一种化工巡检车轨迹跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种化工巡检车轨迹跟踪方法及系统，由传感器规划决策层，横纵向控制轨迹追踪层和化工巡检车执行层三部分组成，传感器规划决策层实现对巡检车周围的环境进行感知、采集信号，对采集信号使用卡尔曼滤波器进行噪声的过滤，生成全局地图，建立二自由度巡检车动力学模型，并将巡检车预定行驶轨迹作为参考轨迹；控制轨迹追踪层根据生成轨迹，采取MOPSO算法联合优化LQR与PID横纵向联合控制器的Q，R，p，i，d关键参数，以得到当前轨迹最优控制器；化工巡检车执行层通过CAN总线将横纵向联合控制器信号送给巡检车，对巡检车的方向盘与节气门开度以及制动压力进行综合调节。本发明专利技术有效的提高化工巡检车轨迹跟踪效果。明有效的提高化工巡检车轨迹跟踪效果。明有效的提高化工巡检车轨迹跟踪效果。

【技术实现步骤摘要】
一种化工巡检车轨迹跟踪方法及系统


[0001]本专利技术涉及化工巡检车轨迹跟踪控制领域，尤其涉及一种基于MOPSO算法联合优化横纵向控制器的化工巡检车轨迹跟踪系统。

技术介绍

[0002]化工巡检车作为室外移动机器人的一种，结合了巡检车工程、模式识别、人工智能、自动化控制、计算机科学等相关技术，具有高度的自规划、自组织和自适应能力。化工巡检车系统一般分为感知、决策规划和控制三大块。环境感知是通过传感器采集周围环境特征，利用融合算法检测与识别周围障碍物；决策规划是根据巡检车当前任务、周围交通状况以及自身状态等信息进行任务决策以及轨迹规划；巡检车控制是根据规划层给出的参考路径信息与速度信息等，结合巡检车的当前状态分别进行横向控制和纵向控制，实现油门与制动以及方向盘的控制，在满足安全性与舒适性的条件下使巡检车按照预定轨迹行驶。
[0003]横纵向控制问题作为巡检车研究控制的核心技术，一直受到极大的关注。它的控制能力直接反映了巡检车是否按照期望速度进行平稳、精确地跟踪期望路径。现有横向控制算法有基于运动学模型的控制、基于动力学模型的控制以及无模型的智能控制方法；纵向控制方法常用的有PID控制、模糊控制、最优控制以及模型预测控制。
[0004]横向控制器LQR是一种线性二次型调节器，LQR的最优控制量是由K决定的，然而矩阵Q和R决定了K值的大小，所以矩阵Q和R取值直接决定了横向控制算法LQR的性能，但是Q和R没有固定取值，且这两个值的选取是相互约束的，一个值确定会影响另一个值的选取；纵向控制器PID参数仅凭经验调试，具有很大的片面性，且巡检车的移动控制具有很强的非线性，横向控制与纵向控制有着很强的耦合性，所以横纵向联合控制器的参数选择问题成为巡检车轨迹跟踪控制问题的关键。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种化工巡检车轨迹跟踪方法及系统，提高化工巡检车轨迹跟踪效果。
[0006]技术方案：本专利技术提出一种化工巡检车轨迹跟踪方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：通过传感器装置对巡检车周围环境进行感知，实现对交通标志、道路、障碍物、行人等环境信息的融合；
[0008]步骤2：使用卡尔曼滤波对采集信号观测和过滤，去除测量噪声和系统噪声并加强控制效果；
[0009]步骤3：根据过滤后的信号进行BP神经网络传感器信号融合，建立全局地图，将巡检车预定行驶轨迹作为参考轨迹，建立二自由度巡检车动力学模型；
[0010]步骤4：根据巡检车动力学模型建立Simulink仿真框图，初始化多目标粒子群算法MOPSO各类参数，并将横向控制器LQR与纵向控制器PID中的Q，R，p，i，d参数作为MOPSO算法中的粒子进行联合优化，迭代寻优；
[0011]步骤5：根据MOPSO算法联合优化横纵向控制器的参数寻优结果，在横向控制器LQR中求出最佳反馈增益矩阵K，使基于LQR性能指标横向误差控制达到最小，以及得出PID控制器的最佳参数，达到精确速度跟踪的目的；
