一种驾驶机器人

1.本技术涉及驾驶机器人技术领域，特别涉及一种驾驶机器人。


背景技术：

2.自动驾驶机器人是指具有自主驾驶车辆行为的机器装置，它可以按照人们给定的指令执行相关驾驶操作，如起步、加速、制动、换道等，也可以通过环境感知实现自主驾车行为，如车道线跟踪、换道、避撞、停车等。
3.现有的驾驶机器人在实际驾驶车辆过程中控制精度较低。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种驾驶机器人，提高了驾驶机器人对目标车辆的控制精度。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种驾驶机器人，该驾驶机器人包括：转向执行机构，用于连接目标车辆的转向机构；油门执行机构，用于连接目标车辆的油门机构；制动执行机构，用于连接目标车辆的制动机构；离合执行机构，用于连接目标车辆的离合机构；档位执行机构，用于连接目标车辆的档位机构；控制机构，与转向执行机构、油门执行机构、制动执行机构、离合执行机构、档位执行机构连接，用于在目标车辆纵向移动时，获取目标车辆的当前速度，并根据当前速度得到目标加速度，并基于目标加速度控制油门执行机构、离合执行机构、制动执行机构和档位执行机构，以使油门执行机构控制油门机构、离合执行机构控制离合机构、制动执行机构控制制动机构和档位执行机构控制档位机构，进而使目标车辆从当前速度切换至目标速度。
6.其中，控制机构包括第一控制模型，控制机构还用于将当前速度输入至第一控制模型，以使第一控制模型利用预设控制率、第一预设矩阵和第二预设矩阵对当前速度进行处理，得到目标加速度并输出。
7.其中，第一控制模型为以下公式：其中，表示目标加速度，x表示当前速度，a表示第一预设矩阵，b表示第二预设矩阵，u表示预设控制率。
8.其中，控制机构还用于获取目标车辆的干扰估计值，利用干扰估计值对目标加速度进行补偿，并基于补偿后的目标加速度控制油门执行机构、离合执行机构、制动执行机构和档位执行机构；其中，干扰估计值是利用干扰观测器采集得到。
9.其中，控制机构还用于在目标车辆横纵向移动时，获取目标车辆的载荷量，并根据载荷量得到车辆对应的当前位移、当前速度和当前加速度；并基于当前位移、当前速度和当前加速度控制油门执行机构、离合执行机构、制动执行机构和档位执行机构，以使油门执行机构控制油门机构、离合执行机构控制离合机构、制动执行机构控制制动机构和档位执行机构控制档位机构，进而使目标车辆完成横纵向移动。
10.其中，控制机构包括第二控制模型，控制机构还用于将载荷量输入至第二控制模型，以使第二控制模型利用质量、阻尼和刚度矩阵对载荷量进行处理，得到当前位移、当前速度和当前加速度。
11.其中，第二控制模型为以下公式：其中，表示当前加速度，表示当前速度，x表示当前位移，p表示载荷量，m表示质量矩阵，c表示阻尼矩阵，k表示刚度矩阵。
12.其中，控制机构还用于在目标车辆横向移动时，获取目标车辆的转向机构的转向数据，并将转向数据模糊化，并对模糊化后的转向数据进行模糊推理，得到模糊量，再对模糊量进行反模糊化得到控制量；根据控制量控制转向执行机构。
13.其中，档位执行机构为多自由度机械臂。
14.其中，油门执行机构、制动执行机构、离合执行机构的角度和长度可调节。
15.区别于现有技术，本技术的驾驶机器人，在目标车辆纵向移动时，获取目标车辆的当前速度，并根据当前速度得到目标加速度，并基于目标加速度控制油门执行机构、离合执行机构、制动执行机构和档位执行机构，以使油门执行机构控制油门机构、离合执行机构控制离合机构、制动执行机构控制制动机构和档位执行机构控制档位机构，进而使目标车辆从当前速度切换至目标速度，以此保证目标车辆能够按照目标速度行驶，提高了驾驶机器人对目标车辆的控制精度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
17.图1是本技术提供的驾驶机器人一实施例的结构示意图；
18.图2是本技术提供的驾驶机器人另一视角的结构示意图；
具体实施方式
19.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
21.参阅图1，图1是本技术提供的驾驶机器人一实施例的结构示意图。该驾驶机器人100包括：转向执行机构10、油门执行机构20、制动执行机构30、离合执行机构40、档位执行机构50和控制机构60。
22.其中，档位执行机构50为多自由度机械臂。
23.其中，油门执行机构20、制动执行机构30、离合执行机构40的角度和长度可调节。
