搬运机器人运行控制方法、装置、机器人以及存储介质
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,尤其涉及一种搬运机器人运行控制方法、装置、搬运机器人以及存储介质。
背景技术
信息化时代的大潮推动了物流行业的不断改革,机器人和自动化设备正在成为物流行业的生力军。无人仓的应用越来越多,无人仓中的搬运机器人将全面用于货物的搬运。搬运机器人的底盘轮系中通常有两个主动轮,如图1所示,搬运机器人的底盘分布一对主动轮01、02,主动轮01、02由各自的电机驱动,两个电机同向同速旋转可实现机器人的直线前进和后退,两个电机反向同速旋转可实现机器人的原地转向。通常采用伺服驱动系统对主动轮进行驱动,需要对伺服驱动系统进行增益调节,以使搬运机器人准确地按照设定的轨迹运行。物流效率的提高当前要依靠机器人的高效准确的操作,而搬运机器人轨迹和定位控制的准确性直接影响了机器人的工作效率。搬运机器人在不同负载下的停车定位精度低,影响正常搬起和放下货物。在现有的伺服驱动系统中采用速度控制或者位置控制,使搬运机器人按照设定轨迹运动并定位,减少不必要的路径修正与纠偏。对主动轮01、02的运行采用速度环控制,在搬运机器人负载不断变化时,停车定位精度无法保证,速度规划无法进行自适应,从而导致机器人停车精度较差。对于主动轮01、02的运行采用位置环控制,虽然能够提高定位精度,但是增大了控制系统的运算量,使得系统响应变慢。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的一个技术问题是提供一种搬运机器人运行控制方法、装置、搬运机器人以及存储介质。
根据本发明的一个方面,提供一种搬运机器人运行控制方法,包括:速度环单元基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行;判断搬运机器人的当前位置与终点之间的距离是否小于或等于距离阈值;如果是,则位置环单元基于所述搬运机器人的理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令;将所述速度控制指令切换为所述位移控制指令,以使所述速度环单元基于所述位移控制指令驱动所述搬运机器人的主动轮运行,直至所述搬运机器人运行至终点。
可选地,所述位置环单元基于所述搬运机器人的理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令包括:所述位置环单元获取位置偏差值,基于所述位置偏差值生成所述位移控制指令;其中,所述理论位移与通过反馈获取的所述实际位移进行相减运算,生成所述位置偏差值。
可选地,所述基于所述位置偏差值生成所述位移控制指令包括:所述位置环单元采用比例P控制,利用预设的比例参数对所述位置偏差值比例运算,生成所述位移控制指令。
可选地,基于所述速度控制指令以及发送所述速度控制指令的间隔周期确定所述理想位移;通过编码器采集所述主动轮的脉冲信息,根据脉冲信息计算出所述实际位移。
可选地,确定所述理想位移
DesiredS(k)=DesiredS(K-1)+TQV(k);
确定所述实际位移
其中,k指第k个时钟周期,DesiredS(k)为在第k个周期时的理想位移,DesiredS(K-1)为在第k-1个周期时的理想位移,V(k)为在第k个周期时发送的速度控制指令指示的速度,T为发送所述速度控制指令的间隔周期;ActualS(k)为在第k个周期时的实际位移,ActualS(k-1)为在第k-1个周期时的实际位移,CoderReading(k)为在第k个周期时的编码器读数,N为编码器线数,B为编码器倍频数,GB为于驱动所述主动轮运行的电机齿轮箱的减速比,D为主动轮直径,π为圆周率。
可选地,所述速度环单元基于所述位移控制指令驱动所述搬运机器人的主动轮运行包括:所述速度环单元获取第一速度偏差值,基于所述第一速度偏差值生成第一控制信号,将所述第一控制信号发送给用于驱动所述主动轮运行的电机;其中,基于所述位移控制指令指示的速度值与通过反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成所述第一速度偏差值。
可选地,所述速度环单元基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行包括:所述速度环单元获取第二速度偏差值,基于所述第二速度偏差值生成第二控制信号,将所述第二控制信号发送给用于驱动所述主动轮运行的电机;其中,所述速度控制指令所指示的速度值与反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成所述第二速度偏差值。
