CN103383570A - 一种可全向移动的自动导航小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可全向移动的自动导航小车，其包括车架及随动轮；车架上还安装有至少两个导航驱动组件，导航驱动组件包括左伺服驱动转向轮及右伺服驱动转向轮，左伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的左轮伺服驱动模块驱动控制，右伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的右轮伺服驱动模块驱动控制；导航驱动组件还包括用于识别导航标示线的位置传感器以及用于检测导航驱动组件与车架间角度的角度传感器；所述位置传感器将检测的位置偏差传输到导航控制器内，所述导航控制器、角度传感器与AGV系统控制器连接。本发明结构简单紧凑，控制精度高，适应范围广，安全可靠。

Description

一种可全向移动的自动导航小车

技术领域

本发明涉及一种导航小车，尤其是一种可全向移动的自动导航小车，属于自动化搬运的技术领域。

背景技术

自动导航小车（AGV）是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，一般以电池为动力，装备有电磁、光学或视觉等自动导航装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能。AGV作为一种轮式移动机器人，可通过导引装置自动地沿预定路径将物料运送到目的地。与传送带和有轨小车相比，AGV在自动化程度、路径设置柔性和空间利用率等方面都具有明显优势，且易与计算机控制的自动化生产系统有机结合，已成为现代制造系统和自动仓储系统中的关键性物流输送设备，在电子、化工、造纸、港口运输、烟草、制药和食品等众多行业中也应用广泛。

此外，AGV还可用于生产装配过程，如在发动机总装线，AGV可替代传统连续式固定装配线或地轨式装配台车，用于发动机的支承、移动和装配。国外也开始尝试将AGV用于F-35飞机的装配生产线。在国家大飞机重大科技专项的支持下，多AGV组成的智能移动装配系统有望出现在大飞机装配中，通过集群控制合作搬运大质量或大尺寸的部件。

AGV运动依靠车轮的转动，根据能否在轮轴方向产生位移，车轮可分为全方位轮和常规轮。根据轮轴与车体间的连接关系，常规轮可分为（1）、固定轮：车轮轮轴相对车体是固定的，若转速取决于车体运动速度，则为随动轮；若速度由电机控制，则为驱动轮。（2）、转向轮：车轮轮轴相对车体是可转动的，若转速和方向均取决于车体速度和方向，则为自由轮；若方向由操舵电机控制而转速取决于车体，则为操舵轮。

采用不同类型车轮与布局可构成移动机器人的不同转向方式，传统的AGV系统形式有采用两独立驱动轮的差速转向以及采用驱动轮和操舵轮的操舵转向，前者调整两驱动轮之间的速度差，而后者调整操舵轮的方向角。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种可全向移动的自动导航小车，其结构简单紧凑，控制精度高，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述可全向移动的自动导航小车，包括车架及安装于所述车架上的若干随动轮；所述车架上还安装有至少两个导航驱动组件，所述导航驱动组件均匀对称地安装于车架下方的前端与后端；导航驱动组件的轴线与车架的轴线位于同一直线上；导航驱动组件包括左伺服驱动转向轮及右伺服驱动转向轮，所述左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮对称分布于车架轴线的两侧，且左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮能在车架下转动所需的角度；左伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的左轮伺服驱动模块驱动控制，右伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的右轮伺服驱动模块驱动控制；导航驱动组件还包括用于识别导航标示线的位置传感器以及用于检测导航驱动组件与车架间角度的角度传感器；所述位置传感器将检测的位置偏差传输到导航控制器内，所述导航控制器、角度传感器与AGV系统控制器连接；

AGV系统控制器能接收外部的运动速度指令及运动姿态指令，所述AGV系统控制器根据接收的运动速度指令向导航控制器输出速度控制信息，以使得导航控制器分别向左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块输出对应的速度驱动信号，且AGV系统控制器根据角度传感器检测输入的角度值及运动姿态指令对导航控制器输出的速度驱动信号进行补偿，以使得左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块分别驱动左轮伺服驱动转向轮、右轮伺服驱动转向轮驱动车架运动，且车架的运动速度及运动姿态与所接收的运动速度指令及运动姿态指令相匹配。

所述AGV系统控制器包括位置控制模块及姿态控制模块，所述位置控制模块与导航控制器连接，角度传感器、姿态控制模块及导航控制器与速度分配控制模块连接，所述速度分配控制模块与左轮伺服驱动模块及右轮伺服驱动模块连接。

所述导航驱动组件通过组件安装轴安装于支架的下方，且导航驱动组件通过安装轴能在支架的下方进行360度的转动。

所述位置传感器包括磁传感器，导航标示线为设置于地面的磁条。所述车架上设置四个随动轮，所述随动轮分布于车架四端角的下方。

所述AGV系统控制器对导航控制器输出的速度驱动信号进行补偿时，对输入到左轮伺服驱动模块的速度驱动信号加速度补偿值，对输入到右轮伺服驱动模块的速度驱动信号减去速度补偿值。

