CN209833810U - 基于rtk的六履带车辆自适应行走系统 - Google Patents

基于rtk的六履带车辆自适应行走系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统，该系统包括RTK测量仪器、下位机、数据采集卡、工控机、驱动电机控制单元和电源组成，所述的下位机AO板卡信号输出通道与数据采集卡连接；RTK接收器和数据采集卡的输出端与工控机的输入端连接；工控机的输出端与下位机的输入端连接；下位机AO板卡信号输出通道与驱动电机控制单元连接；整个系统由电源供电。本实用新型提高了六履带车辆在自适应行走时的控制精度，提高了大型露天矿山机械的安全性和工作效率；利用模糊PID控制技术，通过控制六履带车辆的履带驱动系统以及转向系统，六履带车辆的实际行驶路径与预设路径相吻合，实现高精度自适应行走。

Description

基于RTK的六履带车辆自适应行走系统
技术领域
本实用新型涉及六履带车辆智能控制技术领域，特别涉及一种基于RTK和模糊PID控制的六履带车辆自适应行走方法及系统。
背景技术
近年来，斗轮挖掘机连续开采工艺成套设备在许多大型褐煤与金属露天矿等工程的应用，显示出效率高、建设周期短、成本低的优越性。斗轮挖掘机的机型也逐项向高生产能力、大型化方向发展。多履带行走装置担负着大型斗轮挖掘机等重型装备的承重、移动与转向行驶等重要工作，其性能和可靠性直接影响整机的工作安全性和工作效率。其中，最典型的多履带装置为六履带车辆。六履带车辆是将转向履带偏转一定的角度来实现转向。
六履带车辆体积大、质量重，行驶速度慢，姿态不易调整。六履带车辆在行走过程中受地面和自身结构的影响，履带与地面之间会产生滑移，履带与地面之间的相对滑动会造成六履带车辆的轨迹发生偏移。在工作过程中需要手动对六履带车辆姿态进行实时调整，当六履带车辆偏离轨迹时需要花费大量的时间来重新调整，严重降低了六履带车辆的安全性和作业效率。
发明内容
针对六履带车辆在行走过程中履带与地面之间会产生滑移，造成六履带车辆的轨迹发生偏移的问题，提出了一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统。采用模糊PID控制技术使六履带车辆的实际轨迹与预设轨迹相吻合，实现自适应行走。
一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统，该系统包括RTK接收器1、下位机2、数据采集卡3、工控机4、驱动电机控制单元5和电源6组成，所述的下位机2AO板卡第一信号输出通道与数据采集卡3连接；RTK接收器1和数据采集卡3的输出端与工控机4的输入端连接；工控机4的输出端与下位机2的输入端连接；下位机2AO板卡第二信号输出通道与驱动电机控制单元5连接；整个系统由电源6供电。
所述的RTK接收器1安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的位置信息及行驶轨迹。RTK接收器1在跟踪四颗GPS卫星的过程中相对地球而运动，计算出相对这四颗卫星的距离，用这些信息可以得到自身的位置。
所述的下位机2安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速信息。距离偏差、航向角偏差通过下位机2AO板卡第一信号输出通道传输到数据采集卡3再传输到工控机4进行处理，工控机4把各履带驱动轮所需角速度和六履带车辆转角的信息传输至下位机2，下位机2通过AO板卡第二信号输出通道根据各履带驱动轮所需的角速度和六履带车辆转角信息控制各履带变频器和转向系统变频器，进而控制各履带驱动电机和转向系统，用来控制六履带车辆自适应行走。
所述的工控机4固定在驾驶室内，方便驾驶人员通过显示屏查看自适应行走系统运行结果。所述的工控机4是六履带车辆自适应行走系统的核心，它包含信息处理模块41和模糊PID控制模块42。工控机4中的信息处理模块41对RTK接收器1的位置信息和下位机2的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速信息进行信息处理。
所述的驱动电机控制单元5包括转向系统驱动电机和各履带驱动电机，各变频器接收下位机2AO板卡第二信号输出通道传输来的信息，从而控制各驱动电机，进而控制转向系统和各履带驱动轮，使六履带车辆转向履带至所需转角和速度，使六履带车辆实际轨迹和预设轨迹吻合。
