可變車道隔離護(hù)欄運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)及其控制策略

田為廣，徐海黎，陳 妍，朱倚嫻，劉 熙

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通天承光電科技有限公司，江蘇 南通 226100）

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民的生活、出行方式發(fā)生了巨大的變化。然而，以交通擁堵為代表的諸多問(wèn)題對(duì)城市健康發(fā)展造成了影響。據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)大、中城市道路中高達(dá)20%～40%的車流呈“潮汐式”分布［1］，即不同方向交通流量存在明顯差異，出現(xiàn)了單向不對(duì)稱交通擁堵情況。

潮汐交通現(xiàn)象造成了道路資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，交通管理部門通常采用可變車道技術(shù)［2-5］來(lái)緩解該問(wèn)題，以提高道路利用率，從而帶來(lái)較為顯著的交通經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)可變車道的設(shè)計(jì)、控制和管理等方面做了較多研究［6］。目前，對(duì)于可變車道的控制，主要有以下2種方式：1）通過(guò)車道信號(hào)燈、專用車道線以及固定指示牌對(duì)可變車道路段進(jìn)行分段誘導(dǎo)控制［7-9］；2）通過(guò)移動(dòng)護(hù)欄或其他設(shè)施在車道上形成動(dòng)態(tài)的物理隔離［10-12］。

方式1）是目前主要使用的技術(shù)，但其控制策略比較單一，以定時(shí)段切換方向?yàn)橹?。因此，一些學(xué)者針對(duì)可變車道的動(dòng)態(tài)控制進(jìn)行了研究。如黃克彪［13］提出使用動(dòng)態(tài)流量數(shù)據(jù)結(jié)合相應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)可變車道的動(dòng)態(tài)控制。但是，僅靠燈光、信號(hào)控制車道變換，而不施加物理隔絕，駕駛者不易辨別，缺乏安全保障。

方式2）已經(jīng)在我國(guó)多地進(jìn)行試點(diǎn)使用。例如：深圳市在某路段潮汐車道的管理中利用拉鏈車對(duì)可變車道進(jìn)行控制，但該裝置的造價(jià)以及維護(hù)成本昂貴；南京市、連云港市等地應(yīng)用了移動(dòng)式隔離護(hù)欄，這種護(hù)欄可通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序（application，APP）進(jìn)行遙控，但需要交警在現(xiàn)場(chǎng)操作和監(jiān)管，且不具備自主糾偏功能?；诖?，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其他物理隔離方式進(jìn)行了探索。如楊清華等［14］提出基于物聯(lián)網(wǎng)的可旋轉(zhuǎn)式潮汐道路智能升降樁，根據(jù)實(shí)時(shí)的車流量判斷路況，通過(guò)控制升降樁和信號(hào)燈來(lái)變換車道，但是該方式是將升降樁埋在車道線下方，需要破環(huán)路面，施工量大且維修不便。

基于此，筆者針對(duì)現(xiàn)有可變車道控制方式單一和智能化程度不高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套隔離護(hù)欄運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)載護(hù)欄完成可變車道的隔離，可結(jié)合交通流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在運(yùn)載機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)用超寬帶（ultra wide band，UWB）技術(shù)［15］對(duì)其進(jìn)行精確定位，同時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行軌跡與姿態(tài)，保證將護(hù)欄平穩(wěn)、安全地運(yùn)送到目標(biāo)位置處。此外，通過(guò)LoRa（long range active，遠(yuǎn)距離無(wú)線電）技術(shù)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，完成運(yùn)載機(jī)器人與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作。

1 運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

作為一種具有特殊功能的運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要求如下：1）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)高效、穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)直線前進(jìn)、后退以及零半徑或小半徑轉(zhuǎn)彎；2）機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能自主糾偏調(diào)整，且要求其定位系統(tǒng)精準(zhǔn)、可靠，能準(zhǔn)確反映機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位姿變化；3）機(jī)器人運(yùn)載護(hù)欄在指定位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)偏差不超過(guò)0.15 m；4）具備多種控制方式（現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)遙控或遠(yuǎn)程操控）。

