CN112306052A - 自动引导车和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动引导车，所述自动引导车具有底盘和至少三个差动轮组，所述差动轮组配置在所述底盘上，其中每个差动轮组具有第一轮和第二轮，第一轮和第二轮了可被单独驱动，所述自动引导车还包括控制单元和定位单位；还公开了一种用于自动引导车的控制方法，依靠差动轮组的不同速度大小和方向在控制中心点形成合力，控制车辆按照预定路径行走，所述控制方法可以实现车辆的全向运动，提高了车辆的灵活性，扩大了适用范围。

Description

自动引导车和控制方法

技术领域

本发明涉及智能仓储领域，尤其涉及一种自动引导车和用于自动引导车的控制方法。

背景技术

自动引导车(AGV)已经广泛运用于仓储物流、汽车、零售等行业，主要用于替代或补充传统人工，实现无人搬运作业的“货到人”模式。自动引导车具有电磁或光学等自动引导装置，由计算机控制驱动车轮沿规定的引导路径自动移动。自动引导车可以自动地灵活地完成各种移载操作，应用自动引导车，企业可以达到规范物流运输流程的效果，同时避免了人工运输的多种不利生产的因素。堆高车又称堆垛机(堆高机、升高车、装卸车、堆垛车)，属于叉车这个大类中的仓储叉车一类。堆高车适合狭窄通道和有限空间内作业，是车间装卸托盘化、高架仓库的理想设备。

自动引导车堆高作业时，需要一定的空间来完成操作。然而现在仓储越来越密集，空间越来越小，导致自动引导车堆高作业时，因工作通道狭窄和空间有限，导致其旋转调整空间小，无法灵活地完成直线、弧线、平移及原地旋转等运动。以往的底盘设计常采用一组固定驱动轮和一个舵轮组成，优点是结构简单，可以实现直线、弧线行走，但无法原地旋转和平移行走。针对自动引导车堆高作业的工作环境特点，设计多差动轮组驱动控制，实现无人堆高车的直线、弧线、平移行走以及原地旋转运动，形成堆高车的全向运动是一个技术难点。如何设计紧凑而稳定的行走机构对自动引导车在有限空间内完成全向运动具有重要意义。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术中不足的一种或多种，本发明提供一种自动引导车，包括：

底盘；

至少三个差动轮组，安装在所述底盘上，其中每个差动轮组具有第一轮和第二轮，其中第一轮和第二轮可被单独驱动。

根据本发明的一个方面，所述自动引导车还包括分别与所述第一轮和第二轮对应并连接的电机，每个电机可被单独控制以驱动与其连接的第一轮或第二轮。

根据本发明的一个方面，所述自动引导车还包括控制单元，所述控制单元与每个电机相耦合并控制所述每个电机。

根据本发明的一个方面，所述自动引导车包括第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组，其中所述第一差动轮组位于所述自动引导车的一侧，第二和第三差动轮组位于所述自动引导车的另一侧。

