一种车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列与方法与流程

本发明涉及自动导航领域，特别涉及一种车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列与方法。

背景技术：

利用边沿特征进行导航在很多领域具有重要的价值和意义。现有沿边导航技术主要基于图像处理或距离感知来实现：

(1)通过机器视觉、红外、深度等获取环境的图像信息，进而提取道路边沿以进行车辆导航，其价格昂贵、受光影响大、算法复杂难以满足车辆行进的实时性要求；

(2)扫地机器人等设备具备简单的机械、红外光电或超声的距离或碰撞感知，但仅能实现边沿的防碰撞或防跌落控制，难以精确地确定自身与边沿的相对位置和姿态，因而难以实现准确地沿边快速行进控制，同时其应用场合有限；

(3)通过在车辆沿边一侧安装一个超声或红外光电传感器对墙体进行测距，从而实现沿边行走，但无法实现对车身长度方向的倾斜状态的感知判断，无法避免车头或车尾越过边界，因而不能保证安全可靠和平顺快速的沿边行进(周慧等，基于单超声波传感器的移动机器人沿边导航.声学技术，2014，33(s2)：243-246；查峰等，移动机器鼠沿墙导航策略与算法研究.计算机工程，2012,38(6)：172-174)；

(4)as-r移动机器人在侧前方弧形布置多个距离传感器、khepera移动机器人在前方弧形布置多个距离传感器对墙体进行测距，进而通过多个距离信号的模糊逻辑融合等来实现沿边行走，但其计算量大、和墙体间的角度稳定度不足(袁宇龙等，基于模糊逻辑的移动机器人沿墙行为精准控制.世界科技研究与发展，2013,35(6)：704-708；徐明亮等，移动机器人模糊q-学习沿墙导航，电机与控制学报，2010,14(6)：83-88.)

(5)通过在车辆侧面平行安装若干个光电开关实现沿边行进，但只能通过不同光电开关的高低电平制定判断规则来了解车身偏离边沿的大致情况，而无法获得车身相对于边沿的具体位置和姿态，因而沿边导航的精度难以保证、运行轨平滑性差(杜利超等，大棚喷雾作业机器人的行为控制与路径规划.广东农业科学，2011,38(1)：185-188)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列与方法，以实现车辆的单侧快速沿边自动行进，提高沿边导航的精度。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列，其特征在于：由七个相同的光电开关(1)按圆弧均匀布置构成，每一光电开关(1)沿圆弧的圆心线方向朝向外；

所述七光电开关弧形阵列(4)安装在车辆(3)靠路沿(2)的一侧，所述七光电开关弧形阵列(4)的弧顶朝向路沿(2)，所述七光电开关弧形阵列(4)的中心线与车辆(3)的纵向中心线方向垂直；

所述路沿(2)包括凸起路沿(7)和下沉路沿(8)两类，其中凸起路沿(7)是指道路侧边具有竖起的墙壁等障碍物，下沉路沿(8)是指道路侧边具有沟渠等下沉的空间。

如果所述路沿(2)为凸起路沿(7)，则

当由车辆(3)的离地间隙所决定的光电开关(1)离地高度h0不超过凸起路沿(7)的高度h1时，各光电开关(1)水平朝向凸起路沿(7)；

当由车辆(3)的离地间隙所决定的光电开关(1)离地高度h0超过凸起路沿(7)的高度h1时，各光电开关(1)按同一水平倾角ψ朝向凸起路沿(7)

e为车辆(3)行驶过程中与路沿(2)的安全距离。

如果所述路沿(2)为下沉路沿(8)，则沿边导航的七光电开关弧形阵列(4)中各个光电开关(1)按同一水平倾角ψ朝向下沉路沿(8)

s为光电开关(1)的量程。

所述沿边的位姿检测过程为：按从车辆(3)头部到尾部的顺序，由第2个和第6个光电开关(1)的检测点连线、第3个和第5个光电开关(1)的检测点连线之间构成理想目标带(9)；当路沿(2)处于理想目标带(9)内时，车辆(3)处于理想位姿而不需调节；当路沿(2)跨出理想目标带(9)时，将导致光电开关(1)的高、低电平状态发生变化，根据各光电开关(1)的高低电平状态判断车辆(3)的位姿并做相应调节。

