CN111679676A - 一种agv运动轨迹控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种AGV运动轨迹控制方法，属于AGV智能停车领域。该方法包括：S1：确定AGV小车的具体尺寸参数，建立一个坐标系并选取一个参考点；S2：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定前后舵轮驱动速度和偏转角；S3：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定参考点处线速度和两舵轮的转向角速度；S4：根据以上参数得到双舵轮AGV运动学模型；S5：根据AGV的实际位姿与理论位姿之差作为闭环系统的输入，确定控制器。本发明能满足安全稳定搬运车辆的前提下对AGV速度进行优化，提高停取车效率。

Description

一种AGV运动轨迹控制方法
技术领域
本发明属于AGV智能停车领域，涉及一种通过确定AGV自身坐标和确定目标位置地点，控制AGV沿确定轨迹运行的方法。
背景技术
停车机器人是自动引导车辆AGV的一个新的应用领域。自动导引装置(AutomatedGuided Vehicles,AGV)能够沿着指定的导引路线行驶，并且具有安全保护和移载功能的无人驾驶自动化搬运车辆。自动导引车系统技术是传感器技术、可编程控制技术、信息处理技术、机电一体化技术等多学科的研究成果的集中体现。产品主要的功能是实现了工件传输的自动化，系统也已经成为柔性制造系统、自动化仓储物流系统中必不可少的一部分。当前，在停车领域，停车机器人的需求也日益增加，过去需要人工找车位的模式，现在可以交由机器人进行代劳，在核心交通枢纽和人员密集区域逐渐得到推广。
经过近几年的持续发展，AGV停车机器人已经从采用车台板载运等方式逐渐衍生出夹持夹取式等多种停取方式。市场上常见的驱动方式大致有差速轮、全向轮、舵轮、麦克纳姆轮等四种，基本覆盖所有行业及环境的应用需求，保证了复杂人机作业环境中AGV小车高效顺畅的搬运作业。
不同的驱动方式有相应的驱动难度，各大智能设备公司根据应用场景研发控制算法，像差速轮定位精度不高，双舵轮耦合性和非线性度高，控制难度加大等，除控制之外还有定位方面的难度，激光雷达、磁导航、惯性导航、视觉导航等各有特点，要将其融入到控制系统中，组成一个完整、功能齐全的AGV系统，还是需要大量的实验验证。
双舵轮型转向驱动可以实现360°回转功能，也可以实现万向横移，灵活性高且具有精确的运行精度。但控制起来也更加复杂，相比差速运行方式需要更多的约束条件，具有非线性和不确定性等特点，另外负载为不同的汽车时重量的不同，同时又存在现场地面及周围环境的影响。因此，要实现AGV运动控制，就必须要克服负载及环境在内的不确定性对系统性能造成的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种AGV运动轨迹控制方法，通过确定AGV自身坐标和确定目标位置地点，控制AGV沿确定轨迹运行。具体通过分析双舵轮AGV机械结构组成与工作原理，建立双舵轮AGV的运行模型；基于双舵轮AGV运行模型，研究AGV运行状态，以及运行过程中的路径跟踪控制方法；建立智能停车库系统，完善结构和程序，在满足安全稳定搬运车辆的前提下对AGV速度进行优化，以提高停取车效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种AGV运动轨迹控制方法，包括以下步骤：
S1：确定AGV小车的具体尺寸参数，建立一个坐标系并选取一个参考点；
S2：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定前后舵轮驱动速度和偏转角；
S3：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定参考点处线速度和两舵轮的转向角速度；
S4：根据以上参数得到双舵轮AGV运动学模型；
S5：根据AGV的实际位姿与理论位姿之差作为闭环系统的输入，确定控制器。
进一步，步骤S1中，确定的AGV小车的具体尺寸参数包括：线速度、转角、角速度、前舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，以及后舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距。
进一步，步骤S2中，确定的前后舵轮驱动速度和偏转角的关系表达式为：
Figure BDA0002547825860000021
其中，L1为前舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，L2为后舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，α1，α2是前后舵偏转角。
进一步，步骤S3中，确定参考点处线速度和两舵轮的转向角速度的表达式为：
Figure BDA0002547825860000022
其中，ω1，ω2为线速度V与两舵轮的转向角速度。
进一步，步骤S4中，得到AGV的运动学模型为：
Figure BDA0002547825860000023
进一步，所述步骤S5具体包括：根据AGV的实际位姿与理论位姿的误差，得到控制器的控制律；结合建立的AGV运动学模型和控制器，实现双舵轮AGV路径跟踪；
所述控制律表达式为：
Figure BDA0002547825860000031
其中，K为控制律，v为新的闭环系统的输入；
Figure BDA0002547825860000032
其中，e1、e2、e3分别为AGV的实际位姿q＝[x y θ]T与理论位姿qr＝[xr yr θr]T之间的位姿误差。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供了一种AGV的精确定位，提高了位置和角度的准确性。
(2)本发明建立的AGV运动学模型，可以简化AGV机械结构，即抽离出AGV四个万向轮和两个舵轮，其中万向轮主要起支撑作用，提高AGV的承载能力和稳定性，认为其对运动学模型没有影响。
(3)本发明建立了双舵轮AGV路径跟踪控制器。
(4)本发明建立了带有CAN模块的PLC作为主控制器，确保电机同步快速响应，运行上加上控制算法，实现AGV高速稳定运行。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为AGV机械结构图；
图2为双舵轮AGV运动学模型示意图；
图3为位姿跟随误差示意图；
图4为轨迹纠偏控制器结构框图；
图5为AGV系统框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图5，本发明实施例提供一种AGV运动轨迹控制方法，具体步骤如下：
1)建立双舵轮AGV运动学模型