所需的预设轨迹GPS信息由驾驶人员输入到自适应转向系统中，进行提前设定。
所述的RTK接收器1将采集到的六履带车辆的位置信息、行驶轨迹传输入工控机4，工控机4的信息处理模块41将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系，计算出六履带车辆预设轨迹点与实际轨迹点的距离偏差和航向角偏差，距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入。
工控机4中的模糊PID控制器模块42，距离偏差和航向角偏差两个输入参数首先传输至模糊控制器，模糊控制器跟据已经编译好的规则库，调整模糊控制器的输出，模糊控制器一共有三个输出：KP、KI和KD，模糊控制器的三个输出赋给PID控制器，同时将距离偏差和航向角偏差求和赋给PID控制器，PID控制器根据总偏差和三个控制参数的大小输出相应的控制信号，工控机4的信息处理模块41根据控制信号计算出转向系统驱动六履带车辆至所需转向角所需要的力和各履带驱动轮角速度，这些信息传输至下位机2，驱动电机控制单元5根据控制信号实时调节自身执行机构控制六履带车辆自适应行走。
各履带驱动轮角速度：
各变频器接收下位机2AO板卡第二信号输出通道传输来的信号，从而控制各驱动电机，进而控制转向系统和各履带驱动轮，使六履带车辆转向履带至所需转角和速度。
一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统的行走方法，包括以下步骤：
(1)设定预设轨迹，由RTK接收器1接收位置信息和行驶轨迹。将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系。并由工控机4的信息处理模块41计算得到履带车辆实际轨迹与预设轨迹的距离偏差和航向角偏差；
(2)将距离偏差和航向角偏差输入到模糊PID控制模块42，通过运算得到六履带车辆的转角；
(3)信息处理模块41根据六履带车辆转角以及六履带车辆的行驶速度，计算转向系统驱动六履带车辆至所需转向角所需要的力和每条履带驱动轮的角速度；
(4)工控机4将信息处理模块41计算的信息传输至下位机2，下位机2通过AO板卡第二信号输出通道根据信息处理模块41传输的信息控制各变频器，进而控制各驱动电机，改变各六履带车辆转角和各驱动轮速度；
(5)完成自适应行走。
步骤(1)中将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系如图5(a)所示。地球是个表面凹凸不平的球体，大地水准面所包围的几何体可近似地认为是一个绕其短轴旋转的椭球体，在六履带车辆行走过程中，预设轨迹和实际轨迹之间的测地线距离相对于地球半径是很小的，六履带车辆和预设轨迹目标点所在的区域为同一平面。在A点引垂线交x轴于C点，则C点与A点的横坐标值相等。B点和C点处于同一纬度上，因此从地心O点到B点、C点的距离相等。从B点引垂线交O点与北极点的连线与E点，可以当成B、C点间的测地线距离即为平面上的距离。
SOB为O点到B点的距离，为B点的纬度，λA和λB分别为A点与B点的经度，可以得到A点的横坐标：
在确定yA时，因A点与B点的纬度不一样，所以地心O点到A点和B点的距离不相等。如图5(b)从A点引垂线交OC于D点，A、C点间距离相对于地球半径很小，可以当成A、C点间的测地线距离即为在平面上的距离，用SAC表示。可以得到：
步骤(2)的具体运算方法为：
根据样本进行自学习修正，构建基于自学习、自适应的模糊PID控制模块42。然后将设置好的模糊PID控制器应用与六履带车辆实际行驶过程中，完成整个自适应行走过程中。
模糊控制器的输入变量为距离偏差和航向角偏差，首先定义各个变量的隶属度函数，六履带车辆在自适应行走前通过主动调节将装置调节至合适位置，距离偏差和角度偏差较小，距离偏差共分为五个等级：NB(负大)、NM(负中)、Z(零)、PM(正中)和PB(正大)；角度偏差也分为五个等级：NB(负大)、NM(负中)、Z(零)、PM(正中)和PB(正大)，当距离偏差和角度偏差超出了调节范围时，六履带车辆以最大转向角行驶。
模糊控制器含有三个输出变量，分别控制的PID控制器的三个参数：KP、KI和KD，KP的分为五个等级：KP1、KP2、KP3、KP4和KP5；KI分为五个等级：KI1、KI2、KI3、KI4和KI5；KD也分为五个等级KD1、KD2、KD3、KD4和KD5。