24.其中，转向执行机构10用于连接目标车辆的转向机构。如，转向执行机构10用于对目标车辆的方向盘进行转动，从而完成对目标车辆的方向控制。转向执行机构10可以是转向机械臂，其中，转向机械臂通过齿轮啮合的方式与目标车辆的方向盘连接，以对目标车辆的方向盘进行转动。
25.油门执行机构20用于连接目标车辆的油门机构，如油门踏板。如，油门执行机构20用于对目标车辆的油门进行操控，使目标车辆按照操控进行加油操作。油门执行机构20可以是油门机械腿。其中，油门机械腿的长度以及相应的角度可以调节，以适应不同类型的车辆。
26.制动执行机构30用于连接目标车辆的制动机构。如，制动执行机构30用于对目标车辆的制动进行操控，使目标车辆按照操控进行制动操作。其中，制动执行机构30可以是制动机械腿。其中，制动机械腿的长度以及相应的角度可以调节，以适应不同类型的车辆。
27.离合执行机构40用于连接目标车辆的离合机构，如离合踏板。如，离合执行机构40用于对目标车辆的离合进行操控，使目标车辆按照操控进行踩离合操作。离合执行机构40可以是离合机械腿。其中，离合机械腿的长度以及相应的角度可以调节，以适应不同类型的车辆。
28.档位执行机构50用于连接目标车辆的档位机构。如，档位执行机构50用于在目标车辆运行时对档位机构进行操纵控制，从而完成对目标车辆档位的变换。档位执行机构50可以是换档机械手。
29.控制机构60与转向执行机构10、油门执行机构20、制动执行机构30、离合执行机构40、档位执行机构50连接，用于在目标车辆纵向移动时，获取目标车辆的当前速度，并根据当前速度得到目标加速度，并基于目标加速度控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50，以使油门执行机构20控制油门机构、离合执行机构40控制离合机构、制动执行机构30控制制动机构和档位执行机构50控制档位机构，进而使目标车辆从当前速度切换至目标速度。
30.通过上述方式，在目标车辆纵向移动时，获取目标车辆的当前速度，并根据当前速度得到目标加速度，并基于目标加速度控制油门执行机构20、制动执行机构30、离合执行机构40、档位执行机构50，以使油门执行机构20控制油门机构、离合执行机构40控制离合机构、制动执行机构30控制制动机构和档位执行机构50控制档位机构，进而使目标车辆从当前速度切换至目标速度，以此保证目标车辆能够按照目标速度行驶，提高了驾驶机器人100对目标车辆的控制精度。
31.上述的转向执行机构10、油门执行机构20、制动执行机构30、离合执行机构40、档位执行机构50可以采用电机搭配减速机的方式，完成控制。即在同一控制网络下通过can(controller area network，控制器局域网)通讯的方式搭配机械结构实现对驾驶行为进行操纵。其中，can通讯采用can总线模块。can总线模块可以采用带有spi(serial peripheral interface，串行外设接口)接口的独立can控制器mcp2515，can总线仲裁使用11位的(can2.0a协议)和29位的(can2.0b协议)标志以及非破坏的仲裁总线结构体系，这样就能够判定数据块的优先级，确保在网络节点冲突时优先级最高的节点无需等待。其中，上述数据传输过程中所采集的can总线报文使用的是canalyst-ii分析仪模拟产生的can总线报文包，can分析仪pc端通过usb-can tool软件来操作，前端通过can总线连接智能车载终
端。根据sae j1939-11can高层协议，解析出可以直接读取的车辆can总线信息。为了解析出可以直接读取的数据，将can总线报文原始数据对应该字节的16进制数值以按位按权展开相加计算进行10进制转化。最终，车载传感器通过can总线通信方式将实时驾驶状态传送给主控板，经过串口传输后通过屏幕将信息反馈给驾驶机器人100。
32.其中，转向机械臂作为转向执行机构10，主要由电机、减速器搭配固定在车辆方向盘的卡盘上组成。通过can通讯向直流无刷减速电机发送转动的位置指令，从而驱动电机按照指令的方向和转动角度进行移动。采用可调节尺寸与角度的驾驶机械腿，使其适应各种车型的踏板，以此可以保证在踩踏和回收的过程中，驾驶机械腿与车辆踏板始终保持紧密的连接。
33.可以理解，在车辆移动时，可以前进、后退、转向等。
34.在驾驶机器人控制目标车辆纵向移动时，即前进或后退，获取目标车辆的当前速度，并根据当前速度得到目标加速度，并基于目标加速度控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50，以使油门执行机构20控制油门机构、离合执行机构40控制离合机构、制动执行机构30控制制动机构和档位执行机构50控制档位机构，进而使目标车辆从当前速度切换至目标速度。
