CN109359323B - 一种物流穿梭车的s曲线速度控制方法 - Google Patents

一种物流穿梭车的s曲线速度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法。方法为：建立所述物流穿梭车动力学模型和基于ADAMS的简化仿真模型；对于物流穿梭车的行驶机构，建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型，包括行驶加速度模型、行驶速度模型以及行驶距离模型，通过分析各个阶段受到冲击程度以及物流穿梭车升降机构与货物之间的相对位移误差的变化趋势，求解加速度变化的最优时间点，建立速度控制数学模型。本发明能够减小物流穿梭车的相对位移误差，提高控制的准确性，保证了穿梭车运输过程中的可靠性和稳定性。

Description

一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法
技术领域
本发明涉及物流穿梭车控制技术领域，特别是一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法。
背景技术
随着国内经济形势的快速发展，商品的流通越来越快，物流仓储技术也逐渐受到企业的广泛关注。现代化仓储技术也更加重视物流系统的智能化程度以及仓储环境的改善和合理利用。在如今，物流仓储中人工仓库已经无法满足现代化仓储的需求，随之自动化立体仓库(AS/RS)出现，其高运输率和高空间利用率的特点逐渐受到了企业的广泛追捧。物流装备作为自动化立体仓库的重要组成要素和实现自动化物流系统的基本手段，在一定程度上也代表了物流仓储的技术水平。穿梭车，即轨道式自动导引车(Rail Guide Vehicle，RGV)，是一种可以通过编程实现入库和出货任务，与上位机或电子仓库管理系统进行通讯，具有激光传感器测距和红外定位等功能的物流仓储机器人，可以替代工人在恶劣环境中工作，减轻了工人的工作量，同时也在医药、烟草、食品加工等生产行业中具有很强的适用性。
穿梭车运输的安全性和可靠性越来越被重视，由于行驶过程中穿梭车的升降机构和货物不可避免会存在相对位移，如果相对位移过大，则会发生货物掉落等危险情况，甚至对设备和人身安全造成无法估量的损失和危害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效减少物流穿梭车相对位移误差的S曲线速度控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立物流穿梭车动力学模型；
步骤2：建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型；
步骤3：建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型；
步骤4：建立物流穿梭车各阶段的相对位移误差数学模型，求解加速度变化的最优时间点。
进一步地，步骤1所述的建立物流穿梭车动力学模型，具体如下：
首先对所述物流穿梭车进行受力分析，设定A点为所述物流穿梭车的质点位置；x1和x2分别为A点到主动轴质点和从动轴质点的距离；mbody为车体质量；mfront为前轮和从动轮的总质量；mrear为后轮和主动轮的总质量；mgoods为货物质量；Mrear为主动轴的驱动力矩；v为线速度；ω为主动轴转速；a为行驶加速度，则物流穿梭车的运动方程和制动方程为：
Figure BDA0001777567640000021
其中，r为物流穿梭车车轮的有效半径，μ为摩擦系数，Fdrive、Fbrake为前轮在行驶和制动过程中受到的压力,mdrive、mbrake为物流穿梭车在行驶和制动过程中的质量。
进一步地，步骤2所述的建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型，具体如下：
(1)省略行驶电机和升降电机的相关部件，直接在两种机构的驱动轴上添加旋转副和旋转motion来完成运输和升降过程；
(2)删除非关键的固定连接零件，通过添加相应约束的方式连接设备；
(3)省略物流穿梭车的控制箱、电源箱和传感器；
(4)在车体重量加上所有忽略设备的重量，同时货物压力设定为均匀受力于四个升降支架。
进一步地，步骤3所述的建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型，具体如下：
各时间段加速度导数j(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000022
其中，J1、J2为常数，(0,t1)、(t1,t2)、(t2,t3)、(t3,t4)、(t4,t5)为连续的时间区间；
各时间段加速度a(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000031
各时间段行驶速度v(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000032
各时间段行驶距离s(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000033
其中，vmax为速度最大值，t＝t2时运行距离为S2，t＝t3时运行距离为S3，t＝t4时运行距离为S4。
进一步地，步骤4所述的建立物流穿梭车各阶段的相对位移误差数学模型，求解加速度变化的最优时间点，具体如下：
最终加速阶段相对位移误差Δ为：
Figure BDA0001777567640000041
其中，t2'为货物达到vmax的时间点、H为加速度最大值、g为重力加速度；
最终减速阶段相对位移误差为：
Figure BDA0001777567640000042
加速度变化的最优时间点t1'公式为：
Figure BDA0001777567640000043
式中，m为三次方变量的常量系数，b为两次方变量的常量系数，c为一次方变量的常量系数，d为常量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)能有效减小物流穿梭车升降机构与货物之间的相对位移误差，提高控制的准确性；(2)保证了穿梭车运输过程中的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明物流穿梭车的S曲线速度控制方法中的物流穿梭车受力分析图。
图2是物流穿梭车使用传统S曲线速度控制的运动学示意图。
图3是物流穿梭车使用传统S曲线速度控制的相对位移误差仿真图。
图4是物流穿梭车使用本发明S曲线速度控制的加速度曲线图。
