集装箱自动引导小车的转向控制系统和方法与流程

本发明涉及车辆转向控制技术，尤其涉及对集装箱自动引导小车进行转向控制的系统。

背景技术：

随着自动化码头技术的发展，水平运输系统的自动化开始发展，对应的集装箱自动引导小车等产品也应运而生。这种集装箱引导小车，底盘形式有多种，有常规卡车车桥形式，也有独立转向形式的。这种小车平时主要以自动化运行为主，但是在某些特殊情况下也要便于人工操作。在这样的背景下，需要在对自动引导小车程序设计时需要统筹考虑，既能满足自动化操作需求，还有便捷的手动操作方式；既要能融合多种底盘形式，又要统一手动和自动操作习惯。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供了一种集装箱自动引导小车的转向控制系统和方法，手动、自动接口统一，切换方便，移植性强；手动模式操作便捷，符合实际习惯；分层设计和模型化设计使得系统的适应性强，能够接受多种底盘模式。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种集装箱自动引导小车的转向控制系统，系统包括：

导航控制器，在自动操控模式下将系统指令分解为具体的动作指令，实现对车辆的自动操控；

遥控手柄，在手动操控模式下实现操作人员对车辆的手动操控；

转向编码器，检测小车的车轮的实际转角并作为反馈数据形成闭环；

车用控制器，通过对自动操控模式和操控控制模式的识别以及计算确定转向角度并据此操控小车的车桥转向和车轮转向；

控制总线网路，转向控制系统的各个组件借助控制总线网络实现相互之间的数据通信。

根据本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的一实施例，转向控制系统还包括：

液压转向系统，包含液压油泵驱动电机、油泵、电磁阀、比例阀，为车辆提供行车制动、驻车制动以及转向的功能。

根据本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的一实施例，转向控制系统还包括：

电机驱动系统，包含电机驱动器、电机、电机编码器。

根据本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的一实施例，车用控制器包括：

模式识别模块，识别当前处于自动操控模式还是手动操控模式；

转向编码反馈模块，根据检测到的小车车轮的实际转角处理为车桥转向参数的数值；

通用转向控制模块，根据自动操控模式下的导航控制器提供的转向数据或者手动操控模式下的遥控手柄提供的转向数据，转化为车桥转向参数以及车轮转向参数；

实际转向控制模块，一方面将小车的车桥转向参数作为控制给定，结合转向编码反馈模块的对应的数值，计算车桥转向的操控参数，另一方面基于小车的车桥转向参数、车轮转向参数、小车底盘形式和转向编码反馈模块的对应的数值，计算出车轮转向的操控参数。

根据本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的一实施例，集装箱自动引导小车的底盘是阿克曼转向车桥的架构。

本发明还揭示了一种集装箱自动引导小车的转向控制方法，方法包括：

识别当前处于自动操控模式还是手动操控模式；

根据自动操控模式下的导航控制器提供的转向数据或者手动操控模式下的遥控手柄提供的转向数据，基于通用转向控制模型转化为车桥转向参数以及车轮转向参数；

一方面将小车的车桥转向参数作为控制给定，通过实际转向控制模型计算车桥转向的操控参数，另一方面基于小车的车桥转向参数、车轮转向参数、小车底盘形式，通过实际转向控制模型计算出车轮转向的操控参数，其中将检测到的小车车轮的实际转角处理为小车的车桥转向参数的数值作为实际转向控制模型的反馈闭环。

根据本发明的集装箱自动引导小车的转向控制方法的一实施例，集装箱自动引导小车的底盘是阿克曼转向车桥的架构。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的转向控制系统通过建立一个通用的转向控制模块，统一自动操作和手动操作的接口，进而根据集装箱自动引导小车的实际结构建立对应的实际转向控制模块，与通用的转向控制模块匹配，还能安全可靠的控制转向元件。此外，本发明将手动操作的各种习惯整理成对应的模式，使其和转向控制模块的接口匹配。

