一种基于视觉导引的轮胎吊自动纠偏控制模型确定方法与流程

本发明提供一种基于视觉导引的轮胎吊自动纠偏控制模型设计，该发明利用机器视觉技术获取轮胎吊与路径标识线的相对偏差，并以解析方法直接得到轮胎吊运动轨迹，由于考虑了差速控制加速度的影响，可以准确给出速度最优控制量来控制轮胎吊行进。

背景技术：

港口作业中，需要经常使用轮胎吊来实现集装箱在不同堆场间的转运。目前，国内外各港口主要通过在不同堆场间标示轮胎吊行进线，轮胎吊行驶过程中，司机通过目测轮胎吊与行进线的位置偏差进行手动纠偏处理。由于港口作业区中轮胎吊行进区域紧邻堆场区域且轮胎吊行进允许偏差区域很小，因此，在轮胎吊行驶过程中，司机劳动强度极大也极易疲劳，稍有疏忽，就可能使轮胎吊与堆场区域中的集装箱发生碰触，从而产生堆场坍塌或者轮胎吊损坏事故。所以急需一种轮胎吊行进自动纠偏系统来实现轮胎吊的行进自动控制，而自动纠偏控制模型设计则是自动纠偏系统的关键环节。目前常用的纠偏控制方法有pid控制最优控制、模糊控制等，由于这些方法均没有给出轮胎吊运动的解析表达，也没有考虑差速控制时加速度的影响，因此，这些方法在解决轮胎吊的路径规划问题时都不可避免的存在控制参数整定困难的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于视觉导引的轮胎吊自动纠偏控制模型设计方法。

本发明解决技术的方案是：一种基于视觉导引的轮胎吊自动纠偏控制模型确定方法，通过下述方式实现：

根据给定的轮胎吊的位置偏差确定轮胎吊自动纠偏策略；所述的策略采用差速控制方法改变位置偏差，即先加速单侧轮组，再反向加速另侧轮组使退出差速纠偏的时刻的位置偏差和角度偏差为0；

根据轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型，推导出轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度；

根据上述差速控制期间加速度及转向角速度结合给定的位置偏差、角度偏差，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式；并根据所述的运动轨迹的解析表达式，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊差速纠偏最大位置偏差表达式。

优选的，所述的轮胎吊自动纠偏策略具体为：

当位置偏差δd＞0时，先左侧轮组加速，加速时长t1；右侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长t2；左右侧轮组差速为零；再右侧轮组加速，结束时刻记t1,左侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求；

当位置偏差δd＜0时，先右侧轮组加速，加速时长t1；左侧轮组速度不变，利用正差速纠偏，直到位置偏差满足预设条件，该阶段时长t2；左右侧轮组差速为零；再左侧轮组加速，结束时刻记t1,右侧轮组速度不变，利用负差速纠偏，使位置偏差和角度偏差同时满足要求。

优选的，正差速为δv＝(0.05～0.5)v0，v0为加速轮组未纠偏前的速度；

负差速δv(t1)根据负差速开始加速时刻t0的位置偏差δd(t0)和角度偏差δα(t0)计算，计算公式如下：

其中，

l为轮胎吊左右轮组之间的间距；

δd(t1)、δα(t1)为负差速由0变为δv”(t1)时的位置偏差和角度偏差。

优选的，轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度推导过程中假设加速期间为匀加速运动，同时转向角速度w(t)由0变为w(t)匀速变化；其中，l为轮胎吊左右轮组之间的间距，δv(t)为控制期间的差速。

优选的，所述的轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式如下：

其中，t0为时间起点，t′为时间终点；δd(t0)为t0时刻轮胎吊位置偏差，sy为t0+t′时刻轮胎吊位置偏差，sx为t0至t0+t′期间轮胎吊在行进线方向行驶距离，δα(t)为t时刻的角度偏差，w(t)为t时刻的转向角速度、v(t)为t时刻的轮胎吊的速度。