图5是物流穿梭车使用本发明S曲线速度控制的相对位移误差仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法作进一步详细说明。
本发明物流穿梭车的S曲线速度控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立物流穿梭车动力学模型；
步骤2：建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型；
步骤3：建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型；
步骤4：建立物流穿梭车各阶段的相对位移误差数学模型，求解加速度变化的最优时间点。
进一步地，如图1所示，为物流穿梭车的受力分析，其中A点为所述物流穿梭车的质点位置；x1和x2分别为A点到主动轴质点和从动轴质点的距离；mbody为车体质量；mfront为前轮和从动轮的总质量；mrear为后轮和主动轮的总质量；mgoods为货物质量；Mrear为主动轴的驱动力矩；v为线速度；ω为主动轴转速；a为行驶加速度，物流穿梭车车轮的有效半径为：
Figure BDA0001777567640000051
其中，s为穿梭车行驶距离，n为由编码器读取的电机实际转动圈数；
考虑到实际情况，物流穿梭车在行驶和制动阶段存在滑移率，公式如下：
Figure BDA0001777567640000052
物流穿梭车在行驶和制动过程中质量mdrive、mbrake为：
Figure BDA0001777567640000053
其中Irear为主动轴的转动惯量；
选取后轮驱动穿梭车为研究对象，因此在行驶过程中，车体的阻尼力来自于前轮受到的摩擦力，而后轮受到的摩擦力方向与行驶方向一致，作为穿梭车的牵引驱动力；前轮在行驶和制动过程中受到的压力Fdrive、Fbrake为：
Figure BDA0001777567640000061
综合式(1)～(4)，所述物流穿梭车的运动方程和制动方程为：
Figure BDA0001777567640000062
其中μ为摩擦系数。
进一步地，步骤2所述的建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型，具体如下：
将物流穿梭车结构模型进行如下的简化设计：
(1)省略行驶电机和升降电机的相关部件，直接在两种机构的驱动轴上添加旋转副和旋转motion来完成运输和升降过程；
(2)删除非关键的固定连接零件，通过添加相应约束的方式连接设备；
(3)省略物流穿梭车的控制箱，电源箱和传感器；
(4)车体重量加上所忽略设备重量，同时货物压力设定为均匀受力于四个升降支架。
进一步地，步骤3所述的建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型，具体如下：
如图2所示，传统五段S曲线速度控制方法中，各时间段加速度导数的数学模型j(t)为：
Figure BDA0001777567640000063
其中，J1、J2为常数，(0,t1)、(t1,t2)、(t2,t3)、(t3,t4)、(t4,t5)为连续的时间区间；
各时间段加速度a(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000071
各时间段行驶速度v(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000072
各时间段行驶距离s(t)的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000073
其中，vmax为速度最大值，t＝t2时运行距离为S2，t＝t3时运行距离为S3，t＝t4时运行距离为S4。
如图3所示，为传统S曲线速度控制方法的相对位移误差仿真效果图，随着穿梭车速度的变化，相对位移误差也在变大，其中在2m/s时穿梭车误差几乎达到了4.5cm。
传统五段S曲线速度控制方法在一定程度上柔化了电机变速时的冲击力，但是默认的加速和减速时间相等的策略，未考虑到各个阶段受到的冲击程度并不相同，因此导致了穿梭车升降支架和货物之间产生较大的相对位移误差。
进一步地，步骤4所述的建立物流穿梭车各阶段的相对位移误差数学模型，求解加速度变化的最优时间点，具体如下：
研究所述物流穿梭车的升降机构和货物的相对位移误差，首先分析货物的数学模型：
各时间段货物加速度的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000081
其中
Figure BDA0001777567640000082
各时间段货物速度的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000083
各时间段货物运行距离的数学模型为：
Figure BDA0001777567640000084
货物达到最大静摩擦的时间为：
Figure BDA0001777567640000085
货物达到vmax的时间为：
Figure BDA0001777567640000091
其中H为加速度最大值、g为重力加速度。
货物在加速阶段行驶距离公式为：
Figure BDA0001777567640000092
货物在减速阶段行驶距离公式为：
Figure BDA0001777567640000093
穿梭车在加速阶段行驶距离公式为：
Figure BDA0001777567640000094
穿梭车在减速阶段行驶距离公式为：
Figure BDA0001777567640000095
最终加速阶段相对位移误差为：
Figure BDA0001777567640000096
最终减速阶段相对位移误差为：
Figure BDA0001777567640000101
加速度变化的最优时间点t1'公式为：
Figure BDA0001777567640000102
式中m为三次方变量的常量系数，b为两次方变量的常量系数，c为一次方变量的常量系数，d为常量。
如图4所示，为使用本发明方法后的物流穿梭车的S曲线速度控制方法下加速度曲线模型，图5为使用本发明方法后的的相对位移误差曲线。从图中可以看出，与传统S曲线速度控制方法相比，物流穿梭车相对位移误差有了明显的减小。
综上所述，本发明针对物流穿梭车，设计了一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法。经过仿真验证，该方法能有效减小物流穿梭车升降机构与货物之间的相对位移误差，提高控制的准确性，同时也保证了穿梭车运输过程中的可靠性和稳定性。

