之间的路径长度为第一路径长度，B和C之间的路径长度为第二路径长度，C和D之间的路径长度为第三路径长度，D和E之间的路径长度为第四路径长度（此处的第一、第二、第三和第四表示的是顺序关系）。
然后按顺序累加第一路径长度，此时累加长度=第一路径长度，若累加长度未大于第二前瞻距离，则继续累加第二路径长度，此时累加长度=第一路径长度+第二路径长度，如此类推，当累加到第三路径长度时，累加长度=第一路径长度+第二路径长度+第三路径长度，累加长度大于第二前瞻距离，则停止累加，最后累加的第三路径长度为C和D之间的路径，最后一个轨迹点为D，因此D作为目标位置点。
在某些实施例中，双环PI控制器包括位置环和速度环；
步骤S3中的具体步骤包括：
S31.根据目标位置点和当前位置点，通过位置环计算出差速轮移动机器人的参考线速度；
S32.将参考线速度输入到速度环中，以计算出差速轮移动机器人的参考加速度；
S33.根据参考线速度和参考加速度，计算出第一线速度；
本实施例中，位置环作为外环，可以计算出机器人的参考线速度；速度环作为内环，则能够对机器人加速度进行约束，使得机器人的行驶速度曲线平滑且满足物理加速度约束，进而确保后续计算得到的角速度不会超出物理限制范围，以顺利沿弯曲轨迹进行轨迹跟踪。
具体的，步骤S31中的具体步骤包括：
S311.根据以下公式计算参考线速度：
Figure SMS_85
；
Figure SMS_86
；
Figure SMS_87
；
其中，
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为参考线速度，/>
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为比例系数，/>
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为目标位置点的第一向量，/>
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为当前位置点的第二向量，/>
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为积分系数，/>
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为采样时间周期，/>
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为目标位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_88
为目标位置点的y轴坐标值，/>
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为当前位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_96
为当前位置点的y轴坐标值。
步骤S32中的具体步骤包括：
S321.根据以下公式计算参考加速度：
其中，
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为参考线速度，/>
Figure SMS_102
为比例系数，/>
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为目标位置点的第一向量，/>
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为当前位置点的第二向量，/>
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为积分系数，/>
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为采样时间周期，/>
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为目标位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_98
为目标位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_103
为当前位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_106
为当前位置点的y轴坐标值。
步骤S32中的具体步骤包括：
S321.根据以下公式计算参考加速度：
Figure SMS_108
；
其中，
Figure SMS_109
为第一线速度。
进一步的，机器人的第一线速度和角速度存在耦合关系，基于上文提及到的，对于弯曲轨迹，通过采用离散化可以将弯曲轨迹切分成多段圆弧（近似圆弧），由此建立轨迹跟踪几何模型，计算角速度：
例如，参考附图4，附图4为轨迹跟踪几何模型的示意图。对于某段圆弧
Figure SMS_110
，线段AB为圆弧/>
Figure SMS_111
在机器人的两个驱动轮中心轴的中间点的切线（附图4中灰色方块为机器人，两个黑色方块为两个驱动轮），A点为当前位置点，C点为目标位置点，A和C之间的直线距离即为第二前瞻距离；在三角形/>
Figure SMS_112
中，存在以下几何关系：/>
Figure SMS_113
且三角形/>
Figure SMS_114
为等边三角形，则/>
Figure SMS_115
满足以下条件：
Figure SMS_116
；
根据当前位置点和目标位置点计算出：
Figure SMS_117
；
为了使机器人沿圆弧
Figure SMS_118
进行轨迹跟踪以到达C点，在/>
Figure SMS_119
中，根据正弦定理，需要满足以下条件：
Figure SMS_120
；
其中，
Figure SMS_121
为转弯半径。
根据倍角公式，计算得到：
Figure SMS_122
；
进一步的，由此可以得到角速度计算公式：
Figure SMS_123
；
其中，
Figure SMS_124
为角速度，/>
Figure SMS_125
为第一线速度，/>
Figure SMS_126
为第二前瞻距离，/>
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为当前位置点与目标位置点的连线与轨迹切线之间的夹角，/>
Figure SMS_128
为当前位置点和目标位置点在y轴方向的偏差，/>
Figure SMS_129
