CN107065873B - 一种基于磁带导引agv的多曲率圆周路径循迹控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，首先建立了AGV左右驱动轮移动线速度与AGV质心旋转半径之间的运动关系；分析AGV、磁导引传感器与圆周路径的位置关系并建立其几何关系式，选取临界信号值(临界角)保证了磁带导引AGV的直线循迹精度，通过建立磁导引传感器信号值与偏差距离S_i之间的映射关系，保证了磁带导引AGV对不同曲率圆周路径的循迹能力。本发明在保证循迹精度及快速反应能力的前提下，有效降低了AGV转弯所花费的时间，提高了AGV的运行效率，此外，提升了AGV对实际应用环境的适应能力及灵活性。

Description

一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法

技术领域

本发明涉及自动导航车控制领域，尤其是一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法。

背景技术

在自动导航车控制领域，AGV(Automated Guided Vehicle)，即自动导引小车，是指配备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿设定的导引路径行驶，具有安全保护和各种移载功能且在实际应用中不需要驾驶员的运输车。近几年，随着电子商务的迅速发展，仓储物流自动化越来越受到重视，而AGV在自动仓储中占据了相当重要的位置。AGV按导引方式的不同，可分为固定路径导引和自由路径导引，其中，固定路径导引方式有：电磁导引、磁带导引、光学导引等，自由路径导引方式有：激光导引、惯性导引、视觉导引、GPS导引等。磁带导引作为固定路径导引中应用最广泛的一种导引方式，普遍应用在仓储物流、汽车生产、柔性制造及装配等行业。

磁带导引AGV采用在地面上粘贴磁带的方式，通过安装在AGV上的磁导引传感器感应磁带的磁场信号实现小车的自动导引功能。在磁带导引AGV的转弯控制策略中，一般采用直角路径或多次路径调整等方法实现AGV的转弯，直角路径转弯策略使得AGV转弯运行时间过长，多次路径调整转弯策略使AGV在路径调整处会出现抖动的现象。为了提高磁带导引AGV的运行效率，以及提升循迹的平稳性，提出基于圆周路径实现磁带导引AGV的转弯，但由于AGV车体结构和磁导引传感器安装位置的影响，使得AGV转弯时出现抖动的现象，在此基础上，继续提出了一种多曲率圆周路径循迹控制方法，即分析AGV姿态与圆周路径的位置关系，得出磁导引传感器、AGV与圆周路径的几何关系，通过调整磁导引传感器中心点相对于圆周路径中心线的距离值，来实现磁带导引AGV对不同曲率圆周路径的循迹控制。

发明内容

为了克服已有磁带导引AGV转弯控制中运行效率低、循迹抖动的不足，本发明在保证AGV循迹精度及快速响应能力的前提下，提出了一种基于多曲率圆周路径循迹的控制方法，该方法可操作性强、易实现，可提高磁带导引AGV运行效率、以及其转弯平稳性和灵活性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1)针对两轮差速驱动AGV，当AGV差速运动时，AGV质心运动轨迹为圆周轨迹，建立AGV左右驱动轮移动线速度与圆周轨迹半径之间的运动关系；

步骤2)根据选取的磁导引传感器和磁带，确定磁导引传感器安装位置，并采集AGV中轴线相对于磁带中心线左右不同程度偏转下磁导引传感器的信号值，且AGV中轴线相对于磁带左偏或右偏均有m个信号值，即共有2m个信号值；

步骤3)建立磁导引传感器中心点与AGV质心的距离L、磁导引传感器中心点相对于磁带中心线的偏差距离S与圆周路径半径R之间的几何关系；

步骤4)根据铺设的不同曲率的圆周路径，设互不相同的圆周路径半径有z个，由圆周路径的半径R_i得出对应的偏差距离S_i，i∈N+,i≤z；

步骤5)在所有的磁导引传感器信号值中选取临界信号值，作为直线路径循迹控制与圆周路径循迹控制的临界点；

步骤6)选取S_i中的最大值与最小值，并与磁导引传感器的最大信号值和临界信号值建立映射关系，进而，建立最大信号值与临界信号值之间信号值的映射关系；

进一步，所述步骤1)中，AGV左右驱动轮移动线速度与圆周轨迹半径之间的运动关系如式(1)所示。

又v_c＝wR，则

其中，w为AGV差速移动时的移动角速度，v_l,v_r分别为AGV左右轮移动线速度，v_c为AGV质心移动线速度，D为AGV左右驱动轮轮距，R为圆周轨迹的半径；

更进一步，所述步骤2)中，对于选取的磁导引传感器和磁带，会因其型号的不同，m的取值也会有所不同，进而会影响圆周路径曲率的映射范围；

所述步骤2)中，L的大小也会影响磁带导引AGV的循迹精度，L越小，AGV中轴线相对于磁带中心线的夹角θ_j(j∈N+,j≤m)的范围(即AGV相对于磁带左右偏转范围)越大，但控制精度越差，相反，L越大，夹角θ_j的范围越小，控制精度越高，此外，L的取值也应符合实际的环境，不与环境相干涉；