附图说明

图1示出了本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的实施例的系统配置图。

图2示出了本发明的对集装箱自动引导小车实施转向控制的流程图。

图3示出了集装箱自动引导小车的车桥形式的结构示意图。

图4示出了建立实际转向控制模型的示意图。

图5A至5H示出了手动模式的工况汇总的示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

集装箱自动引导小车中的车辆动力源主要为小车提供能量来源，一般为纯电形式(电池)、纯柴油形式和混动(柴油机与电池)三种形式。

集装箱自动引导小车中的车辆底盘决定了车辆的车轮个数、位置以及操作模式，是建立实际控制模块的基础，例如图3所示的车桥结构，决定了小车前后拥有两个车桥，每组车桥有两个车轮组成，转向时必须满足车桥结构(无法实现横向移动、原地转向等功能)，而且车桥拥有差动减速器，左右轮速可以自行调配，所以模型建立时只要换算到前后车桥中心角，轮速前后桥一致即可。如果换成独立转向形式的话，除了常规的转向模式之外，还能实现原地转向以及横向模式，但是模型计算复杂，需要计算每个车轮的角度，还要控制转向同步性，还要计算车轮转速，需要注意原地转向时有些车轮转动方向的切换的问题。

一般来说，集装箱自动引导小车的底盘采用阿克曼转向车桥，如图3所示，前后车桥是相向对称安装，前后车桥都能转向，但是单一车桥的左右轮转向受到车桥约束，转向规律逼近阿克曼转角规律。

图1示出了本发明的集装箱自动引导小车的转向控制系统的实施例的系统配置。如图1所示，本实施例的转向控制系统包括：导航控制器1、遥控手柄2、多个转向编码器(本实施例中为四个转向编码器31～34)、车用控制器4、以及控制总线网络5。

导航控制器1在自动操控模式下将系统指令分解为具体的动作指令，实现对车辆的自动操控。遥控手柄2在手动操控模式下实现操作人员对车辆的手动操控。

车用控制器4通过对自动操控模式和操控控制模式的识别以及计算确定转向角度并据此操控小车的车桥转向和车轮转向，并对各个车辆设备进行实施监控诊断以保障车辆安全等功能。

四个转向编码器31～34检测小车的车轮的实际转角，以车用控制器4为主控元件，液压转向系统6各类电磁阀和油缸为控制元件，转向编码器31～34为反馈元件，组成闭环控制系统。根据各类模型，转角编码器31～34反馈的实际数据还能和模型计算数据进行校验，提升系统安全性，还能根据实际转向角度，对独立转向形式的车辆进行各个车轮车速的计算。

控制总线网路5的功能是转向控制系统的各个组件借助控制总线网络实现相互之间的数据通信。

此外，配合转向还需要液压转向系统6和电机驱动系统7。其中液压转向系统6包含液压油泵驱动电机、油泵、电磁阀、比例阀，为车辆提供行车制动、驻车制动以及转向的功能。电机驱动系统7包含电机驱动器、电机、电机编码器。

车用控制器4进一步包括：模式识别模块41、转向编码反馈模块42、通用转向控制模块43、实际转向控制模块44。

模式识别模块41，识别当前处于自动操控模式还是手动操控模式。

转向编码反馈模块42，根据检测到的小车车轮的实际转角处理为车桥转向参数的数值。具体而言，是对检测到的模拟信号进行标准化处理，将模拟量数据转化成对应的角度数据，再进一步处理成车桥转向参数(前后桥中心转角的数值)。

通用转向控制模块43，根据自动操控模式下的导航专用控制器提供的转向数据或者手动操控模式下的遥控手柄提供的转向数据，转化为车桥转向参数以及车轮转向参数。

对于自动操控模式，是根据自动化轨迹通过阿克曼转向理论转化成前后桥中心转角的角度以及车辆车速数据。

对于手动操控模式，是直接将遥控手柄提供的转向数据转化为前后桥中心转角的角度以及车辆车速数据。手动操控模式的难点在于AGV的设计其实没有头尾区分，所以手动操作时都是以司机的操作习惯来定的，一般都是司机尾随着AGV行驶方向行进，所以如何做好司机操作坐标和单车坐标系的统一，是司机操作时感到自然、顺手，是设计这个工况的初衷，在程序接口设计上要满足手柄输入信号的标准化，在输出接口上希望能和导航接口类型一致。