1.1 運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)上述功能需求，對(duì)運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)由前端機(jī)器人子系統(tǒng)、中繼處理裝置和后臺(tái)管理端三部分組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。其中：前端機(jī)器人子系統(tǒng)由運(yùn)載機(jī)器人本體、用于定位監(jiān)測(cè)的UWB模塊以及用于通信傳輸?shù)腖oRa節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成；中繼處理裝置為支持4G通信的LoRa無(wú)線網(wǎng)關(guān)，可與LoRa節(jié)點(diǎn)自由組網(wǎng)以及與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信；在后臺(tái)管理端，管理人員可從服務(wù)器中獲取運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需求下發(fā)控制指令。

圖1 運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of carrier robot system

當(dāng)管理人員判定某路段當(dāng)前的路況符合潮汐特征時(shí)，其可在遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送控制指令，并經(jīng)無(wú)線網(wǎng)關(guān)下發(fā)至各運(yùn)載機(jī)器人。運(yùn)載機(jī)器人接收到指令后開始運(yùn)載護(hù)欄向目標(biāo)位置移動(dòng)。在運(yùn)載機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程中，UWB定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的位姿，并在其出現(xiàn)偏移時(shí)及時(shí)調(diào)整，直至準(zhǔn)確移動(dòng)到目標(biāo)位置處。運(yùn)載機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)（如實(shí)時(shí)坐標(biāo)、運(yùn)行狀態(tài)等）可通過(guò)LoRa無(wú)線網(wǎng)關(guān)匯總到遠(yuǎn)程服務(wù)器中。

1.2 運(yùn)載機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

運(yùn)載機(jī)器人搭載護(hù)欄時(shí)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)器人兩側(cè)安裝護(hù)欄，護(hù)欄兩端安裝UWB標(biāo)簽。運(yùn)載機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括太陽(yáng)能電池板、控制柜、支撐罩殼和升降式移動(dòng)底座等。其中：控制柜內(nèi)放置控制主板、鋰電池組等電氣元件；安裝在控制柜上方的太陽(yáng)能電池板用于充電；位于控制柜下方的支撐罩殼用于保持機(jī)器人結(jié)束工作時(shí)的平衡；安裝在支撐罩殼內(nèi)部的移動(dòng)底座是主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)機(jī)器人的移動(dòng)。

圖2 運(yùn)載機(jī)器人搭載護(hù)欄時(shí)的整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of carrier robot carrying guardrail

運(yùn)載機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括電源模塊、STM32主控芯片、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、UWB標(biāo)簽、LoRa節(jié)點(diǎn)、自檢模塊和聲光警示裝置，如圖3所示。

圖3 運(yùn)載機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)Fig.3 Hardware architecture of carrier robot control system

在控制系統(tǒng)中，STM32主控芯片用于完成UWB標(biāo)簽定位坐標(biāo)解算、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等任務(wù)。UWB標(biāo)簽與外部的UWB基站進(jìn)行通信，利用TDOA（time difference of arrival，接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間差）算法［16］測(cè)量標(biāo)簽與基站之間的距離，然后將數(shù)據(jù)傳送給STM32主控芯片，以進(jìn)行定位坐標(biāo)解算。LoRa節(jié)點(diǎn)與外部的LoRa無(wú)線網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的信息交互。STM32主控芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)載機(jī)器人的移動(dòng)。自檢模塊用于檢測(cè)控制系統(tǒng)主要部件的故障。聲光警示裝置可在機(jī)器人存在故障時(shí)以及移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行報(bào)警和提示。此外，運(yùn)載機(jī)器人采用24 V鋰電池組供電，在工作過(guò)程中可通過(guò)太陽(yáng)能充電以保證續(xù)航。

2 運(yùn)載機(jī)器人定位方案

本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于室外空曠的道路環(huán)境，其定位精度直接影響機(jī)器人的運(yùn)行效果以及路段的交通安全，要求定位精度控制在0.10 m以內(nèi)。目前，室外環(huán)境下常采用GPS（global positioning system，全球定位系統(tǒng)）定位方式，其最高的定位精度約為0.30 m，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求；而超聲波、紅外等定位方式在室外空曠環(huán)境下的效果更不理想。UWB技術(shù)具有定位精度高、抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、速度快和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在眾多無(wú)線定位技術(shù)中脫穎而出［17］。如楊亞靜［18］針對(duì)特定的室外場(chǎng)合（小型的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、訓(xùn)練場(chǎng)以及一些游樂(lè)場(chǎng)地），采用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人員或物體的精確定位，定位精度在0.10 m以內(nèi)。

