本發(fā)明涉及無人駕駛和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種仿生無人車控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

無人化技術(shù)在各個行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍，尤其在移動平臺控制上體現(xiàn)的極為明顯。雖然有少量無人汽車可以在平坦的高速公路上行駛，但尚無能夠適應(yīng)各種路面的移動平臺，尤其是能適應(yīng)崎嶇山地的無人化平臺。多路面適應(yīng)的移動平臺，不受路況環(huán)境的影響，為貨物運(yùn)輸、搶險救災(zāi)、軍事活動等方面提供有力保障，現(xiàn)有一種利用液壓缸實(shí)現(xiàn)多路況動作的無人車，但是由于路況的復(fù)雜，導(dǎo)致控制的復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)，因此急需一種控制系統(tǒng)及方法來實(shí)現(xiàn)對此無人車的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種使仿生無人車能智能適應(yīng)不同路況的性能穩(wěn)定的仿生無人車控制系統(tǒng)及其控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種仿生無人車控制系統(tǒng)，包括可變接近角離去角的仿生無人車，可變接近角離去角的仿生無人車包括第一行走車和第二行走車，所述第一行走車的尾部設(shè)有液壓缸與第二行走車活動連接，所述液壓缸鎖止在伸縮位時，所述第一行走車的前輪和第二行走車的后輪抬離地面或所述第一行走車的后輪和第二行走車的前輪抬離地面，所述第一行走車和第二行走車上分別獨(dú)立設(shè)置一套控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)通過CAN總線連接，以標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互，同時作用控制所述液壓缸動作。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)包括用于獲取仿生無人車定位信息、確定仿生無人車位置的GPS定位傳感器、用于掃描仿生無人車周圍環(huán)境信息的激光雷達(dá)傳感器、用于檢測行走車姿態(tài)的傾角傳感器、用于檢測各輪胎的胎壓的輪胎壓力傳感器組、用于監(jiān)控發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控傳感器組、用于檢測行走馬達(dá)輸入輸出口的壓強(qiáng)的壓力傳感器組、

用于收集GPS定位傳感器、激光雷達(dá)傳感器、傾角傳感器、輪胎壓力傳感器組、發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控傳感器組輸入模塊和與對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的發(fā)動機(jī)控制模塊、給仿生無人車提供行走動力源的行走液壓馬達(dá)組連接的輸出模塊；

兩套控制系統(tǒng)把通過輸入模塊采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作調(diào)整量進(jìn)行決策，最終把決策結(jié)果通過輸出模塊輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，還包括用于獲取仿生無人車周圍圖像信息的攝像頭組、用于對攝像頭組采集的圖像信息和激光雷達(dá)傳感器采集的信息進(jìn)行處理的圖像處理系統(tǒng)，所述圖像處理系統(tǒng)與輸入模塊連接。

優(yōu)選地，還包括遙控發(fā)射機(jī)與遙控接收機(jī)，所述遙控接收機(jī)通過總線與輸入模塊相連，所述遙控發(fā)射機(jī)與遙控接收機(jī)通過有線或者無線方式進(jìn)行通訊連接。

優(yōu)選地，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及油門大小進(jìn)行控制的發(fā)動機(jī)控制模塊、控制仿生無人車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的行走液壓馬達(dá)組、控制液壓缸伸縮的車體姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制攝像頭視角的上下左右移動的攝像頭控制系統(tǒng)。

一種仿生無人車控制方法，所述第一行走車的前車架尾端鉸接在中間連接件的一端，所述中間連接件的另一端通過連接軸活動安裝在第二行走車后車架的前端，所述后車架可繞連接軸軸向旋轉(zhuǎn)，所述第一行走車的尾部還設(shè)有液壓缸與第二行走車活動連接，所述液壓缸的一端鉸接在第一行走車頂端，另一端鉸接在中間連接件上，所述液壓缸鎖止在收縮位時，所述第一行走車的前輪和第二行走車的后輪抬離地面，所述液壓缸在浮動狀態(tài)時，所述第一行走車和第二行走車自由動作，其特征在于：

