在非预设精确目标姿态条件下，用于车辆转移机器人与跟踪虚拟目标对接的方法

《Expert Systems with Applications》：Docking Method for Vehicle Transfer Robots with Tracking Virtual Targets under Non-Preset Precise Target Pose Conditions

自动车辆转移机器人精准停靠方法研究。提出基于3D/2D双LiDAR感知的动态目标位姿更新机制，构建虚拟目标轨迹并实现运动规划与跟踪控制的耦合策略，解决大型车辆户外复杂环境中的动态停靠难题。实验表明该方法在恶劣天气下仍能保持高精度（横向偏差<5cm）和低计算延迟（<200ms），显著优于传统视觉或RFID方案。

　　

刘志|余浩|张林|王守坤|王俊正|徐永康

北京工业大学自动化学院，中国北京中关村南路100081

摘要

随着滚装/滚卸（Ro-Ro）物流终端对自动化需求的不断增加，车辆转移机器人在高效处理成品车辆方面的作用变得越来越重要。在目标车辆位置不固定的情况下，实现机器人与目标车辆之间准确可靠的对接面临诸多挑战，这需要采用先进的控制策略。我们的方法将对接操作细分为接近阶段和会合阶段，通过利用3D和2D激光雷达进行连续的目标姿态估计，将传统的静态对接问题转化为动态跟随问题。为了有效减少针对虚拟目标的运动重规划频率，并提高机器人的运动平滑性和计算效率，我们设计了一种基于条件的目标姿态更新机制。随后，引入了一种耦合的运动规划和跟踪控制策略，该策略能够精确规划虚拟目标的轨迹，并使机器人能够稳健地跟随目标，最终成功完成对接。在模拟环境和现场测试中的广泛验证表明，与现有算法相比，我们提出的方法具有更优越的性能。这项研究显著推动了物流机器人技术的发展，为大规模成品车辆的自主运输提供了一种可靠的对接方案。

引言

机器人持续深入地融入工业生产，从根本上提高了效率、精度和灵活性，深刻改变了现代制造业的格局（Wen, Wu, Li, & Wang (2024); Wu, Wang, Li, & Chen (2024); Xu, Bao, Zhang, Wang, & Wang (2025); Xu, Chen, Deng, Wang, & Wang (2024)）。传统的滚装/滚卸（Ro-Ro）物流终端通常在恶劣的工作条件下运行，严重依赖人工操作，导致运输效率降低、安全风险增加、劳动力成本上升、信息管理复杂（Liu, Gao, Lin, Tian, & Li (2025); Riki & Rezaei (2014)），同时排放大量废气，可扩展性和适应性也受到限制（Naoum Tsolakis & Korfiatis (2021); Zhang, Chen, & Mei (2023)）。

因此，在汽车Ro-Ro终端引入机器人技术已成为行业发展的必然趋势（Hu, Yang, Xiao, & Wang (2023); Zhong, Yang, Dessouky, & Postolache (2020）。本文研究了Ro-Ro物流终端中的车辆转移作业要求。以我们团队自主研发的专用机器人作为研究对象，对其精确对接方法进行了深入探讨。机器人的作业流程如图1所示。在车辆转移机器人的对接过程中，云调度系统为机器人提供目标车辆的粗略位置信息。然而，由于实际车辆放置位置的偏差以及车辆尺寸的显著变化，机器人必须首先自主导航到可检测区域，然后利用传感器检测技术实时获取高精度的目标姿态数据，最终实现精确对接。

Ro-Ro物流终端通常包括其室外堆场内的多个区域。在密集的停车区域内，车辆需要纵向间距为0.3米、横向间距为0.7米。因此，自主控制车辆转移机器人与目标车辆对接是一项关键技术。对接不准确常常会导致与目标车辆发生碰撞，从而造成重大经济损失（Villagra & Herrero-Perez (2012a)）。

传统上，机器人目标对接问题主要通过两种方法来解决（Wang, Shan, Yue, & Wang (2021）。第一种方法是基于感知的校正对接，机器人利用感知系统来检测目标车辆的姿态信息。例如，在自动化叉车中广泛应用了自主对接技术（Aref et al. (2013); Aref, Ghabcheloo, & Mattila (2014); Li, Ruan, & Zhang (2025)），通过立体视觉或单目视觉实现自动化检测、对接和托盘转移。此外，还开发了一种定向射频识别系统，使机器人能够在复杂的室内环境中自主且精确地与指定目标对接（Kim, Kim, & Chong (2007); Martin, Fink, May, Ochs, & Cabanes (2017)）。对接技术也广泛应用于无人水面车辆（Volden, Stahl, & Fossen (2022)和机器人的自主充电（Dong et al. (2023); Michalek, Gawron, Nowicki, & Skrzypczynski (2021); Song, Wang, Zhang, & Meng (2011)）。Gong et al. (2023)专注于无线充电中的对接应用，提出了一种适用于自主车辆的实时规划和跟踪控制方法。Zhang, Cai, Chu, & Zhou (2019)提出了一种基于红外和超声波传感器的移动机器人自动对接和充电方法。然而，当车辆转移机器人在汽车终端的室外堆场运行时，会遇到新的挑战。这些挑战包括目标车辆姿态的不可预测性以及获取准确姿态信息的困难。此外，恶劣的天气条件（如雨天和雾天）也会影响目标车辆的准确检测（Jin, Matikainen, & Srinivasa (2017)）。