图5A至5H示出了手动模式的工况汇总示意，分为向前行驶的八种工况和向后行驶的八种工况。

1)如图5A所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，仅使用前桥转向，后桥不参与转向。

2)如图5B所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，仅使用后桥转向，前桥不参与转向。

3)如图5C所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相反)，使得车辆获取最小转弯半径。

4)如图5D所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相同)，使得车辆能够实现斜行(也叫蟹行模式)。

5)如图5E所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，仅使用前桥转向，后桥不参与转向。

6)如图5F所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，仅使用后桥转向，前桥不参与转向。

7)如图5G所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相反)，使得车辆获取最小转弯半径。

8)如图5H所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相同)，使得车辆能够实现斜行(也叫蟹行模式)。

通用转向控制模块43使用了通用转向控制模型，基于阿克曼转向车桥的设计，将车的转向形式分为了三个层级：整车转向、车桥转向(图3所示的两个轮子的中心角)、车轮转向。有些车型没有车桥，也就是车轮独立转向就可能不存在车桥转向。统一的通用转向控制模型就是将整车转向参数分解为车桥转向参数或者车轮转向参数，通过阿克曼转向几何，结合所需要的转弯半径，计算出每个转向车桥中心交给定、或者再换算到每个车轮上，具体需求视车辆底盘组成而定。

实际转向控制模块44，一方面将小车的车桥转向参数作为控制给定，结合转向编码反馈模块的对应的数值，计算车桥转向的操控参数，另一方面基于小车的车桥转向参数、车轮转向参数、小车底盘形式和转向编码反馈模块的对应的数值，计算出车轮转向的操控参数。

实际转向控制模块44也是基于阿克曼车桥的实际转向控制模型来建立的，阿克曼梯形及坐标系的定义如图4所示，根据模型推荐得到下列两个结论：

阿克曼转向梯形特性一：中心角恒等于两边转角和的一半，实际转向控制模型以车桥中心为虚拟控制点时，该特性就是整个控制模型的核心。

阿克曼转向梯形特性二：根据结构能够计算出左侧转角、中心转角、右侧转角之间的关系，在得到三者相互转化的关系式后，计算出各个角的数据。主要作用如下：

根据上述公式：1)可以知道左右轮关系，一起起到角度验证作用提升安全性；2)可以根据上述公式计算出所有左侧角度、右侧角度、中心角度的关系，可以通过拟合数据的方式简化上述模型校验的计算；3)应急时候可以通过计算实现编码器冗余,即当某一车桥的一侧编码器出现故障后,可以通过计算算得到中心角角度,以此来进行应急处理。

在对车桥转向的操控参数的计算过程中，以通用转向控制模块43的车桥中心转角为控制给定，并通过实际转向控制模型计算转向编码器的反馈，形成PID闭环(Proportion Integral Derivative,比例积分微分控制)需要的参数。再对前后和后桥按照各自的控制给定与反馈进行PID计算，最后根据PID计算值控制比例阀，使得油缸按照要求动作实现转向。

在对车轮转向的操控参数的计算过程中，根据实际转向控制模型和底盘形式，配合转向需求计算每个驱动器应该输出的转速(车桥形式主要保持前后一致即可，独立转向模式则需要计算每个轮子的速度关系)，根据速度给定驱动对应的驱动器(配合转向角度)。

此外，在上述的集装箱自动引导小车的转向控制系统的基础上，本发明还揭示了在这一系统上实现的有关集装箱自动引导小车的转向控制方法，如图2所示，转向控制方法的具体实现如下。

