CN108762219B - 单舵轮agv点镇定控制方法及装置 - Google Patents

单舵轮agv点镇定控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单舵轮AGV点镇定控制方法及装置，涉及AGV控制技术领域。所述方法包括：获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。本发明通过减少控制参数简化控制方法，能够实现任一型单舵轮AGV从全局坐标系中的任一初始位姿镇定到任一目标位姿，可有效解决诸如无人叉车的定点泊车等问题，本发明提供的控制方法简单、调试方便，且运动平稳、通用性强，有较高的实用价值。

Description

单舵轮AGV点镇定控制方法及装置
技术领域
本发明涉及AGV控制技术领域，具体而言，涉及一种单舵轮AGV点镇定控制方法及装置。
背景技术
近年来，随着智能工厂的兴起以及传统制造业的转型升级，无人叉车作为一种重要的AGV设备已经在众多的自动化生产线中得到广泛应用。在实际应用中，一个需要解决的控制问题是要在没有可循路径的情况下将AGV从某一初始位置自动停泊到某一固定位置。对于此问题，从移动机器人的运动控制角度而言，是一个典型的点镇定问题。但目前对这一问题的研究大部分都是基于两轮差速驱动机器人的，并且仅实现了位置镇定，没有实现方位角镇定。而无人叉车在结构上属于单舵轮AGV，与差速驱动AGV结构不同，因而已有的研究成果并不能应用到单舵轮AGV上来。
另一方面，作为一种轮式机器人，单舵轮AGV受非完整约束，是一类非完整移动机器人系统，而点镇定问题是非完整移动机器人运动控制中的难点之一。目前在点镇定控制器的设计方法上，大部分是基于Backstepping方法或李雅普诺夫直接法，基于这两种方法所设计的控制器普遍存在以下不足：1、通常具有3或3个以上的独立控制参数，增大了调试的难度；2、对控制参数比较敏感，通用性差，当AGV的结构参数变化或速度小幅变化时其控制效果往往会发生较大改变。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种单舵轮AGV点镇定控制方法及装置，以改善现有的单舵轮AGV控制参数多、控制性能差等问题。
本发明采用的技术方案如下
本发明实施例提供了一种单舵轮AGV点镇定控制方法，所述方法包括：获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。
进一步地，所述方法还包括：将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对；当方位角偏差大于预设值时基于第三控制律控制AGV掉头。
进一步地，基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上的步骤包括：根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差；基于第一控制律使AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的ye、θe收敛至零。
进一步地，基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点的步骤包括：基于第二控制律控制AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零。
进一步地，所述基于第二控制律使AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零的步骤包括：当AGV距离目标点距离大于dslow，按正常行驶速度v1向目标点靠近；dslow表示减速距离；当AGV距离与目标点的距离小于或等于dslow时，降低速度至v2向目标点靠近；当AGV距离与目标点距离小于容许停止误差εx时停止运动。
本发明实施例还提供了一种单舵轮AGV点镇定控制装置，所述装置包括：获取模块，用于获取全局坐标系下AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；第一控制模块，用于根据第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；第二控制模块，用于根据第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。
进一步地，所述装置还包括第三控制模块，所述第三控制模块用于将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对；当方位角偏差大于预设值时根据第三控制律控制AGV掉头。
进一步地，所述第一控制模块包括：第一计算单元，用于根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差；第一控制单元，用于基于第一控制律使AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的ye、θe收敛至零。