設(shè)第一行走車前輪軸心為點(diǎn)O，第一行走車前輪半徑為R，第一行走車前輪與地面接觸為E點(diǎn)，所述第一行走車的前車架尾端與中間連接件的鉸接點(diǎn)為B點(diǎn)，S為第一行走車前輪軸心距地面的距離；L為液壓缸的總長度；L0為單節(jié)行走車兩軸之間的距離；L1為第一行走車前輪軸心到第一行走車與液壓缸絞點(diǎn)之間的距離；L2為第一行走車前輪軸心到第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)的距離；T為第一行走車前輪軸心到中間連接件絞點(diǎn)所在垂直線之間的水平距離；L3為第一行走車與液壓缸絞點(diǎn)到第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)之間的距離；L4為第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)到第二行走車連接軸之間的距離；

當(dāng)跨越地面上障礙時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越的垂直障礙物的高度H，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)H≤R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)R<H≤L2時，控制系統(tǒng)控制姿態(tài)調(diào)整液壓缸伸長或者縮短至S≥H，跨越障礙物；

當(dāng)H>L2時，障礙無法越過，控制系統(tǒng)控制仿生無人車左轉(zhuǎn)彎行走或者右轉(zhuǎn)彎行走繞過障礙物或停止前進(jìn)；

當(dāng)跨越溝壑時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越溝壑的寬度W，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)W≤2*R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)2*R<W≤L2時，控制系統(tǒng)控制姿態(tài)調(diào)整液壓缸伸長或縮短至T≥W，以增大整車的接近、離去角，提高整車跨越障礙物的性能；

當(dāng)W>L2時，障礙無法越過，此時仿生無人車會結(jié)合激光雷達(dá)傳感器和攝像頭組所采集的外界環(huán)境信息，控制系統(tǒng)選取可繞過障礙物路段通過或控制系統(tǒng)控制仿生無人車停止前進(jìn)；

在正常行駛時：通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測，通過胎壓的高低確認(rèn)輪胎與地面接觸力的大小，通過控制系統(tǒng)對分別對各車輪驅(qū)動力調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)整車的勻速直線行駛、轉(zhuǎn)向動作；

當(dāng)輪胎打滑時：控制系統(tǒng)通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測確認(rèn)打車輪，控制液壓缸伸縮，驅(qū)動打滑的車輪抬起，使得車輛的重心處于未打滑車輪上，同時增大未打滑車輪的驅(qū)動力。

具體的，當(dāng)R<H≤L2時，控制液壓缸伸縮，具體伸縮量通過公式計算：

公式中的S不小于H時可以通過障礙，將H的值的帶入公式的S中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L；

當(dāng)2*R<W≤L2時，控制液壓缸伸縮，具體伸縮量通過公式計算：

公式中的T不小于W時可以通過障礙，將W的值的帶入公式的T中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L。

仿生無人車行走的路面情況和行走方向障礙的具體判斷方法如下：

通過發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控傳感器組監(jiān)控發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)計算仿生無人車?yán)碚撔旭偫锍虜?shù)的大小，通過GPS定位傳感器監(jiān)控仿生無人車實(shí)際行駛里程數(shù)，控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控兩者參數(shù)的差值，并且將參數(shù)的差值結(jié)合GPS定位傳感器實(shí)時獲取的路段狀況進(jìn)行對比判斷，從而確認(rèn)仿生無人車行駛的路面情況；