2.1 UWB定位原理

UWB模塊通過(guò)無(wú)線載波通信實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量，其通常由多個(gè)UWB基站和UWB標(biāo)簽組成。其中，UWB標(biāo)簽配置在需要定位的目標(biāo)端，UWB基站固定在標(biāo)簽周圍以作為參考點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量標(biāo)簽與基站之間的距離，根據(jù)兩者所在位置的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)計(jì)算標(biāo)簽的坐標(biāo)。

2.2 UWB定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在道路兩側(cè)布置3個(gè)UWB基站。如圖4所示，在UWB標(biāo)簽所在的二維平面中，以基站A的投影點(diǎn)A′為原點(diǎn)構(gòu)建直角坐標(biāo)系，其中基站A、B投影點(diǎn)所在直線為x軸，基站A、C投影點(diǎn)所在直線為y軸。鑒于基站A到基站B、C的距離固定已知，分別為d1和d2，則基站 B、C 投影點(diǎn)B′、C′的坐標(biāo)分別為 (d1，0)和(0，d2)。UWB標(biāo)簽1和2對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為T1(x1，y1)、T2(x2，y2)。運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)送護(hù)欄時(shí)沿著預(yù)設(shè)軌跡在起始車道線的DE位置與目標(biāo)車道線的FG位置間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖4 UWB定位系統(tǒng)坐標(biāo)系示意Fig.4 Schematic diagram of UWB positioning system coordinate system

如圖5所示，以待測(cè)的UWB標(biāo)簽2為例，其安裝高度為h1；3個(gè)UWB基站的安裝高度為h2。通過(guò)測(cè)量得到UWB標(biāo)簽2與3個(gè)UWB基站的距離，分別為dA、dB和dC，其在UWB標(biāo)簽所在二維平面內(nèi)的投影分別為。

圖5 UWB標(biāo)簽2與UWB基站的位置示意Fig.5 Location diagram of UWB label 2 and UWB base station

由圖5可得，UWB標(biāo)簽2與3個(gè)UWB基站之間的投影距離分別為：

根據(jù)三邊定位原理［19］可知，在二維平面直角坐標(biāo)系中，UWB標(biāo)簽2與3個(gè)UWB基站的位置坐標(biāo)之間存在如下關(guān)系：

整理式（2）并將其簡(jiǎn)化為線性方程，用矩陣形式可表示為：

根據(jù)最小二乘原理解得：

聯(lián)立式（1）和式（4）可得：

上述計(jì)算結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)中，UWB標(biāo)簽的定位坐標(biāo)僅跟其與UWB基站的距離以及各UWB基站之間的距離有關(guān)，而UWB基站和UWB標(biāo)簽的安裝高度對(duì)定位結(jié)果沒(méi)有影響。因此，在安裝時(shí)只需要考慮UWB標(biāo)簽與UWB基站之間的距離，并盡量避免非視距誤差（non-line of sight，NLOS）的影響［20］。

2.3 定位坐標(biāo)解算處理

在理想情況下，測(cè)量得到的UWB標(biāo)簽與UWB基站之間的距離沒(méi)有誤差，則可以利用上述公式求得唯一正確的解，即準(zhǔn)確獲取UWB標(biāo)簽的定位坐標(biāo)。但是在實(shí)際環(huán)境下，UWB標(biāo)簽和UWB基站自身的誤差以及其他因素會(huì)引發(fā)一定的測(cè)量誤差，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。在進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理前，應(yīng)先篩除無(wú)效數(shù)據(jù)。設(shè)需要定位的UWB標(biāo)簽i到各UWB基站的單次測(cè)量距離為dAi、dBi和dCi，各UWB基站之間的距離為dAB、dAC和dBC，則有效的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該滿足如下條件：

若本次測(cè)量結(jié)果不滿足式（6），則為無(wú)效數(shù)據(jù)，須進(jìn)行重新測(cè)量。

獲取有效數(shù)據(jù)后，運(yùn)用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以抑制測(cè)量噪聲。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波處理后，利用式（5）編程解算本次UWB標(biāo)簽的定位坐標(biāo)。