进一步地，所述第二控制模块包括第二控制单元，所述第二控制单元用于根据第二控制律控制AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零。
进一步地，所述第二控制单元还用于当AGV距离目标点距离大于dslow，控制AGV按正常行驶速度v1向目标点靠近；dslow表示减速距离；当AGV距离与目标点的距离小于或等于dslow时，控制AGV降低速度至v2向目标点靠近；当AGV距离与目标点距离小于容许停止误差εx时控制AGV停止运动。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种单舵轮AGV点镇定控制方法及装置，所述方法包括：获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。本发明通过减少控制参数简化控制方法，能够实现任一型单舵轮AGV从全局坐标系中的任一初始位姿镇定到任一目标位姿，可有效解决诸如无人叉车的定点泊车等问题，本发明提供的控制方法简单、调试方便，且运动平稳、通用性强。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明所提供的一种电子设备的示意图。
图2示出了本发明实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制方法的流程图。
图3示出了建立全局坐标系及车体坐标系的示意图。
图4示出了建立全局坐标系及车体坐标系的示意图。
图5示出了本发明实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制方法步骤S210～步骤S220的流程图。
图6示出了本发明实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制装置的功能模块示意图。
图标：100-电子设备；101-存储器；102-存储控制器；103-处理器；104-外设接口；105-显示单元；106-输入输出单元；200-单舵轮AGV点镇定控制装置；210-坐标模块；220-获取模块；230-第一控制模块；240-第二控制模块；250-第三控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1示出本发明较佳实施例提供的电子设备100的方框示意图。所述电子设备100可以是AGV小车的控制装置，智能控制系统，例如工控机、PLC(Programmable LogicController)自动控制系统等。所述电子设备100包括单舵轮AGV点镇定控制装置200、存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、显示单元105、输入输出单元106。
所述存储器101、存储控制器102、处理器103、外设接口104、显示单元105、输入输出单元106各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。所述单舵轮AGV点镇定控制装置200包含至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器101中或固化在所述电子设备100的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器103用于执行存储器101中存储的可执行模块，例如所述单舵轮AGV点镇定控制装置200包括的软件功能模块或计算机程序。
其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器101用于存储程序，所述处理器103在接收到执行指令后，执行所述程序，本发明任一实施例揭示的由过程定义的服务器所执行的方法可以应用于处理器103中，或者由处理器103实现。
处理器103可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器还可以是微处理器。
所述外设接口104将各种输入/输出装置耦合至处理器103以及存储器101。在一些实施例中，外设接口104，处理器103以及存储控制器102可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。
显示单元105在所述电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。在本实施例中，所述显示单元105可以是液晶显示器或触控显示器。若为触控显示器，其可为支持单点和多点触控操作的电容式触控屏或电阻式触控屏等。支持单点和多点触控操作是指触控显示器能感应到来自该触控显示器上一个或多个位置处同时产生的触控操作，并将该感应到的触控操作交由处理器103进行计算和处理。