可选地,所述速度环单元采用为比例积分PI控制,利用预设的比例参数、积分参数对所述第一速度偏差值或所述第二速度偏差值进行比例积分运算,生成所述第一控制信号或所述第二控制信号。
可选地,所述判断所述搬运机器人的当前位置与终点之间的距离是否小于或等于距离阈值包括:扫描设置在运行线路中的二维码,从所述二维码中获取所述搬运机器人的当前位置信息。
根据本发明的另一方面,提供一种搬运机器人运行控制装置,包括:速度环单元,用于基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行;距离判断单元,用于判断所述搬运机器人的当前位置与终点之间的距离是否小于或等于距离阈值;位置环单元,用于如果所述搬运机器人的当前位置与终点之间的距离小于或等于距离阈值,则基于所述搬运机器人的理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令;控制切换单元,用于将所述速度控制指令切换为所述位移控制指令,以使所述速度环单元基于所述位移控制指令驱动所述搬运机器人的主动轮运行,直至所述搬运机器人运行至终点。
可选地,所述位置环单元,还用于获取位置偏差值,基于所述位置偏差值生成所述位移控制指令,其中,所述理论位移与通过反馈获取的所述实际位移进行相减运算,生成所述位置偏差值。
可选地,所述位置环单元采用比例P控制,利用预设的比例参数对所述位置偏差值比例运算,生成所述位移控制指令。
可选地,理论位移确定单元,用于基于所述速度控制指令以及发送所述速度控制指令的间隔周期确定所述理想位移;实际位移确定单元,用于通过编码器采集所述主动轮的脉冲信息,根据脉冲信息计算出所述实际位移。
可选地,所述理论位移确定单元,用于确定所述理想位移
DesiredS(k)=DesiredS(K-1)+T·V(k);
所述实际位移确定单元,用于确定所述实际位移
其中,k指第k个时钟周期,DesiredS(k)为在第k个周期时的理想位移,DesiredS(K-1)为在第k-1个周期时的理想位移,V(k)为在第k个周期时发送的速度控制指令指示的速度,T为发送所述速度控制指令的间隔周期;ActualS(k)为在第k个周期时的实际位移,ActualS(k-1)为在第k-1个周期时的实际位移,CoderReading(k)为在第k个周期时的编码器读数,N为编码器线数,B为编码器倍频数,GB为于驱动所述主动轮运行的电机齿轮箱的减速比,D为主动轮直径,π为圆周率。
可选地,所述速度环单元,用于获取第一速度偏差值,基于所述第一速度偏差值生成第一控制信号,将所述第一控制信号发送给用于驱动所述主动轮运行的电机;其中,所述位移控制指令所指示的速度值与通过反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成所述第一速度偏差值。
可选地,所述速度环单元,用于获取第二速度偏差值,基于所述第二速度偏差值生成第二控制信号,将所述第二控制信号发送给用于驱动所述主动轮运行的电机;其中,所述速度控制指令所指示的速度值与反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成所述第二速度偏差值。
可选地,所述速度环单元采用为比例积分PI控制,利用预设的比例参数、积分参数对所述第一速度偏差值或所述第二速度偏差值进行比例积分运算,生成所述第一控制信号或所述第二控制信号。
可选地,所述距离判断单元,用于扫描设置在运行线路中的二维码,从所述二维码中获取所述搬运机器人的当前位置。
根据本发明的又一方面,提供一种搬运机器人,包括:如上所述的搬运机器人运行控制装置。
根据本发明的再一方面,提供一种搬运机器人运行控制装置,包括:存储器;以及耦接至所述存储器的处理器,所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令,执行如上的搬运机器人运行控制方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机指令,所述指令被处理器执行时实现如上所述的搬运机器人运行控制方法。
