CN110794834A

CN110794834A - 一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统

Info

Publication number: CN110794834A
Application number: CN201911024758.8A
Authority: CN
Inventors: 卢扬扬; 张志民; 张丹丹; 王娟; 古今茂; 孙庆阳; 程喜臣
Original assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-02-14

Abstract

本发明公开了一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统，涉及自动导引技术领域。该搬运汽车控制系统包括：供电系统、车体控制系统、调度系统、无线通讯系统、驱动转向系统、组合导航系统、激光测量定位系统、安全防撞系统。本发明技术方案中，在控制系统中转向系统基于阿克曼建立数学模型，转向角度可以实现0.1°分辨率，后轮驱动轮可以实现电子差速运动；通过转向和驱动差速运动实现AGV直线行驶姿态调节和不同转弯半径下转弯行驶；相比其他轮系结构，后驱前转向控制系统控制简单、定位精度高、可靠性高。

Description

一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统

技术领域

本发明涉及自动导引技术领域，具体涉及一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统。

背景技术

近年来，搬运汽车(AGV)作为柔性的自动化搬运设备越来越受到各行各业的关注，从工厂车间的物料转运到智能停车，但AGV室内应用案例较多，随着需求的发展室外或半室外AGV技术将逐步完善并进入应用阶段，从需求行业来看，港口AGV、巡检AGV、汽车搬运AGV需求旺盛。

因此，针对港口、汽车厂等需要大量汽车转运的场合，我们提出一种想法：设计一款用于室外转运汽车AGV替代人工转运，解决人工转运效率低，成本高的难题。

AGV传统的导航方式主要为磁导航和视觉导航，由地面上铺设的磁条或色带作为参考，AGV在行进过程中不断动态修正其与预定轨迹的偏差。然而这种导航方式，虽然使得AGV可以不受人的控制自动行走，但固定的轨迹极大地限制了运动。近年来，无轨导航技术的发展十分迅速，特别是GPS+惯导技术在室外无人驾驶汽车的应用，使得室外AGV在某些领域已有实际的应用案例。

发明内容

一种基于后驱前转向的搬运汽车(AGV)控制系统，应用于室外港口，汽车制造厂等无人搬运，属于智能物流搬运领域；汽车搬运AGV车采用卫星(GPS、北斗)+惯导组合导航方式应用在室外复杂环境进行导航，辅助激光雷达及视觉系统实现末端二次定位，基于无人驾驶平台控制思路开发，选用汽车成熟硬件，速度提升到6m/s。

根据本发明，提供一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述搬运汽车的车体采用4台驱动转向系统实现前端车轮转向、后端车轮驱动的车型架构，按照设定路线，搬运汽车从起点位置按照不同路线、不同转弯半径自主导航到达目标终点。

进一步的，所述驱动转向系统为舵轮驱动转向系统。

进一步的，所述搬运汽车控制系统包括：供电系统、车体控制系统、调度系统、无线通讯系统、驱动转向系统、组合导航系统、激光测量定位系统、安全防撞系统。

进一步的，所述供电系统用于为车体控制系统、调度系统、无线通讯系统、驱动转向系统、组合导航系统、激光测量定位系统、安全防撞系统提供电力。

进一步的，所述车体控制系统包括伺服运动控制器和信号扩展模块，其中，

信号扩展模块用于接收调度系统的路径命令信息、组合导航系统的反馈信息以及安全防撞系统的反馈信息；

运动控制器对信号扩展模块接收的信息进行数据接收并进行计算，根据计算结果向驱动转向系统发送运动指令，控制搬运汽车的运动。

进一步的，所述运动控制器计算过程如下所示：

左转情况下，左转差速：

左前轮转角度：θ1＝arccot(cotθ-0.65714)；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：

右后轮转速度：n4＝n，

右转情况下，右转差速：

左前轮转角度：θ1＝θ；

右前轮转角度：θ2＝arccot(cotθ-0.65714)；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：