根据本发明的一个方面，所述控制单元配置成：

接收所述自动引导车的理想轨迹；

根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

根据本发明的一个方面，所述自动引导车还包括定位模块，所述定位模块安装在所述底盘上，并配置成可输出所述自动引导车的当前位置，

所述控制单元另外配置成：

从所述定位模块接收所述自动引导车的当前位置；

根据所述自动引导车的理想轨迹和所述自动引导车的当前位置，确定所述自动引导车的轨迹；

根据所述自动引导车的轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

根据本发明的一个方面，所述定位模块包括惯性导航模块和/或SLAM导航模块。

本发明还涉及一种用于自动引导车的控制方法，所述自动引导车包括至少三个差动轮组，每个差动轮组具有可被单独驱动的第一轮和第二轮，所述控制方法包括：

接收所述自动引导车的理想轨迹；

根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

根据本发明的一个方面，所述的控制方法，还包括：

接收所述自动引导车的当前位置；

根据所述自动引导车的理想轨迹和所述自动引导车的当前位置，确定所述自动引导车的轨迹；

根据所述自动引导车的轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

本发明的一个实施例中，通过几何约束，使多个差动轮组的不同速度大小和方向在控制中心点形成合力，从而控制车辆按照预定路径行走，实现车辆的直行、弧形、平移运动以及原地旋转等预定的路径行走，该控制方法可以实现车辆的全向运动，提高了车辆的灵活性、扩大了适用范围。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车底盘模型示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车底盘的模型示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车控制系统示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车运动学模型原理图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车模型分析图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车的控制流程示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车的位置控制流程示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车的姿态控制流程示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车底盘模型示意图。如图1所示，自动引导车1包括底盘14和至少三个差动轮组11、12和13，其中差动轮组安装在底盘14上。多个差动轮组可以实现车辆在弧形以及原地旋转等运动时不同车轮以不同速度运动的要求，进而实现车辆的全向运动。图1中示出了包括三个差动轮组11、12和13，本领域技术人员能够理解，可以设置更多的差动轮组。为方便起见，以下将以三个差动轮组11、12和13为例进行详细说明。

根据本发明，每个差动轮组具有两个车轮：第一轮和第二轮，并且第一轮和第二轮可以被单独驱动。每一个车轮可以被对应的电机驱动，从而每一个车轮都可以单独地在地面上进行前进、后退、转弯、原地旋转(例如围绕其虚拟的纵向轴线旋转一定角度)等各种运动操作。以下参考图2详细描述。

图2示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车底盘的模型示意图。从图2清楚可见，每个差动轮组11、12和13均包括两个车轮，以下将以11-L、11-R、12-L、12-R、13-L、13-R来表示(以下称为各个差动轮组的第一轮和第二轮)。如图2所示，自动引导车包括第一差动轮组11、第二差动轮组12和第三差动轮组13，其中第一差动轮组11位于自动引导车1的一侧，例如沿着行进方向的前侧，第二差动轮组12和第三差动轮组13位于自动引导车1的另一侧，例如沿着行进方向的后侧。如图2所示，模型中每个差动轮组由两个驱动轮组成，将第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组的中心点分别定义为A₁、A₂、A₃。

为了实现单独控制每个差动轮组的各个车轮，自动引导车1分别包括与所述第一轮和第二轮耦合的电机，例如以M1、M2、M3、M4、M5和M6来表示，如图3所示。每个电机被单独的控制，驱动与其相连的车轮，从而实现自动引导车1的全向运动。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，自动引导车1还包括控制单元15，所述控制单元15与每个电机相耦合并控制所述每个电机M1-M6。控制单元15例如包括单片机、PLC、、ASIC芯片、计算机或其他类型的控制元器件。控制单元15例如接收所述自动引导车1的理想轨迹(或称规划轨迹)，根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组11、第二差动轮组12和第三差动轮组13中的第一轮和第二轮的运动参数(例如每一个轮子的速度)，根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组11、第二差动轮组12和第三差动轮组13中的第一轮和第二轮连接的电机，以实现所述理想轨迹。

另外优选的，自动引导车1还可包括定位模块16，定位模块16可包括惯性导航模块、SLAM导航模块等，或者采用惯性导航和SLAM导航结合的混合导航。所述定位模块16安装在所述底盘14上，并配置成可输出所述自动引导车的当前位置。如上所述，控制单元15接收所述自动引导车的理想轨迹，并控制自动引导车的各个车轮以实现该理想轨迹。但在实际控制中，自动引导车的实际运行轨迹，往往与该理想轨迹之间具有一定的偏差。定位模块16所输出的自动引导车的当前位置，与理想位置进行求差，获得轨迹偏差，接下来可通过反馈控制的方式以消除或者减小该轨迹偏差。

例如，所述控制单元15另外配置成：

从所述定位模块接收所述自动引导车的当前位置；

根据所述理想轨迹和所述自动引导车的当前位置，确定所述自动引导车的轨迹，用于减小或者消除所述理想轨迹与当前位置之间的偏差；

根据所述自动引导车的轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

如上所述，控制单元15根据一定的控制逻辑，分别控制自动引导车1的多个差动轮组11、12、13中每一个车轮的运动。根据本发明的一个优选实施例，如图6-8所示，控制单元15采用双环控制模型，包括位置控制器和姿态控制器。下面详细描述。

图4示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车运动学模型原理图。如图4所示，针对每一个差动轮组的中心点，进一步抽象分析，定义所述自动引导车底盘抽象模型的控制点定义为A₀(A₀例如为图5中距离L的中点位置)，速度瞬心点为o。由于底盘的刚性结构，三个差动轮组11、12、13的位置固定，即可确定唯一的控制点A₀。由任意两个差动轮组的中心点的速度和角速度可以确定一个唯一的速度瞬心点，但第三个差动轮组的引入会使得速度瞬心点不唯一。