通過激光雷達(dá)傳感器掃描的仿生無人車周圍環(huán)境信息，形成虛擬環(huán)境，從而實(shí)時判斷仿生無人車行走方向障礙的高度或溝壑的寬度。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過激光雷達(dá)傳感器、發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控傳感器組、GPS定位傳感器能有效的對路況進(jìn)行識別，并且通過相應(yīng)的路況調(diào)整液壓缸不同的姿態(tài)，從而適應(yīng)不同的路況，克服了傳統(tǒng)方式下的多地形適應(yīng)困難的弊端，具有可靠的穩(wěn)定性和通過性；本發(fā)明通過對液壓缸的控制，從而控制仿生無人車調(diào)整到相應(yīng)動作姿態(tài)，傾角傳感器用于檢測車體兩車輪軸心連線與水平面的夾角∠EOB，從而計算出液壓缸的動作量，提高了仿生無人車對多種路況的適應(yīng)性，保證使用者能更快、更精準(zhǔn)的操作仿生無人車，同時也減小了操作者的勞動強(qiáng)度。

綜上所述，本發(fā)對泥濘路、礫石路、山坡路、垂直障礙、壕溝等路面具有極好的適應(yīng)性，彌補(bǔ)了現(xiàn)有產(chǎn)品對復(fù)雜地形適應(yīng)能力不足的弊端。

附圖說明

圖1是本發(fā)明跨越地面上障礙時的狀態(tài)圖；

圖2是本發(fā)明跨越溝壑時的狀態(tài)圖；

圖3是本發(fā)明跨越泥濘路面時的狀態(tài)圖。

圖4是本系統(tǒng)的流程圖。

附圖中：1、第一行走車；2、第二行走車；3、液壓缸。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，可變接近角離去角的仿生無人車包括第一行走車1和第二行走車2，所述第一行走車的前車架尾端鉸接在中間連接件的一端，所述中間連接件的另一端通過連接軸活動安裝在第二行走車后車架的前端，所述后車架可繞連接軸軸向旋轉(zhuǎn)，所述第一行走車的尾部還設(shè)有液壓缸與第二行走車活動連接，所述液壓缸的一端鉸接在第一行走車頂端，另一端鉸接在中間連接件上，所述液壓缸3鎖止在收縮位時，所述第一行走車的前輪和第二行走車的后輪抬離地面，所述液壓缸在浮動狀態(tài)時，所述第一行走車和第二行走車自由動作；

如圖4所示，第一行走車上安裝有GPS定位傳感器、激光雷達(dá)傳感器、攝像頭組A、攝像頭控制系統(tǒng)A、傾角傳感器、輪胎壓力傳感器組A、行走液壓馬達(dá)組A、發(fā)動機(jī)控制模塊A、輸入模塊A、控制器A、輸出模塊A、照明燈A、喇叭A和警示燈A，GPS定位傳感器獲取仿生無人車的定位信息，確認(rèn)仿生無人車具體位置，激光雷達(dá)傳感器掃描仿生無人車周圍環(huán)境信息，形成虛擬環(huán)境，從而實(shí)時判斷仿生無人車行走方向障礙的高度或溝壑的寬度，攝像頭組采集周圍環(huán)境圖像信息，通過采集的周圍環(huán)境圖像信息，如路標(biāo)、路面標(biāo)示等信息通過圖像處理系統(tǒng)A確認(rèn)前方路面的具體類型，傾角傳感器用于檢測車體兩車輪軸心連線與水平面的夾角∠EOB。

輸入模塊A用于收集GPS定位傳感器、激光雷達(dá)傳感器、傾角傳感器、輪胎壓力傳感器組A、發(fā)動機(jī)控制模塊A、行走液壓馬達(dá)組A、遙控接收機(jī)的信號傳遞給控制器A；

輸出模塊A將控制器A的信號傳遞給對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的發(fā)動機(jī)控制模塊A、給仿生無人車提供行走動力源的行走液壓馬達(dá)組A、攝像頭控制系統(tǒng)A、照明燈A、喇叭A和警示燈A，同時通過CAN總線與第二行走車上的輸入模塊B連接實(shí)現(xiàn)信息交互。

