[发明专利]一种液压转向阿克曼底盘的控制方法及其应用

说明书

本发明公开了一种液压转向阿克曼底盘的控制方法及其应用，包括步骤：(1)在液压缸两侧的入口处安装压力传感器，在入油管路上安装压力传感器；(2)构建液压驱动控制模型和液压转向系统动态模型；(3)根据步骤(2)建立阿克曼底盘系统状态动态模型，并根据规划计算得到期望阿克曼底盘系统状态；(4)结合步骤(3)构建模型预测控制的目标函数，并建立约束；(5)在当前时刻求解步骤(4)的目标函数得到下一时刻的控制量，并据此控制阿克曼底盘；(6)重复步骤(5)，直至完成阿克曼底盘的液压转向控制。本发明通过建立系统的数学模型，在控制中考虑了系统的特性，其计算的序列包含了对系统滞后的补偿，因此提升了位置跟踪的性能。

技术领域

本发明涉及移动机器人规划控制领域，具体涉及一种液压转向阿克曼底盘的控制方法及其应用。

背景技术

近年来，机器人与自动驾驶领域技术兴起并取得长足发展。为实现建筑、消防等人力密集型服务的自动化，许多研究机构与公司将工程机械车辆改造为移动机器人，尝试把机器人与自动驾驶技术应用到相关领域中。

市面上销售的工程机械车辆中，按照动力来源主要分为柴油机驱动和电动两种，其中柴油驱动需要日常维护，不适合改造成移动机器人。而电动的工程机械车辆中，可以大致分为履带式和阿克曼式两种底盘类型，通常履带可能损坏地面，不适用于已经铺装好的路面。因此电驱动的阿克曼类型工程机械车辆非常适合用来改造成为通用的移动机器人系统。实施过程中，路径规划使用基于阿克曼运动学的规划方法给出机器人运动期望的运行速度和前轮转向角度，底层的控制器进行反馈控制跟踪期望的速度和转向角度。

电驱动阿克曼类型的工程车辆通常由电机驱动后轮，其执行机构电机速度控制性能较好，控制方法成熟可靠。其转向系统通常由液压驱动，液压控制系统广泛应用于工程的各个领域，尤其是对于负载要求较高的应用，液压驱动系统具有简单可靠，技术成熟，价格低廉的特点，是大型设备的首选驱动系统。但液压驱动的控制系统需要应对强非线性的系统动态特性，对于液压系统的位置动态跟随控制提出了较高的要求。实际工程实践中，往往是由操作人员通过观察来操作液压驱动系统，例如挖掘机、起重机等设备的机械臂就是液压驱动，需要操作人员根据观察到的位置进行反复调整。

受限于成本和技术成熟度，工程车辆的厂商大多采用开关型电磁阀作为液压控制系统的执行机构，经过PWM脉宽调制来模拟比例型电磁阀对液压系统的位置进行开环控制(依靠操作人员观察进行反馈控制)。对于有改造要求的车辆，厂商通常会在前轮转向处增加一个绝对式编码器，通过该编码器反馈回的位置信息进行反馈控制。由于受到液压系统的非线性影响，整个控制系统的控制带宽较低，系统的响应较慢，往往需要等待缸内压力建立之后再进行位置调节。另外，由于开关型电磁阀通过定周期快速的开关来实现脉宽调制，进一步降低了液压控制系统的位置跟踪性能。

厂商提供的电驱动的阿克曼工程车辆中，通常底层的跟踪控制器分别对电机速度以及液压转向角度进行跟踪控制。在该控制架构下，对于车辆液压转向跟随产生的实际误差需要上层的规划器进行校正，导致其整体控制性能不佳，对于上层规划有较高更新频率要求。

为解决此类问题，本发明提供一种考虑液压系统动力学的规划控制方法。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种液压转向阿克曼底盘的控制方法及其应用，在工程车辆改造过程中，通过新增传感器、建立系统模型、设计基于模型的规划控制器来解决上述问题。

技术方案：

一种液压转向阿克曼底盘的控制方法，包括步骤：

(1)在液压缸两侧的入口处安装压力传感器测量液压缸两侧腔体内的压力，在入油管路上安装压力传感器测量供给的压力；

(2)构建液压驱动控制模型，据此构建液压转向系统动态模型；

(3)根据步骤(2)建立阿克曼底盘系统状态动态模型，并根据规划与控制要求计算得到期望阿克曼底盘系统状态；