CN111308884B - 一种全向移动agv多舵轮协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全向移动AGV多舵轮协同控制方法，所述的多舵轮协同运动控制包括舵轮驱动电机的转速控制和转向电机的转角位置控制。根据AGV车体的目标运动速度，通过逆运动学模型计算得到各舵轮的期望驱动速度和偏转角度，然后采用速度同步控制方法对驱动速度进行补偿得到舵轮驱动电机的实际控制量。本发明有效地解决了多舵轮驱动型全向移动AGV的运动控制问题，使AGV可以精确地跟踪导引路径，并且能够减少轮组间的内力消耗，使其运动过程更协调，从而提高续航时间。
Description
技术领域
本发明属于AGV(自动导引车)运动控制技术领域，更具体地说，是涉及一种可实现多舵轮驱动型AGV全向运动的控制方法。
背景技术
AGV(自动导引车)是一种轮式移动机器人，能够通过调度系统或人工控制沿着规定的路径自动行驶，其在制造业和物流行业得到广泛的应用。很多场景要求AGV具有全向移动能力，即能够绕平面内任意一点转动，或者在不改变车体姿态的前提下向任意方向移动。现有全向移动AGV通常采用麦克纳姆轮驱动。麦克纳姆轮的控制简单、运动灵活，但是其运动效率较低，并且受结构及材料的限制，其单轮承载能力不大，此外价格也相对较高。
具有两组以上舵轮驱动的AGV同样可以实现全向移动。多组舵轮驱动虽然能够提供更高的驱动能力、更灵活的运动能力，但是却对运动控制提出了较大的挑战。执行误差、负载分布、地面摩擦阻力以及电机参数的差异都会导致轮组之间产生内力，轻则影响AGV的效率和运动性能，重则造成结构损坏，酿成安全生产事故。为避免这些问题，现有舵轮驱动型AGV底层通常采用开环控制，并且数量控制在4个以内，导致AGV运动精度不高、承载能力较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用多舵轮驱动的全向移动AGV轮组协同运动控制方法，通过逆运动学模型和速度补偿得到各舵轮的驱动和转向控制量，有效地解决了多舵轮驱动中轮系间受力不匹配的问题，使得AGV可以精确高效的运动。
一种用于舵轮驱动型AGV的轮组协同运动控制方法，所述协同运动方法通过逆运动学模型和速度同步得到了舵轮的控制量，对舵轮驱动电机的转速和转向电机的偏转角进行控制，有效地解决了多舵轮驱动中轮系间运动不协调、受力不匹配的问题。
进一步的，所述协同运动方法包括以下两个步骤：
步骤1，基于逆运动学模型生成各个舵轮的理论驱动速度和偏转角度，保证所有舵轮满足无侧滑和纯滚动约束；
步骤2，基于理论驱动速度，采用交叉耦合同步控制方法对舵轮的驱动速度进行补偿，得到舵轮驱动电机的实际控制量。
进一步的，步骤1中，所述逆运动学模型基于AGV车体局部坐标系建立，变量间的数学关系与AGV全局状态独立。
进一步的，所述逆运动学模型建立过程为：
步骤1.1，AGV具有长方形的车体，车体纵向方向上以中轴为对称轴分布两排双向舵轮，每排等间隔安装多个；
步骤1.2，AGV输入控制量和舵轮输出控制量均表示于车体固定坐标系OXY内，坐标系原点位于AGV车体几何中心，X轴沿AGV纵向，指向AGV运动正方向，Y轴沿AGV横向方向，角度量沿逆时针方向为正；对AGV的各变量进行描述，如下表：
表1
选取AGV车体的期望线速度V、线速度V与X轴的夹角α和AGV车体角速度Ω作为输入控制量，定义AGV的输入控制向量uAGV＝(V,α,Ω)T。
作为一种优选，所述步骤2中，对车体横向相邻多个舵轮的驱动速度进行计算并补偿。
作为一种优选，所述步骤1中，将舵轮实际速度值进行低通滤波处理，然后计算交叉耦合误差。
更进一步的，通过输入控制向量uAGV计算舵轮控制量的步骤如下：
步骤2.1：计算AGV的瞬时转动中心的坐标ps＝(-R·sin(α),R·cos(α))，其中R＝V/Ω为AGV车体几何中心的转向半径；
