可重构无人车三段式对接控制方法

本发明涉及一种无人车重构方法，具体涉及一种可重构无人车三段式对接控制方法，属于无人车技术领域。

背景技术：

无人车可自主执行物流、运输、配送、巡逻、公交、零售、清扫、接驳、救援等功能型任务，是未来智能交通与智慧城市建设的核心要素。可以预见，在未来交通出行与人类生活中，大部分任务将由无人车替代人类完成，车辆将由传统的载运工具演变成为执行功能型任务的智慧载体，并对人类社会发展产生重大影响。与传统智能网联汽车相比，无人车以执行功能型任务为目的，不具有人类驾驶机构，颠覆传统汽车以人为中心的基本设计理念，构型创新且灵活多变，系统架构等基本特征发生革命性变化。因此，无人车的基础理论及关键技术必须实现原始突破，是智能汽车时代所带来的全新挑战，是国际国内的研究热点。

随着未来智能交通与智慧城市内涵的不断拓展，无人车的发展面临着执行任务繁杂多变、行驶环境立体多维、功能需求不断拓展、载体构型单一局限等重大挑战。显然，传统固定构型的无人车已难以应对上述挑战，无法满足未来智能交通与智慧城市中对新型智能载运工具的需要。可重构无人车技术彻底突破传统固定构型无人车形态约束，可以自主实现功能重构、拓扑重构等复杂功能，实现多无人车单元间的自主组合、对接、解体，全面拓展无人车的功能任务执行边界，有望成为未来颠覆性创新技术。如何使无人车单元在复杂地面环境下精准对接是可重构无人车首先需要解决的关键技术。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种可重构无人车三段式对接控制方法，将无人车单元的对接过程分为远端接近阶段、近端捕获阶段和柔性对接阶段三个阶段，能使无人车单元在复杂地面环境下迅速实现自主动态对接。

所述可重构无人车三段式对接控制方法具体为：

所述可重构无人车具有两个以上无人车单元；两个以上所述无人车单元通过对接实现无人车的重构；

每个无人车单元上均设置有用于实现对接的对接机构，所述对接机构包括活动端和固定端，对接时，其中一个无人车单元上对接机构的活动端与另一个无人车单元上对接机构的固定端对接；令两个无人车单元对接时，用于提供对接结构活动端的无人车单元为主动对接车，用于提供对接结构固定端的无人车单元为被动对接车；

所述三段式拓扑重构方法将两个无人车单元的对接过程分为三个阶段，分别为：远端接近阶段、近端捕捉阶段及对接阶段；

当两辆无人车单元收到对接指令后，进入远端接近阶段，在所述远端接近阶段，两辆无人车单元向设定的目标位置交汇；当两辆无人车单元行进至间隔设定距离时，进入近端捕捉阶段；

近端捕捉阶段，所述主动对接车以对接机构活动端的运动范围为约束条件，实时进行由远端接近阶段向对接阶段切换时机的判断，当所述对接机构活动端的运动范围满足设定的约束条件时，进入对接阶段；

对接阶段，所述主动对接车控制其对接机构活动端与被动对接车对接机构固定端进行对接，使两个无人车单元完成拓扑重构。

作为本发明的一种优选方式，在所述远端接近阶段，采用考虑转向模式切换的远端接近轨迹实时规划算法计算远端接近轨迹：

所述对接指令中包含了设定的目标位置，收到对接指令的无人车单元首先通过轨迹规划算法，得到一条该算法下的最短路径作为初始接近轨迹；然后再通过转向模式的选用对所述初始接近轨迹进行优化，得到远端接近轨迹；

所述转向模式的选用是根据不同工况对采用独立转向技术的无人车单元的双桥转向、蟹型转向及原地转向模式进行选用：其中所述双桥转向模式适用于长距离和长时间工况；所述蟹型转向模式适用于快速换道工况；所述原地转向模式适用于狭窄区域掉头工况。