输入输出单元106用于提供给用户输入数据实现用户与所述电子设备100的交互。例如，可以用于用户或工作人员向AGV小车输入控制指令，所述控制指令可以包括AGV的目标位置点、AGV行驶速度等信息。所述输入输出单元106可以是，但不限于，鼠标和键盘等，所述键盘可以是虚拟键盘，或者触控屏幕等等具有相同或相似功能的输入输出单元106。
近年来，随着智能工厂的兴起以及传统制造业的转型升级，无人叉车作为一种重要的AGV设备已经在众多的自动化生产线中得到广泛应用。在实际应用中，一个需要解决的控制问题是要在没有可循路径的情况下将AGV从某一初始位置自动停泊到某一固定位置。对于此问题，从移动机器人的运动控制角度而言，是一个典型的点镇定问题。但目前对这一问题的研究大部分都是基于两轮差速驱动机器人的，并且仅实现了位置镇定，没有实现方位角镇定。而无人叉车在结构上属于单舵轮AGV，与差速驱动AGV结构不同，因而已有的研究成果并不能应用到单舵轮AGV上来。
第一实施例
本实施例提供了一种单舵轮AGV点镇定控制方法，以实现简单便捷地将单舵轮AGV从任一初始位姿镇定到任一目标位姿。
请参阅图2，本实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制方法包括步骤S10～步骤S40。
步骤S10：建立坐标系。
首先建立全局坐标系及车体坐标系，请参阅图3及图4，图3和图4示出了建立的全局坐标系XOY及车体坐标系ioj的示意图。以选定的参考点建立全局坐标系XOY，例如，可以将导航生成的坐标系作为全局坐标系。同时建立车体坐标系ioj。其中i轴经过舵轮旋转中心且垂直于后轮轴，j轴与后轮轴处于同一条直线上。P点为后轮轴的中点，从导航系统获取的坐标为P点的全局坐标。s为舵轮偏置距离，其符号以i轴的朝向为参考，当舵轮位于车体中轴线左侧时为正，右侧时为负。
步骤S20：获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差。
AGV的当前实时位姿用向量[x,y,θ]T表示，[x,y,θ]T是AGV在全局坐标系中的坐标，θ是AGV的车体坐标系i轴与全局坐标系x轴的夹角θ。目标位姿用[xr,yr,θr]T表示。单舵轮AGV的点镇定问题即是寻求一种控制策略使AGV在有限时间内从初始位姿[x,y,θ]T运动到目标位姿[xr,yr,θr]T，并保持不动。当以车体坐标系原点o为参考时，此问题等价于将AGV从初始位姿[xo,yo,θ]T镇定到目标位姿[xor,yor,θr]T，其中，(xo,yo)、(xor,yor)分别为o点的实时全局坐标及目标位置全局坐标。AGV当前位姿与目标位姿的偏差则可用向量[xe,ye,θe]T描述，其中，(xe,ye)为原点o相对于目标点车体坐标系下的坐标。
优选地，从导航系统获取AGV的目标位姿[xr,yr,θr]T以及实时位姿[x,y,θ]T后，可用下式求解AGV的实时位姿偏差[xe,ye,θe]T：
优选地，于本实施例中，将AGV在有限时间内从初始位姿[x,y,θ]T运动到目标位姿[xr,yr,θr]T等价于在有限时间内将[xe,ye,θe]T镇定收敛至0。
以车体坐标系原点o为参考，建立单舵轮AGV的运动学模型，其中，xoy为参考坐标系，l为轴距，φ为舵轮转角，vd为舵轮线速度，ω为舵轮角速度。则单舵轮AGV的运动学方程如下：
进一步的，单舵轮AGV的点镇定问题等价于寻求有界控制输入[vd,ω]T或[vd,φ]T，使得有限时间内能将AGV镇定到原点，即
步骤S30：基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上。
为将AGV在有限时间内从初始位姿[x,y,θ]T运动到目标位姿[xr,yr,θr]T，采取分步控制的策略。首先根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差；
设计第一控制律，使AGV根据第一控制律运动使ye、θe收敛至零，此时AGV将运动到经过目标点且指向目标方位的直线上。
优选地，对式(2)进行如下状态变换：
将运动学模型转化为下面的标准四维链式系统：
上述链式系统可分解为两个子系统：一阶子系统以及下面的三阶子系统：
上述三阶子系统为单输入线性时变系统，其中u1＝vdcosθecosφ为一时变函数。
针对上述三阶子系统，当θe∈(-π/2,π/2)、φ∈(-π/2,π/2)且vd≠0时，u1为连续有界且为严格正或负函数，此时系统是能控的，继而可设计如下比例反馈：
u2＝-|u1|k2z2-u1k3z3-|u1|k4z4 (6)
使上述三阶子系统镇定到原点。其中，参数k2、k3、k4使得多项式s3+k4s2+k3s+k2满足赫尔维茨稳定条件。
根据式(3)，上述三阶子系统镇定到原点时ye、θe将收敛至零，即此时AGV将运动到经过目标点且指向目标方位的直线上。
优选地，根据线性系统极点配置理论，取k2＝λ3、k3＝3λ2、k4＝3λ，其中λ>0，此时多项式s3+k3s2+k2s+k1所表示的闭环系统的三个极点均为s＝-λ，位于S平面左半部，因而系统渐进稳定。从而将控制参数减少为一个。
优选地，根据式(3)，得到舵轮角速度ω的控制律为：
