CN118897557A - 一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，涉及路径跟随技术领域。该地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，包括以下步骤：获取质心位置；获取最短距离值；获取稳定性评估指标。本发明通过实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置，然后实时获取移动机器人在移动过程中的最短距离值并判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，最后获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度以获取稳定性评估指标，达到了提高移动机器人路径跟随控制时效性的效果，解决了现有技术中存在移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

Description

一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法

技术领域

本发明涉及路径跟随技术领域，尤其涉及一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法。

背景技术

随着技术的不断成熟，移动机器人的智能化水平不断提高，其应用场景也越来越丰富。路径跟随技术是移动机器人实现自主导航和智能决策的核心环节。它决定了机器人在复杂环境中如何安全、高效地完成既定任务。当前，路径规划技术已经取得了显著的进步，包括全局路径规划和局部路径规划的结合。其次，随着物联网和5G等技术的发展，移动机器人将能够实时获取并处理大量的环境信息，实现动态路径规划。然而，现实世界的环境往往是复杂且动态变化的，随着环境复杂度的增加，路径跟随问题的计算量也会急剧上升。因此，如何在保证路径跟随精度的同时提高计算效率，是一个需要解决的重要问题。

现有的移动机器人路径跟随控制方法通过在移动机器人的工作区域内放置路标定位器并依次搜寻路标定位器在预设区域内发送的远距离信号，然后以时间为横坐标，以远距离为纵坐标，生成虚拟坐标系，最后根据虚拟坐标系上的曲线轨迹控制移动机器人的运动轨迹并进行路径追踪，实现了地面移动机器人运动轨迹的准确追踪。

例如公告号为：CN115826590B的发明专利公告的一种自适应参数的移动机器人局部路径规划方法及系统，包括：在速度空间内采样，得到多组速度集合；对每一组速度集合进行轨迹预测，得到预测轨迹；通过预设的轨迹评价模型对预测轨迹进行评价，并通过调整轨迹评价模型中的参数，对路径进行规划，得到最优路径。

例如公告号为：CN107703948B的发明专利公告的基于自适应动态窗口的移动机器人局部动态路径规划方法，包括：计算动态范围阈值，判断是否进入密集障碍物区域，当判断为进入密集障碍物区域时，计算线速度的动态权值；计算障碍物的间距，并判断能否穿越密集障碍物区域，当判断为能够穿过密集障碍物区域时，搜索备选速度空间，得到不发生碰撞时的允许速度；将动态权值以及允许速度代入目标函数中，通过目标函数得到最优速度组合作为机器人运行的速度；执行最优速度，判断是否到达目标点，若判断为到达则结束让机器人停止移动，若否则回到第一步，重新开始后续步骤。

但本申请在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

现有技术中，工作区域中的障碍物使得路标定位器发送的远距离信号失真，导致虚拟坐标系上的位置信息不准确从而引发偏离预定路径或碰撞的风险，存在移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题，实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高。

本申请实施例提供了一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，包括以下步骤：S1，实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置；S2，实时获取移动机器人在移动过程中与障碍物区域中障碍物的最短距离值，同时根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，若不执行，则调整转动轮的最高转动线速度和最高转动角速度直至执行穿越障碍物区域；S3，获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度，同时根据最大允许速度调整移动机器人的转动轮在移动过程中的额定转速以获取稳定性评估指标，所述稳定性评估指标用于量化移动机器人在调整速度过程中的稳定性。

进一步的，所述质心位置的具体限制表达式为：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的质心位置，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的横坐标，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的纵坐标，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的转动角度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的移动中心与质心之间的距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度指令，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度指令，表示移动机器人转动轮的半径，表示移动机器人左右转动轮之间的距离；所述移动中心为移动机器人在移动过程中左转动轮的中心点与右转动轮的中心点连线的中心位置；所述移动速度指令和旋转速度指令为PID速度控制器发出的控制信号。

进一步的，所述获取质心位置，之后还包括：实时监测移动机器人在移动过程中质心位置的变化情况并结合参考质心位置获取质心位置偏移率，同时结合转动轮的地面摩擦程度获取路径准确度评估值，所述质心位置偏移率为移动二维坐标系上的质心位置与参考质心位置的距离差值，所述路径准确度评估值用于评估移动机器人在接收到控制信号后移动路径的准确程度；所述路径准确度评估值通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的路径准确度评估值，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的质心位置偏移率，表示第t个预设时间段内的移动机器人的左转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的右转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度，表示参考旋转角度。