作为本发明的一种优选方式，在所述远端接近阶段，两辆无人车单元向设定的目标位置接近过程中，所述主动对接车实时计算自身与被动对接车之间的距离：

若在到达目标位置前两辆无人车单元之间的距离已达到设定距离值，则依次进入近端捕捉阶段和对接阶段，在完成对接后一起向目标位置行进；

若其中一辆无人车单元先达到目标位置，则停止在目标位置，当另一辆无人车单元行驶至与该无人车单元设定距离位置处时，依次进入近端捕捉阶段和对接阶段，在设定的目标位置处完成对接。

作为本发明的一种优选方式，所述近端捕捉阶段，所述主动对接车进行由远端接近阶段向对接阶段切换时机的判断过程为：

所述主动对接车首先进行姿态判断，所述姿态判断的约束条件为：

-γdlim≤γc≤+γdlim

其中：γc为所述主动对接车在近端捕获判别坐标系中的自身航向角；γdlim为极限寻向角，寻向角是指被动对接车对接平面与主动对接车横向平面之间的夹角；所述近端捕获判别坐标系指以被动对接车定位中心为坐标原点，被动对接车的纵向为x向为，横向为y向的坐标系；

若所述主动对接车自身航向角满足上述约束条件，则进入位置判断；若不满足，则所述主动对接车进行航向调整，直至自身航向角满足上述约束条件；

所述位置判断的约束条件为：

-xlim-xi1-lr-xi2-lfcos(γc)≤xc≤+xlim-xi1-lr-xi2-lfcos(γc)

-ylim-lr-xi2-lfsin(γc)≤yc≤+ylim-lr-xi2-lfsin(γc)

其中：（xc，yc）为在所述近端捕获判别坐标系中所述主动对接车的定位中心坐标；xlim，ylim为所述主动对接车上对接结构活动端纵向和横向极限运动距离；xi1为所述主动对接车上对接机构活动端的纵向长度；xi2为所述被动对接车上对接机构固定端的纵向长度；lf，lr分别为所述被动对接车车身前端面和后端面距其定位中心的距离；

若所述主动对接车位置满足上述位置判断的约束条件，则进入对接阶段；若不满足，则所述主动对接车进行姿态调整，直至所述主动对接车的定位中心满足上述位置判断的约束条件。

作为本发明的一种优选方式，所述对接阶段，主动对接车上对接机构活动端与被动对接车上对接机构固定端进行柔性对接；即所述对接机构为柔性对接结构；

所述柔性对接机构包括：主动捕捉模块、锁定模块、传感模块及控制模块；所述主动捕捉模块采用六自由度平台，所述六自由度平台的固定端与无人车单元固接，活动端设置有锁定芯；所述六自由度平台能够带动所述锁定芯沿横向、纵向、垂向、横摆、滚转及俯仰方向运动，以调整所述锁定芯的位置和姿态；

所述锁定模块包括：锁定机构和对接导向块；所述对接导向块与无人车单元固接；所述对接导向块上设置有用于和所述锁定芯配合的对接导向孔，用于容纳所述锁定芯；所述锁定机构用于所述对接导向块和锁定芯对接后的位置锁定；

所述传感模块用于感知所述主动捕捉模块上锁定芯相对锁定模块上对接导向块的位置和姿态，并发送给所述控制模块；所述控制模块依据所述传感模块的感知信息控制所述主动捕捉模块调整所述锁定芯相对所述对接导向块的位置和姿态，使两辆无人车单元对接时，所述锁定芯插入所述对接导向块的对接导向孔中。

作为本发明的一种优选方式，所述传感模块包括安装在六自由度平台固定端的视觉传感器以及安装在六自由度平台活动端端面的两个以上激光测距传感器；所述视觉传感器和两个以上所述激光测距传感器分别与所述控制模块相连，用于将检测的信号发送给控制模块；

所述对接导向块上设置有用于和所述视觉传感器配合的图像识别定位板,所述视觉传感器通过对所述图像识别定位板的识别，获得所述对接导向块相对所述锁定芯的位置；

所述对接导向块设置有用于和激光测距传感器配合的激光传感器检测板，两个以上所述激光测距传感器沿周向间隔分布，所述控制模块根据两个以上激光测距传感器分别检测到的与所述激光传感器检测板之间的距离信息，获得所述锁定芯轴线与所述对接导向块轴线之间的夹角，所述控制模块以此调整所述锁定芯的姿态使所述对接导向块与所述锁定芯同轴。

