CN110716563A - 一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，在控制计算机中编制控制软件调用电子地图，设定起点与终点位置，通过距离最优方法计算规划路径。控制计算机通过串口发送方位角和速度控制指令，控制舵机x和y带动摇杆滑块机构分别控制转向‑速度操纵杆前后左右移动，控制电动轮椅按期望方位角和速度行进。电动轮椅的实际方位角和速度由IMU‑GPS组合测量装置获得并形成闭环反馈控制，提高对方位角和速度的控制精度。电动轮椅沿最优轨迹行进过程中，采用激光雷达对周围环境进行实时扫描，获得激光点云，构建周围环境的三维地形图，提取出前方障碍物的位置、速度和方位信息，进而通过控制电动轮椅的方位角和速度，实现实时避障控制。
Description
技术领域
本申请涉及采用电子地图与三维激光扫描技术对无人驾驶电动轮椅进行路径规划、跟踪与避障控制，以及对周围环境和地形进行实时三维重建。
背景技术
无人驾驶作为人工智能的重要应用，正受到越来越多关注。路径跟踪是智能车辆自动驾驶技术中的一个重要组成部分，是在已知车辆自身状态和规划路径基础上，通过对智能车辆的方位角与速度控制，使车辆沿规划路径行驶。在行驶过程中，考虑到行驶速度、路况、周围环境等因素影响，实际行驶路径与规划路径会产生一定偏差，如何在偏差允许范围内使速度加快及如何设计控制策略使偏差变小是路径跟踪的重点。随着中国积极推进新旧动能转化工程，实现基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制***，对于无人驾驶技术实现有重要意义。
发明内容
本申请提出的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制装置包括以下组成部件：控制计算机（1），电动轮椅（2），IMU-GPS组合测量装置（3），伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7），激光雷达（8）。电动轮椅（2）包括转向-速度操纵杆（21）、电动轮驱动器（22）、左电动轮（23）和右电动轮（24）。控制计算机（1）、IMU-GPS组合测量装置（3）和激光雷达（8）均安装在电动轮椅（2）上。伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7）安装在转向-速度操纵杆（21）上，构成十字形平面运动机构。其中，在控制计算机（1）中编制控制软件调用离线电子地图，或通过网口打开在线电子地图软件，建立本地计算机与电子地图之间的接口连接，在电子地图中设定好起点与终点位置，通过距离最优计算方法，获得规划路径，并提取出规划路径的位置信息，即规划路径上每个点的经纬度值。根据电动轮椅（2）的当前位置与规划路径的位置，计算出电动轮椅（2）沿规划路径行进的最优轨迹，并获得电动轮椅（2）可实现沿最优轨迹行进的控制方位角和速度值；控制计算机（1）通过串口2发送控制方位角和速度控制指令，提供给伺服驱动器（4），控制舵机x（5）和舵机y（6）带动摇杆滑块机构（7）控制转向-速度操纵杆（21）的位置变化，转向-速度操纵杆（21）是一个万向摇杆，其前后位置变化控制电动轮椅（2）的速度，左右位置变化控制电动轮椅（2）的方位角转向，进而通过电动轮驱动器（22）差动控制左电动轮（23）和右电动轮（24）的转动速度，从而控制电动轮椅（2）按照期望的控制方位角和速度行进。电动轮椅（2）的实际控制方位角、位置和速度信息由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并通过串口1提供给控制计算机（1）形成闭环反馈控制，提高对控制方位角和速度的控制精度。另外，电动轮椅（2）沿最优轨迹实际行进过程中，可能会遇到人、车等各种障碍物，需要进行实时避障控制，这时采用激光雷达（8）对电动轮椅（2）的周围环境进行实时扫描，获得激光点云，通过串口3传输给控制计算机（1），通过对相邻激光扫描帧点云的配准和坐标转换，可构建周围环境的三维地形图，获得道路周围环境信息，并提取出前方障碍物的位置速度和方位信息，进而通过控制电动轮椅（2）的控制方位角和速度，实现实时避障控制。
其中，在Visual C++中基于MFC编写了电动轮椅上位机控制程序，在上位机中调用离线电子地图包，打开电子地图，在其上设定好起点与终点，获得规划路径。根据规划路径及电动轮椅的运动控制传递函数，通过串口通信给舵机x（5）和舵机y（6）发送轨迹跟踪控制指令，使电动轮椅（2）能按照规划路径行进。同时，将IMU-GPS组合测量装置（3）安装在电动轮椅（2）上，获得电动轮椅（2）的实际控制方位角和速度，采用闭环反馈控制，提高电动轮椅（2）的方位角和速度控制精度，并记录下实际运行轨迹。另外，在电动轮椅（2）上安装了激光雷达（8），在电动轮椅（2）沿规划路径行进过程中，对周围环境进行扫描，通过点云实时定位拼接技术获得电动轮椅（2）运行轨迹周围环境的高精度三维地形图，并对障碍物的空间位置速度和方位进行估算后提供给控制计算机（1），实现对电动轮椅（2）的实时避障控制。
