CN111497637A - 一种四舵轮agv的运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及四舵轮AGV的运动控制方法，包括AGV的车体、四组对称安装在AGV四角的舵轮机构、PLC控制系统以及检测轨迹的传感器；其中舵轮机构包括行走部分和转向部分，转向部分可以控制舵轮相对于车体正前方的旋转角度，行走部分可以驱动舵轮朝当前角度行走，检测轨迹的传感器可以检测车体相对于轨迹的距离偏差以及角度偏差；PLC控制系统包括PLC控制器和伺服驱动器，承担计算和控制舵轮的行走速度以及转向角度的任务，以此实现控制AGV的平移、自旋、路径跟随等运动。本发明的有益效果是：本发明在利用PID控制器得出(V,A,ω)后，确定了瞬时旋转中心，以此分解得出各舵轮的偏转角度和行走速度，可以有效减少舵轮的滑动摩擦，提升舵轮的使用寿命。

Description

一种四舵轮AGV的运动控制方法

技术领域

本发明涉及AGV设备技术领域，尤其涉及一种四舵轮AGV的运动控制方法。

背景技术

在工厂的自动化管理升级中，自动导引运输车(AGV)可以帮助工厂实现物资运送的自动化，减少人力物力。AGV有单舵轮驱动、差速驱动、双舵轮驱动、四轮驱动等不同的驱动方式，在不同的应用场景中，需要采用不同的驱动结构以满足工业需求，在运送吨数较大的物资中，往往采用多个舵轮驱动的方式以减轻单个舵轮的带载压力。然而由于车体结构和多驱动的相互约束问题，多驱动轮的控制较单舵轮驱动和双轮差速驱动显得更为复杂，若驱动轮的控制效果不好四个驱动轮之间极易发生打滑现象，降低舵轮的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了更好的控制四舵轮AGV的运动，实现四驱动轮结构AGV的平移、自旋、路径跟随等运动，提供一种四舵轮AGV的运动控制方法。实现AGV小车的自动导航，全方位移动，同时提升AGV的带载能力并减少各个舵轮的滑动摩擦。

这种四舵轮AGV的运动控制方法，包括AGV的车体、四组对称安装在AGV四角的舵轮机构、PLC控制系统以及检测轨迹的传感器；其中舵轮机构包括行走部分和转向部分，转向部分可以控制舵轮相对于车体正前方的旋转角度，行走部分可以驱动舵轮朝当前角度行走，检测轨迹的传感器可以检测车体相对于轨迹的距离偏差以及角度偏差；PLC控制系统包括PLC控制器和伺服驱动器，承担计算和控制舵轮的行走速度以及转向角度的任务，以此实现控制AGV的平移、自旋、路径跟随等运动。其运动控制方法包括以下步骤：

S1、确定车体当前的位姿(位置和姿态)，通过传感器反馈值获得车体与轨迹的距离偏差和角度偏差，记录并与上一次的返回值比较得出距离偏差变化率和角度偏差变化率；

S2、利用得到的距离偏差与距离偏差变化率通过PID的控制方法得到轨迹纠偏所需的速度偏角大小A；利用车体相对于轨迹的角度偏差以及角度偏差变化率作为PID控制器的输入，得到车体绕瞬时旋转中心角速度ω大小和方向(顺时针还是逆时针)，以此确定瞬时旋转中心在车体的左半平面还是右半平面；

S3、给定一个期望的行走速度V，结合步骤S2得到的A以及ω可以得到车体几何中心的(V,A,ω)，绕旋转中心旋转的半径

确定好瞬时中心的位置并根据车体的尺寸参数可以根据以下数学表达式1-8得出各舵轮旋转的角度和行走的速度，通过PLC控制系统控制AGV的每个舵轮按计算得出的角度和速度绕瞬时中心运动，以此实现AGV整车的全方位运动；数学表达式1-8如下：

式中A1、A2、A3、A4分别为左前、右前、左后、右后处舵轮的偏转角度，V1、V2、V3、V4分别为左前、右前、左后、右后处舵轮的行走速度，L为前后方向上舵轮的距离，D为左右方向上舵轮的距离。