第二行走車上安裝有姿態(tài)調(diào)整油缸B、攝像頭組B、攝像頭控制系統(tǒng)B、傾角傳感器、輪胎壓力傳感器組B、行走液壓馬達(dá)組B、發(fā)動機(jī)控制模塊B、輸入模塊B、控制器B、輸出模塊B、照明燈B、喇叭B和警示燈B，輸入模塊B用于收集GPS定位傳感器、激光雷達(dá)傳感器、傾角傳感器、輪胎壓力傳感器組B、發(fā)動機(jī)控制模塊B、行走液壓馬達(dá)組B、遙控接收機(jī)的信號傳遞給控制器B；

輸出模塊B將控制器B的信號傳遞給對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的發(fā)動機(jī)控制模塊組B、給仿生無人車提供行走動力源的行走液壓馬達(dá)組B、攝像頭控制系統(tǒng)B、照明燈B、喇叭B和警示燈B，

控制器A和控制器B根據(jù)軟件程序設(shè)定規(guī)則，對輸入的控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行、處理，并把運(yùn)算、處理后的結(jié)果按軟件程序設(shè)定規(guī)則進(jìn)行輸出，最終控制姿態(tài)調(diào)整油缸B。

所述遙控發(fā)射機(jī)與遙控接收機(jī)通過有線或者無線方式進(jìn)行通訊連接。

遙控接收機(jī)安裝于仿生無人車的最前端；攝像頭組中的攝像頭安裝在第一行走車和第二行走車的前側(cè)、左側(cè)和右側(cè)；激光雷達(dá)傳感器位于第一行走車和第二行走車居中的位置；GPS定位傳感器位于第一行走車左右居中靠后的位置；傾角傳感器位于第一行走車和第二行走車左右居中靠后側(cè)；輪胎壓力傳感器組位于第一行走車和第二行走車的車輪內(nèi)；發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控傳感器第一行走車和第二行走車的發(fā)動機(jī)上；

具體控制方法如下：設(shè)第一行走車前輪軸心為點(diǎn)O，第一行走車前輪半徑為R，第一行走車前輪與地面接觸為E點(diǎn)，所述第一行走車的前車架尾端與中間連接件的鉸接點(diǎn)為B點(diǎn)，所述B點(diǎn)在地面的垂直映射為D點(diǎn)，所述液壓缸與第一行走車鉸接點(diǎn)為A點(diǎn)，所述液壓缸與中間連接件鉸接點(diǎn)為C點(diǎn)，第二行走車前輪軸心為O1，后輪軸心為O2；S為第一行走車前輪軸心距地面的距離，也就是直線OE的長度；L為液壓缸的總長度，也就是直線AC的長度；L0為單節(jié)行走車兩軸之間的距離，也就是直線O1O2的長度；L1為第一行走車前輪軸心到第一行走車與液壓缸絞點(diǎn)之間的距離，也就是直線OA的長度；L2為第一行走車前輪軸心到第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)的距離，也就是直線OC的長度；T為第一行走車前輪軸心到中間連接件絞點(diǎn)所在垂直線之間的水平距離；L3為第一行走車與液壓缸絞點(diǎn)到第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)之間的距離，也就是直線AB的長度；L4為第一行走車與中間連接件絞點(diǎn)到第二行走車連接軸之間的距離，也就是直線BC的長度；

當(dāng)跨越地面上障礙時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越的垂直障礙物的高度H，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)H≤R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)R<H≤L2時，控制液壓缸伸縮，具體伸縮量通過公式計算：

公式中的S不小于H時可以通過障礙，將H的值的帶入公式的S中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L；

當(dāng)H>L2時，障礙無法越過，控制系統(tǒng)控制仿生無人車左轉(zhuǎn)彎行走或者右轉(zhuǎn)彎行走繞過障礙物或停止前進(jìn)；

當(dāng)跨越溝壑時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越溝壑的寬度W，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)W≤2*R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)2*R<W≤L2時，控制液壓缸伸縮，具體伸縮量通過公式計算：