其中，根据电子地图，获得从起点到终点的规划路径，电动轮椅沿着规划路径行进。规划路径由一系列时间间距相同的离散点组成，通过对各个离散点进行组合分析，将规划路径分为直线段和曲线段，并标记出各直线段与曲线段的转折点进行顺序编号。电动轮椅（2）的控制也分为直线行进控制与曲线行进控制两种。在轨迹的每个段上，其切线方向与x轴之间的夹角为控制方位角，行进速度与该段的曲率有关，曲率为曲率半径r的倒数，曲率越大，则速度越慢。直线行进控制时的控制方位角为零。曲线行进控制时控制方位角为常数且与曲率成正比。电动轮椅（2）实际位置由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并输出一个坐标点，当电动轮椅（2）的实际位置与最近的规划路径的转折点位置在0.1m误差内时，舍弃该点，开始下一个阶段的行进控制，跟踪下一个转折点坐标，直到跟踪到最后一个转折点后停止跟踪。
其中，根据电子地图设定好的规划路径位置信息，或根据激光雷达（8）所获得的实时障碍物空间位置速度和方位信息，确定控制计算机（1）的期望控制方位角和速度；由IMU-GPS组合测量装置（3）测量电动轮椅（2）的实际方位角和速度，传输给控制计算机（1），通过求差计算，获得实际控制方位角和速度与期望值的差值，提供给PID控制器，得到控制指令，通过串口2提供给舵机x（5）和舵机y（6），带动摇杆滑块机构（7），使电动轮椅（2）上的转向-速度操纵杆（21）按期望控制方位角和速度进行控制，控制左电动轮（23）和右电动轮（24）差速运动，使实际控制方位角与速度跟踪期望控制方位角和速度值。
其中，采用两个舵机对电动轮椅（2）的转向-速度操纵杆（21）进行前后和左右移动控制。在转向-速度操纵杆（21）上加装两个相互垂直的舵机x（5）和舵机y（6），在舵机x（5）和舵机y（6）的输出轴上分别装上一个L形的光轴摇杆：x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72），并分别套上一个直列滚珠轴承：x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74），另外在转向-速度操纵杆（21）上套装两个直列滚珠轴承：操纵杆直列轴承y（75）和操纵杆直列轴承x（76），将舵机x（5）和舵机y（6）输出轴上x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72）分别与x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74）采用橡皮筋垂直铰接。当舵机x（5）和舵机y（6）转动时，可驱动转向-速度操纵杆（21）同时在前后和左右两个方向自由转动，实现对电动轮椅（2）的转向方位角和前进速度的控制。
其中，在控制计算机（1）用VC++软件编制控制界面程序对电子地图进行调用和运行，在控制界面左侧为MFC与HTML交互，加载OSM离线瓦片地图，用鼠标点击右键可设置起点和终点，然后点击运行，软件会自动在电子地图上绘制出规划路径。在运行路径规划之前，需在另一个终端中运行路径规划最优算法，将地图所示区域的OSM地图节点信息进行解析，使用Graphhopper开源地图导航引擎，首先Windows+R输入cmd进入电脑控制台，然后将文件保存路径改为存放OSM地图资源的路径，最后运行Graphhopper程序，就能够提取OSM中的路线节点信息。在控制界面的右上方为IMU-GPS组合测量装置（3）的数据采集工作区，在MFC中通过串口通信将IMU-GPS组合测量装置（3）与MFC关联起来，然后根据IMU-GPS组合测量装置（3）的通信协议得到当前位置的GPS经纬度信息以及X、Y、Z轴的三轴加速度和欧拉角。在控制界面的右下方为舵机控制工作区，该区域主要功能是数据处理及控制信号发出，两台舵机相互垂直安装在电动轮椅上，对电动轮椅的控制***进行建模，当电动轮椅收到相应的控制转动角度时，根据其控制***传递函数，转换为两个舵机的转动控制信号。同时，此区域也需要处理IMU-GPS组合测量装置（3）收到的信息，与给定的规划路径进行比较分析，转换为电动轮椅的转向和速度控制信号。激光雷达（8）的数据采集与控制过程在程序启动时就开始工作，在界面上无需操作指令。
附图说明
图1是***硬件组成及工作原理图。
图2是基于给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制软件设计流程图。
图3是电动轮椅的无人驾驶路径跟踪方法示意图。
图4是基于路径规划的电动轮椅路径跟踪闭环控制流程图。
图5是舵机对电动轮椅中的转向-速度操纵杆控制硬件结构图。
图6是基于MFC的控制主程序实现路径规划与舵机控制界面图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请专利实施例作进一步详细描述。
