CN109976372A - 一种基于磁导航的四驱agv姿态调整运动模型 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源汽车姿态控制领域，涉及一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，该基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型包括以下步骤：通过磁导航传感器推导四驱AGV小车的姿态角；通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型；通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型；通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到基于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型；本发明提供了四驱AGV小车姿态调整的运动模型，可以实现对四驱AGV小车的转速、转向控制。

Description

一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型

技术领域

本发明属于新能源汽车姿态控制领域，涉及一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型。

背景技术

由于四驱AGV没有悬挂系统，在运行中无法保证四个轮子均能可靠接触地面，因此四驱AGV姿态调整模型与四驱汽车姿态的调整模型有极大的区别；同时四驱型AGV四个轮子的转速、转向均能够独立调整，其可调整的自由度更多，需要确定的因素也更多，因此对四驱AGV进行姿态调整时必须建立四驱AGV的姿态调整运动模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，四驱AGV小车的四个轮子互相独立即可以单独控制每个轮胎。四驱AGV小车进行姿态调整时，四个轮胎可以设定不同的速度以及方向来实现姿态调整。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，应用于四驱AGV小车且该小车四个轮子相互独立且可单独控制；在车身两侧安装第一磁导航传感器组，包含分设在车身两侧的两个磁导航传感器；在车身头尾安装第二磁导航传感器组，包含分设在车身头部、中部或尾部任意两个组合的位置上的两个磁导航传感器；；

该基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型包括以下步骤：通过磁导航传感器推导四驱AGV小车的姿态角；通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型；通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型；通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到基于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型。

可选地，在步骤“通过磁导航传感器推导四驱AGV小车的姿态角”中，四驱AGV小车偏离垂直方向不同角度时，以第一磁导航传感器组内两个磁导航传感器偏离中心距离分别为D_L、D_R，上述两个磁导航传感器之间距离为M₄，小车姿态角为x，小车姿态角的数学表达为：

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型”中，以四驱AGV小车的车身中心为原点O，以逆时针方向为正方向，表示第i个车轮沿车轮切线方向的速度，可分解为沿前进方向的速度与垂直于前进方向的速度对于第i个车轮，其中i＝1,2,3,4，满足以下关系式：

4个车轮水平方向的位移矢量和为0，使用Δt表示某一运行时间，四个车轮需满足的关系的数学表达为：

姿态调整完成后，四个车轮转向需全部调整为前进方向，即y轴方向，四个车轮需满足的关系的数学表达为：

Δθ_i表示在Δt时间内第i个车轮转过的角度，r为四个车轮的车轮半径。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型”中，表示四驱AGV小车车身沿其切线方向的旋转速度，可分解为沿前进方向的速度与垂直于前进方向的速度满足以下关系式：

设四驱AGV小车的车身以匀速旋转，直至姿态调整完成后，最终调整为前进方向，四驱AGV小车车身的匀速旋转速度的数学表达为：

表示四驱AGV小车的车身总姿态角，t_sum表示姿态调整规定总时间，R表示四驱AGV小车车身的半径。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，四驱AGV小车前进方向的速度与轮胎速度的垂直方向分量相同，即

其中表示四个轮胎在垂直方向的速度分量，表示四驱AGV小车前进方向的速度。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，在前进方向上AGV小车满足：

其中，表示四驱AGV小车在进行姿态调整的切向速度，sinx表示四驱AGV小车姿态角的正弦值，Δt表示运行时间，Δl表示四驱AGV小车在姿态调整时经过Δt时间前进的距离。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，四驱AGV小车的第i个车轮满足：

其中，表示四驱AGV小车的轮胎的切向速度，sinθ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎切向角的正弦值。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，运行时间Δt以及其对应的前进距离Δl的车轮转向角θ_i与四驱AGV小车姿态角x，车轮速度的关系的数学表达为：

为正整数。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，四驱AGV小车的第i个车轮转向角θ_i与车轮姿态角x，车轮半径r的关系如下：

θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，R表示四驱AGV小车车身半径，r表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的半径。

可选地，在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，四驱AGV小车第i个车轮的切向速度与四驱AGV小车的车身的姿态角基于约束时间的关系式为：

表示四驱AGV小车第i个车轮的切向速度，D_L表示四驱AGV小车的左侧磁导航偏离中心的距离，t_sum为约束时间，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，能够通过四个独立的驱动器对整体小车进行姿态调整，可以实现对四轮的单独控制，四个轮胎可以设定不同的速度以及方向来实现姿态调整。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为四个磁导航传感器的安装位置示意图；

