面向原粮入库智能转运车辆的定位与路径规划研究

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为解决平房仓粮食入库时的环境污染问题,提高入库效率,现代粮库建立了原粮集中清理中心,通过全密闭卸粮环境配合除尘设备有效抑制扬尘外溢,解决卸粮环节的污染问题,在清理中心收集净粮后,采用仓栏货车将净食统一转运至各个仓库。仓栏货车在执行转运作业时,一方面需要大量的人力辅助作业,增加了用工成本;另一方面在清理中心装粮和在仓库卸粮时,自动化程度低,时间成本高,入库效率低。为解决上述问题,本文研制了面向原粮入库的智能转运试验车辆,替代仓栏货车,承担粮食转运作业。基于研制的试验车辆,建立了车辆运动学模型,提出了基于网络RTK进行建图与定位的方法,研究了路径规划算法,构建了静态自主导航框架,实现了自主导航功能,为开发粮库转运车辆提供理论和实验依据。本文主要工作如下:(1)搭建试验车辆平台。为了对智能转运车辆的关键技术进行研究,研制了试验车辆,包括线控底盘的选型与匹配、组合导航的标定与数据解析、导航系统软件开发与配置、线控底盘模块和导航模块之间的通讯方式建立等。同时,为了实现对车辆更方便的控制,对比分析了阿克曼模型和自行车模型,建立了智能转运车的运动学模型。(2)建图与定位方法研究。针对粮库场景的环境建模问题,提出了一种基于网络RTK设备建立导航电子地图的方法。为实现将网络RTK输出的大地坐标转换为地图中可使用的平面坐标,分别研究了大地坐标系与ENU坐标系、高斯投影坐标系之间的坐标转换方法。为实现车辆在地图中的实时定位与航向角变换,研究了平面坐标系与地图坐标系的坐标转换方法。最后,基于建立的导航电子地图,对两种坐标转换方法下获得的平面坐标之稳定性和精确性进行对比研究,结果表明,ENU坐标转换方法得到的平面坐标更适合与导航电子地图进行组合定位。(3)路径规划算法研究。首先,为在全局地图中寻找一条从起点到终点的无碰撞路径,基于Matlab软件对Dijstra、BFS及A*算法进行了仿真对比,提出综合性能最优的A*算法作为全局路径规划算法。其次,为保证车辆获取平滑的运动状态,基于广泛应用于小型阿克曼转向结构智能车的TEB算法,对车体尺寸和载重量较大的试验车辆的局部路径规划进行了研究,以获得适合于中大型车辆局部路径规划算法。为此,基于Rviz对TEB算法进行了单独路径规划仿真,基于Gazebo对A*算法与TEB算法相结合的混合路径规划算法进行了仿真分析,验证了TEB算法选择的有效性和合理性。(4)导航框架研究。为实现车辆自主导航功能,基于ROS系统中的Navigation导航框架提出了一种基于网络RTK的定位方法与A*、TEB路径规划算法相结合的静态自主导航框架,并在此框架上测试了路径规划算法的可行性。(5)TEB算法优化分析。针对实车测试时出现的直角转弯反复倒车调整和直行不稳定的现象,通过对影响车辆运动状态的因素进行分析,发现车辆运动状态的平滑性主要取决于TEB算法中时间分辨率的选取。既而,通过大量的实验对比分析,获得了TEB算法在4m*1.6m尺寸车辆上应用时的最优时间分辨率取值区间。针对在实验中发现的车辆直角转弯不降速、从而增大转弯半径和不安全性,提出了一种变速函数和直角转弯区域判断函数相结合的TEB算法调速策略。最后,基于优化后的各项参数,模拟粮库场景的闭环转运流程,验证了提出的静态导航框架在粮库场景的可行性。
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