模糊控制共有25条模糊控制规则，六履带车辆的运动是距离偏差和航向角偏差共同作用的结果，六履带车辆自适应行走的控制思想如下：
当距离偏差和航向角误差较大时，为了避免超出调节范围，KP尽量取较小值，由于此时六履带车辆总偏差较大，六履带车辆能够以较大转向角调节自身转向，随着偏差的减小，增大KP使履带车辆能够保持原来行驶方向朝预设轨迹行驶，当六履带车辆偏差进一步减小时，此时六履带车辆的角度偏差为主要偏差，KP取较大值，此时六履带车辆行走装置在角度偏差调节下提前回正，减小履带车辆的震荡幅值。
KI主要是用来清除比例环节可能造成的残差，提高系统的控制精度，加快系统的响应速度，但是KI也可能使系统产生震荡加大，在偏差较大时，KI取较小值，避免系统出现震荡，当偏差较小时，相应的增大KI值，提高系统的精度；当预设轨迹与实际轨迹偏差较小时，KI取较大值，增加系统的响应速度，使车辆尽快回复。
KD对系统的动态特性有很好的调节作用，当偏差较大时，KD取较大值，减小系统的震荡，当系统偏差较小时，减小KD，使积分环节能够很好的调节误差，增加系统的调节精度。
由此可推理出KP、KI和KD的模糊输出集，根据模糊输出集经解模糊运算得出系统的控制参数。解模糊运算应用加权平均法。
PID控制的数学表达式如下：
其中：e(t)为控制器输入误差，r(t)为设定值，c(t)为实际输出误差，KP为比例增益，Ti和Td分别为积分时间常数和微分时间常数。
本实用新型的有益效果在于：
(1)改善了六履带车辆在行走过程中受地面和自身结构的影响，履带与地面之间会产生滑移造成六履带车辆的轨迹发生偏移的现象，提高大型矿山机械的安全性和作业效率。
(2)采用RTK载波相位差分技术来定位监测六履带车辆的行驶轨迹，进而有效、准确、实时的获取六履带车辆行驶时转向角、方位等运动参数。
(3)采用模糊PID控制技术，确定PID的三个参数KP、KI、KD与距离偏差和航向角偏差之间的模糊关系，在运行过程中跟据距离偏差与航向角偏差的变化，依据模糊控制原理对三个参数进行在线修改，从而使被控对象具有良好的动态、静态性能。
(4)通过控制六履带车辆的转向系统和各履带驱动电机，六履带车辆的预设轨迹与实际轨迹相吻合，实现自适应行走。
附图说明
图1为本实用新型的基于RTK的六履带车辆自适应行走系统的总体示意图。
图2为六履带车辆上安装本实用新型的示意图。
图3为本实用新型的基于RTK的六履带车辆自适应行走的实现方法流程图。
图4为六履带车辆距离偏差和航向角偏差的示意图。
图5为六履带预设轨迹点和实际轨迹点坐标转换模型示意图。
图6为工控机中的模糊PID控制模块结构图。
图中：
1—RTK接收器；2—下位机；3—数据采集卡；4—工控机；5—驱动电机控制单元；6—电源；41—信息处理模块；42—模糊PID控制模块。
具体实施方式
如图1所示，一阵基于RTK的六履带车辆自适应行走系统，包括RTK接收器1、下位机2、数据采集卡3、工控机4、驱动电机控制单元5和电源6组成，所述的下位机2的AO板卡第一信号输出通道与数据采集卡3连接；RTK接收器1和数据采集卡3的输出端与工控机4的输入端连接；工控机4的输出端与下位机2的输入端连接；下位机2的AO板卡第二信号输出通道的输出端与驱动电机控制单元5连接；整个系统由电源6供电。
所述的RTK接收器1安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的位置信息及行驶轨迹。RTK接收器1在跟踪四颗GPS卫星的过程中相对地球而运动，计算出相对这四颗卫星的距离，用这些信息可以得到自身的位置。
所述的下位机2安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速信息。距离偏差、航向角偏差通过下位机2AO板卡第二信号输出通道数据采集卡3传输到工控机4进行处理。
所述的工控机4固定在驾驶室内，方便驾驶人员通过显示屏查看自适应行走系统运行结果。所述的工控机4是六履带车辆自适应行走系统的核心，它包含信息处理模块41和模糊PID控制模块42。工控机4中的信息处理模块41对RTK接收器1的位置信息和下位机2的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速信息进行信息处理。
所述的驱动电机控制单元5包括转向系统驱动电机和各履带驱动电机，各变频器接收下位机2AO板卡第二信号输出通道传输来的信号，从而控制各驱动电机，进而控制转向系统和各履带驱动轮，使六履带车辆转向履带至所需转角和速度，使六履带车辆实际轨迹和预设轨迹吻合。