直行情况下，等速度：

左前轮转角度：θ1＝θ；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：n4＝n；

其中，θ取值范围为0＜θ＜90°，n取值范围为大于0。

进一步的，当搬运汽车直行时，组合导航系统实时反馈的车体中心左右偏移值d₁和偏转角β₁传送给车体运动控制系统，与左右偏移值的给定值d₂和偏转角的给定值β₂比较得出：d＝d₁-d₂，β＝β₁-β₂，其中d为左右偏差值，β为角度偏差值，进而对左右和角度分别进行PID控制。

进一步的，根据车体稳定性分析，采用带死区PID控制：

当-5mm<d<5mm时，左右偏差不需调节；

当-35mm<d<35mm时，进行左右PID控制输出车体横向速度值v_x和车体前进方向速度值v_y，根据d的大小设置不同区间，给定不同的反向车体横向速度值v_x，最终控制d在±5mm范围内；

当d>35mm或d<-35mm时，车体超出轨道，停止运行；

当β＝0°时，不进行车体角度调节；

当β＞0°或β＜0°时，进行角度PID控制，输出车体中心相应的转向角度θ，根据车体速度与每个车轮角速度的关系，计算出每个车轮调节的速度，进而调节角度偏差。

进一步的，所述反向车体横向速度值v_x是指：

当车体偏左时，给定向右的车体横向速度值v_x；

当车体偏右时，给定向左的车体横向速度值v_x，

车体前进方向速度值v_y保持不变。

进一步的，当车体的d和β都调节时，可以同时进行PID控制，车体进行复合运动调节。

进一步的，所述调度系统包括上位机调度界面和调度系统无线收发通讯模块，调度系统通过调度系统无线收发通讯模块与车体无线通讯模块实时通信；上位机调度界面用于给出搬运汽车的最优路径，完成多台搬运汽车的调度规划。

进一步的，所述无线通讯系统包括安装在调度系统内的调度系统无线收发通讯模块，以及安装在搬运汽车上的车体无线通讯模块，通信协议为TCP/IP协议。

进一步的，所述驱动转向系统包括转向伺服系统、行走伺服系统，转向伺服系统包含转向伺服驱动器和转向电机，行走伺服系统包含行走伺服驱动器和行走电机，车体控制系统与转向伺服系统、行走伺服系统连接，并向伺服系统发送运动指令同时接收电机内部编码器反馈信号，伺服系统按照运动指令中给定速度和方向控制驱动电机进行驱动，电机通过减速器与车轮连接。

进一步的，所述组合导航系统为GPS+惯导组合导航系统。

进一步的，所述组合导航系统包括GPS卫星定位系统、惯性导航系统、里程计、RTK基站、数据融合控制器，

所述GPS卫星定位系统与RTK基站实现差分定位，所述惯性导航系统实现角度数据输出，经过数据融合控制器把位置数据和角度数据进行滤波信号处理后通过RS422接口传输给车体控制系统，车体控制系统处理后得到车体的姿态信息、减速命令信息或转弯位置信息。

进一步的，所述姿态信息包括左右偏移值和偏转角度。

进一步的，所述激光雷达测量定位系统包括2台激光雷达、数据处理控制器，所述激光雷达扫描前方10米范围内汽车轮廓数据，实时上传到数据处理器进行轮廓建模，经过计算得到汽车的中心点与搬运汽车的中心点的左右偏差和角度偏差，搬运汽车通过左右偏差和角度偏差提前调节AGV车体姿态进行精确定位。

进一步的，所述安全防撞系统包括2个安全扫描仪，安装在搬运汽车前后两端，用于检测行进中前后方6米范围内是否有障碍物。

进一步的，当所述安全防撞系统检测前方6米处出现障碍物时，安全扫描仪反馈信号到车体控制系统中，控制搬运汽车开始减速，当所述安全防撞系统检测前方2米处出现障碍物时，搬运汽车停止运动，直到障碍物消除。

本发明的有益效果：

基于后驱前转向方式实现汽车搬运，在控制系统中转向系统基于阿克曼建立数学模型，转向角度可以实现0.1°分辨率，后轮驱动轮可以实现电子差速运动；通过转向和驱动差速运动实现AGV直线行驶姿态调节和不同转弯半径下转弯行驶；相比其他轮系结构，后驱前转向控制系统控制简单、定位精度高、可靠性高。

