CN111290348B - 一种可实现全向移动的多载agv控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全向移动多载AGV控制系统及其控制方法，包括主控模块与电源模块供电；转向控制模块，用于控制AGV精准转向；驱动控制模块，用于控制AGV以一定速度前进和后退；多货物移载模块，用于控制AGV移动到待取货物处精确取出货物架上的物品；人机交互模块，实时显示AGV运行状态信息；通讯模块，便于主控模块与移动终端通信。所述转向控制模块、驱动控制模块、多货物移载模块、人机交互模块、通讯模块均与主控单元电连接，该控制系统能够对已有方案中所提出的全向多载AGV的运动过程进行精确运动控制，且能根据不同的运动模式切换运动方式，并控制AGV在到达指定位置后完成精确的存取货任务。

Description

一种可实现全向移动的多载AGV控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及AGV控制领域，尤其涉及一种可实现全向移动的多载AGV控制系统及其控制方法。
背景技术
AGV作为智能物流的关键核心设备，是一种集机械、电子、传感器、控制等为一体的自动化设备，广泛应用于机械加工、汽车、军工、家电生产、微电子制造、烟草、电商仓储等多个行业和领域。目前AGV的行进过程主要是由差速驱动实现的，而对于可以实现全方位移动的AGV，其转向位移过程主要是由mecanum轮或者全向轮两种来实现，由于mecanum轮在路况复杂情况下不够稳定，以及考虑其成本问题，采用不够广泛。同时，目前的AGV搬运小车一般一次只能取送一个货物，在面对订单量较大的情况下，只能通过增加AGV的运送频次来完成配送任务，这对于AGV的使用寿命以及调度都带来了一定的考验。
对于AGV的场合需求，场合不同所需运动模式亦不同，比如医药、易碎品加工等行业，会对AGV运动过程的稳定性提出更高的要求，但是3c、传统机械加工等行业的货物运输，其平稳性要求会低一些，但是它需要AGV拥有更高的运行效率。在现有技术中出现了一种不基于全向轮而可以实现全方位移动的可多载AGV,该AGV在转向过程中可以保持整体车身方向不变，运输过程稳定性大大提高，但是该技术尚未对其控制系统进行设计与描述。
发明内容
本发明的目在于，提供一种可实现全向移动的多载AGV控制系统，其所要解决的技术问题是完成对不采用全向轮而能实现全方向运动的多载AGV控制系统的设计，该控制系统能够对已有方案中所提出的全向多载AGV的运动过程进行精确运动控制，且能根据不同的运动模式切换运动方式，并控制AGV在到达指定位置后完成精确的存取货任务。
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种全向移动多载AGV控制系统，包括主控模块、转向控制模块、驱动控制模块、多货物移载模块、人机交互模块、电源模块和通讯模块；
主控模块，用于控制AGV的执行既定任务，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向，与电源模块供电；
转向控制模块，用于控制AGV精准转向，与主控模块电连接；
驱动控制模块，用于控制AGV以一定速度前进和后退；与主控模块电连接；
多货物移载模块，用于控制AGV移动到待取货物处精确取出货物架上的物品，与主控模块电连接；
人机交互模块，实时显示AGV运行状态信息，提供多模式选择功能，与主控模块电连接；通讯模块，便于主控模块与移动终端通信，与主控模块电连接。
本方案中，转向控制模块是根据效率优先模式与稳定优先模式下的状态不同，可以完成转向或者保持稳定状态；驱动控制模块由两直流电机驱动，可以实现正反转，在效率优先模式下作为差速驱动机构运行，稳定优先模式下两电机保持同样状态，提供驱动力；多货物移载模块主要通过地上二维码确定货架列信息，通过货架上的二维码获得行信息，通过安装于滑轨机构的红外距离传感器确定滑轨工作距离，完成货物的存取过程；人机交互模块可以根据不同的应用场景，针对不同的用户需求选择效率优先模式(稳定驱动转向电机，将驱动电机作为差速装箱机构使用)和稳定优先模式(驱动转向电机完成转向任务，驱动电机提供驱动力)；相比传统主控采用基于ARM7内核芯片的LPC2136，CPU CLOCK最多只能到60MHz，且功耗较高，所述人机交互模块的控制单元采用基于Cortex-M4的STM32F407系列芯片，改进后的内核芯片其时钟最高可达72MHz，外设功能更加丰富，拥有更多的低功耗模式以增加设备的续航能力。还包括无线数据通信模块，通过无线数据通信模块与智能手机终端进行数据交互；无线数据通信模块为一个蓝牙模块，同时在智能手机终端上开发相应的APP，从而使得在电池电量低的情况下，改用蓝牙连接，达到降低功耗，延长产品续航时间的目的。
