一种无人车控制方法及无人割草车与流程

本发明涉及无人车及其控制方法设计，特别涉及一种无人车控制方法及无人割草车。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，无人车发展越来越受到关注，国内外各大汽车厂商和科技公司都投入大量精力到无人车研发中。无人车是一个集环境感知、路径规划和决策控制等多种功能于一体的综合机器人系统。

其中，决策控制相当于无人车的大脑，其主要功能是依据感知系统获得的信息来进行决策判断，进而对下一步的行为进行决策，控制车辆如何行进。因此，决策控制技术是无人车系统中的关键性技术。决策控制系统的行为分为反应式、反射式和综合式。其中，反应式控制是一个反馈控制的过程，是根据车辆当前位置与期望路径的偏差，不断调节方向盘转角和车速，直到到达目的地。但是，仅仅简单通过位置偏差获得轨迹跟踪控制还无法顺畅控制无人车。

为了解决上述问题，目前的一些无人车，是通过高清摄像机、激光扫描仪和雷达传感器等来观察周边道路和障碍物信息，从而建立轨迹跟踪控制算法，但此类方法算法复杂，实现难度大，且不是适合在野外场合使用。

另外，无人割草车是无人车技术在特定场合的应用实例，其主要应用在大型机场草坪修整作业中。无人割草车通过gps卫星导航仪采集作业地图边界信息，并规划最优行进路径在区域内进行遍历割草作业。因此，如何控制无人割草车按照规划的路径行进实现区域内全覆盖遍历割草作业的轨迹跟踪控制方法成为重中之重。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种无人车控制方法及无人割草车，以解决现有无人车及无人割草车控制方法存在的至少一个问题。

本发明的技术方案是：

一种无人车控制方法，包括如下步骤：

步骤一、获取无人车当前时刻的位置信息和姿态信息；

步骤二、计算当前时刻所述无人车的位置和航向与规划路径之间是距离偏差和角度偏差；

步骤三、通过将所述距离偏差与设置的距离偏差阈值进行比较，并结合所述角度偏差，获取所述无人车转向机构的转向角度，具体包括：

当所述距离偏差不小于距离偏差阈值时，通过如下公式(1)获得转向角度θ：

其中，a1、b1为系数，θmax为无人车转向机构的最大转向角度，dt为所述距离偏差阈值，d无车中点与规划路径之间的垂直距离，α为当前时刻无人车与规划路径之间的角度偏差；

当所述距离偏差大于距离偏差阈值时，通过如下关系式(2)获得转向角度θ：

其中，θ为正值表示左转向，为负值表示右转向；

步骤四、将获得的所述无人车转向机构的转向角度以控制指令形式发送至无人车的转向电机。

可选的，在所述步骤三之后且在所述步骤四之前还包括如下步骤：

通过如下阶梯函数(3)对获得的转向角度进行修正：

其中，θ，为此步骤修正后的转向角度；

另外，所述步骤四是将所述修正后的转向角度以控制指令形式发送至无人车的转向电机。

可选的，在所述阶梯函数对获得的转向角度进行修正步骤中还包括：

在所述阶梯函数基础上增加回型函数，从而对获得的转向角度进行修正。

可选的，在所述步骤三之后且在所述步骤四之前还包括如下步骤：

根据无人车当前时刻车速情况对转向角度进行修正，具体是采用如下关系式(4)进行修正：

其中，a2、b2为系数，v无人车当前时刻车速。

可选的，所述距离偏差阈值等于无人车当前时刻最大车速乘以指令周期。

本发明还提供了一种无人割草车，采用上述任一项所述的无人车控制方法进行控制，其中，所述无人割草车包括：

第一卫星接收天线，固定设置在所述无人割草车后轮轴中心位置；

第二卫星接收天线，固定设置在所述无人割草车前轮轴中心位置；

gps-rtk接收机，固定设置在所述无人割草车上，用于根据与其连接的所述第一卫星接收天线和第二卫星接收天线接收到的信息，获取所述无人割草车当前时刻的位置信息和姿态信息；