所述光电开关(1)为当对象处于检测范围内相应地输出一个设定的低电平或高电平信号的传感器件，其中pnp型的光电开关(1)在没信号触发时输出低电平，而当对象在量程范围s内时被触发输出高电平；npn型的光电开关(1)在没信号触发时输出高电平，而当对象在量程范围s内时则被触发输出低电平。

一种车辆沿边导航方法，其特征在于采用了所述的七光电开关弧形阵列：

车辆(3)的位姿检测通过信号触发数nd和触发中心序号nf来实现，nd越大表明车辆(3)距离路沿(2)越近，nf越大表明车辆(3)的头部越偏离路沿(2)；

当路沿(2)为凸起路沿(7)情况时，nd为在量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的光电开关(1)的数量；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nd为在量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的光电开关(1)的数量；0≤nd≤7且为正整数。

当路沿(2)为凸起路沿(7)情况时，nf为量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nf为量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；1≤nf≤7。

以路沿(2)位于理想目标带(9)的正中为车辆(3)的绝对理想位姿，七光电开关弧形阵列(4)所检测出的车辆(3)的位置偏差⊿d为

(r+s’)[cos(ndθ/12)-cos(θ/4)]<⊿d<(r+s’){cos[(nd-1)θ/12]-cos(θ/4)}(3)

r为七光电开关弧形阵列(4)中各光电开关(1)分布圆弧的半径；θ为七光电开关弧形阵列(4)中各光电开关(1)分布圆弧段的对应圆心角；

s’为光电开关(1)的量程s在水平方向上的投影长度，如路沿(2)为凸起路沿(7)，当由车辆(3)的离地间隙所决定的光电开关(1)离地高度h0不超过凸起路沿(7)的高度h1时，s’＝s；如路沿(2)为凸起路沿(7)，当由车辆(3)的离地间隙所决定的光电开关(1)离地高度h0超过凸起路沿(7)的高度h1时，s’＝scosψ；如路沿(2)为下沉路沿(8)，s’＝scosψ；ψ为所述光电开关(1)的水平倾角；

nd为信号触发数，当路沿(2)为凸起路沿(7)情况时，nd为在量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的光电开关(1)的数量；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nd为在量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的光电开关(1)的数量；0≤nd≤7且为正整数。

以路沿(2)位于理想目标带(9)的正中为车辆(3)的绝对理想位姿，七光电开关弧形阵列(4)所检测出的车辆(3)的姿态偏差⊿β为

(7-2nf)θ/12<⊿β<(9-2nf)θ/12(4)

θ为七光电开关弧形阵列(4)中各光电开关(1)分布圆弧段的对应圆心角；nf为触发中心序号，当路沿(2)为凸起路沿(7)情况时，nf为量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nf为量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；1≤nf≤7。

所述沿边导航的过程为：在基于七光电开关弧形阵列(4)的沿边导航过程中，根据各个光电开关(1)的高低电平状态信号进行信号触发数nd和触发中心序号nf计算，进而根据信号触发数nd和触发中心序号nf的数值自动进行状态类别的判断并自动选择相应导航轨迹曲线，并根据由公式(3)和公式(4)计算出的车辆(3)具体位置和姿态偏差确定导航轨迹的参数，通过调控使车辆(3)回到理想目标带(9)内，从而使车辆(3)行驶过程中与路沿(2)的位姿始终保持在稳定范围内，实现车辆(3)的沿边导航控制；

nd为信号触发数，当路沿(2)为凸起路沿(7)情况时，nd为在量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的光电开关(1)的数量；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nd为在量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的光电开关(1)的数量；0≤nd≤7且为正整数。

nf为量程范围s内检测到凸起路沿(7)而被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；当路沿(2)为下沉路沿(8)情况时，nf为量程范围s内未检测到下沉路沿(8)而未被触发的的光电开关(1)的序号的平均值；1≤nf≤7。

本发明具有有益效果。本发明利用由七个相同的光电开关按圆弧均匀布置构成的七光电开关弧形阵列进行导航：当路沿处于设定的理想目标带内时，车辆处于理想位姿而不需调节；当路沿跨出理想目标带时，根据由信号触发数nd和触发中心序号nf判定的七光电开关弧形阵列的高低电平状态自动选择相应导航轨迹曲线和确定导航轨迹的参数，通过调控使车辆回到理想目标带内，从而实现车辆的沿边导航控制。通过沿车辆侧面弧形布置的七个光电开关的高低电平变化，实现对车辆相对路沿的位姿准确检测和沿边导航，适用于凸起路沿的防碰撞和下沉路沿的防跌落自动沿边导航，结构简单、控制简便且适应性强，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本发明车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列结构示意图。