步骤2.2：计算第i个舵轮的参考偏转角度θi＝atan(ps-pi)-π/2，其中i＝1～n，pi为第i个舵轮回转中心在AGV车体坐标系OXY中的位置向量，atan为正切函数，其输入为二维点的坐标，输出为二维点向量与X轴正方向之间的夹角；
步骤2.3：计算第i个舵轮的参考转速：其中vi＝Ω·Ri是舵轮的线速度，Ri＝||ps-pi||是舵轮的转向半径，||||表示向量的2范数，ri是舵轮的半径；
步骤2.4：对舵轮伺服驱动器采集得到的舵轮实际驱动转速ωi信号进行滤波处理，采用一阶低通滤波去除高频噪声和扰动，滤波后的转速为其中，dt为采样周期，T为滤波器的时间常数；
步骤2.5：计算补偿后的舵轮驱动速度输出控制量 其中PI为比例积分控制函数。
与现有控制方法相比，本发明具有如下优点：该控制方法通过协同建模，能够生成满足约束的控制量，减少舵轮驱动速度的不同步，减少舵轮间的内力，提高AGV运动精度和运行效率，使AGV能适应不同的地面条件、负载分布情况和电机参数不匹配，实现高效高精度的运动。
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获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种多舵轮协同控制方法框图；
图2是本发明AGV车体局部坐标系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以六舵轮AGV为例对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
一种用于舵轮驱动型AGV的轮组协同运动控制方法，所述协同运动方法通过逆运动学模型和速度补偿得到了各舵轮的驱动和转向控制量，对舵轮驱动电机的速度控制和转向电机的角度位置控制，有效地解决了多舵轮驱动中轮系间受力不匹配的问题。
所述协同运动方法包括以下步骤：
步骤1，基于逆运动学模型生成各个舵轮的理论驱动速度和偏转角度，保证舵轮满足无侧滑和纯滚动约束；
步骤2，基于理论驱动速度，采用交叉耦合同步控制方法对舵轮驱动速度进行补偿，得到舵轮驱动电机的实际控制量。
步骤1中，所述逆运动学模型基于AGV车体局部坐标系建立，变量间的数学关系与AGV状态独立。
所述逆运动学模型为：
步骤1.1，AGV具有长方形的车体，车体纵向方向上以中轴为对称轴分布两排双向舵轮，每排等间隔安装三个；
步骤1.2，AGV输入控制量和舵轮输出控制量均表示为车体固定坐标系OXY内，坐标系原点位于AGV车体几何中心，X轴沿AGV纵向，指向AGV运动正方向，Y轴沿AGV横向方向，如图2所示，角度量沿逆时针方向为正；对AGV的各变量进行描述，如下表：
表1
AGV输入控制量和舵轮输出控制量均表示为车体固定坐标系OXY内，坐标系原点位于AGV车体几何中心，X轴沿AGV纵向，指向AGV运动正方向，Y轴沿AGV横向方向，如图2所示，角度量逆时针方向为正。舵轮的偏转角和转速的计算均相对于车辆坐标系。
AGV在平面内的运动可分为平移运动和绕某一点的转动，其中平移运动可视为转动的特例(转动点位于无穷远处)，因此以下计算过程针对转动过程进行分析。
AGV车体的输入控制量uin有多种形式，本实施例选取AGV车体的期望线速度幅值V、线速度V与X轴的夹角α和AGV车体角速度Ω作为输入控制量，定义AGV的输入控制向量uin＝(V,α,Ω)T。
通过输入控制向量u计算舵轮控制量的步骤如下：
步骤1：计算AGV的瞬时转动中心的坐标ps＝(-R·sin(α),R·cos(α))，其中R＝V/Ω为AGV车体几何中心的转向半径。
步骤2：计算第i个舵轮的参考偏转角度θi＝atan(ps-pi)-π/2，其中i＝1～n，pi为第i个舵轮的回转中心在AGV车体坐标系OXY中的位置向量，舵轮的编号见图2，以其前进方向为舵轮的起始端，两排每排的标号分别为1、3、5和2、4、6，atan为正切函数，其输入为二维点的坐标，输出为二维点表示的向量与X轴正方向之间的夹角。当Ω＝0时R＝∞，在此特例下θi＝α。将参考偏转角度θi作为控制目标直接发送给舵轮驱动器控制舵轮转向。