本发明的优点：借助了导航驱动组件的特点，利用多个导航驱动组件、增加了速度分配控制模块，通过速度分配控制模块来实现对左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮的运动姿态及运动速度的控制，实现AGV的姿态控制和运动控制，实现AGV的360度任意方向上的移动形式，包括转向、平移、侧移等具有结构简单、控制方便，控制精度高，安全可靠。

附图说明

图1为本发明全向移动的自动导航小车的结构框图。

图2为本发明的实施例机械结构图。

图3为本发明导航驱动组件与车架间的安装示意图。

图4为本发明的实施例转向运动模式。

图5为本发明的实施例侧向运动模式。

其中，1-车架、2-随动轮、3-第一导航驱动组件、31-第一左轮伺服驱动模块、32-第一右轮伺服驱动模块、33-第一导航控制器、34-第一位置传感器、35-第一角度传感器、36-第一左轮伺服驱动转向轮、37-第一右轮伺服驱动转向轮、38-第一安装轴、4-第二导航驱动组件、41-第二左轮伺服驱动模块、42-第二右轮伺服驱动模块、43-第二导航控制器、44-第二位置传感器、45-第二角度传感器、46-第二左轮伺服驱动转向轮、47-第二右轮伺服驱动转向轮、48-第二安装轴、5-AGV系统控制器、51-位置控制模块、52-姿态控制模块、53-速度分配控制模块及6-导航标示线。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了能够实现对自动导航小车的精确控制，提高自动导航小车的运动精度，本发明包括车架1及安装于所述车架1上的若干随动轮2；所述车架1上还安装有至少两个导航驱动组件，所述导航驱动组件均匀对称地安装于车架1下方的前端与后端；导航驱动组件的轴线与车架1的轴线位于同一直线上；导航驱动组件包括左伺服驱动转向轮及右伺服驱动转向轮，所述左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮对称分布于车架1轴线的两侧，且左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮能在车架1下转动所需的角度；左伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的左轮伺服驱动模块驱动控制，右伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的右轮伺服驱动模块驱动控制；导航驱动组件还包括用于识别导航标示线6的位置传感器以及用于检测导航驱动组件与车架1间角度的角度传感器；所述位置传感器将检测的位置偏差传输到导航控制器内，所述导航控制器、角度传感器与AGV系统控制器5连接；

AGV系统控制器5能接收外部的运动速度指令及运动姿态指令，所述AGV系统控制器5根据接收的运动速度指令向导航控制器输出速度控制信息，以使得导航控制器分别向左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块输出对应的速度驱动信号，且AGV系统控制器5根据角度传感器检测输入的角度值及运动姿态指令对导航控制器输出的速度驱动信号进行补偿，以使得左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块分别驱动左轮伺服驱动转向轮、右轮伺服驱动转向轮驱动车架1运动，且车架1的运动速度及运动姿态与所接收的运动速度指令及运动姿态指令相匹配。

如图1~图5所示：以车架1上设置两个导航驱动组件为例来对本发明做进一步的说明。所述两个导航驱动组件包括第一导航驱动组件3及第二导航驱动组件4，第一导航驱动组件3及第二导航驱动组件4均匀对称分布于车架1的前端部及后端部。第一导航驱动组件3通过第一安装轴38安装于车架1前端的下部，第二导航组件4通过第二安装轴48安装于车架1后端的下部，第一导航驱动组件3通过第一安装轴38能在车架1下方实现360度的转动，第二导航驱动组件4通过第二安装轴48能在车架1下方实现360度的转动。

第一导航驱动组件3包括第一左轮伺服驱动转向轮36及第一右轮伺服驱动转向轮37，第一左轮伺服驱动转向轮36及第一右轮伺服驱动转向轮37均通过伺服电机驱动，第一左轮伺服驱动转向轮36与第一导航驱动组件3内的第一左轮伺服驱动模块31相连，第一左轮伺服驱动模块31驱动第一左轮伺服驱动转向轮36的运动；第一右轮伺服驱动转向轮37与第一导航驱动组件3内的第一右轮伺服驱动模块32相连，第一右轮伺服驱动模块32驱动第一右轮伺服驱动转向轮37运动。第一左轮伺服驱动模块31及第一右轮伺服驱动模块32与速度分配控制模块53的输出端连接，速度分配控制模块53与第一角度传感器35、第一导航控制器33连接，第一导航控制器33与第一位置传感器34的输出端连接。第一位置传感器34检测第一导航驱动组件3与设置在地面上的导航标示线6之间的位置偏差，第一角度传感器35用于检测第一导航驱动组件3转动后与车架1之间的角度值。