图1是***硬件组成及工作原理图。基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制装置包括以下组成部件：控制计算机（1），电动轮椅（2），IMU-GPS组合测量装置（3），伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7），激光雷达（8）。电动轮椅（2）包括转向-速度操纵杆（21）、电动轮驱动器（22）、左电动轮（23）和右电动轮（24）。控制计算机（1）、IMU-GPS组合测量装置（3）和激光雷达（8）均安装在电动轮椅（2）上。伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7）安装在转向-速度操纵杆（21）上，构成十字形平面运动机构。在控制计算机（1）中编制控制软件调用离线电子地图，或通过网口打开在线电子地图软件，建立本地计算机与电子地图之间的接口连接，在电子地图中设定好起点与终点位置，通过距离最优计算方法，获得规划路径，并提取出规划路径的位置信息，即规划路径上每个点的经纬度值。根据电动轮椅（2）的当前位置与规划路径的位置，计算出电动轮椅（2）沿规划路径行进的最优轨迹，并获得电动轮椅（2）可实现沿最优轨迹行进的控制方位角和速度值；控制计算机（1）通过串口2发送控制方位角和速度控制指令，提供给伺服驱动器（4），控制舵机x（5）和舵机y（6）带动摇杆滑块机构（7）控制转向-速度操纵杆（21）的位置变化，转向-速度操纵杆（21）是一个万向摇杆，其前后位置变化控制电动轮椅（2）的速度，左右位置变化控制电动轮椅（2）的方位角转向，进而通过电动轮驱动器（22）差动控制左电动轮（23）和右电动轮（24）的转动速度，从而控制电动轮椅（2）按照期望的控制方位角和速度行进。电动轮椅（2）的实际控制方位角、位置和速度信息由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并通过串口1提供给控制计算机（1）形成闭环反馈控制，提高对控制方位角和速度的控制精度。另外，电动轮椅（2）沿最优轨迹实际行进过程中，可能会遇到人、车等各种障碍物，需要进行实时避障控制，这时采用激光雷达（8）对电动轮椅（2）的周围环境进行实时扫描，获得激光点云，通过串口3传输给控制计算机（1），通过对相邻激光扫描帧点云的配准和坐标转换，可构建周围环境的三维地形图，获得道路周围环境信息，并提取出前方障碍物的位置速度和方位信息，进而通过控制电动轮椅（2）的控制方位角和速度，实现实时避障控制。
图2是基于给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制软件设计流程图。在Visual C++中基于MFC编写了电动轮椅上位机控制程序，在上位机中调用离线电子地图包，打开电子地图，在其上设定好起点与终点，获得规划路径。根据规划路径及电动轮椅的运动控制传递函数，通过串口通信给舵机x（5）和舵机y（6）发送轨迹跟踪控制指令，使电动轮椅（2）能按照规划路径行进。同时，将IMU-GPS组合测量装置（3）安装在电动轮椅（2）上，获得电动轮椅（2）的实际控制方位角和速度，采用闭环反馈控制，提高电动轮椅（2）的方位角和速度控制精度，并记录下实际运行轨迹。另外，在电动轮椅（2）上安装了激光雷达（8），在电动轮椅（2）沿规划路径行进过程中，对周围环境进行扫描，通过点云实时定位拼接技术获得电动轮椅（2）运行轨迹周围环境的高精度三维地形图，并对障碍物的空间位置速度和方位进行估算后提供给控制计算机（1），实现对电动轮椅（2）的实时避障控制。
图3是电动轮椅的无人驾驶路径跟踪方法示意图。根据电子地图，获得从起点到终点的规划路径，电动轮椅沿着规划路径行进。规划路径由一系列时间间距相同的离散点组成，通过对各个离散点进行组合分析，将规划路径分为直线段和曲线段，并标记出各直线段与曲线段的转折点进行顺序编号。电动轮椅（2）的控制也分为直线行进控制与曲线行进控制两种。在轨迹的每个段上，其切线方向与x轴之间的夹角为控制方位角，行进速度与该段的曲率有关，曲率为曲率半径r的倒数，曲率越大，则速度越慢。直线行进控制时的控制方位角为零。曲线行进控制时控制方位角为常数且与曲率成正比。电动轮椅（2）实际位置由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并输出一个坐标点，当电动轮椅（2）的实际位置与最近的规划路径的转折点位置在0.1m误差内时，舍弃该点，开始下一个阶段的行进控制，跟踪下一个转折点坐标，直到跟踪到最后一个转折点后停止跟踪。
图4是基于路径规划的电动轮椅路径跟踪闭环控制流程图。根据电子地图设定好的规划路径位置信息，或根据激光雷达（8）所获得的实时障碍物空间位置速度和方位信息，确定控制计算机（1）的期望控制方位角和速度；由IMU-GPS组合测量装置（3）测量电动轮椅（2）的实际方位角和速度，传输给控制计算机（1），通过求差计算，获得实际控制方位角和速度与期望值的差值，提供给PID控制器，得到控制指令，通过串口2提供给舵机x（5）和舵机y（6），带动摇杆滑块机构（7），使电动轮椅（2）上的转向-速度操纵杆（21）按期望控制方位角和速度进行控制，控制左电动轮（23）和右电动轮（24）差速运动，使实际控制方位角与速度跟踪期望控制方位角和速度值。
