CN106020200B - 采用轮毂电机驱动的agv小车及路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法，属于自动引导搬运车及导航领域，有别于磁条、光电、导轨导航，为一种全新的发明设计。具体包括AGV小车、轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块。路径规划模块用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点及提供定位点的坐标信息。检测轮模块用于记录AGV小车的行驶状况、当前的位置坐标和判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。车体偏差调整控制模块用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。本发明能减少传感器数量，降低成本，小车运动位置测量准确、对工作环境依赖小，不会因为环境变化而导致小车无法正常运行。

Description

采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种能够定位导航的自动引导搬运小车及导航方法，特别是一种采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法。
背景技术
自动导引小车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶的无人驾驶运输车，多用于仓储等行业，以实现物料的自动装卸和搬运。
目前已知的AGV装备有电磁或光学引导装置，或是通过超声波传感器等对路径进行探测，但这些装置的安装增加了与控制器的连线，使系统结构更加复杂，传感器的工作易受工作环境影响，增加了潜在的不稳定性，并且提高了整个系统的成本、安装难度和后期的维护成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，该采用轮毂电机驱动的AGV小车一方面能减少传感器安装数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，包括AGV小车、轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块。
AGV小车的驱动轮均由轮毂电机所驱动。
路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息。
检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆心和半径。
车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。
控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。
所述驱动轮为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。
所述检测轮模块包括从动轮和编码器，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆心和半径。
所述车体偏差调整控制模块为设置于AGV小车底盘前方中轴线两侧的霍尔传感器。
还包括对称设置于AGV小车后方底部的万向轮。
还包括设置于AGV小车四周的红外传感器。
本发明还提供一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的路径规划方法，该采用轮毂电机驱动的AGV小车的路径规划方法一方面能减少传感器安装数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。
一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，包括如下步骤。
步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标。
步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶。
步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进。
步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点。
步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。
所述步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。
所述步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下。
第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶。
第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯。
第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，
AGV小车左驱动轮的转速nl为：
AGV小车右驱动轮的转速nr为：
式中，ωl为左驱动轮的转向角速度；ωr为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，设定值；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。
假设AGV小车的行驶路径依次包括M(xm,ym)、N(xn,yn)、P(xp,yp)、Q(xq,yq)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯；此时，转弯方向dir计算公式为：
dir＝sgn[(xn-xm)(yq-yp)-(yn-ym)(xq-xp)]
转向角θ的计算公式为：
在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(xj,yj)和转弯结束点G，则：
点E到点J的直线距离如下：
点E到点N的直线距离L为：
本发明采用上述结构和方法后，一方面能减少传感器安装数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。
附图说明
图1显示了本发明一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的原理示意图。
图2显示了本发明一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的结构示意图。
图3显示了本发明采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划方法的流程示意图。
图4显示了地图数据库的一种实施例。
图5显示了AGV小车的尺寸分析图。
图6显示了AGV小车的转向示意图。
图7显示了车体偏差调整过程示意图。
其中有：1-霍尔传感器；2-编码器；3-驱动轮；4-从动轮；5-AGV小车；6-控制器；7-万向轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，包括AGV小车5、轮毂电机、控制器6、路径规划模块、检测轮模块、车体偏差调整控制模块、万向轮7和红外传感器。
AGV小车的驱动轮3均由轮毂电机所驱动。驱动轮优选为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。
路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息。路径规划模块，本申请也称之为地图数据库或地图数据信息。
检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆心和半径。
上述检测轮模块优选包括从动轮4和编码器2，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆心和半径。
车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。
上述车体偏差调整控制模块优选为设置于AGV小车底盘前方两侧的两个霍尔传感器1。
控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。
上述万向轮优选为两个，对称设置于AGV小车的后方底部，用于辅助驱动轮3实现转向。
上述红外传感器优选设置于AGV小车的四周，当红外传感器检测到附近有物体时，将使小车停止，用于AGV小车的避障。
一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，如图3所示，包括如下步骤。
步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标。
本步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。
步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶。
本步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下。
第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶。
如图4所示，小车要执行从A点到D点的任务，途径的定位点及其坐标依次为：
A(xa,ya)；B(xb,yb)；C(xc,yc)；D(xd,yd)。
设小车的初始位置为图3中的A点(xa,ya)，方向为y轴正方向，准备向B点(xb,yb)行驶。通过控制器的计算提供该路段的定位算法，方向：y轴正向；横坐标：x＝xb-xa＝0；纵坐标：y＝yb-ya；满足直线行驶条件，控制器将信号送入轮毂电机，使驱动轮旋转，小车向前行驶到B点。
第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯。
第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，
AGV小车左驱动轮的转速nl为：
AGV小车右驱动轮的转速nr为：
式中，如图5所示，ωl为左驱动轮的转向角速度；ωr为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，为固定值，可以人为进行设定；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。
如图6所示，假设AGV小车的行驶路径依次包括M(xm,ym)、N(xn,yn)、P(xp,yp)、Q(xq,yq)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯。
此时，小车到达M点时会将N点和P点纳入计算，转弯方向dir计算公式为：
dir＝sgn[(xn-xm)(yq-yp)-(yn-ym)(xq-xp)]
在图6中，dir＝-1＜0，则判定为右转弯，小车将Q点也纳入计算。
转向角θ的计算公式为：
在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(xj,yj)(在转弯开始前小车保持两驱动轮轴线中点向J点直线行驶)、转弯辅助点F和转弯结束点G，则：
点E到点J的直线距离如下：
点E到点N的直线距离L为：
根据上述信息，即可实现小车的转向行驶。
步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进。若小车未按照指令行驶，则判断小车驱动轮出于某种原因处于打滑或空转状态，小车停机并报警。
步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点。
车体偏差调整过程如下：
如图7所示，通过车体偏差调整控制模块检测磁钉得到小车的偏移角度α(小车中轴线与路径方向的夹角)和小车的偏移距离h(也即小车两驱动轮轴线中点到路径的距离|AP|)，然后计算小车转弯半径R＝h/cosα，小车转弯角度θ1＝α+π/3(∠HO1I)，θ2＝π/3(∠KO2I)，接下来可按照步骤2中的第三步转弯部分行驶。
步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标；
步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶；
步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进；
步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点；
步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。
2.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：所述步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。
3.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：所述步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下：
第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶；
第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯；
第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，
AGV小车左驱动轮的转速nl为：
AGV小车右驱动轮的转速nr为：
式中，ωl为左驱动轮的转向角速度；ωr为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，为设定值；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。
4.根据权利要求3所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：假设AGV小车的行驶路径依次包括M(xm,ym)、N(xn,yn)、P(xp,yp)、Q(xq,yq)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯；此时，转弯方向dir计算公式为：
dir＝sgn[(xn-xm)(yq-yp)-(yn-ym)(xq-xp)]
转向角θ的计算公式为：
在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(xj,yj)和转弯结束点G，则：
点E到点J的直线距离如下：
点E到点N的直线距离L为：
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的路径规划方法的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：包括轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块；
AGV小车的驱动轮均由轮毂电机所驱动；
路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息；
检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆心和半径；
车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确；
控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。
6.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述驱动轮为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。
7.根据权利要求6所述的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述检测轮模块包括从动轮和编码器，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆心和半径。
8.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述车体偏差调整控制模块为设置于AGV小车底盘前方中轴线两侧的霍尔传感器。
9.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：还包括对称设置于AGV小车后方底部的万向轮。
10.根据权利要求5所述的轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：还包括设置于AGV小车四周的红外传感器。
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