CN111123985A - 一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统 - Google Patents

Abstract

一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，包括n辆全向移动平台车，n辆全向移动平台车按照设定的队形构成全向移动的组合体，各全向移动平台车按一定运行速度同步行进。n辆全向移动平台车中以其中一辆为主车、其余车辆为从车，主车后端面中轴线处搭载激光扫描雷达，从车前端面安装三个反射板，当激光扫描雷达发现从车相对主车运行出现位置和角度偏差时，控制系统对从车的各个轮组的修正运行转速进行调节，实现从车运动轨迹的调整。本发明对相对距离和角度主动补偿的同步运动控制，解决超大、超重载荷的精密对接，以及狭窄通道了灵活高效转运难题。

Description

一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统

技术领域

本发明涉及一种用于超大载荷多车协同转运的自动跟随系统。

背景技术

全向移动平台车采用多组麦克纳姆轮独立驱动，通过不同轮组的转速和转向的组合，实现平面内任意方向和角度的运动，包括横行、斜行、零回转半径旋转等特殊运动状态，特别适应于需要在厂房内灵活转运和精密对接的场合。前期，为解决大尺寸、超重产品的灵活转运，多采用增加轮组和加大平台台面方式解决。但是，以空间站组合舱体对接，空间机械臂装配为例，产品包络尺寸大、重量沉，受厂房、通道等因素制约，通过增加轮组扩大台面这种方式已无法适应。后期出现一种双车组合拼接技术，通过全向移动平台车间的机械连接和同步运动控制，实现组合体携带负载同步运动，在卫星厂房内转运、导弹对接转运、高铁车箱转运得到有效验证。但是，对于异型结构产品、更大尺寸、更重产品，以及变跨度、变构型产品的灵活转运，精密对接及过程监控，现有的采用机械连接的双车组合拼接技术已无法满足，需要设计一种模块化的、可快速找正、柔性连接的拼接解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，以全向移动平台车为基础，通过智能化监测手段和车辆主动调整技术，实现多辆全向移动平台车任意方向的同步运动，并且对运动过程中的相对位姿的高精度监测，对相对距离和角度主动补偿的同步运动控制，解决超大、超重载荷的精密对接，以及狭窄通道了灵活高效转运难题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，包括n辆全向移动平台车，n辆全向移动平台车按照设定的队形构成全向移动的组合体，各全向移动平台车按一定运行速度同步行进；

其中，n辆全向移动平台车的运行速度按照如下方法获得：

步骤1、根据负载的外形和接口尺寸，确定全向移动平台车的数量和多辆全向移动平台车之间的队形；

步骤2、根据运动路线和运动过程的包络尺寸，确定组合体的理论形心，理论形心指组合体原地回转过程中的不动点；

步骤3、将组合体的运动速度和运动方向分解到各全向移动平台车的中心点，得到各全向移动平台车的中心点的运动速度和方向；

步骤4、根据全向移动平台车本体的运动速度和轮组的速度转换关系，得到各全向移动平台车的轮组转速和方向；控制n辆全向移动平台车的轮组按各自对应的转速和方向进行同步运动。

n辆全向移动平台车中以其中一辆为主车、其余车辆为从车，主车后端面中轴线处搭载激光扫描雷达，从车前端面安装三个反射板，当激光扫描雷达发现从车相对主车运行出现位置和角度偏差时，控制系统按照如下公式来对从车的各个轮组的修正运行转速进行调节，实现从车运动轨迹的调整：

其中，ω₁'、ω₂'、ω₃'、ω₄'分别为各个轮组的修正运行转速，R₂为从车的当前位置O₂到空间特定点O₃的距离；β为从车运行速度与空间特定点O₃处的坐标系O’-X’Y’Z’的Y’轴间的夹角；t为从车调整位置的时间。