在單位時(shí)間間隔內(nèi)，運(yùn)載機(jī)器人的移動(dòng)距離Δd為：

式中：v0為運(yùn)載機(jī)器人的初始速度，m/s；Δt為單位時(shí)間間隔，本文取Δt=1 s。

由于運(yùn)載機(jī)器人的實(shí)際移動(dòng)速度不超過(guò)0.1m/s，定位頻率為1 Hz，若本次定位坐標(biāo)點(diǎn)與前次定位坐標(biāo)點(diǎn)的距離超過(guò)0.1 m，則本次定位坐標(biāo)為突變坐標(biāo)，將其忽略，并取前次定位坐標(biāo)以及單位時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)載機(jī)器人移動(dòng)距離的綜合結(jié)果作為最終坐標(biāo)；若本次定位坐標(biāo)不為突變坐標(biāo)，則取其作為最終坐標(biāo)。UWB標(biāo)簽定位坐標(biāo)解算處理流程如圖6所示。

圖6 UWB標(biāo)簽定位坐標(biāo)解算處理流程Fig.6 Processing flow of UWB label positioning coordinate solution

3 運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略

本文的運(yùn)載機(jī)器人由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)位置式PID（proportion integration differentiation，比例積分微分）算法進(jìn)行閉環(huán)控制。該運(yùn)載機(jī)器人先借助UWB模塊獲得實(shí)時(shí)位置，并與目標(biāo)位置進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算控制誤差；然后，運(yùn)動(dòng)控制單元將控制誤差發(fā)送至PID控制器并計(jì)算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整量，從而調(diào)整2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使機(jī)器人向目標(biāo)位置移動(dòng)，具體控制方法如圖7所示。

圖7 運(yùn)載機(jī)器人閉環(huán)控制方法Fig.7 Closed-loop control method of carrier robot

3.1 基于雙標(biāo)簽定位的運(yùn)動(dòng)模型

所設(shè)計(jì)的運(yùn)載機(jī)器人須搭載護(hù)欄進(jìn)行移動(dòng)，且護(hù)欄的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)半徑?？紤]到機(jī)器人運(yùn)載護(hù)欄的特殊性，同時(shí)為了簡(jiǎn)化控制問(wèn)題，將運(yùn)載機(jī)器人與護(hù)欄視作一個(gè)整體，則其運(yùn)動(dòng)模型可看作：以2個(gè)UWB標(biāo)簽為端點(diǎn)的線段T1T2（長(zhǎng)度為L(zhǎng)）從線段DE向線段FG處水平移動(dòng)，如圖8所示。其中，運(yùn)載機(jī)器人的中心H'為線段T1T2的中點(diǎn)，機(jī)器人從點(diǎn)H沿平移基準(zhǔn)軌跡HI移動(dòng)到點(diǎn)I。在移動(dòng)過(guò)程中，點(diǎn)I在線段T1T2上的垂直投影點(diǎn)為I'。

圖8 運(yùn)載機(jī)器人搭載護(hù)欄時(shí)的運(yùn)動(dòng)模型示意Fig.8 Schematic diagram of motion model of carrier robot carrying guardrail

由圖8可知，運(yùn)載機(jī)器人的位姿可以表示為：

式中：xH′、yH′分別為運(yùn)載機(jī)器人中心H'的橫、縱坐標(biāo)；θ為線段T1T2與水平方向的夾角，即運(yùn)載機(jī)器人的姿態(tài)角。

假設(shè)在運(yùn)載機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程中，2個(gè)UWB標(biāo)簽的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)，目標(biāo)位置I的坐標(biāo)為(xI，yI)，則運(yùn)載機(jī)器人中心H'的坐標(biāo)為：

運(yùn)載機(jī)器人的姿態(tài)角θ為：

3.2 運(yùn)動(dòng)控制策略

在理想情況下，搭載護(hù)欄的運(yùn)載機(jī)器人沿著基準(zhǔn)軌跡HI平行移動(dòng)至線段FG所在車道線處。但在實(shí)際道路環(huán)境下，由于地面凹凸不平或存在沙石等障礙物，運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)偏離預(yù)設(shè)軌跡，需要及時(shí)調(diào)整。

在運(yùn)送護(hù)欄的過(guò)程中，為避免相鄰運(yùn)載機(jī)器人之間相互影響，設(shè)以基準(zhǔn)軌跡HI為中心的偏差允許區(qū)間作為合理的橫向位移范圍，如圖9所示。圖中：Tn，1、Tn，2為第n個(gè)運(yùn)載機(jī)器人上2個(gè)UWB標(biāo)簽的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。偏差允許區(qū)間長(zhǎng)度l的計(jì)算公式為：