进一步的，所述获取路径准确度评估值，之后还包括：步骤一，根据路径准确度评估值的数值变化情况判断是否执行调整PID速度控制器的控制参数，若不执行，则表明移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同，所述控制参数包括转动轮的驱动力、控制增益和滤波器的介质频率；步骤二，在PID速度控制器的控制参数调整后，重新监测移动机器人在预设时间段内的移动过程直至移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同。

进一步的，所述根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域的具体流程为：当最短距离值大于动态距离阈值时，则执行穿越障碍物区域，当最短距离值不大于动态距离阈值时，则不执行穿越障碍物区域，同时根据转动轮的额定转速对转动轮的最高转动速度进行调整直至对应的最短距离值大于动态距离阈值；所述动态距离阈值的具体限制表达式为：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内的动态距离阈值，表示移动机器人在第t个预设时间段内与障碍物区域的垂直距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角加速度。

进一步的，所述稳定性评估指标通过以下方法获取：获取速度调整响应时间和加速度波动幅度并结合对应的参考值得到稳定性评估指标，所述速度调整响应时间包括线速度调整响应时间和角速度调整响应时间，所述线速度调整响应时间为额定线速度调整到最大允许线速度所需要的时间段，所述角速度调整响应时间为额定角速度调整到最大允许角速度所需要的时间段，所述加速度波动幅度为加速度传感器在预设时间段内实时测量的最大加速度与最小加速度的差值。

进一步的，所述稳定性评估指标通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的稳定性评估指标，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的线速度调整响应时间，表示线速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的角速度调整响应时间，表示角速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的加速度波动幅度，表示加速度参考波动幅度。

进一步的，所述获取稳定性评估指标，之后还包括：实时监测移动机器人在移动过程中的速度阈值，同时结合稳定性评估指标划分速度区间，通过PID速度控制器实时控制速度区间内移动机器人的移动速度，所述速度阈值为移动机器人在移动过程中的最大移动速度与最小移动速度的差值，所述实时控制用于自动调整移动机器人的移动速度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、通过实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置，然后实时获取移动机器人在移动过程中的最短距离值并判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，最后获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度以获取稳定性评估指标，从而实现了质心位置实时监测准确性和效率的提高，进而实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

2、通过路径准确度评估值的数值变化情况判断是否执行调整PID速度控制器的控制参数，若不执行，则表明移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同，同时在PID速度控制器的控制参数调整后，重新监测移动机器人在预设时间段内的移动过程直至移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同，从而实现了路径准确度评估值获取准确性的提高，进而实现了移动机器人实际移动路径的更精准调整。

3、通过获取移动机器人在移动过程中的制动参数并根据障碍物位置获取最大制动距离，同时实时记录最长制动时间以获取最小制动速度，然后在最长制动时间范围内实时监测移动机器人接触障碍物区域时开始制动的时间与制动结束后的时间获取最短制动距离和最短制动时间，最后结合制动距离获取最大允许速度，从而实现了移动机器人制动过程实时监测准确性的提高，进而实现了最大允许速度获取准确性和可靠性的提高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的最大允许速度的获取流程图；

图3为本申请实施例提供的移动机器人移动速度的实时控制流程图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题，通过实时监测障碍物区域和非障碍物区域内移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置，然后实时获取移动机器人在移动过程中与障碍物区域中障碍物的最短距离值，同时根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，若不执行，则调整转动轮的最高转动线速度和最高转动角速度直至执行穿越障碍物区域，最后获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大不接触速度和最大制动速度，同时根据最大允许速度调整移动机器人的转动轮在移动过程中的额定转速以获取稳定性评估指标，实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高。