35.具体地，控制机构60可以根据目标加速度进行等效转换，转换为控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50应该施加的力。即等效装换为油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50中相应电机的控制参数，如电流、转速等控制参数，以使油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50在电机的作用下向目标车辆对应的机构进行操作。如，目标加速度为正数，则需要对目标车辆的油门机构进行控制，实现加油操作，进而控制油门执行机构20实现踩油门操作。
36.在一些实施例中，控制机构60包括第一控制模型(未图示)，控制机构60还用于将当前速度输入至第一控制模型，以使第一控制模型利用预设控制率、第一预设矩阵和第二预设矩阵对当前速度进行处理，得到目标加速度并输出。第一控制模型可以是滑模控制模型。
37.其中，第一控制模型为以下公式：其中，表示目标加速度，x表示第一速度，a表示第一预设矩阵，b表示第二预设矩阵，u表示预设控制率。其中，第一预设矩阵和第二预设矩阵的维度根据目标车辆的实际数据确定。如可以是二维矩阵、三维矩阵或四维矩阵。其中，预设控制率可以随实际需求动态变化。
38.在一些实施例中，目标车辆在行驶过程中，会因第一控制模型的不确定性以及外界干扰而产生一定的误差，基于此，控制机构60还用于获取目标车辆的干扰估计值，利用干扰估计值对目标加速度进行补偿，并基于补偿后的目标加速度控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50；其中，干扰估计值是利用干扰观测器得到。
39.在一些实施例中，本技术将结合模糊滑模控制非线性干扰观测器等多种控制理论方法以及进行试验。滑模控制考虑如下的线性系统:式中x为目标车辆的速度，u为系统设置的控制率，a、b为适当维数的矩阵。通过控制控制率u的大小，控制车辆的加速度，使车辆能按照目标车速行驶。在车辆驾驶过程中，油门、制动以及转向控制会因模型
的不确定性以及外界干扰而产生一定的误差d，非线性干扰观测器能够对滑模控制的不确定性和外部干扰进行实时地观测与补偿。干扰观测器通过干扰的估计值抵消产生的误差d，从而减少车辆运行时的控制误差。对车辆的行驶速度进行控制，使其能够按照目标车速，或与前、后车保持一定车距行驶。
40.在一些实施例中，车辆还可以进行横纵向移动，即转向移动，此时控制机构60还用于在目标车辆横纵向移动时，获取目标车辆的载荷量，并根据载荷量得到车辆对应的当前位移、当前速度和当前加速度；并基于当前位移、当前速度和当前加速度控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50，以使油门执行机构20控制油门机构、离合执行机构40控制离合机构、制动执行机构30控制制动机构和档位执行机构50控制档位机构，进而使目标车辆完成横纵向移动。上述的载荷量是目标车辆承受的外力、阻力，外力以及阻力可以通过目标车辆上设置的相应的传感器采集得到。如风阻传感器等。
41.通过上述方式，在目标车辆横纵向移动时，获取目标车辆的载荷量，并根据载荷量得到车辆对应的当前位移、当前速度和当前加速度；并基于当前位移、当前速度和当前加速度控制油门执行机构20、离合执行机构40、制动执行机构30和档位执行机构50，以使油门执行机构20控制油门机构、离合执行机构40控制离合机构、制动执行机构30控制制动机构和档位执行机构50控制档位机构，进而使目标车辆完成横纵向移动，以此保证目标车辆能够稳定的横纵向移动，提高了驾驶机器人100对目标车辆的控制精度。
42.其中，控制机构60包括第二控制模型(未图示)，控制机构60还用于将载荷量输入至第二控制模型，以使第二控制模型利用质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵对载荷量进行处理，得到当前位移、当前速度和当前加速度。
43.其中，第二控制模型为以下公式：其中，表示当前加速度，表示当前速度，x表示当前位移，p表示载荷量，m表示质量，c表示阻尼，k表示刚度矩阵。
44.发明人在车辆纵横向耦合动力学模型、驾驶员驾驶行为模型的基础上，研究了本技术的驾驶机器人的车辆纵横向协调控制。采用的经典耦合动力学模型为其中x、分别代表车辆当前位移、当前速度和当前加速度，m、c、k分别表示车辆耦合系统的质量、阻尼和刚度矩阵；p为广义载荷量。