通过对ω离散积分便得到舵轮转角φ的控制律。为保证系统是可控的，还应对舵轮转角φ加以限制，使其保持在(-π/2,π/2)区间内。作为例子，可限制φ的范围为[-85°,85°]。
舵轮线速度vd可以是随时间变化的也可以是常量。作为一种优选，设为常量更加方便，此处用正常数v1来表示其值大小。vd的符号规定如下：设AGV初始x轴方向的偏差为xes，若xes≥0，则认为AGV在目标点前方，令速度为负使AGV后退；若xes<0，则认为AGV在目标点后方，令速度为正使AGV前进。
综上，分步控制的第一控制律设计如下：
考虑到实际应用时ye、θe不存在绝对为零的情况，因此，可定义两个正常数εy、εθ分别表示ye、θe的容许误差。当|ye|≤εy且|θe|≤εθ时，就认为ye、θe收敛到零，AGV达到目标直线。
步骤S40：基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。
步骤S30完成后AGV将运动到经过目标点且与目标方位角一致的直线上，此时只需在第一控制律的基础上基于偏差xe重新设计舵轮线速度vd，使AGV跟随直线向目标点运动即可使xe收敛到零，同时AGV到达目标点。
优选地，本发明设计一个如下的阶梯速度控制律：
上式(9)中，dslow表示减速距离，v1为正常行驶时的速度，v2为慢速行驶时的速度，εx为容许停止误差，上述参数均为大于零的正常数。sgn为符号函数，速度vd的符号与xe符号相反。即当xe>0时，AGV在目标点前方，设置vd为负使AGV后退；当xe<0时，AGV在目标点后方，设置vd为正使AGV前进。
控制律(9)的意义是：当AGV距离目标点较远时，按正常行驶速度v1向目标点靠近；当与目标点的距离小于等于dslow时，切换到慢速v2向目标点缓慢靠近，以减小刹车时惯性对AGV的影响；当与目标点距离小于容许停止误差εx时即认为AGV已到达目标点，停止运动。
由此，分步控制的第二控制律设计如下：
基于第二控制律控制AGV移动，直至AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零。此时AGV已经到达目标位姿。
于本实施例中，请参阅图5，所述单舵轮AGV点镇定控制方法还包括步骤S210～步骤S220。
假设AGV的初始方位角偏差为θes，当|θes|≥π/2时，第一控制律将不再适用。为此，增加设计一个第三控制律，当|θes|≥π/2时，首先使AGV基于该第三控制律掉头，继而使方位角偏差θe收敛到(-π/2,π/2)区间内，然后再基于第一控制律和第二控制律使AGV镇定到目标点。
步骤S210：将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对。
假设AGV的初始方位角偏差为θes，将初始的方位角偏差θes与预设值进行比较，所述预设值可以是π/2，还可以是其他的值。于本实施例中，可以将AGV的方位角偏差的绝对值与预设值进行比较。生成比较结果，所述比较结果包括方位角偏差大于或等于预设值及方位角偏差小于预设值。
步骤S220：当方位角偏差大于预设值时基于第三控制律控制AGV掉头，使AGV的方位角偏差处于预设范围内。
当方位角偏差大于或等于预设值，即当|θes|≥π/2时，对于AGV而言，常规的控制律将不再适用。为此，增加设计一个第三控制律，当|θes|≥π/2时，首先使AGV基于该控制律掉头，继而使方位角偏差θe收敛到(-π/2,π/2)区间内。
为保证AGV在基于控制律向目标直线运动之始，θe确属于(-π/2,π/2)，所述方法还包括：设计一安全裕度值Δθ，且Δθ>0。当也即|θes|≥π/2-Δθ时，先基于第三控制律使AGV掉头，完成掉头步骤后θe的值将收敛至π/2-Δθ或-π/2+Δθ。同时，为避免掉头步骤完成后，控制律切换时舵轮转角φ发生突变，故使掉头过程完成后AGV的舵轮转角为零。此外，舵轮转角φ的最大允许值为π/2。基于此，对舵轮转角φ设计如下非线性比例反馈控制律：
优选地，掉头过程中舵轮的线速度vd设为一常量，用正常数v3表示其大小。vd的符号规定如下：当θes>0时，设置vd为负使AGV后退，此时θe向π/2-Δθ收敛；当θes<0时，设置vd为正使AGV前进，此时θe向-π/2+Δθ收敛。
综上，第三控制律设计如下：
第二实施例
本实施例提供了一种单舵轮AGV点镇定控制装置200，本实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制装置200应用于单舵轮AGV点镇定控制系统，以实现第一实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制方法。
请参阅图6，图6示出了本实施例提供的单舵轮AGV点镇定控制装置200的功能模块示意图。
单舵轮AGV点镇定控制装置200包括坐标模块210、获取模块220、第一控制模块230、第二控制模块240及第三控制模块250。
