可變車道隔離護欄運載機器人系統及其控制策略

田為廣，徐海黎，陳 妍，朱倚嫻，劉 熙

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通天承光電科技有限公司，江蘇 南通 226100）

近年來，隨著社會經濟的快速發展，居民的生活、出行方式發生了巨大的變化。然而，以交通擁堵為代表的諸多問題對城市健康發展造成了影響。據調查，目前我國大、中城市道路中高達20%～40%的車流呈“潮汐式”分布［1］，即不同方向交通流量存在明顯差異，出現了單向不對稱交通擁堵情況。

潮汐交通現象造成了道路資源的嚴重浪費，交通管理部門通常采用可變車道技術［2-5］來緩解該問題，以提高道路利用率，從而帶來較為顯著的交通經濟效益。國內外學者針對可變車道的設計、控制和管理等方面做了較多研究［6］。目前，對于可變車道的控制，主要有以下2種方式：1）通過車道信號燈、專用車道線以及固定指示牌對可變車道路段進行分段誘導控制［7-9］；2）通過移動護欄或其他設施在車道上形成動態的物理隔離［10-12］。

方式1）是目前主要使用的技術，但其控制策略比較單一，以定時段切換方向為主。因此，一些學者針對可變車道的動態控制進行了研究。如黃克彪［13］提出使用動態流量數據結合相應算法來實現可變車道的動態控制。但是，僅靠燈光、信號控制車道變換，而不施加物理隔絕，駕駛者不易辨別，缺乏安全保障。

方式2）已經在我國多地進行試點使用。例如：深圳市在某路段潮汐車道的管理中利用拉鏈車對可變車道進行控制，但該裝置的造價以及維護成本昂貴；南京市、連云港市等地應用了移動式隔離護欄，這種護欄可通過手機應用程序（application，APP）進行遙控，但需要交警在現場操作和監管，且不具備自主糾偏功能。基于此，國內學者對其他物理隔離方式進行了探索。如楊清華等［14］提出基于物聯網的可旋轉式潮汐道路智能升降樁，根據實時的車流量判斷路況，通過控制升降樁和信號燈來變換車道，但是該方式是將升降樁埋在車道線下方，需要破環路面，施工量大且維修不便。

基于此，筆者針對現有可變車道控制方式單一和智能化程度不高等問題，設計了一套隔離護欄運載機器人系統。該系統通過移動機器人運載護欄完成可變車道的隔離，可結合交通流量進行動態調整。在運載機器人移動過程中，應用超寬帶（ultra wide band，UWB）技術［15］對其進行精確定位，同時監測其運行軌跡與姿態，保證將護欄平穩、安全地運送到目標位置處。此外，通過LoRa（long range active，遠距離無線電）技術構建通信網絡，完成運載機器人與遠程服務器之間的信息交互，實現遠程監控與操作。

1 運載機器人系統總體設計方案

作為一種具有特殊功能的運載機器人系統，其設計要求如下：1）機器人的運動高效、穩定，能夠實現直線前進、后退以及零半徑或小半徑轉彎；2）機器人在運動過程中能自主糾偏調整，且要求其定位系統精準、可靠，能準確反映機器人在運動過程中的位姿變化；3）機器人運載護欄在指定位置之間往復運動時偏差不超過0.15 m；4）具備多種控制方式（現場手動遙控或遠程操控）。

1.1 運載機器人系統總體架構

根據上述功能需求，對運載機器人系統進行模塊化設計。整個系統由前端機器人子系統、中繼處理裝置和后臺管理端三部分組成，其總體架構如圖1所示。其中：前端機器人子系統由運載機器人本體、用于定位監測的UWB模塊以及用于通信傳輸的LoRa節點模塊構成；中繼處理裝置為支持4G通信的LoRa無線網關，可與LoRa節點自由組網以及與遠程服務器通信；在后臺管理端，管理人員可從服務器中獲取運載機器人的運行數據，也可根據需求下發控制指令。