图5是舵机对电动轮椅中的转向-速度操纵杆控制硬件结构图。采用两个舵机对电动轮椅（2）的转向-速度操纵杆（21）进行前后和左右移动控制。在转向-速度操纵杆（21）上加装两个相互垂直的舵机x（5）和舵机y（6），在舵机x（5）和舵机y（6）的输出轴上分别装上一个L形的光轴摇杆：x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72），并分别套上一个直列滚珠轴承：x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74），另外在转向-速度操纵杆（21）上套装两个直列滚珠轴承：操纵杆直列轴承y（75）和操纵杆直列轴承x（76），将舵机x（5）和舵机y（6）输出轴上x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72）分别与x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74）采用橡皮筋垂直铰接。当舵机x（5）和舵机y（6）转动时，可驱动转向-速度操纵杆（21）同时在前后和左右两个方向自由转动，实现对电动轮椅（2）的转向方位角和前进速度的控制。
图6是基于MFC的控制主程序实现路径规划与舵机控制界面图。在控制计算机（1）用VC++软件编制控制界面程序对电子地图进行调用和运行，在控制界面左侧为MFC与HTML交互，加载OSM离线瓦片地图，用鼠标点击右键可设置起点和终点，然后点击运行，软件会自动在电子地图上绘制出规划路径。在运行路径规划之前，需在另一个终端中运行路径规划最优算法，将地图所示区域的OSM地图节点信息进行解析，使用Graphhopper开源地图导航引擎，首先Windows+R输入cmd进入电脑控制台，然后将文件保存路径改为存放OSM地图资源的路径，最后运行Graphhopper程序，就能够提取OSM中的路线节点信息。
在控制界面的右上方为IMU-GPS组合测量装置（3）的数据采集工作区，在MFC中通过串口通信将IMU-GPS组合测量装置（3）与MFC关联起来，然后根据IMU-GPS组合测量装置（3）的通信协议得到当前位置的GPS经纬度信息以及X、Y、Z轴的三轴加速度和欧拉角。
在控制界面的右下方为舵机控制工作区，该区域主要功能是数据处理及控制信号发出，两台舵机相互垂直安装在电动轮椅上，对电动轮椅的控制***进行建模，当电动轮椅收到相应的控制转动角度时，根据其控制***传递函数，转换为两个舵机的转动控制信号。同时，此区域也需要处理IMU-GPS组合测量装置（3）收到的信息，与给定的规划路径进行比较分析，转换为电动轮椅的转向和速度控制信号。激光雷达（8）的数据采集与控制过程在程序启动时就开始工作，在界面上无需操作指令。
以上对本申请及其具体实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本申请的实施方式之一。在不脱离本申请创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本申请保护范围。
Claims (4)
1.本申请提出的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制装置包括以下组成部件：控制计算机（1），电动轮椅（2），IMU-GPS组合测量装置（3），伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7），激光雷达（8）；电动轮椅（2）包括转向-速度操纵杆（21）、电动轮驱动器（22）、左电动轮（23）和右电动轮（24）；控制计算机（1）、IMU-GPS组合测量装置（3）和激光雷达（8）均安装在电动轮椅（2）上；伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7）安装在转向-速度操纵杆（21）上，构成十字形平面运动机构；在控制计算机（1）中编制控制软件调用电子地图软件，建立本地计算机与电子地图之间的接口连接，在电子地图中设定好起点与终点位置，通过距离最优计算方法，获得规划路径，并提取出规划路径的位置经纬度值；根据电动轮椅（2）的当前位置与规划路径的位置，计算出电动轮椅（2）沿规划路径行进的最优轨迹，并获得电动轮椅（2）可实现沿最优轨迹行进的控制方位角和速度值；控制计算机（1）通过串口2发送控制方位角和速度控制指令，提供给伺服驱动器（4），控制舵机x（5）和舵机y（6）带动摇杆滑块机构（7）控制转向-速度操纵杆（21）的位置变化，转向-速度操纵杆（21）是一个万向摇杆，其前后位置变化控制电动轮椅（2）的速度，左右位置变化控制电动轮椅（2）的方位角转向，进而通过电动轮驱动器（22）差动控制左电动轮（23）和右电动轮（24）的转动速度，从而控制电动轮椅（2）按照期望的控制方位角和速度行进；电动轮椅（2）的实际控制方位角、位置和速度信息由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并通过串口1提供给控制计算机（1）形成闭环反馈控制，提高对控制方位角和速度的控制精度；另外，电动轮椅（2）沿最优轨迹实际行进过程中，采用激光雷达（8）对电动轮椅（2）的周围环境进行实时扫描，获得激光点云，通过串口3传输给控制计算机（1），通过对相邻激光扫描帧点云的配准和坐标转换，构建周围环境的三维地形图，获得道路周围环境信息，并提取出前方障碍物的位置速度和方位信息，进而通过控制电动轮椅（2）的控制方位角和速度，实现实时避障控制。