本申请实施例中的技术方案为解决上述移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题，总体思路如下：

通过实时监测移动机器人的转动轮的移动速度和旋转速度以获取质心位置，然后实时获取移动机器人在移动过程中的最短距离值并判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，最后获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度以获取稳定性评估指标，达到了提高移动机器人路径跟随控制时效性的效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法的流程图，该方法包括以下步骤：S1，实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置，预设移动区域包括障碍物区域和非障碍物区域，移动机器人在二维移动坐标系上，二维移动坐标系中的原点为移动机器人的质心，转动轮包括左转动轮和右转动轮，左转动轮和右转动轮具有相同的移动速度和旋转速度，移动速度和旋转速度受路径跟随控制器控制；S2，实时获取移动机器人在移动过程中与障碍物区域中障碍物的最短距离值，同时根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，若不执行，则调整转动轮的最高转动线速度和最高转动角速度直至执行穿越障碍物区域，动态距离阈值为移动机器人在预设时间段内移动过程中执行穿越障碍物区域的判断条件；S3，获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度，同时根据最大允许速度调整移动机器人的转动轮在移动过程中的额定转速以获取稳定性评估指标，最大允许速度包括最大不接触速度和最大制动速度，最大不接触速度为不接触碰撞障碍物轨迹的速度，最大制动速度为移动机器人在穿越障碍物区域时可以立刻制动停下的速度，额定转速包括额定线速度和额定角速度，稳定性评估指标用于量化移动机器人在调整速度过程中的稳定性。

其中，质心位置的具体限制表达式为：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的质心位置，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的横坐标，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的纵坐标，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的转动角度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的移动中心与质心之间的距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度指令，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度指令，表示移动机器人转动轮的半径，表示移动机器人左右转动轮之间的距离；移动中心为移动机器人在移动过程中左转动轮的中心点与右转动轮的中心点连线的中心位置；移动速度指令和旋转速度指令为PID速度控制器发出的控制信号。

在本实施例中，通过实时监测移动速度和旋转速度，并结合这些信息来计算移动机器人的质心位置，使得路径跟随控制器控制能够准确了解机器人当前的状态，提高了机器人对自身位置和姿态的感知能力，其中，路径跟随控制器集成在移动机器人的控制单元中，转动角度是相对于二维移动坐标系上x轴的角度；通过实时获取与障碍物的最短距离，并根据这个距离判断是否执行穿越障碍物区域的操作，同时通过动态调整距离阈值，移动机器人能够实时应对障碍物环境，提高路径跟随的效率和安全性；额定线速度通过预设数据库中的历史转动轮最大线速度求和平均后的结果表示，额定角速度通过预设数据库中的历史转动轮最大角速度求和平均后的结果表示，在穿越障碍物区域时，通过最大不接触速度和最大制动速度实时调整转动轮的额定线速度和额定角速度，有助于在保证机器人稳定运动的同时，最大限度地提高移动效率，实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高。

需要理解的是，转动线速度通过速度传感器实时测量，转动角速度通过角速度传感器实时测量，转动角度通过角度传感器实时测量，移动速度指令和旋转速度指令为移动机器人在预设时间段内移动之前由PID速度控制器赋予的移动设定值，通过移动速度指令和旋转速度指令实时改变质心位置的运动轨迹，从而适应不同路径和障碍物环境，实现了质心位置实时监测准确性和可靠性的提高，进而实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

进一步的，获取质心位置，之后还包括：实时监测移动机器人在移动过程中质心位置的变化情况并结合参考质心位置获取质心位置偏移率，同时结合转动轮的地面摩擦程度获取路径准确度评估值，质心位置偏移率为移动二维坐标系上的质心位置与参考质心位置的距离差值，路径准确度评估值用于评估移动机器人在接收到控制信号后移动路径的准确程度；路径准确度评估值通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的路径准确度评估值，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的质心位置偏移率，表示第t个预设时间段内的移动机器人的左转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的右转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度，表示参考旋转角度。

在本实施例中，参考质心位置为移动机器人在预设时间段内移动过程中的移动中心，质心位置偏移率直接反映了移动机器人在移动过程中与参考路径的偏离程度，质心位置偏移率越小，对应的移动机器人实际移动路径与参考路径之间的偏差就越小。在复杂多变的移动环境中，如地面不平整、障碍物突然出现，移动机器人的质心位置可能会受到显著影响，本实施例通过实时监测质心位置变化，使移动机器人能够快速响应环境变化，动态调整其运动状态，提高路径控制的智能化和自适应能力，从而提升机器人的稳定性和安全性。