圖1 運載機器人系統總體架構Fig.1 Overall architecture of carrier robot system

當管理人員判定某路段當前的路況符合潮汐特征時，其可在遠程或現場發送控制指令，并經無線網關下發至各運載機器人。運載機器人接收到指令后開始運載護欄向目標位置移動。在運載機器人的移動過程中，UWB定位系統實時監測機器人的位姿，并在其出現偏移時及時調整，直至準確移動到目標位置處。運載機器人移動過程中的相關參數（如實時坐標、運行狀態等）可通過LoRa無線網關匯總到遠程服務器中。

1.2 運載機器人結構組成

運載機器人搭載護欄時的整體結構如圖2所示，機器人兩側安裝護欄，護欄兩端安裝UWB標簽。運載機器人主要由機械結構和控制系統兩部分組成，其機械結構包括太陽能電池板、控制柜、支撐罩殼和升降式移動底座等。其中：控制柜內放置控制主板、鋰電池組等電氣元件；安裝在控制柜上方的太陽能電池板用于充電；位于控制柜下方的支撐罩殼用于保持機器人結束工作時的平衡；安裝在支撐罩殼內部的移動底座是主要執行機構，負責機器人的移動。

圖2 運載機器人搭載護欄時的整體結構Fig.2 Overall structure of carrier robot carrying guardrail

運載機器人控制系統的硬件結構主要包括電源模塊、STM32主控芯片、步進電機及其驅動器、UWB標簽、LoRa節點、自檢模塊和聲光警示裝置，如圖3所示。

圖3 運載機器人控制系統的硬件架構Fig.3 Hardware architecture of carrier robot control system

在控制系統中，STM32主控芯片用于完成UWB標簽定位坐標解算、機器人運動控制等任務。UWB標簽與外部的UWB基站進行通信，利用TDOA（time difference of arrival，接收信號到達時間差）算法［16］測量標簽與基站之間的距離，然后將數據傳送給STM32主控芯片，以進行定位坐標解算。LoRa節點與外部的LoRa無線網關組網，實現與遠程服務器的信息交互。STM32主控芯片通過驅動器驅動步進電機旋轉，從而實現運載機器人的移動。自檢模塊用于檢測控制系統主要部件的故障。聲光警示裝置可在機器人存在故障時以及移動過程中進行報警和提示。此外，運載機器人采用24 V鋰電池組供電，在工作過程中可通過太陽能充電以保證續航。

2 運載機器人定位方案

本文所設計的運載機器人系統應用于室外空曠的道路環境，其定位精度直接影響機器人的運行效果以及路段的交通安全，要求定位精度控制在0.10 m以內。目前，室外環境下常采用GPS（global positioning system，全球定位系統）定位方式，其最高的定位精度約為0.30 m，無法滿足設計需求；而超聲波、紅外等定位方式在室外空曠環境下的效果更不理想。UWB技術具有定位精度高、抗干擾強、傳輸距離遠、速度快和功耗低等優點，在眾多無線定位技術中脫穎而出［17］。如楊亞靜［18］針對特定的室外場合（小型的運動場、訓練場以及一些游樂場地），采用UWB技術實現了人員或物體的精確定位，定位精度在0.10 m以內。

2.1 UWB定位原理

UWB模塊通過無線載波通信實現高精度的距離測量，其通常由多個UWB基站和UWB標簽組成。其中，UWB標簽配置在需要定位的目標端，UWB基站固定在標簽周圍以作為參考點。通過測量標簽與基站之間的距離，根據兩者所在位置的數學關系來計算標簽的坐標。

2.2 UWB定位系統設計

在道路兩側布置3個UWB基站。如圖4所示，在UWB標簽所在的二維平面中，以基站A的投影點A′為原點構建直角坐標系，其中基站A、B投影點所在直線為x軸，基站A、C投影點所在直線為y軸。鑒于基站A到基站B、C的距離固定已知，分別為d1和d2，則基站 B、C 投影點B′、C′的坐標分別為 (d1，0)和(0，d2)。UWB標簽1和2對應點的坐標分別為T1(x1，y1)、T2(x2，y2)。運載機器人運送護欄時沿著預設軌跡在起始車道線的DE位置與目標車道線的FG位置間往復運動。