45.建立完耦合动力学模型后对机构末端与主动关节之间的位置、速度以及加速度关于时间的变化关系进行了分析，并求得了末端参考点与主动关节的速度映射矩阵，即逆速度雅克比矩阵。利用机构奇异性与逆速度雅克比矩阵的关系，分析了换档机械手、离合机械腿、油门机械腿以及制动机械腿的奇异性条件，得出了奇异位形与操纵机构传动角存在的相关关系，当传动角达到0
°
或180
°
时，换档机械手、离合机械腿、油门机械腿以及制动机械腿均会达到奇异位形位置。最后分别分析了换档机械手、离合机械腿、油门机械腿以及制动机械腿的任务工作空间，确定了机构在任务工作空间内不发生奇异性的条件。
46.进一步，在进行控制时，考虑在不发生奇异性的条件下，控制相应的机构。进而对驾驶机器人车辆的油门、制动以及转向进行合理地协调控制，使其按照目标车速和目标路径行驶，并保持一定的精确性、稳定性以及安全性。
47.其中，控制机构60还用于在目标车辆横向移动时，获取目标车辆的转向机构的转向数据，并将转向数据模糊化，并对模糊化后的转向数据进行模糊推理，得到模糊量，再对
模糊量进行反模糊化得到控制量；根据控制量控制转向执行机构10。
48.发明人长期研究发现，对无人驾驶机器人车辆的横向控制而言，设计稳定性好，且具有一定的抗干扰性能的横向控制方法十分的关键。目前的技术虽然提出了许多横向控制方法，但这些方法存在控制精度低、动态特效较差、控制算法复杂等问题。对于当前主流的驾驶机器人执行机构，基于pid的控制方法占据了90％的份额，但对于强非线性普遍存在的汽车发动机、油门/制动踏板等部件时，pid控制存在控制波动大、超调明显的弊端。因此，本技术利用了模糊控制算法调整方向盘偏差。按日常操作经验，有以下规则：若当前方向盘位置较目标位置偏左，则向右回正，差值越大回正量越大；若当前方向盘位置较目标位置偏右，则向左回正，差值越大回正量越大；若当前方向盘位置和目标位置相差很小，则保持方向盘位置。根据上述经验，按下列步骤设计模糊控制器:1)设计观测量和控制量，定义理想方向盘位置为h0，实际位置为h，则偏差量e＝h
0-h，将当前偏差e作为观测量。2)输入量和输出量的模糊化，将偏差e分为五个模糊集：负大、负小、零、正小、正大。根据偏差e的变化范围分为七个等级：-3、-2、-1、0、+1、+2、+3。控制量u为调节方向盘偏差的力度。将其分为五个模糊集：负大、负小、零、正小、正大。并将u的变化范围分为九个等级：-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4。最后根据模糊规则求出模糊关系，再根据相关编程得到决策控制量。
49.模糊控制是基于大量的模糊数据集合，模拟人类的思维和行为的一种智能控制。在进行模糊控制过程中，需要先把这些精确的数据转化为模糊量，然后通过模糊规则进行运算决策得到输出模糊量，再进行解模糊化后输出控制。通过模糊控制可以实现无人驾驶车辆对路径规划的准确跟踪，使得无人驾驶汽车行驶过程中的实时定位点与规划路径中的目标点间的距离偏差达到最小，同时，还要使无人驾驶汽车的航向角与路径规划中各个目标点所对应的角度相接近，通过距离和航向角两方面的保证，从而使得车辆按预期到达目标位置。
50.此外为解决司机助手语音解码延迟问题，本技术采用了基于深度神经网络控制的方法来提取多种环境因子的表示，将提取后的因子集成进语音识别的主深度神经网络中以使其具有能针对环境进行自适应的能力。提高了驾驶机器人的控制精度、操作平顺性和抗干扰能力等重要性能，使其更加符合人类的驾驶操作模式。
51.在本技术所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
52.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
53.另外，在本技术各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
54.上述其他实施方式中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术
的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本技术各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
55.以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是根据本技术说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。