本发明的搬运机器人运行控制方法、装置、搬运机器人以及存储介质,在运行的初始阶段通过速度环单元基于速度控制指令驱动主动轮运行,当与终点之间的距离小于或等于距离阈值时,位置环单元基于理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令,速度环单元基于位移控制指令驱动主动轮运行,既利用了速度控制模式响应快的特点,可以实现运行途中的快速纠偏,又利用了位置控制模式定位精确的特点,实现机器人的准确定位,能够在纠偏的同时提高机器人的定位精度和适应能力,可以在变负载和快速响应的同时,实现较高的停车定位精度,并且提高了搬运机器人运行的稳定性,能够保证物流运送的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的搬运机器人的主动轮的布置示意图;
图2为根据本发明的搬运机器人运行控制方法的一个实施例的流程示意图;
图3为根据本发明的搬运机器人运行控制方法的一个实施例中的伺服驱动系统框架示意图;
图4为根据本发明的搬运机器人运行控制装置的一个实施例的模块示意图;
图5为根据本发明的搬运机器人运行控制装置的另一个实施例的模块示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述,其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图,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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。
下文中的“第一”、“第二”等仅用于描述上相区别,并没有其它特殊的含义。
图2为根据本发明的搬运机器人运行控制方法的一个实施例的流程示意图,如图1所示:
步骤101,速度环单元基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行。
步骤102,判断搬运机器人的当前位置与终点之间的距离是否小于或等于距离阈值。
可以采用多种方式获取搬运机器人的当前位置。例如,无人仓中运行的搬运机器人采用地面二维码导航,二维码按一定间隔(例如间隔为1米)铺设在地面上,当搬运机器人车体经过地面铺设的二维码时,二维码传感器扫描设置在运行线路中的二维码,从二维码中获取搬运机器人的当前位置信息。距离阈值可以设置,例如为1米、2米等。
步骤103,如果判断搬运机器人的当前位置与运行终点之间的距离小于或等于距离阈值,则位置环单元基于搬运机器人的理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令。
步骤104,将速度控制指令切换为位移控制指令,以使速度环单元基于位移控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行,直至搬运机器人运行至终点。
可以通过本发明的搬运机器人运行控制方法分别控制搬运机器人的左、右主动轮,分别控制左、右主动轮的运行。
在一个实施例中,在位置环单元生成位移控制指令时,理论位移与通过反馈获取的实际位移进行相减运算,生成位置偏差值,位置环单元获取位置偏差值,基于位置偏差值生成位移控制指令。基于位置偏差值生成位移控制指令的方法可以有多种。例如,位置环单元采用比例P控制,利用预设的比例参数对位置偏差值比例运算,生成位移控制指令。位置环单元选择P控制,便于进行参数调节和减少控制量滞后。
在速度环单元基于位移控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行时,位移控制指令指示的速度值与通过反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成第一速度偏差值,速度环单元获取第一速度偏差值,基于第一速度偏差值生成第一控制信号,将第一控制信号发送给用于驱动主动轮运行的电机。
在速度环单元基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行时,速度控制指令所指示的速度值与反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成第二速度偏差值,速度环单元获取第二速度偏差值,基于第二速度偏差值生成第二控制信号,将第二控制信号发送给用于驱动主动轮运行的电机。