圖4 UWB定位系統坐標系示意Fig.4 Schematic diagram of UWB positioning system coordinate system

如圖5所示，以待測的UWB標簽2為例，其安裝高度為h1；3個UWB基站的安裝高度為h2。通過測量得到UWB標簽2與3個UWB基站的距離，分別為dA、dB和dC，其在UWB標簽所在二維平面內的投影分別為。

圖5 UWB標簽2與UWB基站的位置示意Fig.5 Location diagram of UWB label 2 and UWB base station

由圖5可得，UWB標簽2與3個UWB基站之間的投影距離分別為：

根據三邊定位原理［19］可知，在二維平面直角坐標系中，UWB標簽2與3個UWB基站的位置坐標之間存在如下關系：

整理式（2）并將其簡化為線性方程，用矩陣形式可表示為：

根據最小二乘原理解得：

聯立式（1）和式（4）可得：

上述計算結果表明，在所設計的UWB定位系統中，UWB標簽的定位坐標僅跟其與UWB基站的距離以及各UWB基站之間的距離有關，而UWB基站和UWB標簽的安裝高度對定位結果沒有影響。因此，在安裝時只需要考慮UWB標簽與UWB基站之間的距離，并盡量避免非視距誤差（non-line of sight，NLOS）的影響［20］。

2.3 定位坐標解算處理

在理想情況下，測量得到的UWB標簽與UWB基站之間的距離沒有誤差，則可以利用上述公式求得唯一正確的解，即準確獲取UWB標簽的定位坐標。但是在實際環境下，UWB標簽和UWB基站自身的誤差以及其他因素會引發一定的測量誤差，須對數據進行濾波處理。在進行數據濾波處理前，應先篩除無效數據。設需要定位的UWB標簽i到各UWB基站的單次測量距離為dAi、dBi和dCi，各UWB基站之間的距離為dAB、dAC和dBC，則有效的測量數據應該滿足如下條件：

若本次測量結果不滿足式（6），則為無效數據，須進行重新測量。

獲取有效數據后，運用卡爾曼濾波算法對數據進行處理，以抑制測量噪聲。經過數據濾波處理后，利用式（5）編程解算本次UWB標簽的定位坐標。

在單位時間間隔內，運載機器人的移動距離Δd為：

式中：v0為運載機器人的初始速度，m/s；Δt為單位時間間隔，本文取Δt=1 s。

由于運載機器人的實際移動速度不超過0.1m/s，定位頻率為1 Hz，若本次定位坐標點與前次定位坐標點的距離超過0.1 m，則本次定位坐標為突變坐標，將其忽略，并取前次定位坐標以及單位時間間隔內運載機器人移動距離的綜合結果作為最終坐標；若本次定位坐標不為突變坐標，則取其作為最終坐標。UWB標簽定位坐標解算處理流程如圖6所示。

圖6 UWB標簽定位坐標解算處理流程Fig.6 Processing flow of UWB label positioning coordinate solution

3 運載機器人運動控制策略

本文的運載機器人由2個步進電機獨立驅動，通過位置式PID（proportion integration differentiation，比例積分微分）算法進行閉環控制。該運載機器人先借助UWB模塊獲得實時位置，并與目標位置進行對比，計算控制誤差；然后，運動控制單元將控制誤差發送至PID控制器并計算步進電機轉速的調整量，從而調整2個步進電機的轉速，以使機器人向目標位置移動，具體控制方法如圖7所示。

圖7 運載機器人閉環控制方法Fig.7 Closed-loop control method of carrier robot

3.1 基于雙標簽定位的運動模型

所設計的運載機器人須搭載護欄進行移動，且護欄的長度遠大于機器人的旋轉半徑。考慮到機器人運載護欄的特殊性，同時為了簡化控制問題，將運載機器人與護欄視作一個整體，則其運動模型可看作：以2個UWB標簽為端點的線段T1T2（長度為L）從線段DE向線段FG處水平移動，如圖8所示。其中，運載機器人的中心H'為線段T1T2的中點，機器人從點H沿平移基準軌跡HI移動到點I。在移動過程中，點I在線段T1T2上的垂直投影點為I'。