第二种方法是基于路径跟踪的对接方法（Wang et al. (2021）。机器人从初始位置开始检测目标姿态，规划全局路径并沿路径移动，直到成功与目标对接（Dahlmann, V?lz, Lukassek, & Graichen (2023); Ji et al. (2023); Liu, Nie, Li, He, & Ang (2023)）。例如，实现了一种连续曲率转向方法来生成高质量的行驶路径，确保对接操作的精确性和准确性（Herrero, Villagrá, & Martínez (2013); Villagra & Herrero-Perez (2012b)）。还为叉车设计并应用了五阶多项式轨迹，使其能够与目标车辆自主对接（Seelinger & Yoder (2006）。此外，对接技术还被扩展到无人水面船只（Wang et al. (2023)，采用两阶段（搜索和优化）分层方法来规划对接路径，实现了在狭窄水道和凹形港口中无人水面船只的对接。这种对接方法严重依赖路径规划，生成的路径必须同时满足对接要求和运动学约束。然而，对于长度为6米、宽度为3米的车辆转移机器人来说，这种方法的路径规划复杂性较高，效率较低。当无法准确检测到目标车辆的姿态时，实时路径规划变得至关重要（Chen, Shi, Wang, & Shi (2017); Yu, Hao, & Chen (2019)）。

本文强调，传统的对接方法不适合车辆转移机器人与目标车辆的对接。这一过程面临以下特定挑战：(i) 只有当车辆完全穿过目标车辆时才能确认对接完成。因此，在接近阶段和会合阶段都需要持续的感知。然而，当前的研究主要集中在接近阶段的感知上，忽视了会合阶段。(ii) 由于运输车辆的要求，机器人的大型尺寸带来了严格的运动学约束，使得运动轨迹规划变得非常复杂。因此，本研究在以下方面做出了贡献：

1.

设计了一种适用于专用机器人的新型对接控制方法，该方法引入了虚拟目标的构建和坐标系转换。该方法将运动规划与跟踪控制相结合，确保了实时性能，同时减少了对高精度传感和复杂路径规划算法的依赖。它在运动学约束下实现了解耦和灵活的控制。

2.

开发了一种双距离感知系统，以解决机器人对接中的感知挑战。该系统结合了长距离3D激光雷达检测和高精度短距离2D激光雷达检测。3D激光雷达模块具有快速的地形分割、适应天气的噪声降低和三重评估指标优化功能。这种集成方法结合基于触发条件的目标姿态更新方法，不仅提高了系统的鲁棒性，还有效解决了机器人对接过程中的感知问题。

3.

新的对接方法在山东港的模拟和实际应用中进行了测试，实现了精确的机器人对接，性能优于传统方法。在恶劣条件（如大雪）下的测试也证明了其可靠性。

本文的其余部分安排如下：第2节使用数学公式阐述了车辆转移机器人与目标车辆之间的对接问题。第3节介绍了所提出的车辆转移机器人对接方法。第4节通过仿真实验和现场测试验证了该方法的有效性和优越性。最后，第5节总结了本研究的主要贡献。

部分摘录

问题表述

机器人通过自主导航移动到激光雷达可以扫描的位置。当机器人检测到目标位置时，对接过程开始。为了确保车辆转移机器人在对接过程中的成功和安全，在对接的最后时刻实现零碰撞角和零横向偏差至关重要（He, Gao, Liu, & Qu (2025）。对接过程分为两个阶段：接近阶段和会合阶段。

方法论

本文研究了汽车终端室外堆场中车辆转移机器人与目标车辆之间的自主对接问题，如图4所示。本节介绍了车辆转移机器人的对接方法，该方法包括四个关键组成部分：目标车辆姿态检测、目标车辆姿态更新、虚拟目标运动规划和机器人跟踪控制。

机器人系统

本文基于专为车辆转移设计的机器人系统进行了实验验证。该机器人采用跨式双体结构，具体参数如下：长度6米、宽度3米、高度2.8米、重量6吨、最大速度25公里/小时、最大载重量2.5吨、单次充电续航时间8小时。其完全集成的电子系统使其能够在拥挤的车辆转移站中灵活导航。

机器人配备了双层

结论

本文解决了Ro-Ro物流终端中的关键问题，特别是传统车辆处理方式所导致的劳动强度高、碳排放量大和安全隐患等问题。为了克服在目标车辆位置不固定条件下的复杂对接问题，我们提出了一种新型且可靠的对接方法。首先，我们设计了一种3D激光雷达感知系统。该长距离感知模块智能地结合了地面过滤和噪声抑制功能

CRediT作者贡献声明

刘志：撰写——初稿、软件开发、形式分析、方法论设计。余浩：撰写——审稿与编辑。张林：撰写——审稿与编辑、验证。王守坤：撰写——审稿与编辑、可视化。王俊正：概念化设计、项目管理、资源协调、撰写——审稿与编辑。徐永康：项目管理、资源协调、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。