2.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，规划路径由一系列时间间距相同的离散点组成，通过对各个离散点进行组合分析，将规划路径分为直线段和曲线段，并标记出各直线段与曲线段的转折点进行顺序编号；电动轮椅（2）的控制也分为直线行进控制与曲线行进控制两种；在轨迹的每个段上，其切线方向与x轴之间的夹角为控制方位角，行进速度与该段的曲率有关，曲率为曲率半径r的倒数，曲率越大，则速度越慢；直线行进控制时的控制方位角为零；曲线行进控制时控制方位角为常数且与曲率成正比；电动轮椅（2）实际位置由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并输出一个坐标点，当电动轮椅（2）的实际位置与最近的规划路径的转折点位置在0.1m误差内时，舍弃该点，开始下一个阶段的行进控制，跟踪下一个转折点坐标，直到跟踪到最后一个转折点后停止跟踪。
3.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，在转向-速度操纵杆（21）上加装两个相互垂直的舵机x（5）和舵机y（6），在舵机x（5）和舵机y（6）的输出轴上分别装上一个L形的光轴摇杆：x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72），并分别套上一个直列滚珠轴承：x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74），另外在转向-速度操纵杆（21）上套装两个直列滚珠轴承：操纵杆直列轴承y（75）和操纵杆直列轴承x（76），将舵机x（5）和舵机y（6）输出轴上x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72）分别与x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74）采用橡皮筋垂直铰接；当舵机x（5）和舵机y（6）转动时，可驱动转向-速度操纵杆（21）同时在前后和左右两个方向自由转动，实现对电动轮椅（2）的转向方位角和前进速度的控制。
4.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，在控制计算机（1）用VC++软件编制控制界面程序对电子地图进行调用和运行，在控制界面左侧为MFC与HTML交互，加载OSM离线瓦片地图，用鼠标点击右键可设置起点和终点，然后点击运行，软件会自动在电子地图上绘制出规划路径；在控制界面的右上方为IMU-GPS组合测量装置（3）的数据采集工作区，在MFC中通过串口通信将IMU-GPS组合测量装置（3）与MFC关联起来，然后根据IMU-GPS组合测量装置（3）的通信协议得到当前位置的GPS经纬度信息以及X、Y、Z轴的三轴加速度和欧拉角；在控制界面的右下方为舵机控制工作区，该区域主要功能是数据处理及控制信号发出，两台舵机相互垂直安装在电动轮椅上，对电动轮椅的控制***进行建模，当电动轮椅收到相应的控制转动角度时，根据其控制***传递函数，转换为两个舵机的转动控制信号；同时，此区域也需要处理IMU-GPS组合测量装置（3）收到的信息，与给定的规划路径进行比较分析，转换为电动轮椅的转向和速度控制信号；激光雷达（8）的数据采集与控制过程在程序启动时就开始工作，在界面上无需操作指令。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201910920058.0A CN110716563A (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201910920058.0A CN110716563A (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN110716563A true CN110716563A (zh) | 2020-01-21 |
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ID=69211028
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| CN201910920058.0A Pending CN110716563A (zh) | 2019-09-26 | 2019-09-26 | 一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111759232A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-13 | 江苏旭美特环保科技有限公司 | 一种洗地机清扫路径管理方法 |