控制器，固定设置在所述无人割草车上，所述控制器用于：

根据所述无人割草车当前时刻的位置信息和姿态信息，计算当前时刻所述无人割草车的位置和航向与规划路径之间是距离偏差和角度偏差；

通过将所述距离偏差与设置的距离偏差阈值进行比较，并结合所述角度偏差，计算所述无人割草车转向机构的转向角度；

将获得的所述无人割草车转向机构的转向角度以控制指令形式发送至所述无人割草车的转向电机。

可选的，所述控制器还用于通过阶梯函数对获得的转向角度进行修正，将所述修正后的转向角度以控制指令形式发送至无人割草车的转向电机。

可选的，所述控制器还用于在所述阶梯函数基础上增加回型函数，从而对获得的转向角度进行修正。

可选的，所述控制器还用于根据无人割草车当前时刻车速情况对转向角度进行修正。

可选的，所述无人割草车割台的有效割幅与实际割幅采用如下关系式(5)进行确定：

l≤s-2·d(5)；

其中，l为有效割幅，s为实际割幅，d为无人割草车轨迹跟踪控制精度偏差。

发明效果：

本发明的无人车控制方法及无人割草车，能够获得无人割草车精确位置和姿态信息，结合规划路径计算得到的位置偏差和角度偏差更加精确有效；另外，可以根据不同情形采取不同纠偏转向策略，能够确保更加迅速的回到正确轨迹上。

附图说明

图1是本发明无人割草车小偏差纠偏转向示意图；

图2是本发明无人割草车大偏差纠偏转向的一个示意图；

图3是本发明无人割草车大偏差纠偏转向的另一示意图；

图4是本发明无人割草车转向角度阶梯函数示意图；

图5是本发明无人割草车转向角度死区设置示意图；

图6是本发明无人割草车的轨迹跟踪控制仿真效果图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图6对本发明无人车控制方法及无人割草车做进一步详细说明。

本发明提供了一种无人车控制方法(无人车的轨迹跟踪控制方法)，是控制无人车的转向角度及速度使其达到沿规划轨迹运行的过程。采用gps-rtk卫星导航技术，在无人车上布置卫星接收天线来获取无人车精确位置和姿态信息，结合规划路径计算得到的位置偏差(即距离偏差)和角度偏差。以位置偏差和角度偏差为基础建立无人割草车轨迹跟踪纠偏算法，设定多个位置偏移阈值和角度偏移阈值，在小偏差范围内的转向角度线性连续变化，在超出阈值范围时，采用大转向角度控制无人车尽快返回到正确运行轨迹上。针对不同转向执行机构可以选择性在转向角度控制上增加阶梯函数、回型函数和速度函数来优化转向角度。

需要说明的是，本发明的无人车控制方法可以根据需要应用到多种适合的无人车上；下面以无人割草车为例进行详细说明。

本发明的无人割草车采用gps-rtk技术获取定位导航信息，采用双接收天线；具体地，可以包括第一卫星接收天线t1、第二卫星接收天线t2、gps-rtk接收机以及控制器等设备。其中，第一卫星接收天线t1固定设置在无人割草车后轮轴中心位置；第二卫星接收天线t2固定设置在无人割草车前轮轴中心位置。

gps-rtk接收机固定设置在无人割草车上预定位置，主要用于根据与其连接的第一卫星接收天线和第二卫星接收天线接收到的信息，计算获得无人割草车当前时刻的位置信息和姿态信息，并发送给控制器。

控制器固定设置在无人割草车上预定位置，可以根据需要选择已知的多种适合的控制器设备，例如单片机、微型计算机等等；其中，控制器配置成用于根据gps-rtk接收机发送的无人割草车当前时刻的位置信息和姿态信息，计算当前时刻无人割草车的位置和航向与规划路径之间是距离偏差和角度偏差，并发送控制无人割草车的控制指令(例如转向角度指令和速度指令)。

进一步，控制器还配置成用于：

通过将距离偏差与设置的距离偏差阈值进行比较，并结合角度偏差，获取无人割草车转向机构的转向角度；将获得的无人割草车转向机构的转向角度以控制指令形式发送至无人割草车的转向电机；通过阶梯函数对获得的转向角度进行修正，将所述纠偏后的转向角度以控制指令形式发送至无人割草车转向电机；在阶梯函数基础上增加回型函数，从而对获得的转向角度进行修正；根据无人割草车当前时刻车速情况对转向角度进行修正。