圖9 運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)行偏差允許區(qū)間示意Fig.9 Schematic diagram of allowable operation deviation range of carrier robot

式中：W為相鄰運(yùn)載機(jī)器人上UWB標(biāo)簽的間距，m；Rinf為UWB模塊不受影響的范圍，m。

鑒于UWB模塊周圍0.3 m內(nèi)不能有干擾，則Rinf≥0.3m。同時(shí)，相鄰運(yùn)載機(jī)器人上UWB標(biāo)簽的間距不超過(guò)0.8 m，即W≤0.8m。由此可得，偏差允許區(qū)間長(zhǎng)度l∈[0，0.20]m。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，本文取l=0.18 m。

在啟動(dòng)運(yùn)載機(jī)器人時(shí)，設(shè)其左、右2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的初始速度均為v0。如圖10（a）所示，當(dāng)運(yùn)載機(jī)器人位于偏差允許區(qū)間內(nèi)，即時(shí)，其控制策略為：根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)變化調(diào)整其左、右輪的速度，以保持機(jī)器人水平前進(jìn)，直至到達(dá)以點(diǎn)I為中心、長(zhǎng)度為l和寬度為d的矩形范圍內(nèi)，d∈(0，0.1)m。在運(yùn)載機(jī)器人水平前進(jìn)的過(guò)程中，當(dāng)T1與T2在y方向上的坐標(biāo)差不超過(guò)0.1 m（即Δy∈[0，0.1]m）時(shí)，運(yùn)載機(jī)器人的姿態(tài)角，其左、右輪繼續(xù)以初始速度前進(jìn)；否則左、右輪的速度按式（12）進(jìn)行調(diào)整：

式中：vL為左輪速度，m/s；vR為右輪速度，m/s；LT1I'為線段T1I'的長(zhǎng)度，m；LI'T2為線段I'T2的長(zhǎng)度，m。

圖10 運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制示意Fig.10 Schematic diagram of motion control for carrier robot

當(dāng)運(yùn)載機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置后，根據(jù)其當(dāng)前的姿態(tài)角進(jìn)行原地調(diào)整，以回到水平姿態(tài)。運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制流程如圖11所示。

圖11 運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制流程Fig.11 Motion control flow of carrier robot

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于南通天承光電科技有限公司外的矩形（22 m×13 m）停車場(chǎng)內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)停有多種車型的車輛，可模擬實(shí)際道路環(huán)境。如圖12所示，在定位區(qū)域內(nèi)布設(shè)3個(gè)UWB基站，其投影點(diǎn)坐標(biāo)分別為A'(0，0)m、B'(0，10)m、C'(20，10)m。各基站的安裝高度均為3 m，UWB標(biāo)簽的安裝高度為1.5 m，同時(shí)保證UWB基站與UWB標(biāo)簽之間可視且無(wú)遮擋。在該環(huán)境下對(duì)運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，開展靜態(tài)定位測(cè)試和運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。

圖12 運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地Fig.12 Experimental site for functional test of carrier robot system

4.2 靜態(tài)定位測(cè)試

運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制依賴于其位姿信息，而其位姿由雙UWB標(biāo)簽定位得到，因此單個(gè)UWB標(biāo)簽的定位精度對(duì)整個(gè)運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)至關(guān)重要。整個(gè)系統(tǒng)定位精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)為UWB標(biāo)簽的解算坐標(biāo)點(diǎn)與其真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)之間的直線距離，即定位誤差ei，表示為：

式中：xa、ya分別為測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)橫、縱坐標(biāo)，m；xi、yi分別為測(cè)量點(diǎn)的解算橫、縱坐標(biāo)，m。

在理想情況下，解算坐標(biāo)點(diǎn)與真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)重合，即ei=0 m；ei越小表示解算坐標(biāo)點(diǎn)與真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)越接近。

在進(jìn)行靜態(tài)定位測(cè)試時(shí)，將UWB標(biāo)簽1放置在(10.5，2.5)m處，UWB標(biāo)簽2放置在(12.5，2.5)m處，分別在2 d內(nèi)的4個(gè)不同時(shí)段采集靜態(tài)定位數(shù)據(jù)，每次采集200組數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz，結(jié)果如圖13所示。

圖13 UWB定位系統(tǒng)靜態(tài)定位測(cè)試結(jié)果Fig.13 Static positioning test results of UWB positioning system