所需的预设轨迹GPS信息由驾驶人员输入到自适应转向系统中，进行提前设定。
所述的RTK接收器1将采集到的六履带车辆的位置信息、行驶轨迹传输入工控机4，工控机4的信息处理模块41将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系，计算出六履带车辆预设轨迹与实际轨迹的距离偏差和航向角偏差，距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入。
工控机4的模糊PID控制模块42输出转向角控制信号，工控机4的信息处理模块41根据控制信号计算出转向系统驱动六履带车辆至所需转向角所需要的力和各履带驱动轮角速度：
各变频器接收下位机2AO板卡第二信号输出通道传输来的信号，从而控制各驱动电机，进而控制转向系统和各履带驱动轮，使六履带车辆转向履带至所需转角和速度。
图2是六履带车辆上安装本实用新型的示意图。RTK接收器1安装在六履带车辆的六履带行驶装置上，随着六履带车辆的行驶采集位置信息传输到工控机4；下位机2安装在六履带车辆上，距离偏差和航向角偏差信息通过数据采集卡3传输到工控机4；工控机4和电源6固定在六履带车辆的驾驶室内；工控机4输出的信号通过下位机2AO板卡第二信号输出通道传输到驱动电机控制单元5；驱动电机控制单元5通过各变频器控制各驱动电机，完成自适应行走。
图3为本实用新型的基于RTK的六履带车辆自适应行走的实现方法流程图，具体实现步骤如下：
(1)设定预设轨迹，由RTK接收器1接收位置信息和行驶轨迹。将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系。并由工控机4的信息处理模块41计算得到履带车辆实际轨迹与预设轨迹的距离偏差和航向角偏差；
(2)将距离偏差和航向角偏差输入到模糊PID控制模块41，通过运算得到六履带车辆的转角；
(3)信息处理模块41根据六履带车辆转角以及六履带车辆的行驶速度，计算转向系统驱动六履带车辆至所需转向角所需要的力和每条履带驱动轮的角速度；
(4)工控机4将信息处理模块41计算的信息传输至下位机2，下位机2通过AO板卡第二信号输出通道根据信息处理模块41传输的信息控制各变频器，进而控制各驱动电机，改变各六履带车辆转角和各驱动轮速度；
(5)完成自适应行走。
步骤(1)中将预设轨迹GPS和六履带车辆实时的RTK-GPS经坐标转换模型转换到同一平面坐标系如图5(a)所示。地球是个表面凹凸不平的球体，大地水准面所包围的几何体可近似地认为是一个绕其短轴旋转的椭球体，在六履带车辆行走过程中，预设轨迹和实际轨迹之间的测地线距离相对于地球半径是很小的，六履带车辆和预设轨迹目标点所在的区域为同一平面。在A点引垂线交x轴于C点，则C点与A点的横坐标值相等。B点和C点处于同一纬度上，因此从地心O点到B点、C点的距离相等。从B点引垂线交O点与北极点的连线与E点，可以当成B、C点间的测地线距离即为平面上的距离。
SOB为O点到B点的距离，为B点的纬度，λA和λB分别为A点与B点的经度，可以得到A点的横坐标：
在确定yA时，因A点与B点的纬度不一样，所以地心O点到A点和B点的距离不相等。如图5(b)所示，从A点引垂线交OC于D点，A、C点间距离相对于地球半径很小，可以当成A、C点间的测地线距离即为在平面上的距离，用SAC表示。可以得到：
步骤(2)的具体运算方法为：
根据样本进行自学习修正，构建基于自学习、自适应的模糊PID控制模块42。然后将设置好的模糊PID控制器应用与六履带车辆实际行驶过程中，完成整个自适应行走过程中。
模糊控制器的输入变量为距离偏差和航向角偏差，首先定义各个变量的隶属度函数，六履带车辆在自适应行走前通过主动调节将装置调节至合适位置，距离偏差和角度偏差较小，距离偏差共分为五个等级：NB(负大)、NM(负中)、Z(零)、PM(正中)和PB(正大)；角度偏差也分为五个等级：NB(负大)、NM(负中)、Z(零)、PM(正中)和PB(正大)，当距离偏差和角度偏差超出了调节范围时，六履带车辆以最大转向角行驶。
模糊控制器含有三个输出变量，分别控制的PID控制器的三个参数：KP、KI和KD，KP的分为五个等级：KP1、KP2、KP3、KP4和KP5；KI分为五个等级：KI1、KI2、KI3、KI4和KI5；KD也分为五个等级KD1、KD2、KD3、KD4和KD5。