图2为本发明凸起路沿的车辆沿边行进示意图。

图3为本发明下沉路沿的车辆沿边行进示意图。

图4为本发明凸起路沿沿边导航的光电开关朝向示意图。

图5为本发明下沉路沿沿边导航的光电开关朝向示意图。

图6为本发明车辆位姿的理想目标带示意图。

图7为本发明七光电开关弧形阵列的车辆沿边位姿检测原理示意图。

图中1.光电开关，2.路沿，3.车辆，4.七光电开关弧形阵列，5.器件圆弧，6.检测圆弧，7.凸起路沿，8.下沉路沿，9.理想目标带。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示，车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列4由七个相同的光电开关1按半径为r的器件圆弧5均匀布置构成，所述的光电开关1为当对象处于检测范围内相应地输出一个设定的低电平或高电平信号的传感器件，触发光电开关1的高、低电平信号切换的距离阈值s为光电开关1的量程。其中pnp型的光电开关1在没信号触发时输出低电平，而当对象在量程范围s内时被触发输出高电平；npn型的光电开关1在没信号触发时输出高电平，而当对象在量程范围s内时则被触发输出低电平。

每一光电开关1沿器件圆弧5的圆心线方向朝向外。该车辆沿边导航的七光电开关弧形阵列4安装在车辆3的沿边一侧，七光电开关弧形阵列4的弧顶朝向路沿2一侧的车辆3侧面，七光电开关弧形阵列4的中心线与车辆3中心线方向垂直。从车辆3头部到尾部定义七个光电开关1的顺序，车辆3头部到尾部的七个光电开关1分别标记为a1～a7。

如图2和图3所示，车辆沿边行进的路沿2包括凸起路沿7和下沉路沿8两类，其中凸起路沿7是指道路侧边具有竖起的墙壁等障碍物，下沉路沿8是指道路侧边具有沟渠等下沉的空间。

如图4和图1所示，如路沿2为凸起路沿7：

(1)当由车辆3的离地间隙所决定的光电开关1离地高度h0不超过凸起路沿7的高度h1时，各光电开关1水平朝向凸起路沿7；由各光电开关1的量程s导致标记为a1’～a7’的各检测点所分布的检测圆弧6的半径为r+s’＝r+s；其中s’为每一光电开关1与其对应检测点的水平方向距离，即量程s在水平方向上的投影长度。

(2)当由车辆3的离地间隙所决定的光电开关1离地高度h0超过凸起路沿7的高度h1时，各光电开关1按同一水平倾角ψ朝向凸起路沿7

其中e为车辆3行驶中与路沿2的安全距离。

由各光电开关1的量程s和水平倾角ψ导致各检测点a1’～a7’所分布的检测圆弧6的半径为r+s’＝r+scosψ。

如图5和图1所示，当路沿2为下沉路沿8时，沿边导航的七光电开关弧形阵列4中各个光电开关1按同一水平倾角ψ朝向下沉路沿8

由各光电开关1的量程s和水平倾角ψ导致各检测点a1’～a7’所分布的检测圆弧6的半径为r+s’＝r+scosψ。

如图6所示，基于七光电开关弧形阵列4的车辆3的沿边位姿检测与导航原理为：

由标记为a2’和a6’的两检测点连线、标记为a3’和a5’的两检测点连线之间构成理想目标带9，当路沿2处于理想目标带9内时，车辆3处于理想位姿而不需调节。当路沿2跨出理想目标带9时，将导致光电开关1的高、低电平状态发生变化，根据各光电开关1的高低电平状态，可以判断车辆3的位姿。

当路沿2为凸起路沿7时，车辆3的位姿检测通过信号触发数nd和触发中心序号nf来实现，其中nd为在量程范围s内检测到凸起路沿7而被触发的光电开关1的数量，0≤nd≤7且为正整数，即如图7侵入凸起路沿7的部分检测圆弧6中检测点的个数，nd越大表明车辆3距离凸起路沿7越近；nf为量程范围s内检测到凸起路沿7而被触发的的光电开关1的序号的平均值，1≤nf≤7，即如图7侵入凸起路沿7的部分检测圆弧6的中心弧顶位置序号，nf越大表明车辆3的头部越偏离凸起路沿7。