從圖13中可以看出，通過(guò)解算得到的各UWB標(biāo)簽的定位坐標(biāo)受測(cè)量距離噪聲波動(dòng)的影響，均在真實(shí)坐標(biāo)附近小范圍內(nèi)發(fā)散。將解算得到的各UWB標(biāo)簽的定位坐標(biāo)代入式（13），計(jì)算得到各UWB標(biāo)簽的定位誤差，其平均定位誤差和最大定位誤差如表1所示。

表1 UWB定位系統(tǒng)的靜態(tài)定位誤差Table 1 Static positioning error of UWB positioning system

由表1可知，在不同時(shí)段的靜態(tài)定位測(cè)試中，2個(gè)UWB標(biāo)簽的平均定位誤差不超過(guò)0.03 m，最大定位誤差不超過(guò)0.07 m。由此可得，本文所設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)雖存在一定的偏差和噪聲，但其重復(fù)定位精度在0.10 m以內(nèi)，滿足運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)在室外運(yùn)行時(shí)的高精度定位要求。

4.3 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

單個(gè)搭載護(hù)欄的運(yùn)載機(jī)器人實(shí)物如圖14所示。當(dāng)完成運(yùn)載機(jī)器人控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)后，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證該機(jī)器人能完成基本行走、遠(yuǎn)程通信和運(yùn)動(dòng)控制，具有良好的可操控性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能進(jìn)行測(cè)試。首先，將運(yùn)載機(jī)器人中心分別放置于起始位置(10，1)m處和目標(biāo)位置(10，5)m處，對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的初始參數(shù)。然后，將運(yùn)載機(jī)器人中心放到起始位置處，使其以0.05 m/s的初始速度向目標(biāo)位置移動(dòng)，采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各UWB標(biāo)簽的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，用于計(jì)算機(jī)器人中心的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，并對(duì)比其實(shí)際運(yùn)行軌跡與預(yù)設(shè)軌跡，結(jié)果如圖15所示。

圖14 搭載護(hù)欄的運(yùn)載機(jī)器人實(shí)物Fig.14 Physical object of carrier robot carrying guardrail

圖15 運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Experimental results of motion control of carrier robot

圖15（a）所示為運(yùn)載機(jī)器人在起止位置之間作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡對(duì)比。由該圖可以看出，在運(yùn)載機(jī)器人自主運(yùn)行過(guò)程中，其實(shí)際運(yùn)行軌跡與預(yù)設(shè)軌跡略有偏差，但在預(yù)設(shè)軌跡左右小范圍內(nèi)波動(dòng)，其中x方向的最大偏差不超過(guò)0.08 m，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制算法，該運(yùn)載機(jī)器人可保持水平直線前進(jìn)；在y方向上，實(shí)際停止位置與目標(biāo)位置的偏差不超過(guò)0.10 m。如圖15（b）所示，在運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)行時(shí)通過(guò)人工干預(yù)強(qiáng)制其發(fā)生偏移，以模擬不良道路環(huán)境。由該圖可以看出，當(dāng)運(yùn)載機(jī)器人發(fā)生偏移后，其能在運(yùn)動(dòng)控制算法作用下及時(shí)自主調(diào)整，回到正常的運(yùn)行軌跡中。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制算法能較好地完成對(duì)運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)載機(jī)器人的軌跡出現(xiàn)了一定程度的偏移；在機(jī)器人進(jìn)行偏移調(diào)整時(shí)，有時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，后續(xù)應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化PID控制參數(shù)，完善相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制算法，從而達(dá)到更好的效果。

5 結(jié) 論

面向城市潮汐車道、路口借道左轉(zhuǎn)和其他需要設(shè)置可變車道的交通場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種可以運(yùn)載護(hù)欄的機(jī)器人系統(tǒng)。采用UWB技術(shù)設(shè)計(jì)了一種適用于室外道路環(huán)境的高精度定位系統(tǒng)，通過(guò)UWB雙標(biāo)簽定位法計(jì)算了運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的位姿，并分析了搭載護(hù)欄的運(yùn)載機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)而提出了其運(yùn)動(dòng)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)的重復(fù)定位精度可達(dá)0.07 m左右，運(yùn)載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制符合預(yù)期。本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)載機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化水平較高，在不良路面環(huán)境下可自適應(yīng)調(diào)整，能為可變車道的智能化控制提供新思路。