[发明专利]一种多功能乘务服务智能机器车系统及其控制方法

权利要求书

1.一种多功能乘务服务智能机器车系统，其特征在于，该系统包括智能机器车，设置在智能机器车内的控制模块、身份证识别模块、压力检测模块、磁传感器模块、超声波模块和无线通讯模块，以及云端；其中：

智能机器车，其车身上设置有开水出水系统和送餐系统；

身份证识别模块，用于检测身份证信息，并通过无线通讯模块将身份证信息发送到云端进行身份核实；

压力检测模块，用于检测开水出水系统的水压，通过控制模块接收压力检测模块和云端的数据，并对存储在控制模块中的压力参数值进行调用和比较，进而对开水出水系统进行控制；

磁传感器模块，用于采集电磁信号进行路线寻迹，通过控制模块接收云端发送的位置信息，并读取磁传感器模块采集到的电磁信号后进行寻迹前往服务位置；

超声波模块，用于在智能机器车进行路线寻迹时实时进行障碍物检测，当检测到障碍物信息时，通过控制模块控制智能机器车停止；

控制模块，还用于对开水出水系统和送餐系统的步进电机进行控制，在抵达服务位置后，实现送餐门和开水门的开启和关闭操作，并进行语音识别的人机交互；

所述控制模块采用STM32F407ZGT6核心控制模块；

所述控制模块在一个控制周期内对接收信息和寻迹路线行进规划的调控过程中，首先初始化控制模块内部所存储的地点位置变量的设定值，这些设定值被保存在其内部的一块特定的RAM区域中，其后从云端收到地点数据并进行数据解码，解码后从RAM中调取初始位置变量的设定值与当前值进行比较，计算出偏差值，利用该偏差值计算出系统执行器的所需的前进距离，最后根据距离寻迹前往相应地点；

所述云端的服务器在列车出站后，将下车人数和上车人数的数据存入数据库中，并向控制模块发送需要检票的位置信息，智能车根据位置信息前往指定位置进行身份证检票；

该系统还包括乘客客户端，乘客在客户端中选择自己需要的相应服务内容，服务数据将传输给云端的服务器存入数据库中，并将服务信息和服务位置数据传输给智能车系统，智能车采用磁传感的方法进行寻迹，超声波检测进行避障处理，在抵达指定位置后，智能车系统控制不同部件实现不同的服务内容；

该系统能够实现多功能乘务服务智能机器车系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、判断智能车系统当前所处的工作模式，若未选择服务模式，系统默认进入检票模式，执行步骤2；若系统选择服务模式，执行步骤3；

步骤2、检票模式：接收由云端传来的新上乘客的位置信息，智能车通过路径寻迹和避障识别达到目的地，然后进行语音提示身份证检票，检测完后将身份证信息上传云端进行检索核对，核对完成后语音提示检票成功，智能车回到原位；

步骤3、服务模式：乘客通过客户端将需求服务信息传递给云端服务器，云端服务器将检索的车票验证信息传输给智能车系统，云端服务器的数据库将用户的身份信息及需求服务信息有效储存并与云端服务器通信；

步骤4、云端服务器向智能车系统发送服务信息和服务位置，智能车通过路径寻迹和避障识别达到服务位置，并判断服务信息的类型；

步骤5、若为送水服务，则控制步进电机进行出水门的开门操作，并发出语音提示；若为送餐服务，则控制步进电机进行送餐门的开门操作，并发出语音提示；

步骤6、完成服务模式后，智能车回到原位；

该方法中进行路径寻迹的算法具体为：

保持智能车在列车上直线行驶取，使当前智能车行进的导航角与预期相同，保持与过道的左右间隔相等；计算导航角的方法为：

计算地球磁场和导航角之间的关系，将该点的地磁场Hearth分解为两个平行于当地水平面的分量和一个垂直于当地水平面的分量；

在水平方向上磁场两个分量的矢量和总是指向磁北，地磁传感器中的导航角θ1就是当前所指的方向和磁北X的夹角，即：

θ1＝a tan 2(Hy,Hx)

其中，Hnorth和Hz分别是Hearth在垂直方向和水平方向的分量，Hx和Hy是Hnorth在X和Y方向上的分量；atan2函数是返回方向角的函数，θ1取值范围是[-PI,PI]，θ1的取值不仅取决于正切值Hy/Hx，还取决于坐标(Hy，Hx)属于哪个象限：