第二导航驱动组件4包括第二左轮伺服驱动转向轮46及第二右轮伺服驱动转向轮47，第二左轮伺服驱动转向轮46及第二右轮伺服驱动转向轮47均通过伺服电机驱动，第二左轮伺服驱动转向轮46与第二导航驱动组件4内的第二左轮伺服驱动模块41相连，第二左轮伺服驱动模块41驱动第二左轮伺服驱动转向轮46的运动；第二右轮伺服驱动转向轮47与第二导航驱动组件4内的第二右轮伺服驱动模块42相连，第二右轮伺服驱动模块42驱动第二右轮伺服驱动转向轮47运动。第二左轮伺服驱动模块411及第二右轮伺服驱动模块42与速度分配控制模块53的输出端连接，速度分配控制模块53与第二角度传感器45、第二导航控制器43连接，第二导航控制器43与第二位置传感器44的输出端连接。第二位置传感器44检测第二导航驱动组件4与设置在地面上的导航标示线6之间的位置偏差，第二角度传感器45用于检测第二导航驱动组件4转动后与车架1之间的角度值。

本发明实施例中，第一位置传感器34及第二位置传感器44检测设置于地面的导航标示线6，将检测到的左右偏移量分别传给第一导航控制器33及第二导航控制器43，经过PID等闭环控制算法，获得左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮的速度量，并传送给相应的左轮伺服驱动模块和右轮伺服驱动模块，通过左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块来对左轮伺服驱动转向轮、右轮伺服驱动转向轮的运行速度及方向进行控制，完成一次纠偏控制。运行中，根据系统响应情况，不断重复进行纠偏控制的过程。实现小车沿预设轨迹的运行。

如图1所示，在AGV小车中，沿着AGV的行驶路线设置了导航标示线6，第一导航驱动组件3中的第一位置传感器3可以识别导航标示线6的偏移量作为第一导航控制器33的输入，第一导航控制器33驱动两个伺服驱动轮调速不断减小偏移量，完成导航控制功能。

传统AGV一般采用差速控制方式，即AGV本机就是一个导航驱动组件，因此转动惯量大，控制精度较差；同时，无法实现AGV小车的全向移动和姿态控制。

如图2和图3所示，本发明实施例中，第一位置传感器34及第二位置位置传感器44是磁传感器，可以检测设置于地面的磁条导航标示线6，并将偏移量传给第一导航控制器33、第二导航控制器43，第一导航控制器33及第二导航控制器43均可以采用常用的微处理器。导航控制器将速度信号分别产生左轮伺服驱动和右轮伺服驱动的驱动PWM信号。

由于两个导航驱动组件均产生PWM信号到驱动轮，如果直接驱动驱动轮，就会发生四个驱动轮运动速度干涉，死锁等情况，因此本发明所述的AGV系统控制器5，AGV系统控制器5包括位置控制模块51、姿态控制模块52、速度分配控制模块（53），速度分配控制模块53根据两个角度传感器检测AGV的姿态，结合姿态控制模块52的指令，对每个驱动轮的速度进行合理分配，实现姿态控制的要求。

速度分配控制模块53包含若干对的脉冲输入、脉冲输出接口，每个脉冲输入接口连接导航控制器的脉冲输出，每个脉冲输出接口连接车轮的伺服驱动器，速度分配控制模块对每个驱动轮的速度进行合理分配，实现AGV姿态控制的要求。

作为本发明的另一个实施例，当伺服驱动以模拟量的形式作为输入信号，则速度分配控制模块53包含若干对的模拟量输入、输出接口，每个模拟量输入接口连接导航控制器的模拟量输出，每个模拟量输出接口连接车轮的伺服驱动器，速度分配控制模块53对每个驱动轮的速度进行分配，实现AGV姿态控制的要求。

如图4所示，在转向运动时，第一导航控制组件3及第二导航驱动组件4分别控制AGV运动，使导航标示线6对准车架1及导航驱动组件的中间。此时，第一导航驱动组件3及第二导航驱动组件4均和车架1构成一定的夹角，角度传感器可以检测到这个角度，输入到速度分配控制模块53中，同时速度分配控制模块53对导航控制器的输出信号进行再次分配，以避免速度不匹配的造成的运动卡死，实现对AGV的姿态控制，由图可见，采用双导航驱动组件的360度全向运动AGV，可以几乎实现直角转向。在转向处标线对中性能，优于传统的双轮差速驱动形式的AGV。

