CN110901372B - 一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮agv小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车，包括：底盘；电磁组件，固定于底盘上；机电控制组件，固定于底盘上；图像采集组件，固定于底盘上；四个电机，通过连接件固定于底盘下方，且该电机上安装有霍尔编码器；四个麦克纳姆轮，通过法兰与电机连接；电源，固定于底盘上，为整个AGV小车供电。所述图像采集组件、电机和霍尔编码器均与机电控制组件连接，机电控制组件基于预先设计路径、图像采集组件的采集信息及霍尔编码器的转速反馈信息，产生用于控制电机的电压信号，控制AGV小车到达目标位置。与现有技术相比，本发明具有适应性更强，在狭小空间内运动精度和空间利用率高等优点。

Description

一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车

技术领域

本发明涉及一种AGV小车，尤其是涉及一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车。

背景技术

物流现已深入千家万户，日益增长的物流量的挑战，以及计算机网络技术的持续发展，共同催生了智能物流——通过自动化运作以获得时间和空间上的最优配置。自动分拣设备、全流程无人仓等设备不断涌现并被投入使用。AGV(Auto Guided Vehicle)小车，即自动导引小车，在其中均发挥着重要的作用。而现在使用的AGV小车多数为磁导航或激光引导的“有轨”AGV小车，需要对工厂进行额外改造，布置引导电线、激光定位标志等设备，且需要系统进行协同调度以控制小车运行，只适用于大批量的物流分拣工作；且现在使用的AGV小车没有考虑空间问题，不适用于有限空间。

目前还没有针对有限空间内小规模分拣工作的AGV小车，现在使用的用于大规模的物流分拣的AGV小车存在很多不适宜的地方：

1)现有AGV小车的环境感知方式适应性差，需要根据不同场地预先进行规划设计，并需要对工作环境进行较大的改造；

2)现有AGV小车的运动多依赖于系统的全局调度指令，缺少独立运行能力；

3)现有AGV小车的机电控制和运动方式，在面对有限空间内的高精度任务要求时难以胜任。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车，包括：

底盘；

电磁组件，固定于底盘上；

机电控制组件，固定于底盘上；

图像采集组件，固定于底盘上；

四个电机，通过连接件固定于底盘下方，且该电机上安装有霍尔编码器；

四个麦克纳姆轮，通过法兰与电机连接；

电源，固定于底盘上，为整个AGV小车供电；

所述图像采集组件、电机和霍尔编码器均与机电控制组件连接，机电控制组件基于预先设计路径、图像采集组件的采集信息及霍尔编码器的转速反馈信息，产生用于控制电机的电压信号，控制AGV小车到达目标位置，并控制电磁组件吸取待运输物品。

进一步地，所述底盘包括由四条铝制型材构成的矩形骨架和与该矩形骨架连接的亚克力支撑平面。

进一步地，所述电磁组件包括电磁铁和电磁继电器。

进一步地，所述电磁铁包括吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁。

进一步地，所述机电控制组件包括依次连接的处理器、系统主板和电机驱动板。

进一步地，所述图像采集组件包括固定于底盘上的摄像头支架和安装于所述摄像头支架的摄像头。

进一步地，所述摄像头设有至少两个。

进一步地，所述图像采集组件的所得图像经图像处理后获取小车位置坐标和车身角度，所述图像处理包括逆透视变换等。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明使用摄像头进行数字识别并使用了麦克纳姆轮，在分拣口贴数字标识，无需系统调度，AGV小车即可自主运动，适应性更强，省去了对工作环境的改造，并且由麦克纳姆轮保证了狭小空间内的运动精度和空间利用率。

2、本发明具有机电控制、环境感知和决策规划功能，适用于有限空间内的小规模分拣工作，例如小规模的快递分拣、邮局的信件分拣、图书馆的图书分拣等，弥补有限空间内的小规模分拣工作没有AGV小车的空缺，可以取代很大部分人工分拣工作，减轻分拣压力、提高分拣效率、提升经济效益。

3、本发明只需对工作环境进行较小改造即可应用，使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为麦克纳姆轮与电机的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例提供一种应用于有限空间物流分拣的麦克纳姆轮AGV小车，包括底盘1、电源2、电磁组件、机电控制组件、图像采集组件、四个电机11和四个麦克纳姆轮10，电源2、电磁铁3、机电控制组件和图像采集组件通过螺钉螺母固定于底盘1上，电机11通过连接件13固定于底盘1下方，且该电机11上安装有霍尔编码器12，麦克纳姆轮10通过法兰14与电机11连接；电源2为整个AGV小车供电。图像采集组件、电机11和霍尔编码器12均与机电控制组件连接，机电控制组件基于预先设计路径、图像采集组件的采集信息及霍尔编码器12的转速反馈信息，产生用于控制电机11的电压信号，控制AGV小车到达目标位置，并控制电磁组件吸取待运输物品。