参考旋转角度通过预设数据库中的历史转动轮旋转角度求和平均后的结果表示；移动速度和旋转速度通过移动机器人转动轮上的速度传感器实时测量；需要理解的是，质心位置偏移率也间接影响着移动机器人在移动过程中移动速度的取值，当质心位置偏移率减小时，说明移动机器人当前移动路径接近参考路径，此时，PID速度控制器可能会允许机器人以较快的移动速度（即增加移动速度指令）前进，以提高作业效率，相反，当质心位置偏移率增大时，PID速度控制器可能会降低移动速度（即减小移动速度指令），以便更精确地调整机器人的位置。假设移动机器人在一个复杂的室内环境中执行导航任务，其参考路径是沿着走廊直线前进，在移动过程中，如果由于地面不平或障碍物干扰导致质心位置偏移率增大，PID速度控制器会立即检测到这一变化，立即减小移动速度，并调整转动轮的旋转速度，使机器人能够平稳地回到参考路径上。

需要注意的是，移动机器人在移动过程中转动轮与预设移动区域的接触面的地面摩擦力不为0，因此在路径准确度评估值的计算过程中不考虑参考值的影响；通过扭矩传感器实时测量左转动轮所在预设移动区域位置的扭矩力，将扭矩力与左转动轮本身的摩擦系数相乘得到左转动轮的地面摩擦程度，通过扭矩传感器实时测量右转动轮所在预设移动区域位置的扭矩力，将扭矩力与右转动轮本身的摩擦系数相乘得到右转动轮的地面摩擦程度右转动轮的地面摩擦程度，其中，左转动轮本身的摩擦系数和右转动轮本身的摩擦系数由移动机器人生产厂家设定，例如，当转动轮表面为橡胶材质，对应的摩擦系数为0.6-0.8，当转动轮表面为聚氨酯材质，对应的摩擦系数为0.7-0.9。

具体的，为了简化分析，定义，，，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度系数，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度系数，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转角度系数，简化后路径准确度评估值的计算公式为：，路径准确度评估值的变化统计表如表1所示：

表1 路径准确度评估值的变化统计表

左转轮地面摩擦程度M1t	右转轮地面摩擦程度M2t	移动速度系数U1	旋转速度系数U2	旋转角度系数U3	路径准确度评估值WUt
						0.21	0.23	0.43	0.19	0.49	0.675
0.33	0.18	0.39	0.25	0.32	0.672
						0.17	0.11	0.58	0.10	0.21	0.729
0.08	0.29	0.26	0.33	0.53	0.668
						0.19	0.14	0.15	0.29	0.13	0.784
......	......	......	......	......	......

需要理解的是，路径准确度评估值随着左转轮地面摩擦程度、右转轮地面摩擦程度、移动速度系数、旋转速度系数和旋转角度系数的增大而减小，当，且时，这时若左转轮地面摩擦程度和右转轮地面摩擦程度越小，对应的移动机器人在接收到移动速度指令和旋转速度指令后的实际移动路径与参考路径之间的偏差最小，其中，参考路径为预设人员在移动机器人移动之前设定的路径，需要注意的是，这里不考虑理想情况（理想情况指的是移动机器人的左转轮地面摩擦程度和右转轮地面摩擦程度等于0）。

具体的，地面摩擦程度也间接影响着转动轮旋转角度的取值，摩擦程度较小的地面可能允许转动轮以更快的速度旋转，相反，在摩擦程度较大的地面上，转动轮需要更大的扭矩来克服摩擦力，这可能导致旋转速度减慢，但旋转角度的精度可能更高。通过考虑地面摩擦程度对转动轮旋转角度的影响，使得移动机器人能够更好地适应不同的地面环境，无论是光滑的瓷砖地面还是粗糙的砂石路面，机器人都能够通过调整控制参数来保持稳定的性能和准确的旋转角度，这种增强的环境适应性使得机器人在更广泛的应用场景中都能发挥出色的性能。

尽管在摩擦程度较大的地面上，转动轮的旋转速度可能受到限制，但本实施例通过优化控制算法和传感器反馈机制，能够确保旋转角度的精确控制，这意味着机器人能够按照预定的路径和角度进行精确的转向和定位，进而实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

进一步的，获取路径准确度评估值，之后还包括：步骤一，根据路径准确度评估值的数值变化情况判断是否执行调整PID速度控制器的控制参数，若不执行，则表明移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同，控制参数包括转动轮的驱动力、控制增益和滤波器的介质频率；步骤二，在PID速度控制器的控制参数调整后，重新监测移动机器人在预设时间段内的移动过程直至移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同。

