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工程设计学报
工程设计学报  2022, Vol. 29 Issue (2): 237-246    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.025
整机和系统设计     
可变车道隔离护栏运载机器人系统及其控制策略
田为广1(),徐海黎1(),陈妍1,朱倚娴1,刘熙2
1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019
2.南通天承光电科技有限公司，江苏 南通 226100
Variable lane isolation guardrail carrier robot system and its control strategy
Wei-guang TIAN1(),Hai-li XU1(),Yan CHEN1,Yi-xian ZHU1,Xi LIU2
1.School of Mechanical Engineering, Nantong University, Nantong 226019, China
2.Nantong Tiancheng Photoelectric Technology Co. , Ltd. , Nantong 226100, China
 全文: PDF(8208 KB)   HTML
摘要：

城市潮汐交通拥堵问题可通过设置可变车道来解决。针对现有可变车道控制方式单一及智能化程度低等问题，设计了一种移动机器人来运载护栏，以完成车道隔离。为解决室外道路环境下的高精度定位问题，结合实际应用场景，应用超宽带（ultra wide band， UWB）技术设计了无线定位系统以及双标签融合定位法，实现了运载机器人运行过程中的位姿计算。根据运载机器人的位姿信息以及其搭载护栏时的运动模型，设计了相应的运动控制算法，以使机器人在运行过程中完成自主纠偏。此外，运载机器人运行过程中的相关数据通过LoRa（long range radio，远距离无线电）组网与远程服务器交互，实现了远程监控。试验结果表明：所设计的UWB定位系统的重复定位精度为0.07 m左右，能满足室外环境下的高精度定位要求；所设计的运动控制算法能较好地实现运载机器人的运动控制，达到了预期效果。该运载机器人系统能够为可变车道的智能化控制提供参考，具有良好的工程应用前景。
关键词： 可变车道;  运载机器人;  超宽带（UWB）定位;  运动控制;  自主纠偏    
Abstract:

The urban tidal traffic congestion problem can be solved by setting up variable lanes. Aiming at the problem of single control mode and low intelligence of variable lanes, a mobile robot was designed to carry guardrails to complete the lane isolation.In order to solve the high-precision positioning problem in the outdoor road environment, combined with the actual application scenario, a wireless positioning system and double label fusion positioning method were designed by using the ultra wide band (UWB) technology, which realized the position and gesture calculation for the carrier robot during operation. According to the position and gesture information of the carrier robot and its motion model when loading guardrails, the corresponding motion control algorithm was designed to enable the robot to complete the automatic deviation correction during operation.In addition, the relevant data during the carrier robot operation interacted with the remote server through the LoRa (long range radio) networking to realize remote monitoring. The test results showed that the repeated positioning accuracy of the designed UWB positioning system was about 0.07 m, which could meet the requirements of high-precision positioning in the outdoor environment; the designed motion control algorithm could relatively better realize the motion control of the carrier robot and achieve expected effect. The carrier robot system can provide reference for the intelligent control of variable lanes, and has a good engineering application prospect.
Key words: variable lane    carrier robot    ultra wide band (UWB) positioning    motion control    automatic deviation correction
收稿日期: 2021-04-30 出版日期: 2022-05-06
CLC:  TH 39  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(61903204)
通讯作者: 徐海黎     E-mail: twguang945@163.com;87353319@qq.com
作者简介: 田为广（1997—），男，江苏盐城人，硕士生，从事机电系统智能控制与信息处理、嵌入式技术应用研究，E-mail：twguang945@163.com，https：//orcid.org/0000-0001-9060-7284
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田为广
徐海黎
陈妍
朱倚娴
刘熙

引用本文:

田为广,徐海黎,陈妍,朱倚娴,刘熙. 可变车道隔离护栏运载机器人系统及其控制策略[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 237-246.

Wei-guang TIAN,Hai-li XU,Yan CHEN,Yi-xian ZHU,Xi LIU. Variable lane isolation guardrail carrier robot system and its control strategy[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(2): 237-246.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.025    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I2/237

图1  运载机器人系统总体架构
图2  运载机器人搭载护栏时的整体结构
图3  运载机器人控制系统的硬件架构
图4  UWB定位系统坐标系示意
图5  UWB标签2与UWB基站的位置示意
图6  UWB标签定位坐标解算处理流程
图7  运载机器人闭环控制方法
图8  运载机器人搭载护栏时的运动模型示意
图9  运载机器人运行偏差允许区间示意
图10  运载机器人运动控制示意
图11  运载机器人运动控制流程
图12  运载机器人系统功能测试实验场地
图13  UWB定位系统静态定位测试结果
UWB标签真实坐标/m解算坐标（平均值）/m平均定位误差/m最大定位误差/m
标签1(10.5, 2.5)(10.493, 2.516)0.0170.059
标签2(12.5, 2.5)(12.516, 2.482)0.0240.067
表1  UWB定位系统的静态定位误差
图14  搭载护栏的运载机器人实物
图15  运载机器人运动控制实验结果
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