用于无人车的箱体推动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于无人车的箱体推动控制方法，该方法包括：基于无人车与箱体间的相对作用、以及箱体的结构，建立无人车动力学模型和箱体推动运动模型；基于箱体推动运动模型、以及推动过程中无人车与箱体间的相对位置关系和相对作用，确定无人车与箱体保持稳定接触时的无人车运动约束；基于无人车动力学模型和无人车运动约束，构造无人车的滚动时域轨迹优化问题，求解滚动时域轨迹优化问题获取无人车的控制输入，根据控制输入对无人车进行控制。本发明专利技术的方法通过分析计算无人车与箱体保持稳定接触所需要的运动约束，并将其显式地引入无人车的控制中，能够实现无人车对箱体的稳定推动控制，保证推动过程中无人车与箱体的稳定接触。定接触。定接触。

【技术实现步骤摘要】
用于无人车的箱体推动控制方法


[0001]本专利技术涉及无人车控制
，尤其涉及一种用于无人车的箱体推动控制方法。

技术介绍

[0002]随着自动化技术的发展，自主移动机器人如轮式无人车开始广泛应用到新的无人工厂、智能仓库等场景中，执行自主货物搬运等任务，如将仓库地面上的货箱从一个位置搬运移动到另一个位置。目前最常用的搬运操控方式是抓握式操控，该方法通过在无人车上安装一只机械臂，通过机械臂抓取货物，然后控制无人车运动到目标位置再通过机械臂放下货物。但当搬运物体体积较大或者重量较重时，机械臂无法抓取，此时将无法完成搬运任务。另一种搬运方式是非抓握式操控，该方式通过使无人车直接与箱体接触，通过车的运动推动箱体移动至目标位置。其中，现有的无人车箱体推动控制方法主要是基于反应式的控制，即无人车在推动箱体运动过程中，根据箱体的状态反应式地不断调整自身的位置和朝向，使无人车与箱体尽可能地保持接触而不分离，直至将箱体推挤挪动到目标位置。
[0003]然而，现有基于反应式的箱体推动控制方法无法保证无人车与箱体之间的稳定接触，推动过程中两者可能会出现分离或者相对滑动，推动操作过程不稳定，效率较低。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本专利技术提供一种用于无人车的箱体推动控制方法。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]提供了一种用于无人车的箱体推动控制方法，所述方法包括：
[0007]基于无人车与箱体间的相对作用、以及所述箱体的结构，建立无人车动力学模型和箱体推动运动模型；
[0008]基于所述箱体推动运动模型、以及推动过程中所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和相对作用，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束；
[0009]基于所述无人车动力学模型和所述无人车运动约束，构造无人车的滚动时域轨迹优化问题，求解所述滚动时域轨迹优化问题获取所述无人车的控制输入，根据所述控制输入对所述无人车进行控制。
[0010]在一些可能的实现方式中，建立如下的无人车动力学模型：
[0011][0012]其中，和分别表示x
r
、y
r
、θ
r
、v
r
和ω
r
的导数，x
r
和y
r
表示无人车中心在设定世界坐标系O
W
X
W
Y
W
中的横坐标和纵坐标，θ
r
表示无人车的朝向角，v
r
和ω
r
分别表示无人车的线速度和角速度，a
r
和ξ
r
分别表示无人车的线加速度和角加速度。
[0013]在一些可能的实现方式中，设定在推动过程中所述无人车前端面与所述箱体保持接触，接触施力点为所述无人车前端面的两个顶点，整个推动过程为拟静态；
[0014]建立如下的箱体推动运动模型：
[0015][0016]其中，w
p
＝[f
p,x
,f
p,y
,τ
p
]T
表示无人车对箱体的推力所产生的推动力旋量，f
p,x
和f
p,y
分别表示推力在箱体本体坐标系横坐标轴上的分量和纵坐标轴上的分量，τ
p
表示推力矩，表示w
p
的转置，H表示与箱体固有参数有关的矩阵，γ
o
表示与箱体尺寸有关的参数，μ
g
表示箱体与地面之间的摩擦系数，m
o
表示箱体的质量，g表示重力系数，L
o
和W
o
分别表示箱体的长度和宽度，v
o
＝[v
o,x
,v
o,y
,ω
o
]T
表示箱体在箱体本体坐标系下的运动旋量，v
o,x
和v
o,y
分别表示箱体在箱体本体坐标系横坐标轴上的速度分量和纵坐标轴上的速度分量，ω
o
表示箱体的旋转角速度。
[0017]在一些可能的实现方式中，基于所述箱体推动运动模型、以及推动过程中所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和相对作用，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束，包括：
[0018]根据推动过程所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和摩擦系数，确定所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥；
[0019]根据所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥，确定所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束；
[0020]根据所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束、以及所述箱体推动运动模型，确定箱体运动旋量所满足的锥约束；
[0021]根据所述箱体运动旋量所满足的锥约束、以及推动过程所述箱体速度满足的约束条件，确定箱体运动约束；
[0022]根据所述箱体运动约束，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束。
[0023]在一些可能的实现方式中，所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥利用以下方式确定：