当两个全向移动平台车斜线拼接时，控制两个全向移动平台车按照如下运行速度同步运行：

其中，第一全向移动平台车的各轮组转速为：

第二全向移动平台车的各轮组转速为：

其中，R为车轮半径；α为车轮辊子与车轴线夹角；2L为全向移动平台车的前后车轮轴距，2l为全向移动平台车的左右车轮到中心对称面的间距；V_x、V_y、ω_z为全向移动平台车形成的组合体在本体坐标系原点O点的速度分量；R₁为组合体的本体坐标系原点与任意一个全向移动平台车的本体坐标系原点之间的距离。

当三个全向移动平台车拼接时，控制三个全向移动平台车按照等腰三角形队形及如下运行速度同步运行，三角形队形中主车在前，其余两从车呈直线跟随在主车后方：

其中，第一全向移动平台车的各轮组转速为：

第二全向移动平台车的各轮组转速为：

第三全向移动平台车的各轮组转速为：

其中，a’为两从车的本体坐标系原点之间的距离，b’为主车坐标原点到两从车的本体坐标系原点间连线的垂直距离。

当四个全向移动平台车拼接时，控制四个全向移动平台车按照口字形队列及如下运行速度同步运行，以口字形队列中任意一辆全向移动平台车为主车，其余三辆全向移动平台车为从车：

以口字形右上角的全向移动平台车为起点逆时针对四个全向移动平台车标号：

其中，第一全向移动平台车的各轮组转速为：

第二全向移动平台车的各轮组转速为：

第三全向移动平台车的各轮组转速为：

第四全向移动平台车的各轮组转速为：

a为第三全向移动平台车、第四全向移动平台车的本体坐标系原点之间的距离，b为第一全向移动平台车、第四全向移动平台车的本体坐标系原点之间的距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提供的一种基于激光扫描监测的自动调姿多车协同转运系统，该系统可根据产品的外形和接口特点，进行模块化拼接成不同外形的多车转运模块，该模块作为一个组合体可实现任意方向灵活的同步移动，可用于解决超大、超重、变跨度、变构型的产品的灵活高效对接转运。系统设计有位姿监控模块，在拼接运动过程中，可实时根据平台间的相对位置和角度进行补偿调整，确保转运和对接过程高精度同步性。该协同转运系统的通用性好，柔性化和智能化程度高，可应用于需要精密对接装配和狭窄通道内灵活高效转运场合。

附图说明

图1为单平台坐标及速度示意图；

图2(a)为四车拼接布局图；图2(b)为坐标系定义及速度分解图；

图3为三平台拼接系统示意图；

图4为异型平台拼接系统示意图；

图5为主从平台间位姿关系示意图；

图6为主动跟随系统运动示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，是采用模块化的思路，将多个全向移动平台车按特定构型柔性拼接成一个整体，按特定的拼接运动算法进行协同运动控制。该过程，通过激光扫描传感系统，实时监测各全向移动平台车之间的相对位姿，利用专用补偿算法对平台进行速度补偿、实时更新，确保拼接平台像一个刚性平台一样同步运动。协同运动算法根据拼接平台的构型和参数，进行匹配。

多个全向移动平台车组合拼接全方位移动时，可进行双平台斜角拼接，三平台三角形拼接，四平台口字形拼接，以此类推，可进行更多个平台的组合拼接或异型拼接，对应的算法基本相同，但解算量越来越大，同步控制难度也越大。

多平台组合拼接全方位移动时，由于各平台的位置分布不同，要实现拼接平台的全方位运动时，需要根据拼接平台构型，建立相应的运动学模型，根据拼接组合体中心点的复合速度，逆向解算得到各平台中心对应的速度分量，进一步解算到各轮组的转速参数，将分量解算结果进行叠加，可实现对拼接平台的同步柔顺控制。

全向移动平台车系统由一个主平台车和多个从平台车组成，平台车之间采用一种无线、高可靠数据传输技术，可适应不同拼接构型需要调整相应的间距。拼接模式下，主平台控制器根据运动指令解析出各平台的运动轨迹，实时发送给从平台控制器，确保多全向移动平台车高精度同步运动控制。