[0012]步骤6：根据算法联合优化后的横纵向控制器对巡检车进行轨迹跟踪控制，横向控制器控制方向盘转向角，纵向控制器控制节气门开度(油门)以及制动(刹车)的压力。
[0013]进一步地，所述步骤1中对于多种传感器装置之间的组合，以获取全方位信息，具体步骤如下：
[0014]步骤1
‑
1：在巡检车前方安装毫米波雷达，车后方安装单线激光雷达；
[0015]步骤1
‑
2：在车头位置安装广角相机；巡检车的后方也设置两个相机的安装位置，满足后向单目、双目的不同需求；巡检车侧方各安装一个相机，朝向巡检车侧后；
[0016]步骤1
‑
3：在巡检车底盘位置安装两个温度传感器，用于监测发动机温度以及环境温度；
[0017]步骤1
‑
4：传感器和信息处理模块之间采用以以太网为主的信息交互方式，激光雷达和相机数据通过以太网接口获取数据，毫米波雷达的数据通过CAN转以太网设备转换为以太网传输方式，信息与巡检车之间采用CAN总线进行数据交互。
[0018]进一步地，所述步骤3中使用BP神经网络进行传感器信息融合步骤如下：
[0019]步骤3
‑
1：根据巡检车系统要求及传感器信息融合的形式，选择BP神经网络的拓扑结构；
[0020]步骤3
‑
2：各传感器的输入信息综合处理为一总体输入函数，并将此函数映射定义为相关单元的映射函数，通过神经网络与环境的交互作用把环境的统计规律反映网络本身的结构；
[0021]步骤3
‑
3：对传感器输出信息进行学习、理解，确定权值的分配，完成信息的融合。
[0022]进一步地，所述步骤3中建立二自由度巡检车动力学模型步骤如下：
[0023]步骤3
‑
4：假设巡检车在行驶过程中，巡检车瞬时转向半径与道路曲率半径相同，则巡检车后轴轴心与前轴轴心点坐标关系可以表示为：
[0024][0025]其中，(x
a
，y
a
)为化工巡检车前轴轴心坐标，(x
b
，y
b
)为化工巡检车后轴轴心坐标，M为轴距长度，θ为巡检车航向角；
[0026]步骤3
‑
5：巡检车后轴中心点的速度与后轴中心点坐标的关系为：
[0027][0028]其中，v
b
为巡检车后轮速度，为巡检车后轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心纵坐标的一阶偏导数，θ为巡检车航向角；
[0029]步骤3
‑
6：假设巡检车在转向过程中车轮无侧滑现象且质心侧偏角不变，则前、后轴之间的运动学约束为：
[0030][0031]其中，为巡检车前轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车前轴轴心纵坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心纵坐标的一阶偏导数，δ
f
为前轮偏角，θ为巡检车航向角；
[0032]步骤3
‑
7：步骤3
‑
2和步骤3
‑
3中的公式进行联立可得：
[0033][0034]其中，为巡检车后轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心纵坐标的一阶偏导数，v
b
为巡检车后轮速度，θ为巡检车航向角；
[0035]步骤3
‑
8：又由巡检车可知横摆角速度和巡检车转向半径R及后轴中心点速度v
b
之间关系表达式为：
[0036][0037]其中，为巡检车横摆角速度，v
b
为巡检车后轮速度，R为巡检车转向半径，δ
f
为前轮偏角，M为轴距长度；
[0038]步骤3
‑
9：将公式步骤3
‑
1和步骤3
‑