步骤3：计算第i个舵轮的参考转速：其中vi＝Ω·Ri是舵轮的线速度，Ri＝||ps-pi||是舵轮的转向半径，||||表示向量的2范数，ri是舵轮的半径。
步骤4：由于通过舵轮伺服驱动器采集得到的舵轮实际驱动转速ωi存在噪声和扰动，直接用于计算会影响计算结果的稳定性，因此进行滤波处理。采用一阶低通滤波去除高频噪声和干扰，离散形式的低通滤波计算过程为其中，dt为采样周期，T为滤波器的时间常数。
步骤5：计算补偿后的舵轮驱动速度输出控制量其中PI为比例积分函数，本实施例中所采用的PI控制函数其离散形式为PI(e)＝KP·e+KI·e+ei，KP与KI分别为比例系数和积分系数，ei是积分项前值。
本发明创造所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制发明创造。以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法。本发明所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本发明。
Claims (4)
1.一种全向移动AGV多舵轮协同控制方法，其特征在于，所述协同控制方法通过逆运动学模型和速度同步得到了舵轮的控制量，对舵轮驱动电机的转速和转向电机的偏转角进行控制，有效地解决了多舵轮驱动中轮系间运动不协调、受力不匹配的问题；
所述协同控制方法包括以下两个步骤：
步骤1，基于逆运动学模型生成各个舵轮的理论驱动速度和偏转角度，保证所有舵轮满足无侧滑和纯滚动约束；所述逆运动学模型建立过程为：
步骤1.1，AGV具有长方形的车体，车体纵向方向上以中轴为对称轴分布两排双向舵轮，每排等间隔安装多个；
步骤1.2，AGV输入控制量和舵轮输出控制量均表示于车体固定坐标系OXY内，坐标系原点位于AGV车体几何中心，X轴沿AGV纵向，指向AGV运动正方向，Y轴沿AGV横向方向，角度量沿逆时针方向为正；对AGV的各变量进行描述，如下表：
表1
选取AGV车体的期望线速度V、线速度V与X轴的夹角α和AGV车体角速度Ω作为输入控制量，定义AGV的输入控制向量uAGV＝(V,α,Ω)T；
步骤2，基于理论驱动速度，采用交叉耦合同步控制方法对舵轮的驱动速度进行补偿，得到舵轮驱动电机的实际控制量；
通过输入控制向量uAGV计算舵轮控制量的步骤如下：
步骤2.1：计算AGV的瞬时转动中心的坐标ps＝(-R·sin(α),R·cos(α))，其中R＝V/Ω为AGV车体几何中心的转向半径；
步骤2.2：计算第i个舵轮的参考偏转角度θi＝atan(ps-pi)-π/2，其中i＝1～n，pi为第i个舵轮回转中心在AGV车体坐标系OXY中的位置向量，atan为正切函数，其输入为二维点的坐标，输出为二维点向量与X轴正方向之间的夹角；
步骤2.3：计算第i个舵轮的参考转速：其中vi＝Ω·Ri是舵轮的线速度，Ri＝||ps-pi||是舵轮的转向半径，|| ||表示向量的2范数，ri是舵轮的半径；
步骤2.4：对舵轮伺服驱动器采集得到的舵轮实际驱动转速ωi信号进行滤波处理，采用一阶低通滤波去除高频噪声和扰动，滤波后的转速为其中，dt为采样周期，T为滤波器的时间常数；
步骤2.5：计算补偿后的舵轮驱动速度输出控制量其中PI为比例积分控制函数。
2.根据权利要求1所述的一种全向移动AGV多舵轮协同控制方法，其特征在于，步骤1中，所述逆运动学模型基于AGV车体局部坐标系建立，变量间的数学关系与AGV全局状态独立。
3.根据权利要求1所述的一种全向移动AGV多舵轮协同控制方法，其特征在于，所述步骤2中，对车体横向相邻多个舵轮的驱动速度进行计算并补偿。
4.根据权利要求3所述的一种全向移动AGV多舵轮协同控制方法，其特征在于，所述步骤2中，将舵轮实际速度值进行低通滤波处理，然后计算交叉耦合误差。
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