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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出根据本发明的基于后驱前转向的搬运汽车控制系统总体结构图。

图2示出根据本发明的基于后驱前转向的搬运汽车控制系统的车体运动控制原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明所述一种基于后驱前转向搬运汽车AGV控制系统，车体采用两台舵轮驱动转向系统实现前端车轮转向，后端车轮驱动的车型架构，按照调度系统设定路线，完成搬运汽车从起点位置搬运汽车按照不同路线，不同转弯半径下，自主导航到达目标终点。

如图1所示，本发明所述的一种基于后驱前转向搬运汽车AGV控制系统包括：供电系统1、车体控制系统2、调度系统3、无线通讯系统4、驱动转向系统5、组合导航系统6、激光测量定位系统7、安全防撞系统9。

所述供电系统1包括电池组、管理系统、充电系统、电量采集等，其中电池组由3.12V电池串联组成，电源输出电压为72V、24V；其中72V用于驱动转向系统中四组伺服驱动器的供电；电池组与直流转换电源电连接，直流转换电源输出24V直流电，用于车体运动控制系统、组合导航系统、激光测量定位系统、安全防撞系统的供电。

所述车体运动控制系统2包括伺服运动控制器和信号扩展模块，其中信号扩展模块用于通过无线WIFI模块以TCP/IP协议接收调度系统路径命令信息，用于通过RS422通讯协议接收GPS+惯导组合导航系统的反馈数据信息，用于通过模拟量接口接收自动对接反馈数据信息，用于通过数字量接口接收安全防撞反馈数据信息；运动控制器对信号扩展模块接收的反馈信息进行数据接收并进行校验计算出要求的数据，向驱动系统实时发送执行命令信息，控制AGV转运车的运动。

所述调度系统3包括上位机调度界面和无线收发通讯模块，调度系统通过通讯模块与车体无线通讯模块实现与车体实时通信；上位机调度界面可以实现对全向转运车路线设定，路线设定是调度系统根据AGV当前位置和执行任务计算出一条合理的最优路径，完成多台转运车调度规划。

所述无线通讯系统4用于主控调度系统与车体运动控制器通信，采用无线WIFI模块，通信协议为TCPIP协议。

所述驱动转向系统5包括转向伺服系统、行走伺服系统，转向伺服系统包含转向伺服驱动器1和转向电机1，行走伺服系统包含行走伺服驱动器2和行走电机2，车体控制系统与两组伺服系统连接，并向伺服驱动系统发送运动指令同时接收伺服电机内部编码器反馈信号，伺服系统按照运动指令中给定速度和方向控制伺服电机进行转动，电机通过减速器与车轮连接。

所述组合导航系统包括GPS卫星定位系统、惯性导航系统、里程计、RTK基站、数据融合控制器。GPS卫星定位系统与RTK基站实现差分定位，惯性导航实现角度数据输出，经过数据融合控制器把位置数据和角度数据进行滤波信号处理后通过RS422接口传输给车体控制系统。车体控制系统数据处理后得到车体的姿态信息、减速命令信息或转弯位置信息，其中姿态信息包括左右偏移值和偏转角度，实现AGV运动过程中的姿态调节。

搬运AGV运动控制原理是基于前轮阿克曼转向系统建立数学模型，前轮转向按阿克曼转角分内外转角，内转角大于外转角，根据不同车型轮轴距可以计算出在不同外转角时对应的内轮角度。同时，在不同转角下可以计算出后端左右轮的速度差。具体计算公式如下几种情况，根据调度系统指令，AGV需要按照指定转弯半径进行转弯，在转弯过程中，内轮和外轮转向角度和速度不一致，具体可以分为三种情况，车体左转、车体右转、车体直行，当AGV车体进行转弯时，以外轮角度为基准，计算出内轮所需要的转角，同时根据转角计算出两个车轮的速度。当AGV进行左转时，右轮为外轮，计算出右轮转向角度，根据右轮转的角度和阿克曼转向原理，计算出内轮左轮的角度；同时以右轮速度为基准，根据公式计算出内轮速度。当AGV进行右转时，以左侧轮为基准来计算。AGV直行时，左右轮角度和速度是一致的。