作为本发明的一种优选方式，两个无人车单元对接时，所述主动对接车主动捕捉模块上的视觉传感器获取被动对接车锁定模块上的图像识别定位板的位置信息反馈给控制模块，所述控制模块根据视觉传感器传递的位置信息初步调整锁定芯的位置，使锁定芯和所述对接导向块的相对位置达到设定的对接位置要求；

初步调整后，所述主动对接车上的控制模块根据所述激光测距传感器检测到的与锁定模块上激光传感器检测板之间的距离信息，然后调整所述锁定芯的姿态消除解算出的锁定芯轴线与对接导向块轴线的夹角，使其轴线重合；

然后所述主动对接车上的控制模块控制主动捕捉模块将锁定芯插入到所述对接导向块中；最后通过锁定机构完成主动捕捉模块和锁定模块的锁定。

作为本发明的一种优选方式，所述传感模块还包括两个以上力传感器；两个以上所述力传感器安装在六自由度平台活动端端面上，且沿周向间隔分布；所述力传感器与所述控制模块相连；

两个无人车单元对接时，所述力传感器与所述对接导向块对接面接触，向所述控制模块反馈对接导向块对接面与所述锁定芯对接面的应力。

有益效果：

该对接控制方法将无人车单元的对接过程分为远端接近阶段、近端捕获阶段和柔性对接阶段三个阶段：在远端接近阶段，待对接的两个无人车单元将沿着所规划的接近轨迹自主行驶直至两车间隔设定距离，针对此阶段提出了一种考虑转向模式切换的远端接近轨迹实时规划算法，以规划出所需时间短的接近轨迹，提高对接效率。

在近端捕获阶段，提出了一种用于确定可重构无人车拓扑重构过程中由远端接近阶段向柔性对接阶段的切换时机的判别方法，该判别方法解决了可重构无人车对接过程中阶段切换确定困难的问题，显著提高了可重构无人车的对接效率。

在柔性对接阶段，采用了六自由度柔性对接机构，并基于六自由度柔性对接机构设计了包含视觉传感器、激光测距传感器、力传感器等多传感器感知系统的柔性对接过程，提高了柔性对接阶段的准确性和稳定性。

附图说明

图1为近端捕获阶段主动对接车位姿调整示意图；

图2为对接阶段所采用的柔性对接机构主动捕捉模块结构示意图；

图3为对接阶段所采用的柔性对接机构锁定模块结构示意图。

其中：1-视觉传感器，2-电驱动直线作动器，3-底座，4-激光测距传感器，5-力传感器，6-锁定芯，7-锁定销作动器，8-对接导向块，9-图像识别定位板，10-激光传感器检测板，11-锁定芯连接板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

为了解决可重构无人车拓扑重构对接过程精准控制的问题，本实施例提出了一种可重构无人车三段式对接控制方法，能够满足可重构无人车自主拓扑重构的复杂控制需求。

可重构无人车具有两个以上无人车单元，无人车单元为具有两个车轮的无人车，两个车轮具有独立转向功能。当需要两个以上无人车单元共同工作时，两个以上无人车单元依据实际使用需求首尾对接，实现无人车的重构。每个无人车单元上均设置有用于实现对接的对接机构，该对接机构包括活动端和固定端，其中对接机构的活动端设置在无人车单元的前端，固定端设置在无人车单元后端；对接时，其中一个无人车单元上对接机构的活动端与另一个无人车单元上对接机构的固定端对接。

为方便描述，令两个无人车单元对接时，位于后方用于提供对接机构活动端的无人车单元为主动对接车，位于前方用于提供对接机构固定端的无人车单元为被动对接车。两个无人车单元在接收到外部对接指令后，向指定位置交汇并完成对接，该三段式拓扑重构方法用于对上述对接过程进行控制，保证两个无人车单元的精准对接。

该三段式拓扑重构方法将两个无人车单元的对接过程分为三个阶段，分别为：远端接近阶段、近端捕捉阶段及对接阶段，通过对三个阶段的控制，实现对无人车单元对接过程的精准控制。