坐标模块210，用于建立全局坐标系及车体坐标系，以选定的参考点建立全局坐标系XOY，例如，可以将导航生成的坐标系作为全局坐标系。同时建立车体坐标系ioj。其中i轴经过舵轮旋转中心且垂直于后轮轴，j轴与后轮轴处于同一条直线上。P点为后轮轴的中点，从导航系统获取的坐标为P点的全局坐标。s为舵轮偏置距离，其符号按图1中i轴的朝向为参考，当舵轮位于车体中轴线左侧时为正，右侧时为负。
可以理解地，坐标模块210可以用于执行步骤S10。
获取模块220，用于获取全局坐标系下AGV的当前位姿及目标位姿；根据AGV的当前位姿及AGV的目标位姿计算位姿偏差。
AGV的当前实时位姿用向量[x,y,θ]T表示，[x,y,θ]T是AGV在全局坐标系中的坐标，θ是AGV的车体坐标系i轴与全局坐标系x轴的夹角θ。目标位姿用[xr,yr,θr]T表示。AGV当前位姿与目标位姿的偏差则可用向量[xe,ye,θe]T描述，其中，(xe,ye)为原点o相对于目标点车体坐标系下的坐标。
可以理解地，获取模块220可以用于执行步骤S20。
第一控制模块230，用于根据第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上。
第一控制模块230包括第一计算单元及第一控制单元，所述第一计算单元用于根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差。
为将AGV在有限时间内从初始位姿[x,y,θ]T运动到目标位姿[xr,yr,θr]T，采取分步控制的策略。首先根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差。
第一控制单元用于设计第一控制律，使AGV根据第一控制律运动使ye、θe收敛至零，此时AGV将运动到经过目标点且指向目标方位的直线上。
于本实施例中，第一控制律设计如下：
考虑到实际应用时ye、θe不存在绝对为零的情况，因此，可定义两个正常数εy、εθ分别表示ye、θe的容许误差。当|ye|≤εy且|θe|≤εθ时，就认定ye、θe收敛到零，AGV达到目标直线。
可以理解地，第一控制模块230可以用于执行步骤S30。
第二控制模块240，用于根据第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。于本实施例中，第二控制模块240包括第二控制单元。
经过第一控制律的控制AGV运动后，AGV将运动到经过目标点且与目标方位角一致的直线上，此时只需在第一控制律的基础上基于偏差xe重新设计舵轮线速度vd，使AGV跟随直线向目标点运动即可使xe收敛到零，同时AGV到达目标点。
优选地，本发明设计一个如下的阶梯速度控制律：
上式(9)中，dslow表示减速距离，减速距离是指AGV可以在预定时间内减速行驶至目标点的距离，v1为正常行驶时的速度，v2为预设的慢速行驶时的速度，慢速行驶的速度可以根据AGV的动力性能设定，εx为容许停止误差，上述参数均为大于零的正常数。sgn为符号函数，速度vd的符号与xe符号相反。即当xe>0时，AGV在目标点前方，设置vd为负使AGV后退；当xe<0时，AGV在目标点后方，设置vd为正使AGV前进。
控制律(9)的意义是：当AGV距离目标点较远时，按正常行驶速度v1向目标点靠近；当与目标点的距离小于等于dslow时，此时如果继续以正常行驶速度行驶，则有可能造成减速距离过大，导致超过目标点的距离，因此当与目标点的距离小于等于dslow时，切换到慢速v2向目标点缓慢靠近，以减小刹车时惯性对AGV的影响；当与目标点距离小于容许停止误差εx时即认为AGV已到达目标点，停止运动。
由此，分步控制的第二控制律设计如下：
所述第二控制单元基于第二控制律控制AGV移动，直至AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零。使AGV到达目标位姿。
可以理解地，第二控制模块240可以用于执行步骤S40。
于本实施例中，所述第三控制模块250用于将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对；当方位角偏差大于预设值时根据第三控制律控制AGV掉头。
假设AGV的初始方位角偏差为θes，当|θes|≥π/2时，第一控制律将不再适用。为此，增加设计一个第三控制律，当|θes|≥π/2时，首先使AGV基于该第三控制律掉头，继而使方位角偏差θe收敛到(-π/2,π/2)区间内，然后再基于第一控制律和第二控制律使AGV镇定到目标点。
假设AGV的初始方位角偏差为θes，将初始的方位角偏差θes与预设值进行比较，所述预设值可以是π/2，还可以是其他的值。于本实施例中，可以将AGV的方位角偏差的绝对值与预设值进行比较。生成比较结果，所述比较结果包括方位角偏差大于或等于预设值及方位角偏差小于预设值。
当方位角偏差大于或等于预设值，即当|θes|≥π/2时，对于AGV而言，常规的控制律将不再适用。为此，增加设计一个第三控制律，当|θes|≥π/2时，首先使AGV基于该控制律掉头，继而使方位角偏差θe收敛到(-π/2,π/2)区间内。
