[發明專利]一種基于自主協同導航的智能車編隊系統

在審

• 申請號: 202010589494.7
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111766879A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 胡超芳;趙凌雪;吳浩;郭明堃;賈宇軒;吳佐成;章雨
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉子文

1.一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，其特征在于，包括定位與導航模塊、自主運動控制模塊、編隊模塊、通信模塊和上位機控制與監測模塊；所述定位與導航模塊通過處理環境信息，進行環境建圖以及自身和障礙物的定位，同時規劃出全局和局部避障路徑，實現智能車之間自主協同導航；自主運動控制模塊通過規劃好的速度控制智能車到達目標位置；編隊模塊采用領航-跟隨的編隊結構，考慮隊形約束和障礙物約束，通過編隊控制策略以形成固定的隊形，并采用基于Lyapunov穩定性判據的控制方法驗證編隊模塊的控制性能；通信模塊用于完成智能車之間及智能車與上位機之間的信息交互；上位機控制與監測模塊用于對整個智能車編隊系統的運動狀態進行控制和監測。

2.根據權利要求1所述一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，其特征在于，所述定位與導航模塊采用編碼器和慣導模塊測量車輛的移動速度和姿態，使用激光雷達感知周邊障礙物及獲取環境深度信息；激光雷達能夠構建用于導航的二維柵格地圖。

3.根據權利要求1所述一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，其特征在于，以ROS系統為通信框架，用于完成智能車自主協同導航，實現智能車的自主運動控制和編隊控制；在ROS系統中，進行單個智能車定位用到兩個包：gmapping和amcl；其中，gmapping包訂閱坐標變換話題tf和激光雷達掃描數據話題scan，發布二維柵格地圖數據map，并建立二維代價地圖costmap；amcl包則根據已經構建好的地圖，采用自適應蒙特卡洛定位法進行定位；導航模塊分為兩部分，前往目標位置和實時避障；在智能車完成自身定位后，move_base包依據給定的目標，通過訂閱里程計信息odom話題和地圖信息map話題，使用路徑規劃算法規劃出到達目標位置的全局路線；定位與導航模塊采用Dijkstra最優路徑算法，同時，通過訂閱二維代價地圖costmap話題進行本地實時規劃，對路徑上的障礙物進行躲避，完成實時避障；隨后發布cmd_vel話題，將規劃好的線速度和角速度提供給ROS系統中的基控制器，并通過自主運動控制模塊使智能車到達指定目標位置。

4.根據權利要求1所述一種基于自主協同導航的智能車編隊系統，其特征在于，所述智能車為履帶式智能車，履帶式智能車的兩側各由一個電機驅動，通過履帶的差速控制進行驅動，能夠實現原地轉向；在自主運動控制模塊中，上層決策部分將得到的期望速度信息以Twist消息類型發布給ROS系統中的基控制器節點，基控制器再將期望速度信息翻譯成期望線速度v_p和期望角速度ω_p，通過PID控制器實現兩側履帶的轉速閉環控制，使履帶式智能車跟蹤v_p和ω_p；

智能車的運動學模型如下：

其中，x，y和θ分別是智能車的x軸、y軸坐標和橫擺角，v和ω分別為智能車的質心速度和橫擺角速度；由于履帶式智能車在進行轉向時，車體各處的轉向角速度相等，推導出

其中，R為轉彎半徑，L為智能車車體寬度，d為單側履帶的寬度，v_l和v_r分別為智能車左右兩側履帶的行駛速度；進一步推出：

由v_p和ω_p，可通過式(3)和(4)求出智能車左右兩側的履帶速度：

通過式(5)和(6)即可得到電機實際輸入的轉速；

采用增量式PID控制器對轉速進行控制，最終轉換為0-255的PWM數值控制電機的旋轉，以實現對智能車線速度和角速度的跟蹤控制；增量式PID調節公式如下：

其中，K_p，K_i和K_d分別為比例系數、積分系數和微分系數，T為采樣時間，k表示第k個采樣點，Δu為控制增量，e為轉速的誤差，Δe為誤差增量。