当两辆无人车单元收到对接指令后，进入远端接近阶段：

两辆无人车单元收到的对接指令中包含了设定的目标位置（且在对接指令中指定了主动对接车和被动对接车），收到对接指令的两辆无人车单元通过轨迹规划与轨迹跟踪快速接近目标位置进行交汇。针对此阶段提出了一种考虑转向模式切换的远端接近轨迹实时规划算法，两辆无人车单元依据该算法规划出所需时间较短的远端接近轨迹。远端接近轨迹实时规划算法的具体实施过程为：

收到对接指令的无人车单元首先通过常规轨迹规划算法（如a星算法），得到一条该算法下的最短路径作为初始接近轨迹；然后再通过转向模式的选用对初始接近轨迹进行优化，以获得更短接近时间路径，将该路径作为远端接近轨迹。

转向模式的选用是根据不同工况对采用独立转向技术的无人车单元的双桥转向、蟹型转向及原地转向模式进行选用（即转向模式切换）：其中双桥转向模式稳定性强，适用于长距离和长时间等工况；蟹型转向模式可在不改变车头朝向的情况下改变车辆位置，适用于快速换道等工况；原地转向可在不改变车辆位置的情况下改变车头朝向，适用于狭窄区域掉头等工况。针对不同的工况选择不同的转向模式，可减少远端接近过程所需的时间。

无人车单元在获得考虑了转向模式切换的远端接近轨迹后，依据得到的远端接近轨迹进行轨迹跟踪，进而快速接近设定的目标位置。

接近过程中，主动对接车依据车间通讯实时获得被动对接车的位置坐标，进而得的自身与被动对接车之间的距离，若在到达目标位置前两辆无人车单元之间的距离已达到设定距离值，则依次进入近端捕捉阶段和对接阶段，在完成对接后一起向目标位置行进；若其中一辆无人车单元先达到目标位置，则停止在目标位置，当另一辆无人车单元行驶至与该无人车单元设定距离位置处时，依次进入近端捕捉阶段和对接阶段，在设定的目标位置处完成对接。

近端捕捉阶段主动对接车采用近端捕获判别方法确定拓扑重构过程中由远端接近阶段向对接阶段的切换时机。该近端捕获判别方法包括：姿态判断和位置判断，当两个判断条件同时满足时，待对接的两个无人车单元可以完成由远端接近阶段向对接阶段的切换，即表明待对接的两个无人车单元已到对接时机，能够进行对接机构活动端和固定端的对接。

近端捕捉阶段，主动对接车实时进行对接时机的判断，该判断是在近端捕获判别坐标系中，以对接机构活动端的运动范围为约束条件，得到远端接近阶段向对接阶段的切换时机。其中近端捕获判别坐标系是指以被动对接车定位中心（该定位中心为设定位置，一般为被动对接车质心位置）为坐标原点建立近端捕获判别坐标系，近端捕获判别坐标系的x向为被动对接车的纵向，y向为被动对接车的横向。主动对接车接收到的外部对接指令中包括需要与之对接的被动对接车定位中心在世界参考系下的绝对坐标。

主动对接车向被动对接车接近过程中，首先进行姿态判断，主动对接车通过惯性传感器（imu）、gps等传感器获取在近端捕获判别坐标系中的自身航向角γc，定义被动对接车对接平面与主动对接车横向平面之间的夹角γd为寻向角，如图1所示，在近端捕获判别坐标系中，主动对接车自身航向角γc与寻向角γd相等，要使对接机构活动端处于对接范围内，寻向角γd需满足设定的姿态约束条件，由于主动对接车自身航向角γc与寻向角γd相等，即需判断γc是否满足如下设定的姿态约束条件：

-γdlim≤γc≤+γdlim

其中：γdlim为极限寻向角。

若主动对接车自身航向角γc满足上述姿态约束条件，则进入位置判断；若不满足，则主动对接车进行航向调整，直至其自身航向角满足上述姿态约束条件。

当主动对接车完成姿态判断后，基于满足姿态约束条件的航向角γc进行位置判断：

主动对接车通过gps以及车间通信，获取自车与被动对接车在世界参考系下的绝对坐标，通过两车相对位置关系，在以被动对接车定位中心为坐标原点的近端捕获判别坐标系中确定主动对接车的定位中心坐标（xc，yc）（一般为主动对接车质心坐标）。要使对接机构活动端处于对接范围内，需判断主动对接车的定位中心坐标（xc，yc）是否满足如下位置约束条件：