作为优选：所述步骤S2中，PID控制器采用不加积分环节的位置式的PID，即输出量u＝Kp*Err0+Kd*(Err0-Err1)，其中u为PID控制器的控制量输出，Kp为PID控制器比例系数，Err0为当前采样的轨迹偏差值，Kd为PID控制器微分系数，Err1为上一次采样的轨迹偏差值。

作为优选：所述步骤S3中，ω>0代表车体绕瞬时中心顺时针旋转，ω<0代表车体绕瞬时中心逆时针旋转；A>0代表偏转偏右，A<0代表偏转偏左；在计算舵轮偏转角度的公式中含有±π的计算式，最终的计算值A与上一次的计算值有关，若上一次的偏转角度大于0，则+π，若上一次的偏转角度小于0，则-π，这样可以避免舵轮从最左边直接转到最右边；ω＝0即代表AGV的平移运动，此时A1＝A2＝A3＝A4＝A，V1＝V2＝V3＝V4＝V；AGV做自旋运动时，设定A1、A2、A3、A4均小于π/2，则

顺时针自旋时V1＝V3＝V、V2＝V4＝-V；以上通过控制四个舵轮的偏转角度和行走速度可以控制AGV进行旋转、平移、轨迹跟随等运动，实现AGV的全方位移动。

本发明的有益效果是：本发明在利用PID控制器得出(V,A,ω)后，确定了瞬时旋转中心，以此分解得出各舵轮的偏转角度和行走速度，可以有效减少舵轮的滑动摩擦，提升舵轮的使用寿命，同时通过平移、自旋、轨迹跟随等运动可以使AGV在较小空间范围内实现全方位移动。

附图说明

图1为本发明的车体舵轮位置分布图。

图2为AGV运动控制示意图。

图3为车体自旋运动控制示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，AGV包含有四组行走带转向的舵轮机构，分别安装在AGV的四角，舵轮上的行走电机用于驱动行走轮转动，提供AGV的驱动力，转向电机用于控制舵轮相对于车体的旋转角度，以此通过行走轮对AGV产生不同方向上的驱动力。

所述四舵轮AGV的运动控制方法，包括以下步骤：

S1、确定车体当前的位姿，通过传感器反馈值获得车体与轨迹的距离偏差和角度偏差，记录并与上一次的返回值比较得出距离偏差变化率和角度偏差变化率；

S2、利用得到的距离偏差与距离偏差变化率通过PID的控制方法得到轨迹纠偏所需的速度偏角大小A；利用车体相对于轨迹的角度偏差以及角度偏差变化率作为PID控制器的输入，得到车体绕瞬时旋转中心角速度ω大小和方向(顺时针还是逆时针)，以此确定瞬时旋转中心在车体的左半平面还是右半平面。设定ω>0代表车体绕瞬时中心顺时针旋转，此时旋转中心在车体的右半平面；ω<0代表车体绕瞬时中心逆时针旋转，此时瞬时旋转中心在车体的左半平面。设定A>0代表舵轮向右偏转，A<0代表舵轮向左偏转。其PID控制器采用不加积分环节的位置式的PID，即输出量u＝Kp*Err0+Kd*(Err0-Err1)，其中u为PID控制器的控制量输出，Kp为PID控制器比例系数，Err0为当前采样的轨迹偏差值，Kd为PID控制器微分系数，Err1为上一次采样的轨迹偏差值；

S3、给定一个期望的行走速度V，结合步骤S2得到的A以及ω可以得到车体几何中心的(V,A,ω)，绕旋转中心旋转的半径

根据得到的V，A，R以及前后方向上舵轮的距离L，左右方向上舵轮的距离D，可以计算得出左前、右前、左后、右后处舵轮的偏转角度A1、A2、A3、A4，以及速度V1、V2、V3、V4。