图2为第i个车轮示意图。

图3为四驱AGV小车姿态调整示意图；

图4为本发明的模型构建流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1-图4，附图标记1、2、3、4为四个磁导航传感器。在AGV的前后左右分别安装了四个磁导航传感器(1号与2号是一对，3号与4号是一对，前1后2右3左4)，通过四个磁导航传感器的数据，可以表征其车身的姿态。

1.基于磁导航的AGV姿态检测模型

AGV小车前后轮子中心之间间隔尺寸为M₁；左右轮子中心之间间隔尺寸为M₂；前后两个磁导航传感器中心线与AGV小车的垂直中心线一致，磁导航传感器之间间隔为M₃；左右两个磁导航传感器的距离为M₄，左右磁导航传感器距离叉子的轮子中心为M₅，距离锂电池方向轮子中心的距离为M₆。

当AGV小车偏离垂直方向不同角度时，以左侧磁导航偏离中心距离D_L,，右侧磁导航偏离中心距离D_R与左右两个磁导航传感器的距离M₄，根据拓扑结构可以得到其与小车姿态角x的关系：

以上尺寸单位为mm，AGV小车的偏离以小车四个轮子的中心为基本尺寸，以四个轮子的中心点为旋转点。

所以当AGV小车偏离正常方向需要进行姿态调整时，可通过四个磁导航传感器的数据对照公式(1)就可以计算出AGV小车的姿态角。、

2.四驱AGV小车原地旋转模型

以四驱AGV小车的车身中心为原点O，以逆时针方向为正方向，建立坐标轴如图2。就四驱AGV小车第i个车轮而言，表示第i个车轮沿车轮切线方向的速度，可分解为沿前进方向的速度(i＝1,2,3,4)与垂直于前进方向的速度(i＝1,2,3,4，)对于第i个车轮，其中i＝1,2,3,4，满足以下关系式：

由于要求四驱AGV小车在前进过程中需保证车身中心不偏离，即需满足4个车轮水平方向的位移矢量和为0，即满足以下关系式：

在式(4)中，Δt表示某一运行时间。

由于要求四驱AGV小车在姿态调整完成后，四个车轮转向需全部调整为前进方向，即y轴方向。因此满足以下关系式：

在式(5)中，Δθ_i表示在Δt时间内第i个车轮转过的角度，即为转向角；r为四个车轮的车轮半径。

由图2可知，表示四驱AGV小车车身沿其切线方向的旋转速度，可分解为沿前进方向的速度与垂直于前进方向的速度满足以下关系式：

假设四驱AGV小车的车身以匀速旋转，直至姿态调整完成后，最终调整为前进方向。即可求出AGV车身的匀速旋转速度满足：

在式(8)中，表示四驱AGV小车的车身总姿态角，t_sum表示姿态调整规定总时间，R表示四驱AGV小车车身的半径。

3.四驱AGV小车的前进方向速度模型

对四驱AGV小车的每个轮胎而言，因为每个轮胎可以独立运转，所以应该对每个轮胎进行单独的分析。由于四驱AGV小车的车身与轮胎同属于刚体结构，所以四个轮胎在垂直方向的速度分量相同。由于是轮胎在垂直方向的速度分量提供了AGV小车前进的速度，所以AGV小车前进方向的速度与轮胎速度的垂直方向分量相同，即

其中表示四个轮胎在垂直方向的速度分量，表示四驱AGV小车前进方向的速度。在前进方向上AGV小车满足：

其中，表示四驱AGV小车在进行姿态调整的切向速度，sinx表示四驱AGV小车姿态角的正弦值，Δt表示运行时间，可由人为规定，Δl表示四驱AGV小车在姿态调整时经过Δt时间前进的距离。

第i个车轮满足：

其中，表示四驱AGV小车的轮胎的切向速度，sinθ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎切向角的正弦值。

4.基于约束时间与运行距离的AGV姿态调整运动模型

基于模型2与模型3分析，可将四驱AGV小车原地旋转模型与前进方向速度模型合成四驱AGV小车姿态调整模型，如图3所示。即在AGV小车进行姿态调整时，在保证小车的中心点不偏离垂直方向且姿态调整的前进距离控制在L的前提下，四驱AGV小车可以在前进距离为L(即O点到END点距离)的时间内将偏离的角度调整到垂直方向即将姿态角减为零。

基于以上分析，联立公式(5)、公式(10)与公式(11)，可得关系式(12)，此关系式描述的是基于某一运行时间Δt以及其对应的前进距离Δl的车轮转向角θ_i与四驱AGV小车姿态角x，车轮速度的关系：