首先，识别当前处于自动操控模式还是手动操控模式。

如果是自动操控模式，则根据自动操控模式下的导航专用控制器提供的转向数据，根据自动化轨迹通过阿克曼转向理论转化成前后桥中心转角的角度以及车辆车速数据。如果是手动操控模式，是直接将遥控手柄提供的转向数据转化为前后桥中心转角的角度以及车辆车速数据。

手动操控模式的难点在于AGV的设计其实没有头尾区分，所以手动操作时都是以司机的操作习惯来定的，一般都是司机尾随着AGV行驶方向行进，所以如何做好司机操作坐标和单车坐标系的统一，是司机操作时感到自然、顺手，是设计这个工况的初衷，在程序接口设计上要满足手柄输入信号的标准化，在输出接口上希望能和导航接口类型一致。

图5A至5H示出了手动模式的工况汇总示意，分为向前行驶的八种工况和向后行驶的八种工况。

1)如图5A所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，仅使用前桥转向，后桥不参与转向。

2)如图5B所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，仅使用后桥转向，前桥不参与转向。

3)如图5C所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相反)，使得车辆获取最小转弯半径。

4)如图5D所示，操作员面向车头站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相同)，使得车辆能够实现斜行(也叫蟹行模式)。

5)如图5E所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，仅使用前桥转向，后桥不参与转向。

6)如图5F所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，仅使用后桥转向，前桥不参与转向。

7)如图5G所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相反)，使得车辆获取最小转弯半径。

8)如图5H所示，操作员面向车尾站在车辆一侧时，前后桥都参与转向(前后桥转向方向相同)，使得车辆能够实现斜行(也叫蟹行模式)。

然后，一方面将小车的车桥转向参数作为控制给定，结合转向编码反馈模块的对应的数值，计算车桥转向的操控参数，另一方面基于小车的车桥转向参数、车轮转向参数、小车底盘形式和转向编码反馈模块的对应的数值，计算出车轮转向的操控参数。其中的转向编码反馈模块根据检测到的小车车轮的实际转角处理为车桥转向参数的数值。具体而言，是对检测到的模拟信号进行标准化处理，将模拟量数据转化成对应的角度数据，再进一步根据实际转向控制模型处理成车桥转向参数(前后桥中心转角的数值)。

这一步骤的实际转向控制模块也是基于阿克曼车桥的实际转向控制模型来建立的，阿克曼梯形及坐标系的定义如图4所示，根据模型推荐得到下列两个结论：

阿克曼转向梯形特性一：中心角恒等于两边转角和的一半，实际转向控制模型以车桥中心为虚拟控制点时，该特性就是整个控制模型的核心。

阿克曼转向梯形特性二：根据结构能够计算出左侧转角、中心转角、右侧转角之间的关系，在得到三者相互转化的关系式后，计算出各个角的数据。主要作用如下：

根据上述公式：1)可以知道左右轮关系，一起起到角度验证作用提升安全性；2)可以根据上述公式计算出所有左侧角度、右侧角度、中心角度的关系，可以通过拟合数据的方式简化上述模型校验的计算；3)应急时候可以通过计算实现编码器冗余,即当某一车桥的一侧编码器出现故障后,可以通过计算算得到中心角角度,以此来进行应急处理。

在对车桥转向的操控参数的计算过程中，以通用转向控制模型得到的车桥中心转角为控制给定，并通过实际转向控制模型计算转向编码器的反馈，形成PID闭环需要的参数。再对前后和后桥按照各自的控制给定与反馈进行PID计算，最后根据PID计算值控制比例阀，使得油缸按照要求动作实现转向。

在对车轮转向的操控参数的计算过程中，根据实际转向控制模型和底盘形式，配合转向需求计算每个驱动器应该输出的转速(车桥形式主要保持前后一致即可，独立转向模式则需要计算每个轮子的速度关系)，根据速度给定驱动对应的驱动器(配合转向角度)。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。