为当前位置点和目标位置点在x轴方向的偏差，/>
Figure SMS_130
为差速轮移动机器人的当前航向角。
在某些实施例中，通过机器人的逆运动学，根据第一线速度和角速度可以计算得到驱动轮电机的转速输入（即驱动轮速度），由此发送给驱动轮电机的驱动器控制机器人运动。
具体的，以设置有两个驱动轮的差速轮移动机器人为例，驱动轮速度包括左轮速度和右轮速度；
步骤S5中的具体步骤包括：
S51.根据以下公式计算驱动轮速度：
Figure SMS_131
；
其中，
Figure SMS_132
为左轮速度，/>
Figure SMS_133
为右轮速度，/>
Figure SMS_134
为两个驱动轮之间的轴距。
请参照图2，图2是本发明一些实施例中的一种轨迹跟踪控制装置，应用于差速轮移动机器人的控制系统，该轨迹跟踪控制装置以计算机程序的形式集成在后端控制设备中，包括：
第一获取模块100，用于基于差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
第二获取模块200，用于根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
第一计算模块300，用于基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度；
第二计算模块400，用于根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度；
第三计算模块500，用于根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度；
控制模块600，用于根据驱动轮速度控制差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点的时候执行：
S21.根据第一轨迹位置点，获取第一轨迹位置点的曲率；
S22.根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点的曲率，获取第二前瞻距离；
S23.根据第二前瞻距离，获取目标位置点。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据第一轨迹位置点，获取第一轨迹位置点的曲率的时候执行：
S211.在被跟踪轨迹上获取第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，第二轨迹位置点、第三轨迹位置点和第一轨迹位置点均不相同；
S212.根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，获取曲线参数；
S213.根据曲线参数计算第一轨迹位置点的曲率。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，获取曲线参数的时候执行：
S2121.根据以下公式计算曲线参数：
Figure SMS_135
；
Figure SMS_136
；
Figure SMS_137
；
Figure SMS_138
；
其中，
Figure SMS_141
为第一参数，/>
Figure SMS_146
为第二参数，/>
Figure SMS_150
为第三参数，/>
Figure SMS_140
为第四参数，/>
Figure SMS_144
为第五参数，/>
Figure SMS_148
为第六参数，/>
Figure SMS_152
为第二轨迹位置点和第一轨迹位置点之间的第一距离；/>
Figure SMS_139
为第三轨迹位置点和第一轨迹位置点之间的第二距离；/>
Figure SMS_143
为第二轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_147
为第一轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_151
为第三轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_142
为第二轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_145
为第一轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_149
为第三轨迹位置点的y轴坐标值。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据曲线参数计算第一轨迹位置点的曲率的时候执行：
S2131.根据以下公式计算第一轨迹位置点的曲率：
Figure SMS_153
；
其中，
Figure SMS_154
为第一轨迹位置点的曲率。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点的曲率，获取第二前瞻距离的时候执行：
S221.根据以下公式计算第二前瞻距离：
Figure SMS_155
;
Figure SMS_156
；
Figure SMS_157
;
其中，
Figure SMS_160
为第二前瞻距离，/>
Figure SMS_162
为第一增益系数，/>
Figure SMS_165
为最大曲率，/>
Figure SMS_159
为差速轮移动机器人的行驶速度，/>
Figure SMS_161
为第二增益系数，/>
Figure SMS_164
为最小前瞻距离，/>
Figure SMS_166
为第一前瞻距离,/>
Figure SMS_158
为差速轮移动机器人的最大角速度，/>
Figure SMS_163
为差速轮移动机器人的最小线速度。
在某些实施例中，第二获取模块200在用于根据第二前瞻距离，获取目标位置点的时候执行：
S231.在被跟踪轨迹上选取离当前位置点最近的轨迹点作为第五目标位置点；
S232.以第五目标位置点为起始点，在被跟踪轨迹上，起始点之后各个轨迹点之间的路径长度按顺序累加，获得累加长度；
S233.在累加长度大于第二前瞻距离时，停止累加，且累加的最后一个路径长度对应的最后一个轨迹点作为目标位置点。
在某些实施例中，双环PI控制器包括位置环和速度环；第一计算模块300在用于基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度的时候执行：
S31.根据目标位置点和当前位置点，通过位置环计算出差速轮移动机器人的参考线速度；