模糊控制共有25条模糊控制规则，六履带车辆的运动是距离偏差和航向角偏差共同作用的结果，六履带车辆自适应行走的控制思想如下：
当距离偏差和航向角误差较大时，为了避免超出调节范围，KP尽量取较小值，由于此时六履带车辆总偏差较大，六履带车辆能够以较大转向角调节自身转向，随着偏差的减小，增大KP使履带车辆能够保持原来行驶方向朝预设轨迹行驶，当六履带车辆偏差进一步减小时，此时六履带车辆的角度偏差为主要偏差，KP取较大值，此时六履带车辆行走装置在角度偏差调节下提前回正，减小履带车辆的震荡幅值。
KI主要是用来清除比例环节可能造成的残差，提高系统的控制精度，加快系统的响应速度，但是KI也可能使系统产生震荡加大，在偏差较大时，KI取较小值，避免系统出现震荡，当偏差较小时，相应的增大KI值，提高系统的精度；当预设轨迹与实际轨迹偏差较小时，KI取较大值，增加系统的响应速度，使车辆尽快回复。
KD对系统的动态特性有很好的调节作用，当偏差较大时，KD取较大值，减小系统的震荡，当系统偏差较小时，减小KD，使积分环节能够很好的调节误差，增加系统的调节精度。
由此可推理出KP、KI和KD的模糊输出集，根据模糊输出集经解模糊运算得出系统的控制参数。解模糊运算应用加权平均法。
PID控制的数学表达式如下：
其中：e(t)为控制器输入误差，r(t)为设定值，c(t)为实际输出误差，KP为比例增益，Ti和Td分别为积分时间常数和微分时间常数。
图4为六履带车辆距离偏差和航向角偏差的示意图。P为预设轨迹的起始点，Q为预设路径的终点，并设定六履带车辆沿着圆弧PQ行进。但在行走的过程中，由于行走偏差，经过t时刻后，六履带车辆实际到达位置为S点，且当前履带行走装置的位置、姿态用WS＝[xS,yS,θS]T表示。而理论上的到达位置应为R点，且理论位置、姿态用Wr＝[xr,yr,θr]T表示。六履带车辆任意时刻预设轨迹上的期望目标位置与当前实际位置的路径偏差Pe可表示为：
实际轨迹与预设轨迹的距离偏差De表示为：
实际轨迹与预设轨迹的航向角偏差为θe。

Claims (2)

1.一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统，其特征在于：包括RTK接收器(1)、下位机(2)、数据采集卡(3)、工控机(4)、驱动电机控制单元(5)和电源(6)；
所述的下位机(2)的AO板卡第一信号输出通道与数据采集卡(3)连接；RTK接收器(1)和数据采集卡(3)的输出端与工控机(4)的输入端连接；工控机(4)的输出端与下位机(2)的输入端连接；下位机(2)的AO板卡第二信号输出通道与驱动电机控制单元(5)连接；整个系统由电源(6)供电；
所述的RTK接收器(1)安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的位置信息和行驶轨迹；所述的下位机(2)安装在六履带车辆上，获取六履带车辆的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速信息；距离偏差、航向角偏差通过下位机(2)的AO板卡第一信号输出通道传输到数据采集卡(3)再传输到工控机(4)进行处理，工控机(4)中的信息处理模块(41)根据六履带车辆行驶所需转角计算出转向系统驱动六履带车辆至所需转向角所需要的力和各履带驱动轮角速度，工控机(4)把信息处理模块(41)计算出的信息传输至下位机(2)，用来控制六履带车辆自适应行走；
所述的工控机(4)固定在驾驶舱内，包括信息处理模块(41)和模糊PID控制模块(42)；工控机(4)中的信息处理模块(41)对RTK接收器(1)的位置信息处理和下位机(2)的距离偏差、航向角偏差、转向角和各履带驱动轮转速进行信息处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于RTK的六履带车辆自适应行走系统，其特征在于：所述的模糊PID控制模块(42)包括模糊控制器和PID控制器；其中，模糊控制器控制PID控制器的三个控制参数的大小，根据不同工况，控制器输出不同的PID控制参数，使误差尽快调节至需要值；输入信号为距离偏差De和航向角偏差θe；
模糊PID控制模块(42)包括输入模块、参数模糊化模块、模糊推理模块和去模糊化模块。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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