-xlim-xi1-lr-xi2-lfcos(γc)≤xc≤+xlim-xi1-lr-xi2-lfcos(γc)

-ylim-lr-xi2-lfsin(γc)≤yc≤+ylim-lr-xi2-lfsin(γc)

其中：xlim，ylim分别表示主动对接车上的对接结构活动端纵向和横向极限运动距离；xi1表示对接机构活动端的纵向长度，xi2表示对接机构固定端的纵向长度；lf，lr分别表示被动对接车前端面和后端面距其定位中心距离（该距离不包括对接机构的长度），此外，图1中，（xd1,yd1）表示对接机构活动端与主动对接车车体连接端面中心在近端捕获判别坐标系中的坐标，（xd2,yd2）表示对接机构固定端与被动对接车车体连接端面中心在在近端捕获判别坐标系中的坐标。

上述位置约束条件构成主动对接车的位置包络区，若主动对接车定位中心在包络线范围内，则表明满足对接条件，可以进入对接阶段；若不在包络线内，则主动对接车进行车辆自身姿态调整，直至其定位中心坐标满足位置约束条件。

当主动对接车满足对接条件后，进入对接阶段，主动对接车控制其对接机构活动端与被动对接车对接机构固定端进行高精度对接，使两个无人车单元完成拓扑重构。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，进一步的，对接阶段，主动对接车上对接机构活动端与被动对接车上对接机构固定端进行高精度柔性对接。

硬件上，采用了如图2和图3所示的六自由度柔性对接机构；软件上，基于视觉传感器、激光测距传感器、力传感器等多传感器感知系统对柔性对接过程进行控制，提高了柔性对接阶段的准确性和稳定性。

具体的：柔性对接机构包括：主动捕捉模块、锁定模块、传感模块及控制模块；其中主动捕捉模块即为对接机构的活动端，锁定模块即为对接机构的固定端。

如图2所示，主动捕捉模块包括：电驱动直线作动器2、底座3和锁定芯6；主动捕捉模块采用六自由度平台，底座3作为该六自由度平台的固定端，底座3与无人车单元的车身固定连接；锁定芯6固定在锁定芯连接板11的中间位置，锁定芯6外圆周面上沿周向均匀间隔分布有三组销孔。

六个电驱动直线作动器2两两一组，三组电驱动直线作动器2沿周向均匀间隔分布在底座3上，每组中的两个电驱动直线作动器2另一端分别与锁定芯连接板11铰接；即电驱动直线作动器2的固定端与底座3铰接，作动端与锁定芯连接板11铰接。连接有锁定芯6的锁定芯连接板11作为六自由度平台活动端。通过控制六个电驱动直线作动器2的伸缩，能够调整主动捕捉模块在横向、纵向、垂向、横摆、滚转及俯仰方向上的姿态。

在柔性对接机构进行对接时，控制模块根据期望位置，控制六个电驱动直线作动器2运动，实现平台活动端在笛卡尔坐标系中六个自由度方向（横向、纵向、垂向、横摆、滚转及俯仰）上的运动，最终动态控制平台活动端上锁定芯6与锁定模块上对接导向块8高精度对准，完成对接动作。

传感模块安装在主动捕捉模块上，传感模块包括安装在底座3上的视觉传感器1以及安装在锁定芯6连接板上的三个激光测距传感器4和三个力传感器5；其中视觉传感器1位于底座3正上方的位置，视觉传感器1的图像采集方向朝向六自由度平台活动端；三个激光测距传感器4沿锁定芯连接板11周向均匀间隔分布；三个力传感器5安装在锁定芯连接板11上锁定芯6所在端的端面上，且沿周向均匀间隔分布；优选的，三个力传感器5和三个激光测距传感器4相互错开。传感模块中的各传感器分别与控制模块相连，用于将检测的信号发送给控制模块。