公式中的T不小于W時可以通過障礙，將W的值的帶入公式的T中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L；

當(dāng)W>L2時，障礙無法越過，此時仿生無人車會結(jié)合激光雷達(dá)傳感器和攝像頭組所采集的外界環(huán)境信息，控制系統(tǒng)選取可繞過障礙物路段通過或控制系統(tǒng)控制仿生無人車停止前進(jìn)；

在正常行駛時：通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測，通過胎壓的高低確認(rèn)輪胎與地面接觸力的大小，通過控制系統(tǒng)對分別對各車輪驅(qū)動力調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)整車的勻速直線行駛、轉(zhuǎn)向動作；

當(dāng)輪胎打滑時：控制系統(tǒng)通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測確認(rèn)打車輪，控制液壓缸伸縮，驅(qū)動打滑的車輪抬起，使得車輛的重心處于未打滑車輪上，同時增大未打滑車輪的驅(qū)動力。

如圖1-3所示，上述具體公式的推導(dǎo)如下：由于每節(jié)車體上都安裝有傾角傳感器，由第一行走車傾角傳感器可測得∠EOB的值，OE和BD分別為以O(shè)、B點(diǎn)為固定點(diǎn)的鉛垂線，由幾何關(guān)系(補(bǔ)角)可得∠OBD＝180°-∠EOB的值，同時可得∠CBD＝90°，∠OBA的值可由車體上固定長度L1、L2、L3所構(gòu)成的三角形計算得到

，由幾何關(guān)系可得∠CBA＝360°-∠OBD-∠OBA-∠CBD。在△ABC中，由三角關(guān)系可得

，經(jīng)轉(zhuǎn)化可得：

其中L1、L2、L3、L4均為已知量。

如圖1所示，當(dāng)跨越地面上障礙時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越的垂直障礙物的高度H，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)H≤R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)R＜H≤L2時，將S＝R+L2*cos∠EOB，代入公式(1)得

根據(jù)公知技術(shù)可知公式中的S大于等于H時可以通過障礙，將H的值的帶入公式的S中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L；

當(dāng)H>L2時，障礙無法越過，控制系統(tǒng)控制仿生無人車停止前進(jìn)；

如圖2所示，當(dāng)跨越溝壑時：通過設(shè)置在第一行走車上的傳感器實(shí)時檢測待跨越溝壑的寬度W，通過傾角傳感器檢測∠EOB的角度；

當(dāng)W≤2*R時，控制系統(tǒng)控制液壓缸處于浮動模式；

當(dāng)2*R<W≤L2時，將T＝L2*sin∠EOB代入公式(1)得到

根據(jù)公知技術(shù)可知公式中的T大于等于W時可以通過障礙，將W的值的帶入公式的T中，從而得到液壓缸能通過障礙的最短伸縮長度L；

當(dāng)W>L2時，障礙無法越過，控制系統(tǒng)控制仿生無人車停止前進(jìn)；

在正常行駛時：通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測，通過胎壓的高低確認(rèn)輪胎與地面接觸力的大小，通過控制系統(tǒng)對分別對各車輪驅(qū)動力調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)整車的勻速直線行駛、轉(zhuǎn)向動作；

當(dāng)輪胎打滑時：控制系統(tǒng)通過輪胎壓力傳感器組對各輪胎的胎壓進(jìn)行監(jiān)測確認(rèn)打車輪，控制液壓缸伸縮，驅(qū)動打滑的車輪抬起，使得車輛的重心處于未打滑車輪上，同時增大未打滑車輪的驅(qū)動力。

以上所述，僅為本發(fā)明以兩車組成的智能控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述了智能控制系統(tǒng)的工作原理，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于由兩車所構(gòu)成的此類智能控制系統(tǒng)，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。