S32.将参考线速度输入到速度环中，以计算出差速轮移动机器人的参考加速度；
S33.根据参考线速度和参考加速度，计算出第一线速度。
在某些实施例中，第一计算模块300在用于根据目标位置点和当前位置点，通过位置环计算出差速轮移动机器人的参考线速度的时候执行：
S311.根据以下公式计算参考线速度：
Figure SMS_167
；
Figure SMS_168
；
Figure SMS_169
；
其中，
Figure SMS_172
为参考线速度，/>
Figure SMS_175
为比例系数，/>
Figure SMS_178
为目标位置点的第一向量，/>
Figure SMS_171
为当前位置点的第二向量，/>
Figure SMS_173
为积分系数，/>
Figure SMS_176
为采样时间周期，/>
Figure SMS_179
为目标位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_170
为目标位置点的y轴坐标值，/>
Figure SMS_174
为当前位置点的x轴坐标值，/>
Figure SMS_177
为当前位置点的y轴坐标值。
在某些实施例中，第一计算模块300在用于将参考线速度输入到速度环中，以计算出差速轮移动机器人的参考加速度的时候执行：
S321.根据以下公式计算参考加速度：
Figure SMS_180
；
其中，
Figure SMS_181
为参考加速度。
在某些实施例中，第一计算模块300在用于根据参考线速度和参考加速度，计算出第一线速度的时候执行：
S331.根据以下公式计算第一线速度：
Figure SMS_182
；
其中，
Figure SMS_183
为第一线速度。
在某些实施例中，第二计算模块400在用于根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度的时候执行：
S41.根据以下公式计算角速度：
Figure SMS_184
；
Figure SMS_185
；
其中，
Figure SMS_186
为角速度，/>
Figure SMS_187
为第一线速度，/>
Figure SMS_188
为第二前瞻距离，/>
Figure SMS_189
为当前位置点与目标位置点的连线与轨迹切线之间的夹角，/>
Figure SMS_190
为当前位置点和目标位置点在y轴方向的偏差，/>
Figure SMS_191
为当前位置点和目标位置点在x轴方向的偏差，/>
Figure SMS_192
为差速轮移动机器人的当前航向角。
在某些实施例中，驱动轮速度包括左轮速度和右轮速度；
第三计算模块500在用于根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度的时候执行：
S51.根据以下公式计算驱动轮速度：
Figure SMS_193
；/>
其中，
Figure SMS_194
为左轮速度，/>
Figure SMS_195
为右轮速度，/>
Figure SMS_196
为两个驱动轮之间的轴距。
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，本发明提供一种电子设备13，包括：处理器1301和存储器1302，处理器1301和存储器1302通过通信总线1303和/或其他形式的连接机构（未标出）互连并相互通讯，存储器1302存储有处理器1301可执行的计算机可读取指令，当电子设备运行时，处理器1301执行该计算机可读取指令，以执行时执行上述实施例的任一可选的实现方式中的轨迹跟踪控制方法，以实现以下功能：基于差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度；根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度；根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度；根据驱动轮速度控制差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时，执行上述实施例的任一可选的实现方式中的轨迹跟踪控制方法，以实现以下功能：基于差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；根据第一前瞻距离和第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；基于双环PI控制器，根据目标位置点和当前位置点，计算差速轮移动机器人的第一线速度；根据第一线速度计算差速轮移动机器人的角速度；根据第一线速度和角速度计算驱动轮速度；根据驱动轮速度控制差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
其中，计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory, 简称SRAM），电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, 简称EEPROM），可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory, 简称EPROM），可编程只读存储器（Programmable Red-Only Memory, 简称PROM），只读存储器（Read-Only Memory, 简称ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轨迹跟踪控制方法，应用于差速轮移动机器人的控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1.基于所述差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
S2.根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
S3.基于双环PI控制器，根据所述目标位置点和所述当前位置点，计算所述差速轮移动机器人的第一线速度；
S4.根据所述第一线速度计算所述差速轮移动机器人的角速度；
S5.根据所述第一线速度和所述角速度计算驱动轮速度；
S6.根据所述驱动轮速度控制所述差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