如图5所示，在侧方运动时，前后导航控制组件分别控制驱动轮，导航驱动组件和车架构成90度，然后在速度分配控制模块53和导航驱动组件的控制下实现对AGV侧向移动。

同理该结构的AGV可以实现任意角度的AGV姿态调整和移动，因此系统更加灵活、实用性更加强、采用了导航驱动模块的方式，使得系统控制惯量大大降低，易于控制。

本发明实施例中，AGV系统控制器5根据应用的指令获取到需要实现的姿态和速度，然后，将速度量经过位置控制模块51分解成两个速度量，作为目标速度分别传送给使得第一导航驱动组件3和第二导航驱动组件4；并将姿态量经过姿态控制模块52分解成两个角度量，作为目标角度。

速度分配控制模块53对目标速度进行差分补偿后，分别驱动第一左轮伺服驱动模块31、第二左轮伺服驱动模块41和第一右轮伺服驱动模块32、第二右轮伺服驱动模块42。同时，检测第一角度传感器35和第二角度传感器36输入的角度值，根据角度值调节补偿量的大小。以上过程不断重复，直到第一角度传感器35和第二角度传感器36检测到的角度达到目标角度。此时第一导航驱动组件3和第二导航驱动组件4偏转到指令需求的角度，完成小车姿态控制。

上述差分补偿的运算规则如下：左伺服驱动转向轮为目标速度加上速度补偿量，右伺服驱动转向轮为目标速度减速度补偿量；并根据角度传感器的反馈，动态调节速度补偿量的大小，检测角度和目标角度相差越大，则速度补偿量越大。速度补偿量的调节过程为闭环伺服，通过角度传感器检测的角度值来获得速度补偿量为本技术领域常规的技术手段，此处不再赘述。

综上所述，本发明巧妙的借助了导航驱动组件的特点，利用多个导航驱动组件、增加了速度分配控制模块，通过该模块的解耦运算，实现AGV的姿态控制和运动控制，实现AGV的360度任意方向上的移动形式，包括转向、平移、侧移等具有结构简单、控制容易、功能强的特点。

Claims (6)

1.一种可全向移动的自动导航小车，包括车架（1）及安装于所述车架（1）上的若干随动轮（2）；其特征是：所述车架（1）上还安装有至少两个导航驱动组件，所述导航驱动组件均匀对称地安装于车架（1）下方的前端与后端；导航驱动组件的轴线与车架（1）的轴线位于同一直线上；导航驱动组件包括左伺服驱动转向轮及右伺服驱动转向轮，所述左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮对称分布于车架（1）轴线的两侧，且左伺服驱动转向轮、右伺服驱动转向轮能在车架（1）下转动所需的角度；左伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的左轮伺服驱动模块驱动控制，右伺服驱动转向轮通过导航驱动组件内的右轮伺服驱动模块驱动控制；导航驱动组件还包括用于识别导航标示线（6）的位置传感器以及用于检测导航驱动组件与车架（1）间角度的角度传感器；所述位置传感器将检测的位置偏差传输到导航控制器内，所述导航控制器、角度传感器与AGV系统控制器（5）连接；

AGV系统控制器（5）能接收外部的运动速度指令及运动姿态指令，所述AGV系统控制器（5）根据接收的运动速度指令向导航控制器输出速度控制信息，以使得导航控制器分别向左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块输出对应的速度驱动信号，且AGV系统控制器（5）根据角度传感器检测输入的角度值及运动姿态指令对导航控制器输出的速度驱动信号进行补偿，以使得左轮伺服驱动模块、右轮伺服驱动模块分别驱动左轮伺服驱动转向轮、右轮伺服驱动转向轮驱动车架（1）运动，且车架（1）的运动速度及运动姿态与所接收的运动速度指令及运动姿态指令相匹配。

2.根据权利要求1所述的可全向移动的自动导航小车，其特征是：所述AGV系统控制器（5）包括位置控制模块（51）及姿态控制模块（52），所述位置控制模块（51）与导航控制器连接，角度传感器、姿态控制模块（52）及导航控制器与速度分配控制模块（53）连接，所述速度分配控制模块（53）与左轮伺服驱动模块及右轮伺服驱动模块连接。

3.根据权利要求1所述的可全向移动的自动导航小车，其特征是：所述导航驱动组件通过组件安装轴安装于支架（1）的下方，且导航驱动组件通过安装轴能在支架（1）的下方进行360度的转动。

4.根据权利要求1所述的可全向移动的自动导航小车，其特征是：所述位置传感器包括磁传感器，导航标示线（6）为设置于地面的磁条。

5.根据权利要求1所述的可全向移动的自动导航小车，其特征是：所述车架（1）上设置四个随动轮（2），所述随动轮（2）分布于车架（1）四端角的下方。

6.根据权利要求1所述的可全向移动的自动导航小车，其特征是：所述AGV系统控制器（5）对导航控制器输出的速度驱动信号进行补偿时，对输入到左轮伺服驱动模块的速度驱动信号加速度补偿值，对输入到右轮伺服驱动模块的速度驱动信号减去速度补偿值。

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