通过对AGV载重能力地面环境等因素的计算考虑，本实施例AGV的轮系结构为六轮结构，其中中间两个为舵轮并具有减震装置，可以灵活转向，四周为万向轮，起到固定车身并承重的作用，能承受2.5吨以内的汽车。AGV机械结构如图1所示，在构建AGV运动学模型时，可以简化AGV机械结构，即抽离出AGV四个万向轮和两个舵轮，其中万向轮主要起支撑作用，提高AGV的承载能力和稳定性，认为其对运动学模型没有影响。这里定义车前方两个万向轮中心连线的中点o作为整个AGV的参考点，o-x-y为小车的局部坐标系，在外部建立全局坐标系O-X-Y。如图2所示，其中V和θ(定义逆时针旋转为正)分别为AGV参考点o处的线速度和转角，则定义w为其角速度，L1为前舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，L2为后舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，V1，V2，α1，α2分别是前后舵轮驱动速度和偏转角。则有：
Figure BDA0002547825860000041
根据图1中几何关系可得：
Figure BDA0002547825860000042
参考点处的线速度V与两舵轮转向角速度ω1，ω2的表达式分别是：
Figure BDA0002547825860000043
将(2)式代入(3)式可得：
Figure BDA0002547825860000044
结合(1)式和(4)式得到双舵轮AGV运动学模型为：
Figure BDA0002547825860000051
2)设计轨迹控制器
假设在全局坐标系中AGV的实际位姿q＝[x y θ]T与理论位姿qr＝[xr yr θr]T之间存在位姿误差的概念。
记全局坐标系下AGV的位姿误差qe为：
Figure BDA0002547825860000052
以之前AGV小车局部坐标系原点o简化模型，如图3所示，通过坐标变换可得局部坐标系下AGV位姿误差e为：
Figure BDA0002547825860000053
将局部误差写成：
Figure BDA0002547825860000054
其中，
Figure BDA0002547825860000055
为局部坐标系下位姿误差的微分方程，
Figure BDA0002547825860000056
ur＝[vr ωr]T，vr和ωr分别是双舵轮AGV理论路径上的线速度与角速度；u＝[v ω]T为控制器的输入。设计为：
u＝Tur-v (9)
其中，
Figure BDA0002547825860000057
v＝[v1 v2]T为新的闭环系统的输入。
把(9)式代入(8)式得：
Figure BDA0002547825860000058
在平衡点(e1＝e2＝e3＝0，v1＝v2＝0)处进行线性化处理得到新的状态方程为
Figure BDA0002547825860000059
其中，
Figure BDA00025478258600000510
对(11)式中的输入v，设计系统的控制律K，使得
Figure BDA00025478258600000511
通过计算和实际数据测量来确定出各向量的值，并计算出控制律K。结合前面建立的AGV运动学模型和设计的控制器，得到双舵轮AGV路径跟踪控制结构如图4所示。
3)设计AGV系统结构
一是读取传感器等信息，解析当前位置坐标并进行相关显示；二是将运行过程中位置数据及状态信息发送给上位机，并接收上位机的调度信息和相关数值设定；三是跟据上位机给定的调度路线进行电机的控制，使车按指定路线行驶并能做紧急事故处理。
AGV系统如图5所示，构建该系统包括以下步骤：(1)通过激光导航元件确定AGV自身坐标；(2)上位机完成调度功能；(3)确定目标位置地点；(4)PLC控制伺服驱动器使AGV沿确定轨迹运行；(5)建立智能停车库系统，完善结构和程序。其中AGV控制系统主控制器采用西门子公司S7-1500系列PLC，实际位姿由SICK公司的NAV350激光雷达进行反馈，PLC与上位机之间的通信和PLC与激光雷达之间的通信均采用TCP/IP，PLC与电机驱动器之间采用CAN通信方式。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：确定AGV小车的具体尺寸参数，建立一个坐标系并选取一个参考点；
S2：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定前后舵轮驱动速度和偏转角；
S3：根据AGV小车的具体尺寸参数，确定参考点处线速度和两舵轮的转向角速度；
S4：根据以上参数得到双舵轮AGV运动学模型；
S5：根据AGV的实际位姿与理论位姿之差作为闭环系统的输入，确定控制器。
2.根据权利要求1所述的AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，步骤S1中，确定的AGV小车的具体尺寸参数包括：线速度、转角、角速度、前舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，以及后舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距。
3.根据权利要求2所述的AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，步骤S2中，确定的前后舵轮驱动速度和偏转角的关系表达式为：
Figure FDA0002547825850000011
其中，L1为前舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，L2为后舵轮轴心到前两个万向轮轴心线的间距，α1，α2是前后舵偏转角。
4.根据权利要求3所述的AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，步骤S3中，确定参考点处线速度和两舵轮的转向角速度的表达式为：
Figure FDA0002547825850000012
其中，ω1，ω2为线速度V与两舵轮的转向角速度。
5.根据权利要求4所述的AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，步骤S4中，得到AGV的运动学模型为：
Figure FDA0002547825850000013
6.根据权利要求5所述的AGV运动轨迹控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：根据AGV的实际位姿与理论位姿的误差，得到控制器的控制律；结合建立的AGV运动学模型和控制器，实现双舵轮AGV路径跟踪；
所述控制律表达式为：
Figure FDA0002547825850000021
其中，K为控制律，v为新的闭环系统的输入；
Figure FDA0002547825850000022
其中，e1、e2、e3分别为AGV的实际位姿q＝[x y θ]T与理论位姿qr＝[xr yr θr]T之间的位姿误差。
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