| CN112327836A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-02-05 | 南宁市第一人民医院 | 基于5g技术的轮椅自动驾驶控制方法及自动驾驶轮椅 |
| CN113288608A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 中国科学院心理研究所 | 一种电动轮椅室内自动驾驶方法 |
| CN115480579A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-16 | 华侨大学 | 履带式移动机械及其既定轨迹跟踪控制方法、装置、介质 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101063302B1 (ko) * | 2010-10-05 | 2011-09-07 | 국방과학연구소 | 무인차량의 자율주행 제어 장치 및 방법 |
| CN102495631A (zh) * | 2011-12-09 | 2012-06-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法 |
| CN108144287A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-06-12 | 山东体育学院 | 一种应用于健身器材的空气动力喷泉 |
| CN108897328A (zh) * | 2018-08-27 | 2018-11-27 | 桂林电子科技大学 | 轮椅机器人及其室内自主导航方法 |
| CN109540159A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-03-29 | 同济大学 | 一种快速完备的自动驾驶轨迹规划方法 |
| CN109857098A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-06-07 | 东南大学 | 一种基于mpc的自动驾驶农机轨迹跟踪***及方法 |
-
2019
- 2019-09-26 CN CN201910920058.0A patent/CN110716563A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101063302B1 (ko) * | 2010-10-05 | 2011-09-07 | 국방과학연구소 | 무인차량의 자율주행 제어 장치 및 방법 |
| CN102495631A (zh) * | 2011-12-09 | 2012-06-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种无人驾驶车辆跟踪预定轨迹的智能控制方法 |
| CN108144287A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-06-12 | 山东体育学院 | 一种应用于健身器材的空气动力喷泉 |
| CN108897328A (zh) * | 2018-08-27 | 2018-11-27 | 桂林电子科技大学 | 轮椅机器人及其室内自主导航方法 |
| CN109540159A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-03-29 | 同济大学 | 一种快速完备的自动驾驶轨迹规划方法 |
| CN109857098A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-06-07 | 东南大学 | 一种基于mpc的自动驾驶农机轨迹跟踪***及方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111759232A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-13 | 江苏旭美特环保科技有限公司 | 一种洗地机清扫路径管理方法 |
| CN112327836A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-02-05 | 南宁市第一人民医院 | 基于5g技术的轮椅自动驾驶控制方法及自动驾驶轮椅 |
| CN112327836B (zh) * | 2020-10-27 | 2021-10-01 | 南宁市第一人民医院 | 基于5g技术的轮椅自动驾驶控制方法及自动驾驶轮椅 |
| CN113288608A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 中国科学院心理研究所 | 一种电动轮椅室内自动驾驶方法 |
| CN115480579A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-12-16 | 华侨大学 | 履带式移动机械及其既定轨迹跟踪控制方法、装置、介质 |
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