当路沿2为下沉路沿8时，车辆3的位姿检测通过信号触发数nd和触发中心序号nf来实现，其中nd为在量程范围s内未检测到下沉路沿8而未被触发的光电开关1的数量，0≤nd≤7且为正整数，即如图7侵入下沉路沿8的部分检测圆弧6中检测点的个数，nd越大表明车辆3距离下沉路沿8越近；nf为量程范围s内未检测到下沉路沿8而未被触发的的光电开关1的序号的平均值，1≤nf≤7，即如图7侵入下沉路沿8的部分检测圆弧6的中心弧顶位置序号，nf越大表明车辆3的头部越偏离下沉路沿8。

根据理想目标带9的设定，由nd可以进行车辆3位置状态的判断：

(1)当nd＝0时，车辆3已经远离路沿2，处于导航失效的不可控状态；

(2)当1≤nd<3时，车辆3离路沿2过远；

(3)当nd＝3时，车辆3与路沿2处于理想距离；

(4)当3<nd<5时，车辆3离路沿2过近；

(5)当nd≥5时，车辆3已经越过或撞击路沿2，处于导航失效的不可控状态。

以路沿2位于理想目标带9的正中为车辆3的绝对理想位姿，则七光电开关弧形阵列4所检测出的车辆3的位置偏差⊿d为

(r+s’)[cos(ndθ/12)-cos(θ/4)]<⊿d<(r+s’){cos[(nd-1)θ/12]-cos(θ/4)}(3)

根据理想目标带9的设定，由nf可以进行车辆3姿态状态的判断：

(1)当3<nf<4时，车辆3的头部偏向路沿2；

(2)当nf＝4时，车辆3与路沿2处于理想姿态；

(3)当4<nf<5时，车辆3的头部偏离路沿2；

(4)当nf≤3或nf≥5时，车辆3相对路沿2已经严重倾斜，处于导航失效的不可控状态。

以路沿2位于理想目标带9的正中为车辆3的绝对理想位姿，则七光电开关弧形阵列4所检测出的车辆3的姿态偏差⊿β为

(7-2nf)θ/12<⊿β<(9-2nf)θ/12(4)

在基于七光电开关弧形阵列4的沿边导航过程中，根据各个光电开关1的高低电平状态信号进行信号触发数nd和触发中心序号nf计算，进而根据信号触发数nd和触发中心序号nf的数值自动进行表1所示的9类状态的判断并自动选择相应导航轨迹曲线，并根据由公式(3)和公式(4)计算出的车辆3具体位置和姿态偏差确定导航轨迹的参数，通过调控使车辆3回到理想目标带9内，从而使车辆3行驶过程中与路沿2的位姿始终保持在稳定范围内，实现车辆3的沿边导航控制。

表1：本发明光电开关信号与车辆位姿状态关系表.

七光电开关弧形阵列4的布置关键参数为器件圆弧5的半径r和圆心角θ，半径r和圆心角θ由位姿的检测精度要求和光电开关1的检测响应时间所共同决定。

由式(3)，七光电开关弧形阵列4的位置检测误差为

2(r+s’)sin[(2nd-1)θ/24]sin(θ/24)<[d](5)

其中[d]为车辆3沿边导航中对七光电开关弧形阵列4的位置检测误差要求。当在表1所示有效调控范围内，nd为最大值5时

2(r+s’)sin(3θ/8)sin(θ/24)<[d](6)

由式(4)，七光电开关弧形阵列4的的姿态检测误差为

θ/6<[β](7)

其中[β]为车辆3沿边导航中对七光电开关弧形阵列4的姿态检测误差要求。

同时，为保证车辆3行进过程中，为保证各光电开关1的高低电平信号变化能够有效反映车辆3对路沿2的位姿变化，要求

ω0t≤θ/6(8)

其中ω0为车辆3沿边行进中可能出现的最大偏转角速度，t为光电开关1的检测响应时间。

首先可由式(7)和式(8)确定七光电开关弧形阵列4的器件圆弧5的圆心角

6ω0t≤θ<6[β](9)

进而由式(6)和式(9)确定七光电开关弧形阵列4的器件圆弧5的半径r。