当坐标(Hy，Hx)属于第一象限，0θ1PI/2；

当坐标(Hy，Hx)属于第二象限，PI/2θ1PI；

当坐标(Hy，Hx)属于第三象限，-PIθ1-PI/2；

当坐标(Hy，Hx)属于第四象限，-PI/2θ10；

当Hy＝0，Hx0时，θ1＝0；

当Hy＝0，Hx0时，θ1＝PI；

当Hy0，Hx＝0时，θ1＝PI/2；

当Hy0，Hx＝0时，θ1＝-PI/2；

使计算出的地磁传感器中的导航角θ1值为反正切值，需要将反正切值再乘以180/PI，得到反正切角，角度范围为-180°～180°，再将其加180°得到最终的导航角：

angle＝a tan 2(Hy,Hx)×(180/PI)+180

该方法中进行避障识别的算法具体为：

在智能车行驶过程中，当超声波传感器检测到有移动物体穿行过道时，将移动目标距智能车的相对距离和其移动速度传回主控模块；

智能车在满足车辆自身制动约束条件、建立避障系统的制动距离D_s：

其中，a₁为智能车减速度，d₀为最小间距，在采取避障措施的情况下，保证距离移动物体的最小间距，根据安全距离D_d与制动距离D_s建立模型，根据实际超声波模块的检测距离D₁来判断是否需要避障；

该方法中需要进行避障时，其算法具体为：

当需要进行避障时，先以智能车当前位置为起点，移动物体出现所映射到智能车路径上的投影点为末端；通过二次规划与牛顿法相结合的方法寻找车辆距离基准线的最近点；假设车辆距离基准线的最近点所在基准线上的弧长为s，车辆与基准线之间的距离为横向偏移量ρ，则车辆当前坐标可用s-ρ坐标系表示；在此坐标中，避障路径由基准线长度△s、当前车辆位置偏移量ρ_si已经最终横向偏移量ρ_fi确定；避障候选路径满足以下方程，则第i条避障候选路径表示为：

其中，Δs＝s-s_start为智能车距离基准线的最近点所在基准线上的弧长；s_end为基准线上候选避障路径的末端对应的弧长；

求解上式中系数a、b、c，避障候选路径上的生成需考虑智能车当前的航向，同时希望路径末端与基准线的前进方向相同，以保证规划出可行路径，确认以下边界条件：

其中，θ为基准线最近点切向角θ_start与当前智能车航向θ₀之差；

由上述算法通过设定合适的横向偏移量△ρ，根据不同的横向偏移量ρ_fi的值，计算出不同的系数a、b、c，从而得到多条避障候选路线；

由于考虑到移动物体的移动速度与距离智能车的相对距离，使用一种加权多目标代价函数去确定最佳避障路线；代价函数主要考虑路径安全性，设计函数如下，包括路径安全性代价函数f_s和路径偏移代价函数f₀：

f(i)＝w_sf_s(i)+w₀f₀(i)

select＝min f(i)

其中，f(i)为路径总代价函数；i为避障候选路径序列号；w_s和w₀分别为各代价函数的权重系数；select为选择的路径；

选择以下权重系数：w_s＝0.7,w₀＝0.10,f_s∈(0.4,1]

该方法的送水服务中控制出水的算法具体为：

由于考虑到智能车出水口压力传感器信号易受到高频信号干扰，采用有限冲击响应IIR低通滤波器抑制干扰后，再采用零极点补偿进行压力检测传感器检测信号补偿；

IIR滤波器用差分方程和系统函数描述，差分方程为：

其中，x为输入信号；y为输出信号；a_i，b_i为系数；对应系统函数为：

由于传感器动态特性与其传递函数零极点有关，现对其零极点分析，观察配置有效零极点来对系统动态特性补偿；对于使用的压力传感器，先采用二阶系统传感器模型进行其极点特性求解；

其中，α为新配置极点的实部，β为新配置极点的虚部，T为采样间隔，现取0.6us，T_rr为所要求的响应时间，现取5us，ζ_e为等效阻尼比，现取0.9；

由公式：

其中，G_e(z)为补偿模型，因此最终压力补偿滤波器为：