为保证AGV在基于控制律向目标直线运动之始，θe确属于(-π/2,π/2)，所述方法还包括：设计一安全裕度值Δθ，且Δθ>0。当也即|θes|≥π/2-Δθ时，先基于第三控制律使AGV掉头，完成掉头步骤后θe的值将收敛至π/2-Δθ或-π/2+Δθ。同时，为避免掉头步骤完成后，控制律切换时舵轮转角φ发生突变，故使掉头过程完成后AGV的舵轮转角为零。此外，舵轮转角φ的最大允许值为π/2。基于此，对舵轮转角φ设计如下非线性比例反馈控制律：
优选地，掉头过程中舵轮的线速度vd设为一常量，用正常数v3表示其大小。vd的符号规定如下：当θes>0时，设置vd为负使AGV后退，此时θe向π/2-Δθ收敛；当θes<0时，设置vd为正使AGV前进，此时θe向-π/2+Δθ收敛。
综上，第三控制律设计如下：
第三控制模块250根据第三控制律，控制AGV掉头以使AGV的方位角偏差处于预设范围内。
可以理解的是，第三控制模块250可以用于执行步骤S120～步骤S220。
综上所述，本发明提供了一种单舵轮AGV点镇定控制方法及装置，所述方法包括：获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。本发明通过减少控制参数简化控制方法，能够实现任一型单舵轮AGV从全局坐标系中的任一初始位姿镇定到任一目标位姿，可有效解决诸如无人叉车的定点泊车等问题，本发明提供的控制方法简单、调试方便，且运动平稳、通用性强，有较高的实用价值。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种单舵轮AGV点镇定控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；
基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；
基于第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点，基于第二控制律控制AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零，包括：
当AGV距离目标点距离大于dslow，按正常行驶速度v1向目标点靠近；dslow表示减速距离；
当AGV距离与目标点的距离小于或等于dslow时，降低速度至v2向目标点靠近；
当AGV距离与目标点距离小于容许停止误差εx时停止运动。
2.如权利要求1所述的单舵轮AGV点镇定控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对；
当方位角偏差大于预设值时基于第三控制律控制AGV掉头。
3.如权利要求1所述的单舵轮AGV点镇定控制方法，其特征在于，基于第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上的步骤包括：
根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差；
基于第一控制律使AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的ye、θe收敛至零。
4.一种单舵轮AGV点镇定控制装置，其特征在于，所述装置用于执行如权利要求1～3任意一项所述的方法，所述装置包括：
获取模块，用于获取全局坐标系下AGV的当前位姿及目标位姿；根据当前位姿及目标位姿计算位姿偏差；
第一控制模块，用于根据第一控制律使AGV移动至经过目标点且指向目标方向的直线上；
第二控制模块，用于根据第二控制律使AGV跟随所述指向目标方向直线向目标点移动直至到达目标点。
5.如权利要求4所述的单舵轮AGV点镇定控制装置，其特征在于，所述装置还包括第三控制模块，所述第三控制模块用于将位姿偏差中的方位角偏差与预设值进行比对；当方位角偏差大于预设值时根据第三控制律控制AGV掉头。
6.如权利要求4所述的单舵轮AGV点镇定控制装置，其特征在于，所述第一控制模块包括：
第一计算单元，用于根据AGV的当前位姿[x,y,θ]T及目标位姿[xr,yr,θr]T计算当前位姿与目标位姿的偏差量[xe,ye,θe]T，其中θe是指当前位姿与目标位姿的方位角偏差；
第一控制单元，用于基于第一控制律使AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的ye、θe收敛至零。
7.如权利要求4所述的单舵轮AGV点镇定控制装置，其特征在于，所述第二控制模块包括第二控制单元，所述第二控制单元用于根据第二控制律控制AGV当前位姿与目标位姿的偏差量的xe收敛至零。
8.如权利要求7所述的单舵轮AGV点镇定控制装置，其特征在于，所述第二控制单元还用于当AGV距离目标点距离大于dslow，控制AGV按正常行驶速度v1向目标点靠近；dslow表示减速距离；
当AGV距离与目标点的距离小于或等于dslow时，控制AGV降低速度至v2向目标点靠近；
当AGV距离与目标点距离小于容许停止误差εx时控制AGV停止运动。
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