速度环单元生成控制信号可以采用多种方法。例如,速度环单元采用为比例积分PI控制,利用预设的比例参数、积分参数对第一速度偏差值或第二速度偏差值进行比例积分运算,生成第一控制信号或第二控制信号。PI控制能够根据给定值与实际输出值构成控制偏差,将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量。
图3为根据本发明的搬运机器人运行控制方法的一个实施例中的伺服驱动系统框架示意图,如图3所示:伺服驱动系统可以实现速度模式控制和位置模式控制。速度环中的速度环单元为PI控制器,位置环中的位置环单元为P控制器。速度环单元可以在运动控制器中实现,也可以在电机的伺服驱动器中实现,位置环单元可以在运动控制器中实现。
在搬运机器人的当前位置与终点之间的距离大于距离阈值时,采用速度模式控制,在搬运机器人的当前位置与终点之间的距离小于或等于距离阈值时,采用位置模式控制。例如,通过读取二维码和依据预设指令进行判断,当判断搬运机器人当前经过的二维码为到达停车终点前的最后一个二维码点时,将速度控制模式切换为位置控制模式,可以利用速度控制模式响应快的特点,实现运行途中的快速纠偏,又利用了位置控制模式定位精确的特点,实现了搬运机器人的准确定位。
速度模式控制和位置模式控制分别用不同的线框在图3中进行了标注。系统的控制周期为固定值T,V(k)为当前速度控制指令,它将被记录在存储器中用来为后续周期的计算提供参考。在速度控制模式下,V(k)直接进入速度环的PI控制器,PI控制器的输出信号最终驱动电机运转。
编码器记录一个控制周期内的电机累计旋转的角位置,并通过码盘线数、倍频数和车轮直径可以计算出在该控制周期内的主动轮位移和主动轮线速度。主动轮位移和主动轮线速度将作为反馈值传递给速度环和位置环。电机的输出轴通过传动系统与主动轮连接,传动系统可以为电机齿轮箱等。
当切换到位置控制模式后,速度环内部依然正常工作,但是控制指令由原先的速度控制指令V(k)切换为由位置环的P控制器输出的位置控制指令。位置控制模式的输入量由理想位移累加器基于当前速度控制指令和历史周期速度控制指令累加计算得出,位置反馈值由本周期内位移和历史位移经过实际位移累加器计算得出。累加器在位置控制模式的每个周期内一直连续累加,经过反馈控制减小实际位移和理想位移的差值,实现准确定位。
在一个实施例中,基于速度控制指令以及发送速度控制指令的间隔周期确定理想位移。通过编码器采集主动轮的脉冲信息,根据脉冲信息计算出实际位移。例如,确定搬运机器人的理想位移
DesiredS(k)=DesiredS(K-1)+T·V(k) (1-1);
其中,k指第k个时钟周期,DesiredS(k)为在第k个周期时的理想位移,DesiredS(K-1)为在第k-1个周期时的理想位移,V(k)为与第k个周期时发送的速度控制指令指示的速度,T为发送速度控制指令的间隔周期;T·V(k)为与第k个速度控制指令对应的位移。
确定搬运机器人的实际位移
其中,ActualS(k)为在第k个周期时的实际位移,ActualS(k-1)为在第k-1个周期时的实际位移,CoderReading(k)为在第k个周期时的编码器读数,N为编码器线数,B为编码器倍频数,GB为于驱动所述主动轮运行的电机齿轮箱的减速比,D为主动轮直径,π为圆周率。CoderReading(k)为编码器读数,每个编码器读数对应于电机旋转的单位角度,基于编码器读数与单位角度可以确定电机累计旋转的角度。
上述实施例中提供的搬运机器人运行控制方法,在运行的初始阶段通过速度环单元基于速度控制指令驱动主动轮运行,当与终点之间的距离小于或等于距离阈值时,位置环单元基于理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令,速度环单元基于位移控制指令驱动主动轮运行,既利用了速度控制模式响应快的特点,可以实现运行途中的快速纠偏,又利用了位置控制模式定位精确的特点,实现机器人的准确定位,能够在纠偏的同时提高机器人的定位精度和适应能力,可以在变负载和快速响应的同时,实现较高的停车定位精度。
在一个实施例中,如图4所示,本发明提供一种搬运机器人运行控制装置40,包括:速度环单元41、距离判断单元42、位置环单元43、44、理论位移确定单元45和实际位移确定单元46。
速度环单元41基于速度控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行。距离判断单元42判断搬运机器人的当前位置与终点之间的距离是否小于或等于距离阈值。距离判断单元42扫描设置在运行线路中的二维码,从二维码中获取搬运机器人的当前位置。