4中的公式代入步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种化工巡检车轨迹跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：通过传感器装置对巡检车周围环境进行感知，实现对交通标志、道路、障碍物、行人等环境信息的融合；步骤2：使用卡尔曼滤波对采集信号观测和过滤，去除测量噪声和系统噪声并加强控制效果；步骤3：根据过滤后的信号进行BP神经网络传感器信号融合，建立全局地图，将巡检车预定行驶轨迹作为参考轨迹，建立二自由度巡检车动力学模型；步骤4：根据巡检车动力学模型建立Simulink仿真框图，初始化多目标粒子群算法MOPSO各类参数，并将横向控制器LQR与纵向控制器PID中的Q，R，p，i，d参数作为MOPSO算法中的粒子进行联合优化，迭代寻优；步骤5：根据MOPSO算法联合优化横纵向控制器的参数寻优结果，在横向控制器LQR中求出最佳反馈增益矩阵K，使基于LQR性能指标横向误差控制达到最小，以及得出PID控制器的最佳参数，达到精确速度跟踪的目的；步骤6：根据算法联合优化后的横纵向控制器对巡检车进行轨迹跟踪控制，横向控制器控制方向盘转向角，纵向控制器控制节气门开度(油门)以及制动(刹车)的压力。2.根据权利要求1所述的化工巡检车轨迹跟踪方法，其特征在于，所述步骤1中对于多种传感器装置之间的组合，以获取全方位信息，具体步骤如下：步骤1
‑
1：在巡检车前方安装毫米波雷达，车后方安装单线激光雷达；步骤1
‑
2：在车头位置安装广角相机；巡检车的后方也设置两个相机的安装位置，满足后向单目、双目的不同需求；巡检车侧方各安装一个相机，朝向巡检车侧后；步骤1
‑
3：在巡检车底盘位置安装两个温度传感器，用于监测发动机温度以及环境温度；步骤1
‑
4：传感器和信息处理模块之间采用以以太网为主的信息交互方式，激光雷达和相机数据通过以太网接口获取数据，毫米波雷达的数据通过CAN转以太网设备转换为以太网传输方式，信息与巡检车之间采用CAN总线进行数据交互。3.根据权利要求1所述的化工巡检车轨迹跟踪方法，其特征在于：所述步骤3中使用BP神经网络进行传感器信息融合步骤如下：步骤3
‑
1：根据巡检车系统要求及传感器信息融合的形式，选择BP神经网络的拓扑结构；步骤3
‑
2：各传感器的输入信息综合处理为一总体输入函数，并将此函数映射定义为相关单元的映射函数，通过神经网络与环境的交互作用把环境的统计规律反映网络本身的结构；步骤3
‑
3：对传感器输出信息进行学习、理解，确定权值的分配，完成信息的融合。4.根据权利要求1所述的化工巡检车轨迹跟踪方法，其特征在于：所述步骤3中建立二自由度巡检车动力学模型步骤如下：步骤3
‑
4：假设巡检车在行驶过程中，巡检车瞬时转向半径与道路曲率半径相同，则巡检车后轴轴心与前轴轴心点坐标关系可以表示为：
其中，(x
a
，y
a
)为化工巡检车前轴轴心坐标，(x
b
，y
b
)为化工巡检车后轴轴心坐标，M为轴距长度，θ为巡检车航向角；步骤3
‑
5：巡检车后轴中心点的速度与后轴中心点坐标的关系为：其中，v
b
为巡检车后轮速度，为巡检车后轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心纵坐标的一阶偏导数，θ为巡检车航向角；步骤3
‑
6：假设巡检车在转向过程中车轮无侧滑现象且质心侧偏角不变，则前、后轴之间的运动学约束为：其中，为巡检车前轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车前轴轴心纵坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心横坐标的一阶偏导数，为巡检车后轴轴心纵坐标的一阶偏导数，δ
f
为前轮偏角，θ为巡检车航向角；步骤3
‑
7：步骤3
‑
2和步骤3
‑
3中的公式进行联立可...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘康，张楚，彭甜，王业琴，乔秀杰，张昭，王宇涵，刘千龙，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：