底盘1包括由四条铝制型材构成的矩形骨架和与该矩形骨架连接的亚克力支撑平面。铝制型材采用欧标2020铝制型材，亚克力支撑平面的厚度为5mm。

电磁组件包括电磁铁3和电磁继电器4，其中，电磁铁3包括吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁。

本实施例中，麦克纳姆轮10设有4个，左麦轮和右麦轮各2个，直径为100mm。电机11采用15W低速增扭电机。

机电控制组件包括依次连接的处理器7、系统主板5和电机驱动板6。其中，系统主板5由32位MCU MPC5604B，LM2940 5V稳压芯片和AMS1117 3.3V稳压芯片组成，具有如下基本功能，

1.通过串口与微型电脑进行通信；

2.驱动电机；

3.用霍尔编码器测得小车速度与方向；

4.Freescale 32位单片机MPC5604作为系统控制处理器；

5.OLED用于显示调试时的各种数据。

电机驱动板6设有2块，由LR7843 MOSFET场效应管、74LS244芯片、LM2731稳压芯片、IN5819、IR2104、74HC74解码器等元件组成，用于驱动电机，使其正转或反转。

处理器7采用NVIDIA Jetson TX2，有6个CPU核心，4个Cortex-A57、2个自研的Denver(丹佛)核心，GPU则是Pascal架构，256个CUDA核心，搭配8GB 128bit LPDDR4内存，带宽为58.4GB/s，搭配32G的eMMC闪存容量。

图像采集组件包括固定于底盘1上的摄像头支架8和安装于摄像头支架8的摄像头。摄像头设有至少两个。本实施例中，在小车前进方向的前方和后方各各装一个摄像头，使得小车在各种位置都不会失去定位。摄像头选取型号为WX605的1080P高清400万像素330帧USB摄像头。

上述AGV小车具有机电控制、环境感知和决策规划功能。环境感知向决策规划传递信息，决策规划将这部分信息处理后再传递给机电控制；决策规划也接受人工输入的信息，将这部分信息处理后也传递给机电控制；机电控制结合两部分信息，确保小车正确运动。

环境感知部分具体为：

环境感知部分主要指图像采集组件，用于获取图像，并将其传给决策规划部分。图像采集组件采集到图像后要对摄像头采集到的图像进行一些变换和处理才能进一步地操作。由于采像环境的变化和采像设备的影响，图像会不同程度地出现分布有噪声和亮度不均匀的情况，这会一定程度干扰后面处理的效果。图像的预处理可以有效去除噪声，光照反射等不良影响，增强图像中的有效信息。

然后通过逆透视变换可以将摄像头采集的图像变换到俯视视角，这是对每张图进行处理前必不可少的一步。利用自行打印的黑白方格标定纸进行摄像头标定后，可以建立图像坐标系与以车身上某点为原点建立的车身坐标系之间的联系，通过推导出的公式可以得出图像上每像素点在车身坐标系内的坐标。

由于在数字坐标系下的位置以及数字格子尺寸已知，通过模板匹配法及数字的结构特征识别出数字后，便可得出角点在数字坐标系下的坐标，经过图像坐标系与车身坐标系及车身坐标系与数字坐标系之间的坐标转换后，便可以得到小车在数字坐标系下的坐标。将得到的车身坐标与上一时刻车身坐标比较，根据相应时间内小车坐标正常变化范围剔除错误值。将小车坐标、车身角度作为结果返回给运动控制层，即机电控制部分，以用于控制小车精准迅速地到达目标位置。

决策规划部分具体为：

决策规划主要通过TX2实现(处理器)。一方面，处理图像，获取小车实时坐标，并将其传给机电控制部分，另一方面，根据具体任务信息及要求，由输入解算出最佳路径，并将路径节点也传给机电控制部分。

决策规划部分除了处理得到的各种信息(包括图像信息和人工输入信息)并传递指令(包括：1)小车的实时坐标，2)小车为了完成路径下一步应前往的节点，以及在何时应该使用电磁组件完成操作)外，还可以根据具体任务的不同，设计不同的算法。例如，当单次需放置两件物品时，可用TX2计算最佳路径。

机电控制过程如下：

机电控制部分主要是系统主板和电机驱动板，依据小车实时坐标和目标节点坐标，控制输出到四个电机上的电压，并引入了反馈，实现小车以不同方式运动。

以AGV小车每个时刻在世界坐标系下的坐标和每个时刻小车要到达的目标位置的坐标为输入，以电机的转速(包括转动方向)为输出，核心部件为单片机。本发明采用恩智浦公司的型号为MPC5604的单片机。软件上的控制流程如下所述。