圖8 運載機器人搭載護欄時的運動模型示意Fig.8 Schematic diagram of motion model of carrier robot carrying guardrail

由圖8可知，運載機器人的位姿可以表示為：

式中：xH′、yH′分別為運載機器人中心H'的橫、縱坐標；θ為線段T1T2與水平方向的夾角，即運載機器人的姿態角。

假設在運載機器人的移動過程中，2個UWB標簽的坐標分別為(x1，y1)、(x2，y2)，目標位置I的坐標為(xI，yI)，則運載機器人中心H'的坐標為：

運載機器人的姿態角θ為：

3.2 運動控制策略

在理想情況下，搭載護欄的運載機器人沿著基準軌跡HI平行移動至線段FG所在車道線處。但在實際道路環境下，由于地面凹凸不平或存在沙石等障礙物，運載機器人的運動軌跡會偏離預設軌跡，需要及時調整。

在運送護欄的過程中，為避免相鄰運載機器人之間相互影響，設以基準軌跡HI為中心的偏差允許區間作為合理的橫向位移范圍，如圖9所示。圖中：Tn，1、Tn，2為第n個運載機器人上2個UWB標簽的對應點。偏差允許區間長度l的計算公式為：

圖9 運載機器人運行偏差允許區間示意Fig.9 Schematic diagram of allowable operation deviation range of carrier robot

式中：W為相鄰運載機器人上UWB標簽的間距，m；Rinf為UWB模塊不受影響的范圍，m。

鑒于UWB模塊周圍0.3 m內不能有干擾，則Rinf≥0.3m。同時，相鄰運載機器人上UWB標簽的間距不超過0.8 m，即W≤0.8m。由此可得，偏差允許區間長度l∈[0，0.20]m。經多次實驗測量，本文取l=0.18 m。

在啟動運載機器人時，設其左、右2個步進電機的初始速度均為v0。如圖10（a）所示，當運載機器人位于偏差允許區間內，即時，其控制策略為：根據機器人的姿態變化調整其左、右輪的速度，以保持機器人水平前進，直至到達以點I為中心、長度為l和寬度為d的矩形范圍內，d∈(0，0.1)m。在運載機器人水平前進的過程中，當T1與T2在y方向上的坐標差不超過0.1 m（即Δy∈[0，0.1]m）時，運載機器人的姿態角，其左、右輪繼續以初始速度前進；否則左、右輪的速度按式（12）進行調整：

式中：vL為左輪速度，m/s；vR為右輪速度，m/s；LT1I'為線段T1I'的長度，m；LI'T2為線段I'T2的長度，m。

圖10 運載機器人運動控制示意Fig.10 Schematic diagram of motion control for carrier robot

當運載機器人到達目標位置后，根據其當前的姿態角進行原地調整，以回到水平姿態。運載機器人的運動控制流程如圖11所示。

圖11 運載機器人運動控制流程Fig.11 Motion control flow of carrier robot

4 實驗測試

4.1 實驗環境

實驗場地位于南通天承光電科技有限公司外的矩形（22 m×13 m）停車場內，該區域內停有多種車型的車輛，可模擬實際道路環境。如圖12所示，在定位區域內布設3個UWB基站，其投影點坐標分別為A'(0，0)m、B'(0，10)m、C'(20，10)m。各基站的安裝高度均為3 m，UWB標簽的安裝高度為1.5 m，同時保證UWB基站與UWB標簽之間可視且無遮擋。在該環境下對運載機器人系統進行功能測試，開展靜態定位測試和運動控制實驗。

圖12 運載機器人系統功能測試實驗場地Fig.12 Experimental site for functional test of carrier robot system

4.2 靜態定位測試

運載機器人的運動控制依賴于其位姿信息，而其位姿由雙UWB標簽定位得到，因此單個UWB標簽的定位精度對整個運載機器人系統至關重要。整個系統定位精度的評價指標為UWB標簽的解算坐標點與其真實坐標點之間的直線距離，即定位誤差ei，表示為：