在本实施例中，比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd为PID速度控制器（Proportion Integration Differentiation Controller）中的三个控制增益参数，通过调整比例增益可以影响控制器对误差的即时反应速度，例如，当移动速度小于移动速度指令时，则需要增加Kp来增加移动速度直至移动速度等于移动速度指令；通过积分增益Ki来减小移动速度与移动速度指令之间的偏差（如移动速度与移动速度指令之差的绝对值），当移动速度小于移动速度指令时，通过增加微分增益Kd用于预测偏差的变化趋势，实现了偏差的更及时修正；当移动速度小于移动速度指令时，通过增加转动轮的驱动力增加机器人的移动速度直至等于移动速度指令，从而影响其跟踪路径的准确性，实现了移动机器人的实际移动路径的更精准定位。

进一步的，根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域的具体流程为：当最短距离值大于动态距离阈值时，则执行穿越障碍物区域，当最短距离值不大于动态距离阈值时，则不执行穿越障碍物区域，同时根据转动轮的额定转速对转动轮的最高转动速度进行调整直至对应的最短距离值大于动态距离阈值，最高转动速度包括最高转动线速度和最高转动角速度；动态距离阈值的具体限制表达式为：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内的动态距离阈值，表示移动机器人在第t个预设时间段内与障碍物区域的垂直距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动角速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角速度。

在本实施例中，由于移动机器人是在移动过程中对障碍物区域中障碍物的规避，因此移动之前的移动机器人与障碍物区域的垂直距离不为0，其中，垂直距离为移动机器人的移动中心与障碍物区域中心点的距离，动态距离阈值随着垂直距离、最高转动线速度和最高转动角速度的增大而增大，其中，最高转动线速度为转动轮在移动过程中的最大转动线速度，最高转动角速度为转动轮在移动过程中的最大转动角速度，转动线加速度和转动角加速度通过加速度传感器实时测量。

具体的，最短距离值通过以下公式进行计算：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，m为障碍物区域中障碍物的编号，，M为障碍物区域中障碍物的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内与障碍物区域中障碍物之间的最短距离，表示移动机器人在第t个预设时间段内与第m个障碍物区域中障碍物之间的距离，表示移动机器人在第t个预设时间段内与第m+1个障碍物区域中障碍物之间的距离，表示移动机器人在第t个预设时间段内的预设方位角测量点与第m个障碍物区域中障碍物之间的方位角，表示移动机器人在第t个预设时间段内的预设方位角测量点与第m+1个障碍物区域中障碍物之间的方位角；所述预设时间段只包含一个预设方位角测量点。

需要理解的是，当最短距离值不大于动态距离阈值时，则对转动轮的最高转动线速度和最高转动角速度进行调整直至不大于额定线速度和额定角速度，同时调整移动机器人在预设时间段内的预设方位角测量点并通过角度传感器重新实时测量预设方位角测量点与障碍物之间的方位角，然后将调整后的最高转动线速度、最高转动角速度以及重新获取的方位角重新代入最短距离值和动态距离阈值的计算公式中重新计算直至最短距离值大于动态距离阈值。有助于提高移动机器人在障碍物区域内移动的安全性和追踪效率，实现了移动机器人在穿越障碍物区域过程中对障碍物的更精准规避，进而实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

进一步的，如图2所示，为本申请实施例提供的最大允许速度的获取流程图，获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度的具体步骤为：获取移动机器人在移动过程中的制动参数并根据障碍物位置获取最大制动距离，实时记录最长制动时间获取最小制动速度，制动参数包括制动距离和制动时间，最大制动距离为制动距离与移动机器人到达障碍物但不接触障碍物时的距离之和，最长制动时间为移动机器人不接触障碍物时的时间，最小制动速度为最大制动距离与最长制动时间的比值；在最长制动时间范围内实时监测移动机器人接触障碍物区域时开始制动的时间与制动结束后的时间获取最短制动距离和最短制动时间，同时结合制动距离获取最大允许速度，最短制动距离为移动机器人与障碍物区域的直线距离，最短制动时间用于反映移动机器人接收到障碍物区域指令的响应时间，最大允许速度为制动距离与最短制动时间的比值。