激光扫描传感系统通过专用的位姿解算算法，可计算得到各全向移动平台车之间的相对位置和角度，一方面用于拼接前平台之间相对位置和角度的标定校准，另一方面用于运动过程中相对位置和角度实时监控。单套激光扫描系统由1个激光扫描雷达和三块以上的反射板组成，前者安装在主车后端面中轴线处，后者安装在从车前端面，其中一块反射板安装在前端面中轴线处，两外两块反射板关于前端面中轴线对称安装，使用前需要对反射板和激光扫描雷达的位置进行标定。

激光扫描传感系统，也可布局在全向移动平台车和负载产品之间，用于监测各全向移动平台车相对负载的位置和角度。通过控制各全向移动平台车相对负载的准确位姿，间接对各全向移动平台车之间的相对位姿进行协同监控。

专用补偿算法，根据监测到的主从平台间的相对位姿参数，按照最优路径、最短调整时间及圆滑运动曲线原则，进行逆向解算，得到从平台需要修正补偿的运动参数，结合主平台与从平台的当前速度参数进行叠加，以达到多车的协同运动和主动跟随目的。

如图1所示，第一全向移动平台车1前进方向为+Y₁方向，垂直向上为+Z₁方向，+X₁方向与+Y₁方向、+Z₁方向符合右手旋转法则。ω₁₁、ω₁₂、ω₁₃、ω₁₄分别为四个轮组的转速，V_x1、V_y1、ω_z1为第一全向移动平台车1中心处绕三轴分解的速度分量，2L为第一全向移动平台车1的前后车轮轴距，2l为左右轮到中心对称面的间距。根据机器人运动学原理，可推导出第一全向移动平台车1与轮组转速间的函数关系如下：

其中，R为车轮半径，α为车轮辊子与车轴线夹角。同样已知全向移动平台车中心处的复合速度，根据该公式可求出各轮组转速。

如图2(a)所示，第一全向移动平台车1、第二全向移动平台车2、第三全向移动平台车3、第四全向移动平台车4的结构相同，第一全向移动平台车1、第二全向移动平台车2、第三全向移动平台车3、第四全向移动平台车4在理论平面上阵列布置，按口字形对称拼接，O-XYZ为组合体的本体坐标系，坐标位置可根据实际需求设置，对应的算法参考以下过程：O₁-X₁Y₁Z₁、O₂-X₂Y₂Z₂、O₃-X₃Y₃Z₃、O₄-X₄Y₄Z₄分别为第一全向移动平台车1、第二全向移动平台车2、第三全向移动平台车3、第四全向移动平台车4的本体坐标系，所有坐标轴指向相同。其中，a为点O₃O₄之间的距离，b为O₁O₄之间的距离，R₁为O与O₂点之间的距离。

如图2(b)所示，由于全向移动平台车的组合体可实现平面内任意方向运动，此处将组合体的组合运动按坐标系分解到沿X轴移动、沿Y轴的移动和绕Z轴的转动，即定义V_x、V_y、ω_z为组合体O点速度分量，定义V_x1、V_y1、ω_z1为第一全向移动平台车1中心处的三轴速度分量，定义V_x2、V_y2、ω_z2为第二全向移动平台车2的三轴速度分量，定义V_x3、V_y3、ω_z3为第三全向移动平台车3的三轴速度分量，定义V_x4、V_y4、ω_z4为第四全向移动平台车4的三轴速度分量。根据几何关系，将组合体的速度分量映射到各平台，各平台转换算法一致，此处以第二全向移动平台车2为例进行详细描述：

式中，φ为OO₂连线与组合体Y轴间的夹角。将公式(3)代入公式(2)进行解算，得到第二全向移动平台车2对应轮组的转速如下：

此处，ω₂₁、ω₂₂、ω₂₃、ω₂₄分别代表第二全向移动平台车2的轮组21～轮组24的转速。根据几何关系，以此类推可得到第一全向移动平台车1的轮组11～轮组14的转速ω₁₁、ω₁₂、ω₁₃、ω₁₄：