作为优选，多货物移载模块包括顶升机构、滑轨机构、相机以及红外摄像头，所述滑轨机构设置在AGV的上部，所述滑轨机构与顶升机构固定连接，所述顶升机构用于将滑轨机构提升至目标货架高度，滑轨机构划出至出物口承接货物，所述相机固定安装在顶升机构上用于识别贴于货架的二维码实现存取货物所处高度的精确定位，与主控模块电连接；所述红外距离传感器固定安装在滑轨机构上用于实现存取货物水平距离的精确定位。
作为优选，驱动控制模块包括两台直流电机和两个驱动轮，所述两台直流电机分别设置在驱动箱内，每一个驱动轮对应一台直流电机实现单独驱动，通过改变直流电机供电电源的相位差来实现驱动轮的正反转。
作为优选，转向控制模块包括有霍尔编码器、转向电机、限位法兰盘、弹簧以及蜗轮蜗杆提升机构；所述弹簧的上端与限位法兰盘的下端固定连接，所述弹簧的下端与驱动箱固定连接，所述蜗轮蜗杆机构的蜗杆下端与驱动箱固定连接，限位法兰盘的上端设置有支架，所述电机设置在支架上，所述电机的输出轴与蜗杆传动连接，所述电机的一端设置有用于检测转向电机速度的霍尔传感器。
一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、移动终端或者通过人机交互模块向主控模块发送取货任务，主控模块根据货物位置，采用VSLAM技术生成取货轨迹；
S2、通过移动终端或人机交互模块选择启用模式，根据效率优先选择启用模式一，根据稳定优先选择启用模式二；
S3、当运行轨迹中出现转向任务时，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向；
S4、AGV到达指定货物位置，通过SGV下方摄像头获取地上二维码确定货架列信息，通过安装在提升机构上的摄像头获取货架上的行信息，通过安装滑轨机构上的红外距离传感器确定滑轨滑行距离，完成货物的存取。
本方案中，AGV扫描地上二维码获得货架的列信息，停驻后由最上层的滑轨机构通过顶升机构提高到相应高度，同时扫描二维码信息获取货架行信息，随后滑轨机构开始运行，红外距离传感器在滑轨运行过程中确定滑轨停止距离，当滑轨运行到距离挡板的指定距离时，stm32f407接受指令，停止运行。
启用模式一执行的步骤如下：
S111、转向控制模块启动；
S112、转向电机保持锁定状态；
S113、驱动控制模块启动；
S114、两直流电机作为差速转向机构驱动AGV运行。
所述根据启用模式二执行的步骤如下：
S121、驱动控制模块启动；
S122、两直流电机同速度运行；
S123、转向控制模块启动；
S124、转向电机转动驱动AGV运行。
采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向包括如下步骤：
S31、设计基于BP神经网络的增量式PID控制器；
S32、确定BP神经网络的输入因子：
S33、确定BP神经网络的输出因子；
S34、将BP神经网络的输出因子作为PID控制器的调节系数；
S35、PID控制器控制转向电机以一定速度驱动AGV的精确转向。
所述BP神经网络为三输入三输出结构，三个输入因子分别为：期望速度、期望速度与霍尔编码器反馈的速度值的偏差值以及偏差的变化率；三输出因子分别为：PID控制器的比例系数、积分系数以及微分系数。
本发明的有益效果：
1、该系统在单批次货物存取量大的情况下或者需要变换运送效率与运送稳定性优先级的情况下，它的应用更具有优越性；
2、柔性化程度高。用户可根据实际的需求，选择效率优先模式以及稳定优先模式，满足不同应用场景的不同要求；
3、对于路况环境的要求较低；本发明的转向不基于全向轮，也就没有了mecanum轮对于地面的要求，在有灰尘或者摩擦系数较小的地面也可以运行；
4、准确性及稳定性好；设备具有较好的准确性及稳定性，可以满足转弯以及货物存取的要求；