在本实施例中，在一个自动化仓库中，移动机器人通过传感器检测到前方通道上突然出现一名工人，并计算工人与机器人的当前距离，同时，机器人根据自身的制动性能（已知的最大制动距离和最短制动时间），预判在工人静止不动时（最理想情况）需要多长时间和多少距离才能安全停下，当机器人确认必须制动以避免碰撞时（即“接触障碍物区域”的时刻），记录此时的时间以及制动结束后的时间，得到最短制动时间（即制动结束后的时间与“接触障碍物区域”时的时间的差值）；最短制动距离可以直接由激光雷达在制动开始前后测量的机器人与工人之间的直线距离差得出。通过上述过程，移动机器人能够动态地计算和调整其制动参数及最大允许速度，从而在保证安全的前提下，尽可能提高运行效率，实现了移动机器人执行穿越障碍物区域过程规避安全性和准确性的提高。

进一步的，获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度，之后还包括：实时获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的安全穿越距离和安全穿越时间，安全穿越距离为移动机器人在穿越障碍物区域过程中与障碍物不接触时的移动距离，安全穿越时间为安全穿越距离对应的时间；获取安全制动速度并作为移动机器人碰撞障碍物时的最短响应速度，安全制动速度为安全穿越距离与安全穿越时间的比值，最短响应速度用于减小移动机器人在穿越障碍物区域过程中与障碍物之间的碰撞损害程度。

在本实施例中，安全制动速度代表了移动机器人在检测到障碍物时能够迅速减速到零所需要的最小速度，通过将安全制动速度设置为机器人的最短响应速度，可以确保机器人在穿越障碍物区域时，一旦检测到碰撞风险，能够立即减速以减小与障碍物之间的碰撞损害程度，在实际应用中，移动机器人还需要考虑自身的动力学特性和制动系统的性能限制，以确保计算出的安全制动速度和最短响应速度在实际中可行，有助于减小移动机器人与障碍物发生碰撞的可能性，实现了路径跟随过程中障碍物信号获取准确性和实时性的提高。

进一步的，稳定性评估指标通过以下方法获取：获取速度调整响应时间和加速度波动幅度并结合对应的参考值得到稳定性评估指标，速度调整响应时间包括线速度调整响应时间和角速度调整响应时间，线速度调整响应时间为额定线速度调整到最大允许线速度所需要的时间段，角速度调整响应时间为额定角速度调整到最大允许角速度所需要的时间段，加速度波动幅度为加速度传感器在预设时间段内实时测量的最大加速度与最小加速度的差值。

其中，稳定性评估指标通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的稳定性评估指标，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的线速度调整响应时间，表示线速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的角速度调整响应时间，表示角速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的加速度波动幅度，表示加速度参考波动幅度。

在本实施例中，线速度调整响应时间为额定线速度调整到最大允许角速度的时间与刚开始调整额定线速度的时间的差值，角速度调整响应时间为额定角速度调整到最大允许角速度的时间与刚开始调整额定角速度的时间的差值，其中，最大允许线速度通过预设数据库中历史时间段内的历史移动线速度最大值求和平均后的结果表示，最大允许角速度通过预设数据库中历史时间段内的历史转动角速度最大值求和平均后的结果表示；当加速度波动幅度减小时，则表明移动机器人在预设时间段内的移动过程更加平稳，反之，则不稳定，但是加速度波动幅度不为0，因为在确保移动机器人稳定移动的同时也需要保证移动机器人对障碍物信号的响应速率，因此移动机器人在预设时间段内不可能一直匀速移动，实现了移动机器人在障碍物区域移动稳定性和响应速率的提高。

为了简化分析，定义，，，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的线速度调整响应系数，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的角速度调整响应系数，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的加速度波动系数，简化后稳定性评估指标的计算公式为：，稳定性评估指标的变化统计表如表2所示：

表2 稳定性评估指标的变化统计表

线速度调整响应系数H1t	角速度调整响应系数H2t	加速度波动系数H3t	稳定性评估指标SUt
				0.21	0.13	0.05	0.810
0.17	0.08	0.16	0.801
				0.23	0.09	0.22	0.747
0.07	0.16	0.14	0.818
				0.11	0.05	0.10	0.869
......	......	......	......