所述步骤2)中，磁导引传感器的信号值都有相对应的θ_j，且θ₁＜θ₂＜···＜θ_m；

在步骤3)中，L,S,R之间的几何关系如式(3)所示：

其中，当S＝0,L≠0时，R→∞，此时AGV循直线路径，当S≠0,L≠0时，R为有界常数，此时AGV循圆周路径；

由式(3)得以下不等式。

R≥L (4)

即L的取值不大于铺设圆周路径的最小半径R₁。

所述步骤3)中，将式(3)代入式(2)，得到

在步骤4)中，针对某一固定曲率的圆周路径，在磁导引传感器的安装位置确定的情况下，R_i只与唯一的S_i相对应，且R₁＜···＜R_i＜···＜R_z；

更进一步，在步骤5)中，为了保证磁带导引AGV对直线路径的循迹精度，设置一个临界角(临界信号值)θ₀，θ_j＜θ₀时，通过磁导引传感器信号值差值作为控制器的输入，实现循迹误差系统的负反馈控制，θ_j≥θ₀时，建立磁导引传感器信号值与S_i的映射关系，且S₁＜···＜S_i＜···＜S_z；

在步骤5)中，建立映射关系时，S₁与θ₀建立映射，S_z与θ_m建立映射；

所述步骤6)中，针对步骤5)中建立的映射关系，假设小于临界角θ₀的θ_j共有n个(n的大小根据实际的控制要求选择)，则大于θ₀的θ_j共有m-n个，且z≤m-n；

在步骤6)中，还有m-n-2个磁导引传感器信号值未映射S_i值，取平均值

即相邻的S_i的值彼此相差

最后，建立的映射关系如式(6)所示。

本发明的有益效果主要表现在：由于磁带导引AGV在传统的转弯控制策略中存在运行效率低、运行不平稳及灵活性不足等缺陷。针对以上问题，本发明提供了一种多曲率圆周路径的磁带导引AGV转弯控制方法。本发明改进了传统的AGV转弯策略，采用圆周路径，进而，提出了多曲率圆周路径转弯控制方法，使得磁带导引AGV能够适应不同曲率的圆周路径，降低了AGV转弯所花费的时间，并且提高了AGV转弯循迹的平稳性，此外，保证了磁带导引AGV的直线循迹精度，具有很强的实用性和应用价值。

附图说明

图1是两轮差速AGV差速转弯示意图；

图2是AGV相对于磁带中心线的右偏姿态示意图；

图3是AGV、圆周路径与磁导引传感器之间的位置关系示意图；

图4是映射关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1)以四轮AGV为研究对象，两前轮作为驱动轮，实现差速转向，两后轮作为从动轮，起支撑作用。假设AGV驱动轮轮轴中心即为AGV质心，根据移动机器人的运动特性，可得到AGV左右驱动轮移动线速度与AGV质心旋转半径之间的运动关系为：

其中v_c为设定的常值，从式(2)的关系可知，若D为定值，R越大，左右轮的轮速差v_l-v_r越小；若R为定值，D越大，左右轮的轮速差v_l-v_r越大。式(2)以右转弯为例建立的运动关系，R为正值；若左转弯，R取负值。

步骤2)磁导引传感器一般采用阵列排布的霍尔传感器检测点，每个霍尔传感器检测点检测到磁场输出为0，未检测到磁场输出为1，AGV不同偏转姿态下，磁导引传感器的输出信号各不相同，故磁导引传感器输出的信号必须经过数字化处理才能使用。

保持AGV质心在磁带中心线上，以质心为圆心，不断调整AGV左右偏转幅度，采集AGV不同姿态下的磁导引传感器输出的信号值，且AGV相对于磁带中心线左偏和右偏各有m个信号值。设AGV中轴线与磁带中心线重合时，磁导引传感器的信号值为0。

步骤3)磁带导引AGV平滑无抖动地经过圆周路径的理想姿态是，AGV质心始终保持在圆周路径的中心线上，磁导引传感器的中心点相对于圆周路径中心线的偏差距离为定值，且AGV左右驱动轮的轮速差保持为定值。