2.根据权利要求1所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S2中的具体步骤包括：
S21.根据所述第一轨迹位置点，获取所述第一轨迹位置点的曲率；
S22.根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点的曲率，获取第二前瞻距离；
S23.根据所述第二前瞻距离，获取所述目标位置点。
3.根据权利要求2所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S21中的具体步骤包括：
S211.在被跟踪轨迹上获取第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，所述第二轨迹位置点、所述第三轨迹位置点和所述第一轨迹位置点均不相同；
S212.根据第一轨迹位置点、第二轨迹位置点和第三轨迹位置点，获取曲线参数；
S213.根据所述曲线参数计算所述第一轨迹位置点的曲率。
4.根据权利要求3所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S212中的具体步骤包括：
S2121.根据以下公式计算所述曲线参数：
Figure QLYQS_1
；
Figure QLYQS_2
；
Figure QLYQS_3
；
Figure QLYQS_4
；
其中，
Figure QLYQS_6
为第一参数，/>
Figure QLYQS_11
为第二参数，/>
Figure QLYQS_15
为第三参数，/>
Figure QLYQS_8
为第四参数，/>
Figure QLYQS_10
为第五参数，/>
Figure QLYQS_14
为第六参数，/>
Figure QLYQS_17
为所述第二轨迹位置点和所述第一轨迹位置点之间的第一距离；/>
Figure QLYQS_5
为所述第三轨迹位置点和所述第一轨迹位置点之间的第二距离；/>
Figure QLYQS_12
为所述第二轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure QLYQS_16
为所述第一轨迹位置点的x轴坐标值，/>
Figure QLYQS_18
为所述第三轨迹位置点的x轴坐标值，
Figure QLYQS_7
为所述第二轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure QLYQS_9
为所述第一轨迹位置点的y轴坐标值，/>
Figure QLYQS_13
为所述第三轨迹位置点的y轴坐标值。
5.根据权利要求4所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S213中的具体步骤包括：
S2131.根据以下公式计算所述第一轨迹位置点的曲率：
Figure QLYQS_19
；
其中，
Figure QLYQS_20
为所述第一轨迹位置点的曲率。
6.根据权利要求5所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤S22中的具体步骤包括：
S221.根据以下公式计算所述第二前瞻距离：
Figure QLYQS_21
;
Figure QLYQS_22
；
Figure QLYQS_23
;
其中，
Figure QLYQS_26
为所述第二前瞻距离，/>
Figure QLYQS_28
为第一增益系数，/>
Figure QLYQS_30
为最大曲率，/>
Figure QLYQS_25
为所述差速轮移动机器人的行驶速度，/>
Figure QLYQS_29
为第二增益系数，/>
Figure QLYQS_31
为最小前瞻距离，/>
Figure QLYQS_32
为所述第一前瞻距离,
Figure QLYQS_24
为所述差速轮移动机器人的最大角速度，/>
Figure QLYQS_27
为所述差速轮移动机器人的最小线速度。
7.根据权利要求2所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述双环PI控制器包括位置环和速度环；
步骤S3中的具体步骤包括：
S31.根据所述目标位置点和所述当前位置点，通过所述位置环计算出所述差速轮移动机器人的参考线速度；
S32.将所述参考线速度输入到所述速度环中，以计算出所述差速轮移动机器人的参考加速度；
S33.根据所述参考线速度和所述参考加速度，计算出所述第一线速度；
步骤S4中的具体步骤包括：
S41.根据以下公式计算所述角速度：
Figure QLYQS_33
；
Figure QLYQS_34
；
其中，
Figure QLYQS_35
为所述角速度，/>
Figure QLYQS_36
为所述第一线速度，/>
Figure QLYQS_37
为所述第二前瞻距离，/>
Figure QLYQS_38
为所述当前位置点与所述目标位置点的连线与轨迹切线之间的夹角，/>
Figure QLYQS_39
为所述当前位置点和所述目标位置点在y轴方向的偏差，/>
Figure QLYQS_40
为所述当前位置点和所述目标位置点在x轴方向的偏差，/>
Figure QLYQS_41
为所述差速轮移动机器人的当前航向角。
8.一种轨迹跟踪控制装置，应用于差速轮移动机器人的控制系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于基于所述差速轮移动机器人的当前位置点，根据预设的第一前瞻距离，在被跟踪轨迹上获取第一轨迹位置点；
第二获取模块，用于根据所述第一前瞻距离和所述第一轨迹位置点，在被跟踪轨迹上获取目标位置点；
第一计算模块，用于基于双环PI控制器，根据所述目标位置点和所述当前位置点，计算所述差速轮移动机器人的第一线速度；
第二计算模块，用于根据所述第一线速度计算所述差速轮移动机器人的角速度；
第三计算模块，用于根据所述第一线速度和所述角速度计算驱动轮速度；
控制模块，用于根据所述驱动轮速度控制所述差速轮移动机器人进行轨迹跟踪。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-7任一项所述轨迹跟踪控制方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-7任一项所述轨迹跟踪控制方法中的步骤。
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