需要理解的是，线速度调整参考响应时间、角速度调整参考响应时间和加速度参考波动幅度为预设数据库中历史速度调整过程中的最小值，即，且，稳定性评估指标随着线速度调整响应时间、角速度调整响应时间和加速度波动幅度的增大而减小，稳定性评估指标随着线速度调整响应系数、角速度调整响应系数和加速度波动系数的增大而减小，线速度调整参考响应时间通过预设数据库中历史时间段内的历史线速度调整时间求和平均后的结果表示，角速度调整参考响应时间通过预设数据库中历史时间段内的历史角速度调整时间求和平均后的结果表示，加速度参考波动幅度通过预设数据库中历史时间段内的历史最大加速度与历史最小加速度的差值，因此，移动机器人在移动过程中的实际值等于最小值时（即，且时），对应的移动机器人在调整速度过程中的稳定性最好。

需要注意的是，线速度调整响应时间和角速度调整响应时间也间接影响着加速度波动幅度的取值，假设一个移动机器人在平坦的地面上以恒定速度直线行驶，突然，它接收到一个需要转弯的信号，此时，如果线速度和角速度的响应时间设置较长（如1秒），移动机器人将逐渐减速并开始转弯，这种平滑的过渡将减少加速度的突然变化，从而降低加速度波动幅度，提高稳定性。如果响应时间设置很短（如0.2秒），移动机器人可能会立即开始减速并迅速改变方向，导致加速度波动幅度增大，特别是在转弯的初始阶段，因为移动机器人需要迅速克服其惯性并改变运动方向。

通过调整响应时间来控制移动机器人减速和转弯的平滑性，减少了加速度的突然变化，从而降低了加速度波动幅度，这种平滑的过渡使得稳定性评估指标更加准确和可靠，其次，对响应时间的精细调整使得机器人能够更精确地按照参考路径行驶，特别是在复杂环境中，能够减少因加速度突变而导致移动机器人偏离路径。相比现有技术中可能存在的接收障碍物信息不及时的问题，本申请实施例通过动态调整响应时间来适应不同的环境和任务需求，机器人能够在保证稳定性的同时更快地感知环境变化并做出相应调整，提高了对障碍物的避让能力和整体路径跟随的可靠性，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

进一步的，如图3所示，为本申请实施例提供的移动机器人移动速度的实时控制流程图，获取稳定性评估指标，之后还包括：实时监测移动机器人在移动过程中的速度阈值，同时结合稳定性评估指标划分速度区间，通过PID速度控制器实时控制速度区间内移动机器人的移动速度，速度阈值为移动机器人在移动过程中的最大移动速度与最小移动速度的差值，速度区间包括加速区间和减速区间，实时控制用于在自动调整移动机器人的移动速度。

在本实施例中，速度区间还包括匀速区间，其中，加速区间：从移动机器人的当前移动速度开始，到基于稳定性评估指标确定的安全加速上限速度（即移动机器人与障碍物不发生碰撞的最大移动速度），这个上限速度应确保机器人在加速过程中保持足够的稳定性；匀速区间：在达到加速上限后，机器人可以保持的稳定速度范围（即不超过最大允许速度的速度范围）；减速区间：从匀速区间的上限开始，到移动机器人需要停止的目标速度。实现了一个基于稳定性评估指标的移动机器人速度控制系统，该系统能够自动调整机器人的移动速度，以确保其在路径跟随过程中都能保持稳定、高效的运行状态。

综上所述，本申请实施例通过实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置，然后实时获取移动机器人在移动过程中的最短距离值并判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，最后获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度以获取稳定性评估指标，从而实现了质心位置实时监测准确性和效率的提高，进而实现了移动机器人路径跟随控制时效性的提高，有效解决了现有技术中移动机器人路径跟随控制中接收障碍物信息不及时的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，实时监测预设移动区域内的移动机器人的转动轮在预设时间段内的移动速度和旋转速度以获取质心位置；

S2，实时获取移动机器人在移动过程中与障碍物区域中障碍物的最短距离值，同时根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域，若不执行，则调整转动轮的最高转动线速度和最高转动角速度直至执行穿越障碍物区域；

S3，获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度，同时根据最大允许速度调整移动机器人的转动轮在移动过程中的额定转速以获取稳定性评估指标，所述稳定性评估指标用于量化移动机器人在调整速度过程中的稳定性。

2.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述质心位置的具体限制表达式为：

；

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的质心位置，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的横坐标，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的纵坐标，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示第t个预设时间段内的移动机器人在二维移动坐标系的转动角度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的移动中心与质心之间的距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度指令，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度指令，表示移动机器人转动轮的半径，表示移动机器人左右转动轮之间的距离；

