一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法，属于无人车控制领域。包括两个直流驱动电机、两个编码器、微控制器以及驱动电路构成。通过建立的修正航向角函数计算出使车辆恢复到直线轨迹行驶(即偏移误差收敛到零)的修正航向角，以偏移误差作为反馈量，实时控制车辆的角速度使车辆按照修正航向角进行纠偏行驶，最终确保无人车按照既定直线轨迹进行行驶。本发明专利技术方法仅依赖编码器对两侧车轮行驶里程的实时测定，无需通过摄像头或激光雷达等外部传感器或安装磁条、路标等方式对车辆进行轨迹判定。本发明专利技术方法节省了磁条或路标的安装且不受天气、磁场干扰等外界因素的影响，可确保车辆能够在复杂的环境下保持直线行驶。可确保车辆能够在复杂的环境下保持直线行驶。可确保车辆能够在复杂的环境下保持直线行驶。

【技术实现步骤摘要】
一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法


[0001]本专利技术属于无人车驱动控制
，具体涉及一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法。

技术介绍

[0002]无人车可以自主完成重复性、持久性的驾驶任务，能够最大化的提高工作效率，并且可以在诸多的领域中无需人工即可完成各种既定的任务。
[0003]直线行驶是无人车行驶过程中最基础的一种运动形式，其对车辆的稳定行驶或任务的完成与否具有较大的影响作用。无人车辆在行驶过程中由于车况或路况的不同必然无法始终保持直线的行驶，势必需要实时的纠偏控制。目前常用的解决方法主要有两种，一是采用在路面上张贴磁条或在既定的路线上安装路标，通过车辆与路标之间的距离测定对车辆进行轨迹的判断。张贴磁条或安装路标的方式一般仅适合在室内小范围内进行，无法满足在野外空旷或远距离的条件下实施。二是通过无人车上的摄像头、激光雷达或惯导系统等外部传感器进行车辆轨迹的实时判定以保持车辆按照既定的轨迹行驶。该种方式容易受到环境的影响不能很好的适应各种路况，并且其复杂的算法对控制器的性能也有较高的要求。
[0004]目前无人车在复杂环境下存在不可控问题，如图像定位靠识别道路两侧的路标作为参照物，图像的拍摄效果容易受到光线的影响；光线过强或者过暗均会影响到图像识别的质量甚至造成误判，导致车辆失控；GPS定位、基站定位在建筑物或其他障碍物遮挡下会形成盲区，导致无人车无法获取定位坐标。上述的控制方式均依赖车辆外部的参考信息，经常会由于环境变化导致定位信息漂移，因此控制效果容易受到外部环境的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法，以解决目前无人车在复杂环境下存在不可控的问题。
[0006]本专利技术采取的技术方案是，包括编码器一、编码器二，车轮一、车轮二，驱动电机一、驱动电机二，万向轮，驱动电路和微控制器，其中驱动电机一、驱动电机二分别为车轮一、车轮二提供动力，编码器一、编码器二分别同轴安装在驱动电机一、驱动电机二上、用于测量车轮转速，编码器一、编码器二分别连接微控制器，驱动电机一、驱动电机二连接驱动电路，驱动电路连接微控制器；
[0007]包括下列步骤：
[0008]步骤一：系统上电后等待编码器一、编码器二初始化完毕；
[0009]步骤二：定义坐标系XOY为以地面为参考的全局坐标系，定义车辆与X轴的夹角为车辆的航向角，编码器一、编码器二可以正常读数后，设置无人车在全局坐标系的初始坐标为(0,0)，初始航向角θ0＝π/4；
[0010]步骤三：微控制器开始记录编码器一、编码器二的数值，记录编码器一、编码器二
的数值的时间间隔为ΔT，车轮的行驶里程与编码器记录的数值呈线性关系，由车轮和编码器的关系计算出车轮在i至i+1时间段内的实际行驶里程：
[0011]步骤四：车辆移动的轨迹在ΔT内看做圆弧运动，微控制器根据车轮一、车轮二的实际移动距离计算出车辆的实际坐标；
[0012]步骤五：无人车发生偏移时，无人车偏离目标直线的距离无人车偏离初始航向角θ0的误差e
θ
＝θ(i)
‑
θ0；
[0013]步骤六：根据步骤五得到的偏移距离e
d
设计修正航向角χ
d
为：
[0014][0015]式中：k
s
表示用来调节车辆的速度的收敛系数。
[0016]步骤七：为了使车辆的实际航向角θ
c
和修正航向角χ
d
一致，对修正航向角χ
d
进行预处理，提取χ
d
的跟踪值v1及χ
d
的微分值v2；
[0017]步骤八：控制过程中存在未知扰动，由线性扩张状态观测算法对无人车行驶过程中的扰动进行估计；
[0018]步骤九：在步骤七和步骤八完成了修正航向角χ
d
的预处理以及扰动估计后，综合步骤七和步骤八计算出的数值，设计反馈控制部分；
[0019]步骤十：通过步骤七、八、九得出的车辆期望角速度为ω
s
，只需保证车辆的实际角速度ω
c
与期望角速度ω
s
一致即可实现无人车直线行驶，根据无人车的动力学模型估计车辆线速度受到的干扰ζ
v
和车辆角速度受到的干扰ζ
ω
；
[0020]步骤十一：步骤九已给出使得无人车直线行驶所需要的期望角速度为ω
s
，车辆的期望线速度为v
s
，令无人车的期望输出为则期望值与实际值之间的误差为因此可得到作用到驱动电机一、驱动电机二上的驱动电压为