首先，输入控制系统的小车实时坐标和目的地坐标由上位机通过UART发送给单片机。单片机接收到坐标后，通过计算得出当前位置距目标位置的距离以及两个位置连线和坐标轴的夹角。根据当前位置到目标位置的距离改变接近目标位置的速度，并通过夹角，结合麦克纳姆轮小车的动力学方程，解算出四个轮子各自的转速。之后，通过定时计数器模块输出对应于转速脉宽调制波(PWM)，通过驱动电路将一定占空比的PWM转换为电压，输出到电机上使其转动。

电机采用闭环控制，通过安装于电机上的霍尔编码器测量电机转速，在硬件上用D触发器解码，将脉冲输入到单片机，通过单片机中定时计数器模块的计数功能将脉冲信号转换为速度值，作为系统的反馈环节。

同时，为了提高电机控制的稳定性、速度控制的精确，本发明在电机控制中采用了PI校正环节，通过调节校正环节的参数提高控制系统的稳定性、准确性。

在硬件层面上，机电控制环节通过标准导线连接上位机与单片机，实现系统输入量的传输，单片机处理之后通过导线将PWM信号输入至电机驱动电路，经电机驱动电路将PWM信号转换为控制电机的电压之后通过两根导线连接电机使其转动。同时，通过导线将附着于电机上的编码器与单片机IO连接，将反映电机转速的脉冲信号传输给单片机，实现电机转速信号的反馈。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述麦克纳姆轮AGV小车包括以下组成部分：

底盘（1）；

电磁组件，固定于底盘（1）上；

机电控制组件，固定于底盘（1）上；

图像采集组件，固定于底盘（1）上；

四个电机（11），通过连接件（13）固定于底盘（1）下方，且该电机（11）上安装有霍尔编码器（12）；

四个麦克纳姆轮（10），通过法兰（14）与电机（11）连接；

电源（2），固定于底盘（1）上，为整个AGV小车供电；

所述图像采集组件、电机（11）、霍尔编码器（12）和电磁组件均与机电控制组件连接，机电控制组件基于预先设计路径、图像采集组件的采集信息及霍尔编码器（12）的转速反馈信息，产生用于控制电机（11）的电压信号，控制AGV小车到达目标位置，并控制电磁组件吸取待运输物品；

所述有限空间物流分拣方法包括机电控制部分、环境感知部分和决策规划部分，环境感知部分向决策规划部分传递信息，决策规划部分将这部分信息处理后再传递给机电控制部分；决策规划部分同时接受人工输入的信息，传递给机电控制部分；机电控制部分结合两部分信息，确保小车正确运动，实现物流分拣；

所述环境感知部分通过图像采集组件实现；

所述决策规划部分通过TX2实现，包括：

图像采集组件的所得图像经图像处理后获取小车位置坐标和车身角度，所述图像处理包括逆透视变换；利用自行打印的黑白方格标定纸进行摄像头标定后，建立图像坐标系与以车身上某点为原点建立的车身坐标系之间的联系，通过推导出的公式得出图像上每像素点在车身坐标系内的坐标，通过模板匹配法及数字的结构特征识别出数字后，得出角点在数字坐标系下的坐标，经过图像坐标系与车身坐标系及车身坐标系与数字坐标系之间的坐标转换后，得到小车在数字坐标系下的坐标，将得到的车身坐标与上一时刻车身坐标比较，根据相应时间内小车坐标正常变化范围剔除错误值，将小车坐标、车身角度作为结果返回给机电控制，以用于控制小车精准迅速地到达目标位置；

根据具体任务信息及要求，由输入解算出最佳路径，并将路径节点也传给机电控制，根据具体任务的不同，采用不同的算法。

2.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述底盘（1）包括由四条铝制型材构成的矩形骨架和与该矩形骨架连接的亚克力支撑平面。

3.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述电磁组件包括电磁铁（3）和电磁继电器（4）。

4.根据权利要求3所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述电磁铁（3）包括吸盘式电磁铁和推拉式电磁铁。

5.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述机电控制组件包括依次连接的处理器（7）、系统主板（5）和电机驱动板（6）。

6.根据权利要求1所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述图像采集组件包括固定于底盘（1）上的摄像头支架（8）和安装于所述摄像头支架（8）的摄像头。

7.根据权利要求6所述的基于麦克纳姆轮AGV小车的有限空间物流分拣方法，其特征在于，所述摄像头设有至少两个。

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