第三全向移动平台车3的轮组31～轮组34的转速ω₃₁、ω₃₂、ω₃₃、ω₃₄：

第四全向移动平台车4的轮组41～轮组44的转速ω₄₁、ω₄₂、ω₄₃、ω₄₄：

四个全向移动平台车的16个轮组按以上速度协同控制，可实现组合体任意方向灵活移动。

如图3所示，为一种典型的三车拼接模式，第一全向移动平台车1、第二全向移动平台车2、第三全向移动平台车3平面上阵列布置，按等腰三角形拼接，O-XYZ为组合体的本体坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁、O₂-X₂Y₂Z₂、O₃-X₃Y₃Z₃分别为三个平台的本体坐标系，所有坐标轴指向相同。O点位于O₁和O₂两点连线的中点，中心改变后的算法可参考以下过程。此处a’为O₁O₂之间的距离，b’为OO₃之间的距离。定义V_x、V_y、ω_z代表组合体三轴速度分量，定义V_x1、V_y1、ω_z1代表第一全向移动平台车1三轴速度分量，定义V_x2、V_y2、ω_z2代表第二全向移动平台车2三轴速度分量，V_x3、V_y3、ω_z3代表第三全向移动平台车3的三轴速度分量。

根据几何关系，将组合体的速度分量映射到各平台车，各平台车转换算法一致，此处以第一全向移动平台车1为例进行描述如下：

将公式(8)代入公式(2)进行解算，得到第一全向移动平台车1对应轮组的转速如下：

同理，可得到第二全向移动平台车2的四个轮组转速：

第三全向移动平台车3的四个轮组转速：

三个全向移动平台车的12个轮组按以上速度协同控制，可实现组合体任意方向灵活移动。

如图4所示，为一种典型的双全向移动平台车异型拼接模式，第一全向移动平台车1和第二全向移动平台车2平面上按斜对角拼接，O-XYZ为组合体的本体坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁、O₂-X₂Y₂Z₂分别为两个平台的本体坐标系，所有坐标轴指向相同。O点位于O₁和O₂两点连线的中点，其速度解算过程与四车拼接基本一致；定义V_x1、V_y1、ω_z1代表第一全向移动平台车1三轴速度分量，定义V_x2、V_y2、ω_z2代表第二全向移动平台车2三轴速度分量。

第一全向移动平台车1的四个轮组转速：

第二全向移动平台车2的四个轮组转速：

如图5所示，为车辆自动跟随系统测试原理图，在主车后端面中轴线处安装一个激光扫描雷达，在从车前端面安装三组反射板，车体坐标系定义如图5所示。第二反射板6安装在前端面的中轴线处，第一反射板5、第三反射板7关于前端面中轴线对称安装；主车中心坐标O₁(X₁,Y₁)，激光扫描雷达中心点坐标(X_a,Y_a)，从车中心坐标O₂(X₂,Y₂)，第一反射板5坐标为(m,n)，L₁和φ₁为激光扫描雷达到第一反射板5的距离和相对角度，L₂和φ₂为激光扫描雷达到第二反射板6的距离和相对角度，θ为主从车之间的角度，d为第三反射板7到O₂的距离(第一反射板5与第三反射板7对称布置)，σ为第三反射板7安装点和O₂间的连线与反射板安装面之间的夹角，W为第一反射板5与第二反射板6的距离，根据几何关系可得到主从车之间夹角θ及从车中心点O₂坐标：

如图6所示，从车需要从当前位置O₂调整到目标位置O₄(X₄,Y₄)，并转动θ角，根据上述理论，此处将从车从O₂到O₄的运动(车辆平移+车辆自转)合成为绕空间特定点O₃(X₃,Y₃)转动，此处速度合成类似将月球空间运动(自传+移动)，合成为绕地球的旋转运动。从车到达目标位置O₄(X₄,Y₄)后两车的方向一致、跨距为L₀。R₂为O₂到O₃的距离，也是O₄到O₃的距离；L为O₂到O₄的距离，H为O₃到O₂O₄连线的垂直距离，λ为从车从O₂转到O₄的转角，即图5中的θ角，β为从车运行速度与空间特定点O₃处的坐标系O’-X’Y’Z’的X’轴间的夹角。

主车中心坐标O₁，从车当前中心坐标O₂，以及从车目标中心坐标O₄已知，从车与主车间夹角θ角已知的情况下，可根据下式得到空间特定点O₃的坐标。根据几何关系可得到以下公式：