在计算舵轮偏转角度的公式中含有±π的计算式，最终的计算值A与上一次的计算值有关，若上一次的偏转角度大于0，则+π，若上一次的偏转角度小于0，则-π，这样可以避免舵轮从最左边直接转到最右边。根据计算出的A1、A2、A3、A4、V1、V2、V3、V4通过PLC控制系统控制各个舵轮按计算出的偏转角度与行走速度进行运动，实现AGV的全方位移动，运动控制示意图如图2所示。ω＝0即代表AGV的平移运动，此时A1＝A2＝A3＝A4＝A，V1＝V2＝V3＝V4＝V。其中自旋运动时给固定的偏转角度和行走速度，以此达到控制AGV姿态的目的。AGV做自旋运动时，设定A1、A2、A3、A4均小于π/2，则

顺时针自旋时V1＝V3＝V、V2＝V4＝-V，AGV顺时针自旋运动如图3所示。以上通过控制四个舵轮的偏转角度和行走速度可以控制AGV进行旋转、平移、轨迹跟随等运动，实现AGV的全方位移动。

Claims (3)

1.一种四舵轮AGV的运动控制方法，其特征在于：包括AGV的车体、四组对称安装在AGV四角的舵轮机构、PLC控制系统以及检测轨迹的传感器；其中舵轮机构包括行走部分和转向部分，转向部分控制舵轮相对于车体正前方的旋转角度，行走部分驱动舵轮朝当前角度行走，检测轨迹的传感器检测车体相对于轨迹的距离偏差以及角度偏差；PLC控制系统包括PLC控制器和伺服驱动器，计算和控制舵轮的行走速度以及转向角度；其运动控制方法包括以下步骤：

S1、确定车体当前的位姿，通过传感器反馈值获得车体与轨迹的距离偏差和角度偏差，记录并与上一次的返回值比较得出距离偏差变化率和角度偏差变化率；

S2、利用得到的距离偏差与距离偏差变化率通过PID的控制方法得到轨迹纠偏所需的速度偏角大小A；利用车体相对于轨迹的角度偏差以及角度偏差变化率作为PID控制器的输入，得到车体绕瞬时旋转中心角速度ω大小和方向，以此确定瞬时旋转中心在车体的左半平面还是右半平面；

S3、给定一个期望的行走速度V，结合步骤S2得到的A以及ω得到车体几何中心的(V,A,ω)，绕旋转中心旋转的半径

确定好瞬时中心的位置并根据车体的尺寸参数根据以下数学表达式1-8得出各舵轮旋转的角度和行走的速度，通过PLC控制系统控制AGV的每个舵轮按计算得出的角度和速度绕瞬时中心运动，以此实现AGV整车的全方位运动；数学表达式1-8如下：

式中A1、A2、A3、A4分别为左前、右前、左后、右后处舵轮的偏转角度，V1、V2、V3、V4分别为左前、右前、左后、右后处舵轮的行走速度，L为前后方向上舵轮的距离，D为左右方向上舵轮的距离。

2.根据权利要求1所述的四舵轮AGV的运动控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，PID控制器采用不加积分环节的位置式的PID，即输出量u＝Kp*Err0+Kd*(Err0-Err1)，其中u为PID控制器的控制量输出，Kp为PID控制器比例系数，Err0为当前采样的轨迹偏差值，Kd为PID控制器微分系数，Err1为上一次采样的轨迹偏差值。

3.根据权利要求1所述的四舵轮AGV的运动控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，ω>0代表车体绕瞬时中心顺时针旋转，ω<0代表车体绕瞬时中心逆时针旋转；A>0代表偏转偏右，A<0代表偏转偏左；在计算舵轮偏转角度的公式中含有±π的计算式，最终的计算值A与上一次的计算值有关，若上一次的偏转角度大于0，则+π，若上一次的偏转角度小于0，则-π；ω＝0即代表AGV的平移运动，此时A1＝A2＝A3＝A4＝A，V1＝V2＝V3＝V4＝V；AGV做自旋运动时，设定A1、A2、A3、A4均小于π/2，则

顺时针自旋时V1＝V3＝V、V2＝V4＝-V。

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