式中：xa、ya分別為測量點的真實橫、縱坐標，m；xi、yi分別為測量點的解算橫、縱坐標，m。

在理想情況下，解算坐標點與真實坐標點重合，即ei=0 m；ei越小表示解算坐標點與真實坐標點越接近。

在進行靜態定位測試時，將UWB標簽1放置在(10.5，2.5)m處，UWB標簽2放置在(12.5，2.5)m處，分別在2 d內的4個不同時段采集靜態定位數據，每次采集200組數據，采樣頻率為1 Hz，結果如圖13所示。

圖13 UWB定位系統靜態定位測試結果Fig.13 Static positioning test results of UWB positioning system

從圖13中可以看出，通過解算得到的各UWB標簽的定位坐標受測量距離噪聲波動的影響，均在真實坐標附近小范圍內發散。將解算得到的各UWB標簽的定位坐標代入式（13），計算得到各UWB標簽的定位誤差，其平均定位誤差和最大定位誤差如表1所示。

表1 UWB定位系統的靜態定位誤差Table 1 Static positioning error of UWB positioning system

由表1可知，在不同時段的靜態定位測試中，2個UWB標簽的平均定位誤差不超過0.03 m，最大定位誤差不超過0.07 m。由此可得，本文所設計的UWB定位系統雖存在一定的偏差和噪聲，但其重復定位精度在0.10 m以內，滿足運載機器人系統在室外運行時的高精度定位要求。

4.3 運動控制實驗

單個搭載護欄的運載機器人實物如圖14所示。當完成運載機器人控制系統軟、硬件設計后，通過測試驗證該機器人能完成基本行走、遠程通信和運動控制，具有良好的可操控性。在此基礎上，對運載機器人的運動控制性能進行測試。首先，將運載機器人中心分別放置于起始位置(10，1)m處和目標位置(10，5)m處，對其進行定點坐標測量，并將測量結果作為機器人運動控制的初始參數。然后，將運載機器人中心放到起始位置處，使其以0.05 m/s的初始速度向目標位置移動，采集機器人運動過程中各UWB標簽的實時坐標，用于計算機器人中心的實時坐標，并對比其實際運行軌跡與預設軌跡，結果如圖15所示。

圖14 搭載護欄的運載機器人實物Fig.14 Physical object of carrier robot carrying guardrail

圖15 運載機器人運動控制實驗結果Fig.15 Experimental results of motion control of carrier robot

圖15（a）所示為運載機器人在起止位置之間作直線往復運動時的軌跡對比。由該圖可以看出，在運載機器人自主運行過程中，其實際運行軌跡與預設軌跡略有偏差，但在預設軌跡左右小范圍內波動，其中x方向的最大偏差不超過0.08 m，根據運動控制算法，該運載機器人可保持水平直線前進；在y方向上，實際停止位置與目標位置的偏差不超過0.10 m。如圖15（b）所示，在運載機器人運行時通過人工干預強制其發生偏移，以模擬不良道路環境。由該圖可以看出，當運載機器人發生偏移后，其能在運動控制算法作用下及時自主調整，回到正常的運行軌跡中。

實驗結果表明，本文所設計的運動控制算法能較好地完成對運載機器人的運動控制，達到預期目標。但在實際運行過程中，運載機器人的軌跡出現了一定程度的偏移；在機器人進行偏移調整時，有時需要較長的時間。因此，后續應通過進一步的實驗來優化PID控制參數，完善相關運動控制算法，從而達到更好的效果。

5 結 論

面向城市潮汐車道、路口借道左轉和其他需要設置可變車道的交通場景，設計了一種可以運載護欄的機器人系統。采用UWB技術設計了一種適用于室外道路環境的高精度定位系統，通過UWB雙標簽定位法計算了運載機器人運行過程中的位姿，并分析了搭載護欄的運載機器人運動模型，進而提出了其運動控制策略。實驗結果表明，所設計的UWB定位系統的重復定位精度可達0.07 m左右，運載機器人的運動控制符合預期。本文所設計的運載機器人系統自動化水平較高，在不良路面環境下可自適應調整，能為可變車道的智能化控制提供新思路。