5、实时反馈运动状态信息；使用的是STM32的ARM内核的控制器，接受各部分机构的运动状态信息，可实时监控，可根据实际需求自主选择运行模式；
6、后续扩展强。考虑到以后还要继续改进要求，采用性能强劲的Cortex-M4的STM32F407系列芯片，具有很大的改进空间，可继续增加其他模块；
附图说明
图1为本发明的基于BP神经网络的增量式PID控制器的模型示意图。
图2为本发明的基于BP神经网络的增量式PID控制器驱动AGV转向的方法流程图。
图3为本发明全向移动的多载AGV工作流程图。
图4为本发明采用两种启用模式驱动GAV方法流程图。
图5为本发明AGV的结构图。
图6为本发明AGV的转向控制模块结构图。
图中标号说明：1-AGV车体、11-红外距离传感器、12-顶升机构、13-相机、14-驱动轮、15-限位法兰盘、16-霍尔编码器、17-转向电机、18-蜗轮蜗杆提升机构、19-驱动箱、20-弹簧。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，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。
实施例：一种全向移动多载AGV控制系统，由主控模块、转向控制模块、驱动控制模块、多货物移载模块、人机交互模块、电源模块和通讯模块组成；主控模块，用于控制AGV的执行既定任务，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向，与电源模块供电；转向控制模块，用于控制AGV精准转向，与主控模块电连接；驱动控制模块，用于控制AGV以一定速度前进和后退；与主控模块电连接；多货物移载模块，用于控制AGV移动到待取货物处精确取出货物架上的物品，与主控模块电连接；人机交互模块，实时显示AGV运行状态信息，提供多模式选择功能，与主控模块电连接；通讯模块，便于主控模块与移动终端通信，与主控模块电连接。
本实施例中，转向控制模块是根据效率优先模式与稳定优先模式下的状态不同，可以完成转向或者保持稳定状态；驱动控制模块由两直流电机驱动，可以实现正反转，在效率优先模式下作为差速驱动机构运行，稳定优先模式下两电机保持同样状态，提供驱动力；多货物移载模块主要通过地上二维码确定货架列信息，通过货架上的二维码获得列信息，通过安装与滑轨机构的红外距离传感器11确定滑轨工作距离，完成货物的存取过程；人机交互模块可以根据不同的应用场景，针对不同的用户需求选择效率优先模式(稳定驱动转向电机17，将驱动电机作为差速装箱机构使用)和稳定优先模式(驱动转向电机17完成转向任务，驱动电机提供驱动力)；相比传统主控采用基于ARM7内核芯片的LPC2136，CPU CLOCK最多只能到60MHz，且功耗较高，所述人机交互模块的控制单元采用基于Cortex-M4的STM32F407系列芯片，改进后的内核芯片其时钟最高可达72MHz，外设功能更加丰富，拥有更多的低功耗模式以增加设备的续航能力。还包括无线数据通信模块，通过无线数据通信模块与智能手机终端进行数据交互；无线数据通信模块为一个蓝牙模块，同时在智能手机终端上开发相应的APP，从而使得在电池电量低的情况下，改用蓝牙连接，达到降低功耗，延长产品续航时间的目的。
如图5所示，多货物移载模块包括顶升机构12、滑轨机构、相机13以及红外摄像头，滑轨机构设置在AGV车体1的上部，所述滑轨机构与顶升机构12固定连接，顶升机构12用于将滑轨机构提升至目标货架高度，滑轨机构划出至出物口承接货物，所述相机13固定安装在顶升机构12上用于识别贴于货架的二维码实现存取货物所处高度的精确定位，与主控模块电连接；红外距离传感器11固定安装在滑轨机构上用于实现存取货物水平距离的精确定位；驱动控制模块由两台直流电机和两个驱动轮14组成，所述两台直流电机分别设置在驱动箱19内，每一个驱动轮14对应一台直流电机实现单独驱动，通过改变直流电机供电电源的相位差来实现驱动轮14的正反转。如图6所示，转向控制模块由霍尔编码器16、转向电机17、限位法兰盘15、弹簧20以及蜗轮蜗杆提升机构18；所述弹簧20的上端与法兰盘15的下端固定连接，所述弹簧20的下端与驱动箱19固定连接，蜗轮蜗杆机构的蜗杆下端与驱动箱19固定连接，法兰盘15的上端设置有支架，电机设置在支架上，电机的输出轴与蜗杆传动连接，电机的一端设置有用于检测转向电机17速度的霍尔传感器。