(1)左转差速：

左前轮转角度：θ1＝arccot(cotθ-0.65714)；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：

右后轮转速度：n4＝n；

(2)右转差速：

左前轮转角度：θ1＝θ；

右前轮转角度：θ2＝arccot(cosθ-0.65714)；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：

(3)等速度：

左前轮转角度：θ1＝0；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：n4＝n；

当AGV导航直行时组合导航系统实时反馈的车体中心左右偏移值d₁和偏转角β₁传送给车体运动控制系统，把左右偏移值d₂和偏转角β₂作为给定值，通过给定值与反馈值比较得出：d＝d₁-d₂，β＝β₁-β₂，其中d为左右偏差值，β为角度偏差值，进而对左右和角度分别进行PID控制。根据车体稳定性分析，采用带死区PID控制，即当-5mm<d<5mm时，左右偏差不需调节；当-35mm<d<35mm时，进行左右PID控制输出不同的v_x，控制d在±5mm范围内；当d>35mm或d<-35mm时，车体超出轨道，停止运。当β＝0°时，不进行车体角度调节，当β＞0°或β＜0°时，进行角度PID控制，输出相应的转向角度θ，根据车体速度与每个车轮角速度的关系，计算出每个车轮调节的速度，进而调节角度偏差。当车体的d和β都调节时，可以同时进行PID控制，车体进行复合运动调节。

所述激光雷达测量定位系统包括2台激光雷达、数据处理控制器。激光雷达扫描前方10米范围内汽车轮廓数据，实时上传到数据处理器进行轮廓建模，经过计算得到汽车中心与AGV车体中心左右偏差Δd和角度偏差Δθ，AGV通过偏差值提前调节AGV车体姿态进行精确定位。

所述安全防撞系统包括2个安全扫描仪，安装在车体前后两端，用于检测行进中前后方6米范围内是否有障碍物，当前方6米处出现障碍物时，安全扫描仪反馈信号到车体运动控制系统中，控制自主转运车开始减速，当检测距离为2m处时，自主转运车开始停止运动，直到障碍物消除自主转运车才开始继续运动。

实施例

本发明控制系统总体结构如图1所示，包括供电系统1、车体运动系统2、调度系统3、无线通讯系统4、驱动转向系统5、组合导航系统6、激光测量定位系统7、安全防撞系统8。

所述车体运动控制原理图2根据车体运动控制原理及组合导航系统反馈角度及左右偏移值计算得出实际车轮调节参数，自主转运车要实现计算车体中心的相对位置，计算出左右偏移值d和角度偏移值，再根据PID算法得出横向和角速度的值，进而实时推算出轮子的角速度，从而可以实现沿设定路线自主移动。

本发明具体实施步骤如下:

1)启动转运车总开关，供电系统向车体运动控制系统2、驱动转向系统5、组合导航系统7、激光雷达测量定位系统8、安全防撞系统9供电，运动控制器进行初始化，驱动系统车轮电机使能；

2)运动模式切换到导航模式，打开主控调度系统3的上位机界面，选择起点、终点，设置导航运动速度，点击启动进行自主导航运动；

3)自主转运车按照设定路线运动，组合导航系统6实时反馈车体中心偏移值d和偏转角β通过RS422协议发送到车体运动控制系统2，车体ν_y为前进速度，作为固定值输出，运动控制器经过PID算法计算出车体的ν_x、，进而计算出4组车轮不同的角速度；

4)在自主导航转运过程中，安全防撞系统8实时监测车体前后端是否有障碍物，当前后方10米处检测到障碍物时转运车开始减速，当前后方2米处检测到障碍物时转运车停止，直到障碍物移除后才能恢复导航运动；

5)当导航路径终点为停靠站点时，到达附近先减速再停止即可。

6)当达到终点后，主控调度系统显示已完成导航任务，如需继续进行导航，只要选择下一终点即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于后驱前转向的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述搬运汽车控制系统包括：供电系统、车体控制系统、调度系统、无线通讯系统、驱动转向系统、组合导航系统、激光测量定位系统、安全防撞系统，