从图3中的位置关系得到如下关系：

进而，得到R≥L，L的取值取决于铺设的圆周路径中的最小半径的圆周路径；

步骤4)针对步骤1)中的运动关系，得到S与AGV左右驱动轮之间的关系如下式

步骤5)在建立映射关系时，给出的θ_j只是不同信号值对应的实际角度，并不需要实际测量，大大降低了工作量。

在设定临界角时，θ₀必须满足θ₁＜θ₀＜θ_m，且选取是不能偏大，也不能偏小，必须符合实际的应用场景和应用要求。实际操作时，只需选取磁导引传感器的临界信号值，即θ₀对应的信号值。

如图1所示，AGV右转弯时的运动状况，图中各符号表示为：

O′---AGV右转弯时质心的旋转瞬心；

D---AGV两驱动轮轮距；

ν_l---AGV左驱动轮移动线速度；

ν_r---AGV右驱动轮移动线速度；

ν_c---AGV质心移动线速度；

α---AGV周期时间内质心转过的角度；

R---AGV质心旋转半径；

如图2所示，AGV相对于磁带中心线右偏转的最小幅度与最大幅度，图中各符号表示为：

O---AGV质心；

1---磁导引传感器；

2---磁带；

θ₁---AGV右偏转的最小角度；

θ_m---AGV右偏转的最大角度；

如图3所示，AGV右转弯时，AGV平滑且无抖动经过圆周路径的理想姿态，图中各符号表示为：

O′---圆周路径的圆心；

R---圆周路径的半径；

C---AGV质心；

M---磁导引传感器中心点；

1---磁导引传感器；

2---磁带；

L---AGV质心与磁导引传感器中心点的距离；

S---磁导引传感器中心点相对于磁带中心线的偏差距离。

Claims (6)

1.一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1)针对两轮差速驱动AGV，当AGV差速运动时，AGV质心运动轨迹为圆周轨迹，建立AGV左右驱动轮移动线速度与圆周轨迹半径之间的运动关系；

步骤2)根据选取的磁导引传感器和磁带，确定磁导引传感器安装位置，并采集AGV中轴线相对于磁带中心线左右不同程度偏转下磁导引传感器的信号值，且AGV中轴线相对于磁带左偏或右偏均有m个信号值，即共有2m个信号值；

步骤3)建立磁导引传感器中心点与AGV质心的距离L、磁导引传感器中心点相对于磁带中心线的偏差距离S与圆周轨迹半径R之间的几何关系；

步骤4)根据铺设的不同曲率的圆周路径，设互不相同的圆周路径半径有z个，由圆周路径的半径R_i得出对应的偏差距离S_i，i∈N+,i≤z；

步骤5)在所有的磁导引传感器信号值中选取临界信号值，作为直线路径循迹控制与圆周路径循迹控制的临界点；

步骤6)选取S_i中的最大值与最小值，并与磁导引传感器的最大信号值和临界信号值建立映射关系，进而，建立最大信号值与临界信号值之间信号值的映射关系。

2.如权利要求1所述的一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，AGV左右驱动轮移动线速度与圆周轨迹半径之间的运动关系如式(1)所示

又v_c＝wR，则

其中，w为AGV差速移动时的移动角速度，v_l,v_r分别为AGV左右轮移动线速度，v_c为AGV质心移动线速度，D为AGV左右轮轮距，R为圆周轨迹半径。

3.如权利要求2所述的一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，L,S,R之间的几何关系如式(3)所示

其中，当S＝0,L≠0时，R→∞，此时AGV循直线路径，当S≠0,L≠0时，R为有界常数，此时AGV循圆周路径；

由式(3)得以下不等式

R≥L (4)

即L的取值不大于铺设圆周路径的最小半径R₁。

4.如权利要求3所述的一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，将式(3)代入式(2)，得到

5.如权利要求1或2所述的一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，为了保证磁带导引AGV对直线路径的循迹精度，设置一个临界角θ₀；AGV中轴线相对于磁带中心线的夹角θ_j，j∈N+,j≤m，θ_j＜θ₀时，通过磁导引传感器信号值差值作为控制器的输入，实现循迹误差系统的负反馈控制，θ_j≥θ₀时，建立磁导引传感器信号值与S_i的映射关系，且S₁＜···＜S_i＜···＜S_z；

在步骤5)中，建立映射关系时，S₁与θ₀建立映射，S_z与θ_m建立映射。

6.如权利要求1或2所述的一种基于磁带导引AGV的多曲率圆周路径循迹控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，针对步骤5)中建立的映射关系，假设小于临界角θ₀的θ_j共有n个，则大于θ₀的θ_j共有m-n个，且z≤m-n；

在步骤6)中，还有m-n-2个磁导引传感器信号值未映射S_i值，取平均差值

即相邻的S_i值彼此相差

最后，建立的映射关系如式(6)所示

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