如图1和图2所示，设计基于BP神经网络的增量式PID控制器，BP神经网络由三输入三输出的训练集训练，可以在线调节PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数，其中三输入为：期望速度、期望速度与霍尔编码器16反馈的速度值的偏差以及偏差的变化率，将BP神经网络的三输出作为PID控制器的调节系数：即比例系数、积分系数、微分系数。采用增量式PID相较于传统PID可消除累计误差，增量式PID只与当前状态以及前两次状态有关，通过基于BP神经网络的增量式PID控制器，实现转向电机17的精确转向。
本实施例中，接收到转向命令后，根据指定的运动学模型解算后，确定输出速度，首先蜗轮蜗杆机构运动，提升整个驱动机构，随后转向电机17转过指定角度完成转向，编码器反馈所得的速度与期望速度做差值得到偏差和偏差的变化率与期望速度作为BP神经网络的输入，实时调节增量式PID的比例系数、积分系数以及微分系数。其中霍尔编码器16输入由stm32f407的TIM3完成,由GPIO_Pin_6捕获，通过使能GPIOA、使能TIM3、初始化GPIOA串口、初始化tim3的基数时间单位、选择编码器模式、初始化ICint、使能ITConfig、使能tim3、编写中断函数、编写速度返还函数。gpio_pin_6选择上拉模式，tim选择向上计数，选择时钟分频为不分频，TIM_ICFilter＝10，正反转改变IO口高低电平即可。
如图3所示，是全向移动的多载AGV工作流程图，具体步骤为：
S1、移动终端或者通过人机交互模块向主控模块发送取货任务，主控模块根据货物位置，采用VSLAM技术生成取货轨迹；
S2、通过移动终端或人机交互模块选择启用模式，根据效率优先选择启用模式一，根据稳定优先选择启用模式二；
S3、当运行轨迹中出现转向任务时，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向；
S4、AGV到达指定货物位置，通过SGV下方摄像头获取地上二维码确定货架列信息，通过安装在提升机构上的摄像头获取货架上的行信息，通过安装滑轨机构上的红外距离传感器11确定滑轨滑行距离，完成货物的存取。
本实施例中，AGV扫描地上二维码获得货架的列信息，停驻后由最上层的滑轨机构通过顶升机构12提高到相应高度，同时扫描二维码信息获取货架行信息，随后滑轨机构开始运行，红外距离传感器11在滑轨运行过程中确定滑轨停止距离，当滑轨运行到距离挡板的指定距离时，stm32f407接受指令，停止运行。
如图4所示，启用模式一执行的步骤如下：
S111、转向控制模块启动；
S112、转向电机17保持锁定状态；
S113、驱动控制模块启动；
S114、两直流电机作为差速转向机构驱动AGV运行。
启用模式二执行的步骤如下：
S121、驱动控制模块启动；
S122、两直流电机同速度运行；
S123、转向控制模块启动；
S124、转向电机17转动驱动AGV运行。
本实施例中，人机交互模块主要是由移动手机app显示运动状态信息，并根据实际需求的不同选择效率优先模式或速度优先模式，如选择效率优先模式，则驱动转向机构保持稳定状态，由驱动电机提供驱动力，作为差速转向机构，电机正反转改变IO口高低电平，调速由TIM3的PC6、PC7、PC8、PC9完成，编码器输入与上述相同，只需改变定时器通道以及IO口；同时装箱驱动机构、驱动机构以及多货物移载模块的运动状态信息可以通过无线通信模块实时传输到移动手机的app中，做到实时监控。
以上所述之具体实施方式为本发明一种可实现全向移动的多载AGV控制系统及其控制方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种全向移动多载AGV控制系统，其特征在于：包括主控模块、转向控制模块、驱动控制模块、多货物移载模块、人机交互模块、电源模块和通讯模块；
主控模块，用于控制AGV的执行既定任务，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向，与电源模块供电；
转向控制模块，用于控制AGV精准转向，与主控模块电连接；