优选的，采用数值逼近的方法来求解加速t1期间解析表达式的近似解析解；将t1加速结束时刻记为t0，以t0为时间起点，通过积分确定t0+t2时刻所述解析表达式的解析解；利用两部分解析解确定轮胎吊差速控制期间轮胎吊差速纠偏最大位置偏差symax表达式以及确定t2。

优选的，所述的近似解析解表达方式如下：

其中，t为采样周期，δc(t0)为轮胎吊轮组在t0时刻前进方向的位置。

优选的，所述解析解的表达方式如下：

优选的，得到退出差速纠偏的时刻点t1＝t0+nt；其中，加速时间的采样点数t为采样周期，an为加速度。

优选的，取或n2＝(0.6～0.8)symax为控制点，当满足abs(sy)<abs(n1)或abs(sy)<abs(n2)时，确定t2；为加速结束时刻轮胎吊位置偏差。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用机器视觉技术实现轮胎吊的行进自动控制，提高了作业效率。

(2)本发明虑了差速控制加速度的影响、使用虚拟计算的方法准确计算反向差速控制值，可以准确给出速度最优控制量来控制轮胎吊行进。

(3)本发明利用机器视觉技术获取轮胎吊与路径标识线的相对偏差，并以解析方法直接得到轮胎吊运动轨迹，解决了轮胎吊的路径规划时存在的控制参数整定困难的问题。

附图说明

图1本发明纠偏策略流程图；

图2具体实施方式一自动纠偏仿真。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种基于视觉导引的轮胎吊自动纠偏控制模型确定方法，如图1所示，通过下述方式实现：

一、根据给定的轮胎吊的位置偏差确定轮胎吊自动纠偏策略；

定义：轮胎吊左右轮组速度分别为vl和vr，车体中心速度vl>vr则轮胎吊差速控制δv为正；vl增加，轮胎吊加速度an为正，vl减小，加速度an为负；vr增加，加速度an为负，vr减小，加速度an为正。

(1)假定位置偏差δd大于0，则该状态的处理步骤如下

a.先按照δd的符号左侧轮组加速，加速时长t1；正差速为δv＝0.1v0

b.然后正差速纠偏，直到位置偏差满足一定条件，该阶段时长t2。

c.左侧轮组减速到差速为零

d.右侧轮组加速，加速结束时刻记t1；按照当时的位置偏差和角度偏差计算负差速

e.按照负差速纠偏，直到位置偏差或角度偏差满足一定条件

f.右侧轮组减速到差速为零

(2)假定δd小于0，则该状态的处理步骤如下

a.先按照δd的符号右侧轮组加速，加速时长t1；负差速为δv＝-0.1v0

b.然后负差速纠偏，直到位置偏差满足一定条件，该阶段时长t2。

c.右侧轮组减速到差速为零

d.左侧轮组加速，加速结束时刻记t1；按照当时的位置偏差和角度偏差计算正差速

e.按照正差速纠偏，直到位置偏差或角度偏差满足一定条件

f.左侧轮组减速到差速为零

二、根据轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型，推导出轮胎吊差速控制期间加速度及转向角速度；根据上述差速控制期间加速度及转向角速度结合给定的位置偏差、角度偏差，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊运动轨迹的解析表达式；并根据所述的运动轨迹的解析表达式，推导出轮胎吊差速控制期间轮胎吊差速纠偏最大位置偏差表达式。

位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，先进行a操作，这期间首先需考虑差速控制时轮胎吊加速度变化情况。

差速控制前轮胎吊速度为v0，给出控制差速δv后，不考虑道路坡度，轮胎吊行驶时纵向动力学数学模型如下

anj＝a(ter-tb-ty)-bv²

r＝rgrf，

a为轮胎吊加速度，m为轮胎吊整车质量(kg)，jwf、jwr为轮胎吊前后轮转动惯量(kg.m²)，re为车轮有效半径，te为发动机输出扭矩(n.m)，rg为变速箱速比，rf为主减速箱速比，tb为制动力矩(n.m)，ty为轮胎吊运动时轮胎转动变形产生的滚动力矩(n.m)，ρ为空气密度(kg/m³)，cd为空气阻力系数，af为轮胎吊迎风面积(m²)，v为车辆速度。