若想使车辆形成全向移动，则三个差动轮组需要形成速度和角度的约束。由于底盘为刚体，即三个车轮之间的相对位置不会发生改变，将通过三角形约束关系解决，图5示出了根据本发明的一个实施例的自动引导车模型分析图。如图5所示，将控制点、第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组的中心点的速度分别定义为v₀、v₁、v₂和v₃，角速度分别定义为ω₀、ω₁、ω₂和ω₃，到速度瞬心点o的瞬心半径分别为r₀、r₁、r₂和r₃。如图5所示，三角形A₀oA₁、A₀oA₂和A₀oA₃。通过速度瞬心法分析出控制点A₀的速度v₀、角速度ω₀以及瞬心半径r₀之间的关系，从而通过三角函数关系找到三个差动轮组中心点的速度v₁、v₂、v₃和角速度ω₁、ω₂、ω₃以及它们的瞬心半径r₁、r₂、r₃之间的联系。

图5中，三个差动轮组的中心点，即A₁、A₂和A₃并不在同一条直线，如果三个差动轮组不能形成合力，则会有一个差动轮组的车轮处于打滑状态。

图6示出了根据一个实施例的双环控制模型，由控制单元15来执行。控制单元15例如包括位置控制器和姿态控制器。其中，给定自动引导车1的一条理想轨迹(x,y,θ)作为位置控制器的输入，其中x,y,θ分别表示自动引导车在平面坐标系中的横坐标、纵坐标、以及轨迹的速度方向(例如与X轴的夹角)，其中，X轴例如为图5中的左右方向，Y轴例如为图5中的竖直方向。位置控制器接到上述输入(x,y,θ)之后，输出控制点A₀的速度v₀、角速度ω₀、和车头朝向与空间坐标系下的夹角α₀。将控制点的v₀,ω₀,α₀作为姿态控制器的输入，计算后得到每一个控制轮组的速度和角速度v₁、v₂、v₃、ω₁、ω₂和ω₃，再经控制量转换机构，转换成每一个电机的转速v，交由执行机构执行运动。

图7示出了位置控制器的控制逻辑。如图7所示，位置控制器接收理想轨迹(x,y,θ)作为位置控制器的输入，同时接收来自定位模块16的当前的位置(x’,y’,θ’)，相减得到控制点误差(xe,ye,θe)，基于该控制点误差，利用PID控制器实现控制点速度v₀、角速度ω₀和车头朝向与空间坐标系下的夹角α₀的求取。

图8示出了姿态控制器的控制逻辑。如图8所示，姿态控制器利用位置控制器给出的控制点的速度v₀、角速度ω₀和车头朝向与空间坐标系下的夹角α₀作为输入项，先计算出控制点到速度瞬心点o的半径r₀，再计算每一个差动轮组的中心点到速度瞬心点的半径r₁、r₂、r₃，以及每一个差动轮组的速度v₁、v₂、v₃和与空间坐标系x轴的夹角α₁、α₂、α₃。将夹角α₁、α₂、α₃和编码器反馈的当前角度α′₁、α′₂、α′₃做差后得到角度误差θe，再由PID控制器得到每一个差动轮组的角速度ω₁、ω₂和ω₃。控制量转换机构将姿态控制器给出的v₁、v₂、v₃和ω₁、ω₂和ω₃，转换成最终输入到驱动器的控制量v_1L、v_1R、v_2L、v_2R、v_3L、v_3R。

下面描述一个计算实例。[v₀ ω₀]是控制点o的速度和角速度，r₀是控制点到速度瞬心点的距离：

r₀＝v₀/ω₀ (1)

其中，如图4和图5所示，L是第一差动轮组的中心点到第二差动轮组和第三差动轮组的中心点之间的距离，H是第二差动轮组、第三差动轮组中心点之间的距离。针对第一差动轮组：

其中v₁、r₁是第一差动轮组的中心点A₁的速度以及第一差动轮组的中心点A₁到速度瞬心点o的距离，α₁是第一差动轮组的速度方向与空间坐标系x轴之间的夹角。针对第二差动轮组、第三差动轮组，假设LH是第二差动轮组或第三差动轮组的中心点到第一差动轮组的中心点之间的距离，则：

