一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，系统包括：路径输入模块，用于获取指定路径数据；定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角，控制实现自动循迹行驶。

An automatic tracking driving control system and method for Wheeled Construction Machinery

【技术实现步骤摘要】
一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法
本专利技术属于工程机械
，涉及一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法。
技术介绍
工程机械广泛应用于重大战略工程、基础设施建设中，是支撑我国国民经济发展的战略性产业，起着极其重要的作用。工程机械种类繁多，大致可以分为轮式和履带式两种。轮式工程机械的特点是机动性高，以轮式挖掘机为例，与履带式轮式挖掘机相比，更加适合于城市施工。在某些特殊行业工程机械作业环境异常恶劣，比如：毒气废气场合、垃圾清理、抢险救灾、隧道开挖、防爆作业、放射性场合作业等。这些恶劣的作业环境给作业人员带来极大的困难和不便，有些作业环境还可能产生有毒气体、发生爆炸或者坍塌的危险，任何工作的开展都不能以牺牲作业人员的健康和生命为代价，因此如何实现工程机械的无人化控制已经成为了现代机械研究的一个重点。中国专利CN108797669A，一种自主3D挖掘施工机器人，利用机器视觉、卫星定位等相结合，实现自动化行驶及挖掘作业。通过安装于机器上方的摄像机与机器视觉计算机构成机器视觉系统，能够立体地测量环境信息。并与3D设计模型相结合，形成AR增强现实能力，确定作业目标及导航前进方向，在线指定遍历作业范围的导航路线。现有技术存在以下缺陷：专利CN108797669A的缺点：在自动行驶技术方面主要解决在局部作业区域内自动行驶到作业面的问题，依赖于机器视觉计算机识别作业点或者面，一旦遇到粉尘、浓雾、雨雪等环境时效果不好。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，以保证轮式工程机械能够自动、可靠、稳定、安全地抵达作业地点，不受粉尘、浓雾、雨雪等环境影响，适用于轮式工程机械，具有通用性和普适性。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：第一方面，提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，包括：路径输入模块，用于获取指定路径数据；定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。根据本专利技术的一个实施例，所述轨迹跟踪控制模块，包括：横向控制模块，其基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；纵向控制模块，其采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。根据本专利技术的一个实施例，所述定位数据采集模块，利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。根据本专利技术的一个实施例，所述定位数据采集模块，还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。根据本专利技术的一个实施例，所述曲线拟合模块，使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式挖掘机的运行轨迹曲线。第二方面，提供一种轮式挖掘机，包括搭载在轮式挖掘机上的多种传感器、控制器和所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统；所述多种传感器包括：多线激光雷达、差分GPS、长度传感器和压力传感器；所述控制器接收来自自动循迹行驶控制系统的控制信息来控制轮式挖掘机的底层设备工作。第三方面，提供一种轮式工程机械自动循迹行驶控制方法，包括：获取路径数据以及位姿数据、定位数据；对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。根据本专利技术的一个实施例，获取路径数据，包括：获取调度系统给定的路径数据(可以以文件的形式下发给自动循迹控制系统)；或，轮式挖掘机选取一段路径首先进行人工行驶，通过自身的定位数据采集模块，采集轮式挖掘机的轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据。根据本专利技术的一个实施例，基于轮式挖掘机位姿数据、定位数据和行驶轨迹曲线进行计算，获得油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角，包括：基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。根据本专利技术的一个实施例，对坐标信息进行坐标转换，包括：利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。根据本专利技术的一个实施例，对路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线，包括：使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式工程机械的运行轨迹。有益效果：本专利技术提供的一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统及方法，以保证轮式工程机械能够自动、可靠、稳定、安全地抵达作业地点，不受粉尘、浓雾、雨雪等环境影响，适用于轮式工程机械，具有通用性和普适性。附图说明图1为本专利技术实施例的系统的传感器布局示意图；图2为本专利技术实施例的轮式挖掘机自动循迹行驶系统的工作流程图；图3为本专利技术实施例的轨迹跟踪控制模块30中的横向控制模块中的模型示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。相关术语定义如下：地理坐标系(GeographicCoordinateSystem)---使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。PID算法---在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的控制方法。踏板深度---踏板控制量，用于控制油门的大小或制动的大小。实施例1在本专利技术的具体实施例中分成硬件层面和软件层面。在硬件层面上包括一台轮式挖掘机，并且在轮式挖掘机上搭载了多种传感器设备，采用多种传感器融合的方案，实现多重特定的功能。这些设备包括：32线激光雷达(多线激光雷达的一个例子)、毫米波雷达、差分GPS、惯导、工控机、CAN总线等。以轮式挖掘机为例，传感器的布局如下，具体可参考图1。(1)在轮式挖掘机的驾驶室顶部方安装：32线激光雷达(多线激光雷达的一个例子)；(2)在轮式挖掘机的正前方安装：毫米波雷达；(3)在轮式挖掘机车体的两侧对称安装：毫米波雷达；(4)在轮式挖掘机的后方安装：毫米波雷达；(5)在车尾部安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，包括：/n路径输入模块，用于获取指定路径数据；/n定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；/n曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；/n轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。/n

【技术特征摘要】
1.一种轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，包括：
路径输入模块，用于获取指定路径数据；
定位数据采集模块，用于采集轮式工程机械轨迹路径点的坐标信息以及轮式挖掘机自身位置坐标信息，并对坐标信息进行坐标转换，输出转换后的路径数据以及定位数据；
曲线拟合模块，用于接收定位数据采集模块转换后的路径数据，对这些离散的路径数据进行曲线拟合，输出轮式挖掘机的行驶轨迹曲线；
轨迹跟踪控制模块，用于接收轮式挖掘机位姿数据、定位数据采集模块输出的定位数据和曲线拟合模块输出的行驶轨迹曲线，通过计算获取并输出油门踏板深度、制动踏板深度以及转向角。


2.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述轨迹跟踪控制模块，包括：
横向控制模块，其基于当前车辆坐标、航向角和行驶轨迹曲线，采用预瞄PID控制算法，计算转向角；
纵向控制模块，其采用PID算法，将期望行驶速度与实际车速进行对比，将速度误差作为PID的输入，计算油门踏板深度和制动踏板深度。


3.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述定位数据采集模块，利用高斯正算公式将地理坐标系下的GPS数据转换到X轴指向正东，Y轴指向正北，原点位于传感器质心的当地水平坐标系中。


4.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述定位数据采集模块，还包括：对转换后的坐标点进行筛选，去除失真点和误差点。


5.根据权利要求1所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制系统，其特征在于，所述曲线拟合模块，使用最小二乘法对得到的离散的路径数据进行曲线拟合，得到轮式挖掘机的运行轨迹曲线。


6.一种轮式挖掘机，其特征在于，包括搭载在轮式挖掘机上的多种传感器、控制器和权利要求1-5任一项所述的轮式工程机械自动循迹行驶控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌，王飞跃，马厚雪，徐标，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32