所述搬运汽车的车体采用多台驱动转向系统实现前端车轮转向、后端车轮驱动的车型架构，按照设定路线，搬运汽车从起点位置按照不同路线、不同转弯半径自主导航到达目标终点。

2.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述车体控制系统包括伺服运动控制器和信号扩展模块，其中，

信号扩展模块用于接收调度系统的路径命令信息、组合导航系统的反馈信息、自动对接反馈数据信息以及安全防撞系统的反馈信息；

3.根据权利要求2所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述运动控制器计算过程如下所示：

左转情况下，左转差速：

左前轮转角度：θ1＝arccot(cotθ-0.65714)；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：

右后轮转速度：n4＝n，

右转情况下，右转差速：

左前轮转角度：θ1＝θ；

右前轮转角度：θ2＝arccot(cotθ-0.65714)；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：

直行情况下，等速度：

左前轮转角度：θ1＝θ；

右前轮转角度：θ2＝θ；

左后轮转速度：n3＝n；

右后轮转速度：n4＝n，

其中，θ取值范围为0＜θ＜90°，n取值范围为大于0。

4.根据权利要求3所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，当搬运汽车直行时，组合导航系统实时反馈的车体中心左右偏移值d₁和偏转角β₁传送给车体运动控制系统，与左右偏移值的给定值d₂和偏转角的给定值β₂比较得出：d＝d₁-d₂，β＝β₁-β₂，其中d为左右偏差值，β为角度偏差值，进而对左右和角度分别进行PID控制，

根据车体稳定性分析，采用带死区PID控制：

当-5mm<d<5mm时，左右偏差不需调节；

当-35mm<d<35mm时，进行左右PID控制输出车体横向速度值v_x和车体前进方向速度值v_y，根据d的大小设置不同距离区间，给定不同的反向车体横向速度值v_x，最终控制d在±5mm范围内；

当d>35mm或d<-35mm时，车体超出轨道，停止运行；

当β＝0°时，不进行车体角度调节；

当β＞0°或β＜0°时，进行角度PID控制，输出相应的转向角度θ，根据车体速度与每个车轮角速度的关系，计算出每个车轮调节的速度，进而调节角度偏差。

5.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述调度系统包括上位机调度界面和调度系统无线收发通讯模块，调度系统通过调度系统无线收发通讯模块与车体无线通讯模块实时通信；上位机调度界面用于给出搬运汽车的最优路径，完成多台搬运汽车的调度规划。

6.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述无线通讯系统包括安装在调度系统内的调度系统无线收发通讯模块，以及安装在搬运汽车上的车体无线通讯模块，通信协议为TCP/IP协议。

7.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述驱动转向系统包括转向伺服系统、行走伺服系统，转向伺服系统包含转向伺服驱动器和转向电机，行走伺服系统包含行走伺服驱动器和行走电机，车体控制系统与转向伺服系统、行走伺服系统连接，并向伺服系统发送运动指令同时接收电机内部编码器反馈信号，伺服系统按照运动指令中给定速度和方向控制驱动电机进行驱动，电机通过减速器与车轮连接。

8.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述组合导航系统包括GPS卫星定位系统、惯性导航系统、里程计、RTK基站、数据融合控制器，

所述GPS卫星定位系统与RTK基站实现差分定位，所述惯性导航系统实现角度数据输出，经过数据融合控制器把位置数据和角度数据进行滤波信号处理后通过RS422接口传输给车体控制系统，车体控制系统处理后得到车体的姿态信息、减速命令信息或转弯位置信息，

其中，所述姿态信息包括左右偏移值和偏转角度。

9.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述激光雷达测量定位系统包括2台激光雷达、数据处理控制器，所述激光雷达扫描前方10米范围内汽车轮廓数据，实时上传到数据处理器进行轮廓建模，经过计算得到汽车的中心点与搬运汽车的中心点的左右偏差和角度偏差，搬运汽车通过左右偏差和角度偏差提前调节AGV车体姿态进行精确定位。

10.根据权利要求1所述的搬运汽车控制系统，其特征在于，所述安全防撞系统包括2个安全扫描仪，安装在搬运汽车前后两端，用于检测行进中前后方一定距离范围内是否有障碍物。