由上式可求出四驱AGV小车的第i个车轮在Δt时间后的速度进而可求出四驱AGV小车的第i个车轮的转向角θ_in。

基于以上分析以及实际情况考虑，在四驱AGV小车前进时进行姿态调整过程中，即从O点到END点，考虑其车身旋转速度为匀速，且第i个车轮旋转速度为匀速，且二者所用时间均相同，即为约束时间t_sum，且前进的运行距离为L。此时，x与可等价起来,t_sum与Δt也可等价起来。因此，可得出四驱AGV小车的第i个车轮转向角θ_i与车轮姿态角x，车轮半径r的关系如下：

在式(12)中，θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，R表示四驱AGV小车车身半径，r表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的半径。

同时，可得出四驱AGV小车第i个车轮的切向速度与四驱AGV小车的车身的姿态角x基于约束时间t_sum的关系式如下：

在式(13)中，表示四驱AGV小车第i个车轮的切向速度，D_L表示四驱AGV小车的左侧磁导航偏离中心的距离，t_sum为约束时间，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：应用于四驱AGV小车且该小车四个轮子相互独立且可单独控制；在车身两侧安装第一磁导航传感器组，包含分设在车身两侧的两个磁导航传感器；在车身头尾安装第二磁导航传感器组，包含分设在车身头部、中部或尾部任意两个组合的位置上的两个磁导航传感器；；

该基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型包括以下步骤：

通过磁导航传感器推导四驱AGV小车的姿态角；

通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型；

通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型；

通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到基于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型。

2.如权利要求1中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过磁导航传感器推导四驱AGV小车的姿态角”中，四驱AGV小车偏离垂直方向不同角度时，以第一磁导航传感器组内两个磁导航传感器偏离中心距离分别为D_L、D_R，上述两个磁导航传感器之间距离为M₄，小车姿态角为x，小车姿态角的数学表达为：

3.如权利要求1中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型”中，以四驱AGV小车的车身中心为原点O，以逆时针方向为正方向，表示第i个车轮沿车轮切线方向的速度，可分解为沿前进方向的速度与垂直于前进方向的速度对于第i个车轮，其中i＝1,2,3,4，满足以下关系式：

4个车轮水平方向的位移矢量和为0，使用Δt表示某一运行时间，四个车轮需满足的关系的数学表达为：

姿态调整完成后，四个车轮转向需全部调整为前进方向，即y轴方向，四个车轮需满足的关系的数学表达为：

Δθ_i表示在Δt时间内第i个车轮转过的角度，r为四个车轮的车轮半径。

4.如权利要求3中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎能在相同时间在原地完成姿态调整得到四驱AGV小车原地旋转模型”中，表示四驱AGV小车车身沿其切线方向的旋转速度，可分解为沿前进方向的速度与垂直于前进方向的速度满足以下关系式：

设四驱AGV小车的车身以匀速旋转，直至姿态调整完成后，最终调整为前进方向，四驱AGV小车车身的匀速旋转速度的数学表达为：

表示四驱AGV小车的车身总姿态角，t_sum表示姿态调整规定总时间，R表示四驱AGV小车车身的半径。

5.如权利要求1中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，四驱AGV小车前进方向的速度与轮胎速度的垂直方向分量相同，即

其中表示四个轮胎在垂直方向的速度分量，表示四驱AGV小车前进方向的速度。

6.如权利要求5中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，在前进方向上AGV小车满足：

其中，表示四驱AGV小车在进行姿态调整的切向速度，sinx表示四驱AGV小车姿态角的正弦值，Δt表示运行时间，Δl表示四驱AGV小车在姿态调整时经过Δt时间前进的距离。

7.如权利要求6中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车的四个轮胎在前进方向速度相同得到四驱AGV小车前进方向速度模型”中，四驱AGV小车的第i个车轮满足：

其中，表示四驱AGV小车的轮胎的切向速度，sinθ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎切向角的正弦值。

8.如权利要求1中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，运行时间Δt以及其对应的前进距离Δl的车轮转向角θ_i与四驱AGV小车姿态角x，车轮速度的关系的数学表达为：

为正整数。

9.如权利要求8中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，四驱AGV小车的第i个车轮转向角θ_i与车轮姿态角x，车轮半径r的关系如下：

θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，R表示四驱AGV小车车身半径，r表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的半径。

10.如权利要求9中所述的基于磁导航的四驱AGV姿态调整运动模型，其特征在于：在步骤“通过四驱AGV小车能在前进一定距离时完成姿态调整得到于约束时间与运送距离的姿态运动合成模型”中，四驱AGV小车第i个车轮的切向速度与四驱AGV小车的车身的姿态角x基于约束时间t_sum的关系式为：

表示四驱AGV小车第i个车轮的切向速度，D_L表示四驱AGV小车的左侧磁导航偏离中心的距离，t_sum为约束时间，x表示四驱AGV小车车身的姿态角，θ_i表示四驱AGV小车第i个车轮轮胎的转向角。