如果搬运机器人的当前位置与终点之间的距离小于或等于距离阈值,则位置环单元43基于搬运机器人的理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令。控制切换单元44将速度控制指令切换为位移控制指令,以使速度环单元41基于位移控制指令驱动搬运机器人的主动轮运行,直至搬运机器人运行至终点。
位置环单元43获取位置偏差值,基于位置偏差值生成位移控制指令,其中,理论位移与通过反馈获取的实际位移进行相减运算,生成位置偏差值。位置环单元43可以采用比例P控制,利用预设的比例参数对位置偏差值比例运算,生成位移控制指令。
速度环单元41获取第一速度偏差值,基于第一速度偏差值生成第一控制信号,将第一控制信号发送给用于驱动主动轮运行的电机,其中,位移控制指令所指示的速度值与通过反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成第一速度偏差值。
速度环单元41获取第二速度偏差值,基于第二速度偏差值生成第二控制信号,将第二控制信号发送给用于驱动主动轮运行的电机,其中,速度控制指令所指示的速度值与反馈获取的上一时刻的主动轮实际速度值进行相减运算,生成第二速度偏差值。
速度环单元41可以采用为比例积分PI控制,利用预设的比例参数、积分参数对第一速度偏差值或第二速度偏差值进行比例积分运算,生成第一控制信号或第二控制信号。
理论位移确定单元45基于速度控制指令以及发送速度控制指令的间隔周期确定理想位移。实际位移确定单元46通过编码器采集主动轮的脉冲信息,根据脉冲信息计算出实际位移。
理论位移确定单元45确定理想位移
DesiredS(k)=DesiredS(K-1)+T·V(k);
实际位移确定单元46确定实际位移
在一个实施例中,本发明提供一种搬运机器人,包括如上任意一个实施例中的搬运机器人运行控制装置。
图5为根据本发明的搬运机器人运行控制装置的另一个实施例的模块示意图。如图5所示,该装置可包括存储器51、处理器52、通信接口53以及总线54。存储器51用于存储指令,处理器52耦合到存储器51,处理器52被配置为基于存储器51存储的指令执行实现上述的搬运机器人运行控制方法。
存储器51可以为高速RAM存储器、非易失性存储器(non-volatile memory)等,存储器51也可以是存储器阵列。存储器51还可能被分块,并且块可按一定的规则组合成虚拟卷。处理器52可以为中央处理器CPU,或专用集成电路ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit),或者是被配置成实施本发明的搬运机器人运行控制方法的一个或多个集成电路。
在一个实施例中,本发明提供一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机指令,指令被处理器执行时实现如上任一个实施例中的搬运机器人运行控制方法。
上述实施例中提供的搬运机器人运行控制方法、装置、搬运机器人以及存储介质,在运行的初始阶段通过速度环单元基于速度控制指令驱动主动轮运行,当与终点之间的距离小于或等于距离阈值时,位置环单元基于理论位移与实际位移之间的偏差生成位移控制指令,速度环单元基于位移控制指令驱动主动轮运行,既利用了速度控制模式响应快的特点,可以实现运行途中的快速纠偏,又利用了位置控制模式定位精确的特点,实现机器人的准确定位,能够在纠偏的同时提高机器人的定位精度和适应能力,可以在变负载和快速响应的同时,实现较高的停车定位精度,并且不额外增加硬件成本,易于实现,软硬件均无需人工干预,提高了搬运机器人的运动轨迹精度,并且提高了搬运机器人运行的稳定性,能够保证物流运送的安全性。
可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如,可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明,本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序,除非以其它方式特别说明。此外,在一些实施例中,还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序,这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而,本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。