例如，给出控制差速δv后，以t0为时间起点(此时轮胎吊速度为v0)，在t0+t1时，左轮由vl变为vl'＝v0+δv、右轮vr在这期间不变，轮胎吊速度由v0变为以t0为时间起点，t0+t1轮胎吊左轮组加速期间，te、r、tb、ty及空气阻力均不变，因此，轮胎吊左轮组加速期间为匀加速运动，δv(t)匀速变化；同时转向角速度w(t)由0变为因此，在t0至t0+t1时间段，w(t)匀速变化。

另外，以t0至t′期间轮胎吊运动轨迹可表示为

式中，δd(t0)为t0时刻轮胎吊位置偏差，sy为t′时刻轮胎吊位置偏差，sx为t0至t′期间轮胎吊在行进线方向行驶距离，t0为时间起点，t′为时间终点。

该式为超越积分，只能采用数值逼近的方法来求解近似解析解。

t为采样时间，该过程为左侧轮组加速过程，控制差速为δv，加速时间的采样点数

式中，当前差速δv(t0)＝δv(t0-t)+an×t，当前时刻轮胎吊速度v(t0)＝v0+0.5×abs(δv(t0))，当前时刻转向角速度下一采样时刻角度偏差δα(t0+t)＝δα(t0)-w(t0)×t，t0-t为上个采样点时刻，t0为当前采样点时刻。

加速完成时刻位置偏差记为

2)位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，进行b操作

将上步操作结束时刻t1记为t0，以t0为时间起点，t0+t2时刻运动轨迹可表示为

δd(t0)和δα(t0)为轮胎吊t0时刻位置偏差和角度偏差，v(t0)为t0时刻轮胎吊速度，w(t0)为t0时刻转向角速度。

取或0.7×symax为控制点，当满足或abs(sy)<abs(0.7×symax)时，退出正差速纠偏。

根据可知，w(t0)t2-δα(t0)＝0时，最大，则

此时角度偏差为0，

可以看出，与有直接关系，越大，则symax越小，因此，在这种情况下，取最大值。

3)位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，进行c操作

左侧轮组减速到差速为零，该过程与a操作相同，加速度an为负。

4)位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，进行d操作

加速开始时刻为t0，加速结束时刻为t1。

右侧轮组加速，首先应给出右侧轮组加速应达到的负差速值。根据t0时刻的δd(t0)、v(t0)、δα(t0)计算右侧轮组加速应达到的负差速值，此时，由于第三步操作，左侧轮组减速到差速为零，此时v(t0)为v0。

差速及轮胎吊速度为

v”(t1)＝v0+0.5×abs(δv”(t1))

另外，由于右侧轮组由0加速到负差速值δv”(t1)时，在t1时刻位置偏差δd(t1)和角度偏差δα(t1)与t0时刻位置偏差δd(t0)和角度偏差δα(t0)有较大差异，因此，使用a操作中记载的虚拟计算当负差速由0变为δv”(t1)时的位置偏差δd(t1)和角度偏差δα(t1)。

计算最终实际右侧轮组加速应达到的负差速值

加速时间的采样点数

则，t1＝t0+nt

使用a操作中记载的虚拟计算当负差速由0变为δv(t1)时的轮胎吊轨迹。

5)位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，进行e操作

按照负差速纠偏，直到位置偏差或角度偏差满足一定条件，该过程与b操作类似，当满足abs(位置偏差)<0.005或者abs(角度偏差)<0.0005时，退出负差速纠偏。

6)位置偏差δd大于0，按照上述处理步骤，进行f操作

具体步骤参见操作c中描述。

当位置偏差δd小于0时，按照上述介绍的策略步骤，替换相应的轮组即可，此处不进行过多说明。

图2为本发明仿真结果，仿真条件：初始位置偏差0.12m，角度测量误差2度，位置角度测量误差0.05m；横轴为采样点数、纵轴为数值，三条线分别为位置偏差、角度偏差、差速，从图中可以看出本发明纠偏取得了非常好的效果。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。