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工程设计学报
工程设计学报  2022, Vol. 29 Issue (2): 123-132    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.032
设计理论与方法     
4WID-4WIS智能车阿克曼转向轨迹规划及位置估算
时培成1(),陈旭1,杨爱喜2,章亮1
1.安徽工程大学 汽车新技术安徽省工程技术研究中心，安徽 芜湖 241000
2.浙江大学 工程师学院，浙江 杭州 310000
Ackerman steering trajectory planning and position estimation of 4WID-4WIS intelligent vehicle
Pei-cheng SHI1(),Xu CHEN1,Ai-xi YANG2,Liang ZHANG1
1.Anhui Engineering Technology Research Center of Automotive New Technology，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China
2.Polytechnic Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310000，China
 全文: PDF(3293 KB)   HTML
摘要：

针对四轮独立驱动与四轮独立转向（four-wheel independent drive and four-wheel independent steering, 4WID-4WIS）智能车的转向行驶工况，基于阿克曼转向原理，提出一种利用三阶贝塞尔曲线进行轨迹规划的新方法。首先，采用最优函数获取一条满足智能车初始状态约束、目标状态约束和曲率连续约束且曲率差值最小的最优轨迹。然后，提出一种位置估算算法，即基于惯性导航系统测量的航向角和编码器的脉冲数对智能车的位置增量进行计算，从而估算其行驶时的位置，并推算运行轨迹的长度。最后，在MATLAB软件中对所规划的智能车轨迹进行仿真计算，并在实车试验平台上验证轨迹规划方法和位置估算算法的合理性和可行性。结果表明，4WID-4WIS智能车能够按规划的轨迹行驶到给定终点，其横向位置估算误差为0.19%，纵向位置估算误差为0.20%，运行轨迹长度推算误差为0.22%；相比于其他里程计算法、测距法等单一算法，所提出的位置估算算法的精度高，可为其他移动机器人的轨迹规划和位置估算提供参考。
关键词： 四轮独立驱动与四轮独立转向（4WID-4WIS）;  阿克曼转向;  贝塞尔曲线;  轨迹规划    
Abstract:

Aiming at the steering driving conditions of four-wheel independent drive and four-wheel independent steering (4WID-4WIS) intelligent vehicles, a new method for trajectory planning using third-order Bézier curve was proposed based on the Ackerman steering principle. Firstly, an optimal trajectory with minimum curvature difference was obtained by using the optimal function, which met the initial state constraints and target state constraints of intelligent vehicle and the curvature continuity constraints. Then, a position estimation algorithm was proposed, which calculated the position increment of intelligent vehicle based on the navigation angle measured by the inertial navigation system and the pulse number of encoder, so as to estimate its position during driving and calculate the driving trajectory length. Finally, the planned intelligent vehicle trajectory was simulated in the MATLAB software, and the rationality and feasibility of the trajectory planning method and position estimation algorithm were verified on the real vehicle test platform. The results showed that the 4WID-4WIS intelligent vehicle could drive to the given end point according to the planned trajectory, and its lateral position estimation error was 0.19%, the longitudinal position estimation error was 0.20% and the driving trajectory length calculation error was 0.22%; compared with other single algorithms such as mileage calculation method and ranging method, the proposed position estimation algorithm had high precision, which can provide reference for trajectory planning and position estimation of other mobile robots.
Key words: four-wheel independent drive and four-wheel independent steering (4WID-4WIS)    Ackerman steering    Bézier curve    trajectory planning
收稿日期: 2021-07-14 出版日期: 2022-05-06
CLC:  TH 721  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51575001);安徽省重点研究与开发计划项目(202104a05020003);安徽省发展和改革委员会支持研发创新类项目(［2020］479)
作者简介: 时培成（1976—），男，安徽六安人，教授，博士，从事智能网联汽车、汽车/机械系统动力学等研究，E-mail：shipeicheng@126.com，https：//orcid.org/0000-0003-1533-8154
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时培成
陈旭
杨爱喜
章亮

引用本文:

时培成,陈旭,杨爱喜,章亮. 4WID-4WIS智能车阿克曼转向轨迹规划及位置估算[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 123-132.

Pei-cheng SHI,Xu CHEN,Ai-xi YANG,Liang ZHANG. Ackerman steering trajectory planning and position estimation of 4WID-4WIS intelligent vehicle[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(2): 123-132.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.032    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I2/123

图1  三阶贝塞尔曲线示意
图2  基于三阶贝塞尔曲线的智能车轨迹规划示意
图3  改变控制点P2所得的4WID-4WIS智能车轨迹规划仿真结果
图4  改变控制点P1所得的4WID-4WIS智能车轨迹规划仿真结果
图5  同时改变控制点P1、P2所得的4WID-4WIS智能车轨迹规划仿真结果
寻优方式曲率差值4个控制点的坐标/m
P2纵坐标寻优0.046 3

（0, 0），（10, 0），

（20, 9），（20, 30）

P1横坐标寻优0.045 6

（0, 0），（13, 0），

（20, 15），（20, 30）

P1、P2坐标同时寻优0.045 2

（0, 0），（13, 0），

（20, 16），（20, 30）
表1  4WID-4WIS智能车最优轨迹控制点仿真结果对比
图6  4WID-4WIS智能车的阿克曼转向模型
图7  4WID-4WIS智能车轨迹推算原理
图8  4WID-4WIS智能车实物
参数数值
前、后驱动轮轴距W/m0.580
左、右侧驱动轮轮距D/m0.498
轮毂电机半径/m0.233
编码器旋转一周的脉冲数N4 096
惯性导航系统精度/（°）0.05
表2  4WID-4WIS智能车的参数
图9  4WID-4WIS智能车运行过程中的航向角和脉冲数
图10  4WID-4WIS智能车轨迹推算结果
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