LH与空间坐标系x轴之间的夹角θ由以下公式求得，

针对第二差动轮组，

其中v₂、r₂是第二差动轮组的中心点A₂的速度以及第二差动轮组的中心点A₂到速度瞬心点o的距离，α₂是第二差动轮组的中心点的速度方向与空间坐标系x轴之间的夹角。

同理，针对第三差动轮组，

其中v₃、r₃是第三差动轮组的中心点A₃的速度以及第三差动轮组的中心点A₃到速度瞬心点o的距离，α₃是第三差动轮组的中心点A₃的速度方向与空间坐标系x轴之间的夹角。

由绝对值编码器反馈的第一、第二、第三差动轮组的角度定义为α′₁、α′₂、α′₃，则角度误差分别为，

通过PID控制来获得每一个差动轮组的角速度ω₁、ω₂、ω₃，并将速度v₁、v₂、v₃和角速度ω₁、ω₂、ω₃作为每一个差动轮组的输入，此时可以将每一个差动轮组作为一个独立运动单元。

设v′₁、v′₂、v′₃为第一、第二、第三差动轮组在角速度ω₁、ω₂、ω₃下的速度，则下发到每一个差动轮组左右轮的速度为，

其中，l是每一个差动轮组左右轮之间的距离，r是每一个轮子的半径，v_1L、v_1R、v_2L、v_2R、v_3L、v_3R是每一个差动轮组左右轮的下发速度，单位为转每分(rpm)。

根据本发明的另一个方面的一种用于自动引导车的控制方法。其中所述自动引导车如上描述的自动引导车，具有底盘和至少三个差动轮组，还包括控制单元和定位模块。所述控制方法包括：

S201：接收所述自动引导车的控制点o的理想轨迹x,y,θ。

S202：根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数。

S203：根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

本发明的一个实施例的自动引导车通过几何约束，使三个差动轮组的不同速度大小和方向在控制中心点形成合力，从而控制车辆按照预定路径行走，实现车辆的直行、弧形、平移运动以及原地旋转等预定的路径行走，该控制方法可以实现车辆的全向运动，提高了车辆的灵活性、扩大了适用范围。

所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动引导车，包括：

底盘；

至少三个差动轮组，安装在所述底盘上，其中每个差动轮组具有第一轮和第二轮，其中第一轮和第二轮可被单独驱动。

2.根据权利要求1所述的自动引导车，还包括分别与所述第一轮和第二轮对应并连接的电机，每个电机可被单独控制以驱动与其连接的第一轮或第二轮。

3.根据权利要求2所述的自动引导车，还包括控制单元，所述控制单元与每个电机相耦合并控制所述每个电机。

4.根据权利要求3中任一项所述的自动引导车，其中所述自动引导车包括第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组，其中所述第一差动轮组位于所述自动引导车的一侧，第二和第三差动轮组位于所述自动引导车的另一侧。

5.根据权利要求4所述的自动引导车，其中所述控制单元配置成：

接收所述自动引导车的理想轨迹；

根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

6.根据权利要求5所述的自动引导车，其中所述自动引导车还包括定位模块，所述定位模块安装在所述底盘上，并配置成可输出所述自动引导车的当前位置，

所述控制单元另外配置成：

从所述定位模块接收所述自动引导车的当前位置；

根据所述自动引导车的理想轨迹和所述自动引导车的当前位置，确定所述自动引导车的轨迹；

根据所述自动引导车的轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

7.根据权利要求6所述的自动引导车，其中所述定位模块包括惯性导航模块和/或SLAM导航模块。

8.一种自动引导车的控制方法，所述自动引导车包括至少三个差动轮组，每个差动轮组具有可被单独驱动的第一轮和第二轮，所述控制方法包括：

接收所述自动引导车的理想轨迹；

根据所述理想轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

9.根据权利要求8所述的控制方法，还包括：

接收所述自动引导车的当前位置；

根据所述自动引导车的理想轨迹和所述自动引导车的当前位置，确定所述自动引导车的轨迹；

根据所述自动引导车的轨迹，计算所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮的运动参数；

根据所述运动参数，控制与所述第一差动轮组、第二差动轮组和第三差动轮组中的第一轮和第二轮连接的电机。

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