如图3所示，锁定模块包括：锁定机构、图像识别定位板9、对接导向块8及激光传感器检测板10；其中对接导向块8通过支架与无人车单元的车身固定连接；对接导向块8中心设置有用于和锁定芯6配合的对接导向孔，用于容纳锁定芯6。激光传感器检测板10设置在对接导向块8中部的外圆周，将对接导向块8沿轴向分为两部分，一部分用于和主动捕捉模块对接，另一部分用于安装锁定机构。

锁定机构用于实现对接导向块8和锁定芯6对接后的位置锁定，锁定机构采用锁定销及锁定销作动器7。具体的，在对接导向块8外圆周沿周向均匀间隔分布有三个锁定销作动器7，每个锁定销作动器7的作动端设置有与锁定芯6上销孔一一对应的锁定销，为保证锁定销能够顺利插入与之对应的销孔，在每个锁定销内部均设置有弹簧；初始时，在锁定销作动器7拉住锁定销压缩弹簧，使弹簧处于压缩状态，且不让锁定销推出；当锁定芯6进入对接导向块8上的对接导向孔内后，锁定销作动器7卸力，此时通过六自由度平台转动锁定芯6，当锁定芯6转动至销孔与锁定销位置对应时，锁定销在弹簧恢复力的作用下自动伸出，进入销孔内，从而实现对接导向块8和锁定芯6之间的锁定。在其中一个锁定销作动器7上连接有图像识别定位板9；优选的，图像识别定位板9位于对接导向块8正上方的位置，与底座3上的视觉传感器位置对应。

图像识别定位板9用于和视觉传感器1配合，视觉传感器1基于位置区域识别和边缘线识别算法，可以获得锁定模块所在无人车单元上的图像识别定位板9的相对位置信息，并发送给控制模块；控制模块以此为依据调整六自由度平台上锁定芯6的位置，使锁定芯6与对接导向块8到达期望相对位置，满足精准对接要求。

激光传感器检测板10用于和三个激光测距传感器4配合；在主动捕捉模块和锁定模块对接时，控制模块根据三个激光测距传感器4分别检测到的与锁定模块上激光传感器检测板10之间的距离信息，建立两平面平行数学模型，计算锁定芯6轴线与导向块5轴线之间的夹角，随后控制六自由度平台上的锁定芯6运动消除此夹角，使对接导向块8与锁定芯6同轴，保证对接时锁定芯6能精准插入对接导向块8中。

此外，对接时，力传感器5与锁定模块上对接导向块8所在平面接触，向控制模块反馈对接导向块8所在平面与锁定芯6所在平面之间的应力大小，并以此为依据判断两平面是否平行（若两平面平行，则三个力传感器5所在位置应力大小相同）。同时在控制模块内预设有力传感器5所检测的应力的阈值，该阈值表示锁定芯6和对接导向块8对接到位，即当三个力传感器5反馈的应力大小到达预设阈值时，表示锁定芯6插入到达指定位置处。此外，力传感器5还用于检测由于对接时地面不平等扰动导致的应力突变，当应力出现突变时，控制模块及时控制六自由度平台的锁定芯6进行调整，避免对接时地面不平等扰动引起的晃动导致机构损坏。

基于视觉传感器、激光测距传感器4、力传感器5的多传感器感知模块能够保证对接过程的准确性和稳定性。对接开始时，视觉传感器1获取图像识别定位板9的位置信息反馈给控制模块，调整待对接的两辆无人车单元柔性对接机构的相对位置，使之初步达到柔性对接所需要求；随后激光测距传感器4获取待对接的两辆无人车单元主动捕捉模块和锁定模块的距离信息，保证两辆无人车单元柔性对接机构活动端（主动捕捉模块）和固定端（锁定模块）保持平行；当活动端和固定端对准后，主动捕捉模块上的锁定芯6才缓慢插入到锁定模块的对接导向块8中，在这个过程中力传感器5获取对接时主动捕捉模块与锁定模块之间应力信息，保证柔性对接时不会因为道路颠簸而产生偏差和碰撞。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。