Claims (3)

1.一种物流穿梭车的S曲线速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立物流穿梭车动力学模型；
步骤2：建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型；
步骤3：建立物流穿梭车各阶段的S曲线速度控制数学模型，具体如下：
各时间段加速度导数j(t)的数学模型为：
Figure FDA0003739726610000011
其中，J1、J2为常数，(0,t1)、(t1,t2)、(t2,t3)、(t3,t4)、(t4,t5)为连续的时间区间；
各时间段加速度a(t)的数学模型为：
Figure FDA0003739726610000012
各时间段行驶速度v(t)的数学模型为：
Figure FDA0003739726610000013
各时间段行驶距离s(t)的数学模型为：
Figure FDA0003739726610000021
其中，vmax为速度最大值，t＝t2时运行距离为S2，t＝t3时运行距离为S3，t＝t4时运行距离为S4；
步骤4：建立物流穿梭车各阶段的相对位移误差数学模型，求解加速度变化的最优时间点，具体如下：
最终加速阶段相对位移误差Δ为：
Figure FDA0003739726610000022
其中，t2'为货物达到vmax的时间点、H为加速度最大值、μ为摩擦系数，g为重力加速度；
最终减速阶段相对位移误差为：
Figure FDA0003739726610000023
加速度变化的最优时间点t1'公式为：
Figure FDA0003739726610000031
式中，m为三次方变量的常量系数，b为两次方变量的常量系数，c为一次方变量的常量系数，d为常量。
2.根据权利要求1所述的物流穿梭车的S曲线速度控制方法，其特征在于，步骤1所述的建立物流穿梭车动力学模型，具体如下：
首先对所述物流穿梭车进行受力分析，设定A点为所述物流穿梭车的质点位置；x1和x2分别为A点到主动轴质点和从动轴质点的距离；mbody为车体质量；mfront为前轮和从动轮的总质量；mrear为后轮和主动轮的总质量；mgoods为货物质量；Mrear为主动轴的驱动力矩；v为线速度；ω为主动轴转速；a为行驶加速度，则物流穿梭车的运动方程和制动方程为：
Figure FDA0003739726610000032
其中，r为物流穿梭车车轮的有效半径，μ为摩擦系数，Fdrive、Fbrake为前轮在行驶和制动过程中受到的压力,mdrive、mbrake为物流穿梭车在行驶和制动过程中的质量。
3.根据权利要求1所述的物流穿梭车的S曲线速度控制方法，其特征在于，步骤2所述的建立基于ADAMS的物流穿梭车简化结构模型，具体如下：
(1)省略行驶电机和升降电机的相关部件，直接在两种机构的驱动轴上添加旋转副和旋转motion来完成运输和升降过程；
(2)删除非关键的固定连接零件，通过添加相应约束的方式连接设备；
(3)省略物流穿梭车的控制箱、电源箱和传感器；
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