本发明的无人割草车的控制方法包括如下步骤：

步骤一、gps-rtk接收机根据接收的第一卫星接收天线和第二卫星接收天线接收到的信息，获取无人车当前时刻的位置信息和姿态信息。

具体地，gps-rtk接收机可以解算获得当前两接收天线高精度位置信号，并获得t1指向t2方向的航向信息，即为无人割草车的当前航向姿态。航向角可通过t1位置(x1,y1)与t2位置(x2,y2)计算获得：

采用gps-rtk技术获得的位置精度为厘米级，假设其精度误差为s，则航向角精度误差为可知天线t1和t2位置越大，航向角精度越高。

步骤二、控制器根据gps-rtk接收机传输的无人车当前时刻的位置信息和姿态信息，计算当前时刻无人车的位置和航向与规划路径之间是距离偏差和角度偏差。

如图1所示给出了无人割草车在小偏差修正转向角度控制示意图，其中规划路径为1，箭头表示路径方向，无人割草车中点与该规划路径之间的垂直距离为d，设置距离偏差阈值dt，α为当前无人割草车与规划路径之间的角度偏差。

步骤三、控制器通过将距离偏差与设置的距离偏差阈值进行比较，并结合角度偏差，获取无人车转向机构的转向角度，具体包括：

1)当距离偏差不小于距离偏差阈值时(即d≤dt时)，通过如下公式(1)获得转向角度θ：

其中，a1、b1为系数，根据实际调试情况设定，一般情况下设定为1；θmax为无人车转向机构的最大转向角度。另外，本实施例中，优选距离偏差阈值dt等于最大速度vmax乘以指令周期t。

2)当距离偏差大于距离偏差阈值时(即d>dt)，通过如下关系式(2)获得转向角度θ：

其中，θ为正值表示左转向，为负值表示右转向。

步骤四、控制器将获得的无人车转向机构的转向角度以控制指令形式发送至无人车的转向电机。

本发明的无人车控制方法及无人割草车，能够获得无人割草车精确位置和姿态信息，结合规划路径计算得到的位置偏差和角度偏差更加精确有效；另外，可以根据不同情形采取不同修正转向策略，能够确保更加迅速的回到正确轨迹上。

进一步，由于转向电机在每个指令周期都会得到新的转向角度指令，频繁的给定转向指令，将会对转向机构造成损害，因此，本发明无人割草车的控制方法中，在步骤三之后且在步骤四之前还包括如下步骤：

通过如下阶梯函数(3)对获得的转向角度进行修正：

其中，θ，为此步骤修正后的转向角度；另外，步骤四是控制器将修正后的转向角度以控制指令形式发送至无人车的转向电机。

如图4所示为转向角度阶梯函数示意图，即将原本连续的转向角度输出离散化。无人车在控制转向角度实现轨迹跟踪过程中则可避免频繁操作转向电机，从而降低转向机构损耗。

进一步，在阶梯函数的边界值时依然存在转向机构抖动现象，为消除抖动现象，在本发明无人割草车的控制方法中，在阶梯函数对获得的转向角度进行修正步骤中还包括：

在阶梯函数基础上增加回型函数，从而对获得的转向角度进行修正。如图5所示为增加回型函数效果示意图，即在输出转向角度变化边沿设置死区，防止抖动。

进一步，在本发明无人割草车的控制方法中，无人割草车执行轨迹跟踪算法输出转向角度时，应当考虑当前车速情况。具体地，在步骤三之后且在步骤四之前还包括如下步骤：

根据无人车当前时刻车速情况对转向角度进行修正，具体是采用如下关系式(4)进行修正：

其中，a2、b2为系数，根据实地调试设定，使得速度越大执行转向角度会相应减小；v无人车当前时刻车速。

在本发明无人割草车中，若无人割草车轨迹跟踪控制精度偏差为d，则要求设定的无人割草车两条相邻线路之间的距离l(即有效割幅)与割台实际割幅s之间的关系为：

l≤s-2·d(5)；

这样能够使得无人割草车全覆盖，不发生漏割现象。此时，无人割草车割草覆盖效率f为：

如图6所示，在本发明无人割草车中的一个具体实施例中，其割台割幅为2.4米，无人割草车采用上述控制方法后实现轨迹跟踪控制，从偏差-1m位置开始运行，很快回到规划轨迹线上运行，超调偏差小于0.1m。因此，无人割草车有效割幅l设置为2m较为合适，能保证全覆盖割草作业。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。