所述移动中心为移动机器人在移动过程中左转动轮的中心点与右转动轮的中心点连线中心位置；

所述移动速度指令和旋转速度指令为PID速度控制器发出的控制信号。

3.如权利要求2所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述获取质心位置，之后还包括：

实时监测移动机器人在移动过程中质心位置的变化情况并结合参考质心位置获取质心位置偏移率，同时结合转动轮的地面摩擦程度获取路径准确度评估值，所述质心位置偏移率为移动二维坐标系上的质心位置与参考质心位置的距离差值，所述路径准确度评估值用于评估移动机器人在接收到控制信号后移动路径的准确程度；

所述路径准确度评估值通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的路径准确度评估值，表示移动机器人在第t个预设时间段内移动过程中的质心位置偏移率，表示第t个预设时间段内的移动机器人的左转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示第t个预设时间段内的移动机器人的右转动轮所在预设移动区域的地面摩擦程度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的移动速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的旋转速度，表示参考旋转角度。

4.如权利要求3所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述获取路径准确度评估值，之后还包括：

步骤一，根据路径准确度评估值的数值变化情况判断是否执行调整PID速度控制器的控制参数，若不执行，则表明移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同；

步骤二，在PID速度控制器的控制参数调整后，重新监测移动机器人在预设时间段内的移动过程直至移动机器人的实际移动路径与参考路径的方向相同。

5.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述根据最短距离值判断移动机器人是否执行穿越障碍物区域的具体流程为：

当最短距离值大于动态距离阈值时，则执行穿越障碍物区域，否则不执行穿越障碍物区域，同时根据转动轮的额定转速对转动轮的最高转动速度进行调整直至对应的最短距离值大于动态距离阈值；

所述动态距离阈值的具体限制表达式为：

；

式中，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内的动态距离阈值，表示移动机器人在第t个预设时间段内与障碍物区域的垂直距离，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动线速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的最高转动角速度，表示移动机器人的转动轮在第t个预设时间段内的转动角速度。

6.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度的具体步骤为：

获取移动机器人在移动过程中的制动参数并根据障碍物位置获取最大制动距离，结合实时记录的最长制动时间获取最小制动速度；

在最长制动时间范围内实时监测移动机器人接触障碍物区域时开始制动的时间与制动结束后的时间以获取最短制动距离和最短制动时间，同时结合制动距离获取最大允许速度。

7.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的最大允许速度，之后还包括：

实时获取移动机器人执行穿越障碍物区域过程中的安全穿越距离和安全穿越时间；

获取安全制动速度并作为移动机器人碰撞障碍物时的最短响应速度，所述安全制动速度为安全穿越距离与安全穿越时间的比值，所述最短响应速度用于减小移动机器人在穿越障碍物区域过程中与障碍物之间的碰撞损害程度。

8.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述稳定性评估指标通过以下方法获取：

获取速度调整响应时间和加速度波动幅度并结合对应的参考值得到稳定性评估指标，所述速度调整响应时间包括线速度调整响应时间和角速度调整响应时间，所述线速度调整响应时间为额定线速度调整到最大允许线速度所需要的时间段，所述角速度调整响应时间为额定角速度调整到最大允许角速度所需要的时间段，所述加速度波动幅度为加速度传感器在预设时间段内实时测量的最大加速度与最小加速度的差值。

9.如权利要求8所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述稳定性评估指标通过以下公式进行计算：

；

式中，e为自然常数，t为预设时间段的编号，，T为预设时间段的总数量，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的稳定性评估指标，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的线速度调整响应时间，表示线速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的角速度调整响应时间，表示角速度调整参考响应时间，表示移动机器人在第t个预设时间段内速度调整过程中的加速度波动幅度，表示加速度参考波动幅度。

10.如权利要求1所述一种地面自适应轮式移动机器人路径跟随控制方法，其特征在于，所述获取稳定性评估指标，之后还包括：

实时监测移动机器人在移动过程中的速度阈值，同时结合稳定性评估指标划分速度区间，通过PID速度控制器实时控制速度区间内移动机器人的移动速度，所述速度阈值为移动机器人在移动过程中的最大移动速度与最小移动速度的差值，所述实时控制用于自动调整移动机器人的移动速度。