驱动控制模块，用于控制AGV以一定速度前进和后退；与主控模块电连接；
多货物移载模块，用于控制AGV移动到待取货物处精确取出货物架上的物品，与主控模块电连接；
人机交互模块，实时显示AGV运行状态信息，提供多模式选择功能，与主控模块电连接；
通讯模块，便于主控模块与移动终端通信，与主控模块电连接；所述多货物移载模块包括顶升机构、滑轨机构、相机以及红外距离传感器，所述滑轨机构设置在AGV的上部，所述滑轨机构与顶升机构固定连接，所述顶升机构用于将滑轨机构提升至目标货架高度，滑轨机构划出至出物口承接货物，所述相机固定安装在顶升机构上用于识别贴于货架的二维码实现存取货物所处高度的精确定位，与主控模块电连接；所述红外距离传感器固定安装在滑轨机构上用于实现存取货物水平距离的精确定位；驱动控制模块包括两台直流电机和两个驱动轮，所述两台直流电机分别设置在驱动箱内，每一个驱动轮对应一台直流电机实现单独驱动，通过改变直流电机供电电源的相位差来实现驱动轮的正反转；转向控制模块包括有霍尔编码器、转向电机、限位法兰盘、弹簧以及蜗轮蜗杆提升机构；所述弹簧的上端与限位法兰盘的下端固定连接，所述弹簧的下端与驱动箱固定连接，所述蜗轮蜗杆机构的蜗杆下端与驱动箱固定连接，限位法兰盘的上端设置有支架，所述电机设置在支架上，所述电机的输出轴与蜗杆传动连接，所述电机的一端设置有用于检测转向电机速度的霍尔传感器；
转向控制模块是根据效率优先模式与稳定优先模式下的状态不同，完成转向或者保持稳定状态；驱动控制模块由两直流电机驱动，实现正反转，在效率优先模式下作为差速驱动机构运行，稳定优先模式下两电机保持同样状态，提供驱动力。
2.一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，适用于如权利要求1所述的全向移动多载AGV控制系统，其特征在于：包括如下步骤：
S1、移动终端或者通过人机交互模块向主控模块发送取货任务，主控模块根据货物位置，采用VSLAM技术生成取货轨迹；
S2、通过移动终端或人机交互模块选择启用模式，根据效率优先选择启用模式一，根据稳定优先选择启用模式二；
S3、当运行轨迹中出现转向任务时，采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向；
S4、AGV到达指定货物位置，通过SGV下方摄像头获取地上二维码确定货架列信息，通过安装在提升机构上的摄像头获取货架上的行信息，通过安装滑轨机构上的红外传感器确定滑轨滑行距离，完成货物的存取。
3.根据权利要求2所述的一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，其特征在于：
所述根据启用模式一执行的步骤如下：
S111、转向控制模块启动；
S112、转向电机保持锁定状态；
S113、驱动控制模块启动；
S114、两直流电机作为差速转向机构驱动AGV运行。
4.根据权利要求2所述的一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，其特征在于：
所述根据启用模式二执行的步骤如下：
S121、驱动控制模块启动；
S122、两直流电机同速度运行；
S123、转向控制模块启动；
S124、转向电机转动驱动AGV运行。
5.根据权利要求2所述的一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，其特征在于：
采用BP神经网络的增量式PID方法实现AGV的精确转向包括如下步骤：
S31、设计基于BP神经网络的增量式PID控制器；
S32、确定BP神经网络的输入因子：
S33、确定BP神经网络的输出因子；
S34、将BP神经网络的输出因子作为PID控制器的调节系数；
S35、PID控制器控制转向电机以一定速度驱动AGV的精确转向。
6.根据权利要求5所述的一种全向移动多载AGV控制系统的控制方法，其特征在于：
所述BP神经网络为三输入三输出结构，三个输入因子分别为：期望速度、期望速度与霍尔编码器反馈的速度值的偏差值以及偏差的变化率；三输出因子分别为：PID控制器的比例系数、积分系数以及微分系数。
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