[0024]根据所述无人车与所述箱体的摩擦系数确定摩擦角，以所述无人车与所述箱体的接触施力点作为摩擦锥的顶点，以摩擦角作为摩擦锥棱边与接触面中心法向的夹角，确定摩擦锥。
[0025]在一些可能的实现方式中，设定在推动过程中所述无人车对所述箱体产生两个推力f1和f2，推力f1和f2分别对所述箱体产生推动力旋量w
p,1
和w
p,2
；
[0026]所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束利用以下方式确定：
[0027]确定推力沿其所在的摩擦锥棱边方向的分解表达式；
[0028]根据推动力旋量分布的限制曲面，确定推力与其对应的推动力旋量的线性变换关系式；
[0029]针对每个推力，分别选择其位于摩擦锥棱边方向上的单位向量，根据分解表达式和线性变换关系式，计算推力对应的两个力旋量分量；
[0030]以两个推力对应的四个力旋量分量作为四面锥的棱边，构成凸锥约束。
[0031]在一些可能的实现方式中，所述箱体运动旋量所满足的锥约束利用以下方式确定：
[0032]计算四个力旋量分量在推动力旋量分布的限制曲面上的力旋量；
[0033]根据推动力旋量分布的限制曲面上的力旋量和所述箱体推动运动模型，计算四个推动力旋量分布的限制曲面上的力旋量对应的四个运动旋量分量；
[0034]以四个运动旋量分量作为四面锥的棱边，构成锥约束。
[0035]在一些可能的实现方式中，推动过程所述箱体速度满足的约束条件为：
[0036]ω
o
＝ω
r
,v
o,x
＝v
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，包括：基于无人车与箱体间的相对作用、以及所述箱体的结构，建立无人车动力学模型和箱体推动运动模型；基于所述箱体推动运动模型、以及推动过程中所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和相对作用，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束；基于所述无人车动力学模型和所述无人车运动约束，构造无人车的滚动时域轨迹优化问题，求解所述滚动时域轨迹优化问题获取所述无人车的控制输入，根据所述控制输入对所述无人车进行控制。2.根据权利要求1所述的用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，建立如下的无人车动力学模型：其中，和分别表示x
r
、y
r
、θ
r
、v
r
和ω
r
的导数，x
r
和y
r
表示无人车中心在设定世界坐标系O
W
X
W
Y
W
中的横坐标和纵坐标，θ
r
表示无人车的朝向角，v
r
和ω
r
分别表示无人车的线速度和角速度，a
r
和ξ
r
分别表示无人车的线加速度和角加速度。3.根据权利要求1所述的用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，设定在推动过程中所述无人车前端面与所述箱体保持接触，接触施力点为所述无人车前端面的两个顶点，整个推动过程为拟静态；建立如下的箱体推动运动模型：其中，w
p
＝[f
p,x
,f
p,y
,τ
p
]
T
表示无人车对箱体的推力所产生的推动力旋量，f
p,x
和f
p,y
分别表示推力在箱体本体坐标系横坐标轴上的分量和纵坐标轴上的分量，τ
p
表示推力矩，表示w
p
的转置，H表示与箱体固有参数有关的矩阵，γ
o
表示与箱体尺寸有关的参数，μ
g
表示箱体与地面之间的摩擦系数，m
o
表示箱体的质量，g表示重力系数，L
o
和W
o
分别表示箱体的长度和宽度，v
o
＝[v
o,x
,v
o,y
,ω
o
]
T
表示箱体在箱体本体坐标系下的运动旋量，v
o,x
和v
o,y
分别表示箱体在箱体本体坐标系横坐标轴上的速度分量和纵坐标轴上的速度分量，ω
o
表示箱体的旋转角速度。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，基于所述箱体推动运动模型、以及推动过程中所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和相对作用，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束，包括：
根据推动过程所述无人车与所述箱体间的相对位置关系和摩擦系数，确定所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥；根据所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥，确定所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束；根据所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束、以及所述箱体推动运动模型，确定箱体运动旋量所满足的锥约束；根据所述箱体运动旋量所满足的锥约束、以及推动过程所述箱体速度满足的约束条件，确定箱体运动约束；根据所述箱体运动约束，确定所述无人车与所述箱体保持稳定接触时的无人车运动约束。5.根据权利要求4所述的用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，所述无人车对所述箱体的推力所满足的摩擦锥利用以下方式确定：根据所述无人车与所述箱体的摩擦系数确定摩擦角，以所述无人车与所述箱体的接触施力点作为摩擦锥的顶点，以摩擦角作为摩擦锥棱边与接触面中心法向的夹角，确定摩擦锥。6.根据权利要求5所述的用于无人车的箱体推动控制方法，其特征在于，设定在推动过程中所述无人车对所述箱体产生两个推力f1和f2，推力f1和f2分别对所述箱体产生推动力旋量w
p,1
和w
p,2
；所述无人车对所述箱体的推动力旋量所满足的凸锥约束...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝海，朱效洲，桂健钧，姚雯，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：