[0021][0022]式中：λ1为调节参数；
[0023]步骤十二：重复步骤三到步骤十一即可完成无人车的直线行驶。
[0024]本专利技术所述步骤三中，计算出车轮一在i至i+1时间段内的实际行驶里程Δl(i)：
[0025]Δl(i)＝N
l
(i)
×
k
nl
[0026]式中：N
l
(i)为编码器一在i至i+1时间段内记录的数值，Δl(i)为i至i+1时间段内车轮一的实际行驶里程，k
nl
为编码器一数值N
l
(i)和车轮一行驶里程Δl(i)对应的比例系数；
[0027]计算出车轮二在i至i+1时间段内的实际行驶里程Δr(i)：
[0028]Δr(i)＝N
r
(i)
×
k
nr
[0029]式中：N
r
(i)编码器二在i至i+1时间段内记录的数值，Δr(i)为i至i+1时间段内车
轮二的实际行驶里程，k
nr
为编码器二数值N
r
(i)和车轮二行驶里程Δr(i)对应的比例系数。
[0030]本专利技术所述步骤四中，车辆移动的轨迹在ΔT内视为圆弧运动，微控制器根据车轮一、车轮二的实际行驶里程计算i至i+1时间段内无人车移动的角度增量Δθ(i)和旋转半径ΔR(i)分别为：
[0031][0032]式中：L为车辆宽度的一半；
[0033]车辆在i至i+1时间段内的位移在i至i+1时间段内无人车X轴方向上的行驶里程在i至i+1时间段内无人车Y轴方向上的行驶里程
[0034]根据i至i+1时间段内无人车的X轴方向上的行驶里程Δx(i)、Y轴方向上的行驶里程Δy(i)、移动的角度增量Δθ(i)以及i时刻的坐标和航向角，可以推导出i+1时刻的X轴坐标x(i+1)、Y轴坐标y(i+1)和航向角θ(i+1)：
[0035][0036]式中：x(i)、
y
(i)、θ(i)分别表示i时车辆的X轴坐标、Y轴坐标和航向角。
[0037]本专利技术所述步骤七中预处理公式如下：
[0038][0039]式中：r0为跟踪因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法，其特征在于：包括编码器一、编码器二，车轮一、车轮二，驱动电机一、驱动电机二，万向轮，驱动电路和微控制器，其中驱动电机一、驱动电机二分别为车轮一、车轮二提供动力，编码器一、编码器二分别同轴安装在驱动电机一、驱动电机二上、用于测量车轮转速，编码器一、编码器二分别连接微控制器，驱动电机一、驱动电机二连接驱动电路，驱动电路连接微控制器；包括下列步骤：步骤一：系统上电后等待编码器一、编码器二初始化完毕；步骤二：定义坐标系XOY为以地面为参考的全局坐标系，定义车辆与X轴的夹角为车辆的航向角，编码器一、编码器二可以正常读数后，设置无人车在全局坐标系的初始坐标为(0,0)，初始航向角θ0＝π/4；步骤三：微控制器开始记录编码器一、编码器二的数值，记录编码器一、编码器二的数值的时间间隔为ΔT，车轮的行驶里程与编码器记录的数值呈线性关系，由车轮和编码器的关系计算出车轮在i至i+1时间段内的实际行驶里程：步骤四：车辆移动的轨迹在ΔT内看做圆弧运动，微控制器根据车轮一、车轮二的实际移动距离计算出车辆的实际坐标；步骤五：无人车发生偏移时，无人车偏离目标直线的距离无人车偏离初始航向角θ0的误差e
θ
＝θ(i)
‑
θ0；步骤六：根据步骤五得到的偏移距离e
d
设计修正航向角χ
d
为：式中：k
s
表示用来调节车辆的速度的收敛系数；步骤七：为了使车辆的实际航向角θ
c
和修正航向角χ
d
一致，对修正航向角χ
d
进行预处理，提取χ
d
的跟踪值v1及χ
d
的微分值v2；步骤八：控制过程中存在未知扰动，由线性扩张状态观测算法对无人车行驶过程中的扰动进行估计；步骤九：在步骤七和步骤八完成了修正航向角χ
d
的预处理以及扰动估计后，综合步骤七和步骤八计算出的数值，设计反馈控制部分；步骤十：通过步骤七、八、九得出的车辆期望角速度为ω
s
，只需保证车辆的实际角速度ω
c
与期望角速度ω
s
一致即可实现无人车直线行驶，根据无人车的动力学模型估计车辆线速度受到的干扰ζ
v
和车辆角速度受到的干扰ζ
ω
；步骤十一：步骤九已给出使得无人车直线行驶所需要的期望角速度为ω
s
，车辆的期望线速度为v
s
，令无人车的期望输出为则期望值与实际值之间的误差为因此可得到作用到驱动电机一、驱动电机二上的驱动电压为因此可得到作用到驱动电机一、驱动电机二上的驱动电压为
式中：λ1为调节参数；步骤十二：重复步骤三到步骤十一即可完成无人车的直线行驶。2.根据权利要求1所述的一种基于编码器纠偏的无人车直线行驶控制方法，其特征在于：所述步骤三中，计算出车轮一在i至i+1时间段内的实际行驶里程Δl(i)：Δl(i)＝N
l
(i)
×
k
nl
式中：N
l
(i)为编码器一在i至i+1时间段内记录的数值，Δl(i)为i至i+1时间段内车轮一的实际行驶里程，k
nl
为编码器一数值N
l
(i)和车轮一行驶里程Δl(i)对应的比例系数；计算出车轮二在i至i+1时间段内的实际行驶里程Δr(i)：Δr(i)＝N
r
(i)
×
k
nr
式中：N
r
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：单泽彪，魏昌斌，单泽涛，刘小松，刘云清，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：