式中λ＝θ，根据上式得到β角和R₂，进而解算出从车的修正速度分量Vx'、Vy'、ω_z'如下：

式中，t为从车快速调整时间，该时间越短，系统反应越灵活，同步曲线越灵活。将公式16代入公式2可得到从车各个轮组的修正运行转速：

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本发明虽然已以较佳实例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，包括n辆全向移动平台车，n辆全向移动平台车按照设定的队形构成全向移动的组合体，各全向移动平台车按一定运行速度同步行进；

其中，n辆全向移动平台车的运行速度按照如下方法获得：

步骤1、根据负载的外形和接口尺寸，确定全向移动平台车的数量和多辆全向移动平台车之间的队形；

步骤2、根据运动路线和运动过程的包络尺寸，确定组合体的理论形心，理论形心指组合体原地回转过程中的不动点；

步骤3、将组合体的运动速度和运动方向分解到各全向移动平台车的中心点，得到各全向移动平台车的中心点的运动速度和方向；

步骤4、根据全向移动平台车本体的运动速度和轮组的速度转换关系，得到各全向移动平台车的轮组转速和方向；控制n辆全向移动平台车的轮组按各自对应的转速和方向进行同步运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，

n辆全向移动平台车中以其中一辆为主车、其余车辆为从车，主车后端面中轴线处搭载激光扫描雷达，从车前端面安装三个反射板，当激光扫描雷达发现从车相对主车运行出现位置和角度偏差时，控制系统按照如下公式来对从车的各个轮组的修正运行转速进行调节，实现从车运动轨迹的调整：

其中，ω₁'、ω₂'、ω₃'、ω₄'分别为各个轮组的修正运行转速，R₂为从车的当前位置O₂到空间特定点O₃的距离；β为从车运行速度与空间特定点O₃处的坐标系O’-X’Y’Z’的Y’轴间的夹角；t为从车调整位置的时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，

n＝2；

当两个全向移动平台车斜线拼接时，控制两个全向移动平台车按照如下运行速度同步运行：

其中，第一全向移动平台车(1)的各轮组转速为：

第二全向移动平台车(2)的各轮组转速为：

其中，R为车轮半径；α为车轮辊子与车轴线夹角；2L为全向移动平台车的前后车轮轴距，2l为全向移动平台车的左右车轮到中心对称面的间距；V_x、V_y、ω_z为全向移动平台车形成的组合体在本体坐标系原点O点的速度分量；R₁为组合体的本体坐标系原点与任意一个全向移动平台车的本体坐标系原点之间的距离。

4.根据权利要求2所述的一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，

n＝3；

当三个全向移动平台车拼接时，控制三个全向移动平台车按照等腰三角形队形及如下运行速度同步运行，三角形队形中主车在前，其余两从车呈直线跟随在主车后方：

其中，第一全向移动平台车(1)的各轮组转速为：

第二全向移动平台车(2)的各轮组转速为：

第三全向移动平台车(3)的各轮组转速为：

其中，a’为两从车的本体坐标系原点之间的距离，b’为主车坐标原点到两从车的本体坐标系原点间连线的垂直距离。

5.根据权利要求2所述的一种基于激光扫描的多车自动调姿跟随系统，其特征在于，

n＝4；

当四个全向移动平台车拼接时，控制四个全向移动平台车按照口字形队列及如下运行速度同步运行，以口字形队列中任意一辆全向移动平台车为主车，其余三辆全向移动平台车为从车：

以口字形右上角的全向移动平台车为起点逆时针对四个全向移动平台车标号：

其中，第一全向移动平台车(1)的各轮组转速为：

第二全向移动平台车(2)的各轮组转速为：

第三全向移动平台车(3)的各轮组转速为：

第四全向移动平台车(4)的各轮组转速为：

a为第三全向移动平台车(3)、第四全向移动平台车(4)的本体坐标系原点之间的距离，b为第一全向移动平台车(1)、第四全向移动平台车(4)的本体坐标系原点之间的距离。

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