CN112666934A - 一种汽车搬运agv控制系统、调度系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车搬运AGV控制系统、调度系统及控制方法，涉及智能物流搬运领域，所述控制系统包括设置在AGV车体上的供电单元、车控单元、驱动单元、导航单元、防撞单元及搬运单元；所述供电单元用于为所述AGV控制系统提供电能；所述车控单元用于接收位置及路径信息，并根据所述AGV车体位置实现航位推算和轨迹跟踪；所述驱动单元用于控制AGV车轮的行走及转向；所述导航单元用于AGV车体的定位及姿态信息获取；所述防撞单元用于AGV自动运行下的安全区域检测及避障；所述搬运单元用于将待搬运汽车抬起或放下。本发明采用差分GPS+惯导+里程计组合导航方式应用在复杂环境进行导航，并辅助激光雷达进行避障，结合传统磁导航和视觉导航技术，使其行驶速度提升到4.5m/s。

Description

一种汽车搬运AGV控制系统、调度系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智能物流搬运领域，尤其涉及一种汽车搬运AGV控制系统、调度系统及控制方法。

背景技术

近年来，AGV作为柔性的自动化搬运设备越来越受到各行各业的关注，从工厂车间的物料转运到智能停车，但AGV室内应用案例较多，随着需求的发展或半AGV技术将逐步完善并进入应用阶段，从需求行业来看，港口AGV、巡检AGV、汽车搬运AGV需求旺盛。

因此，针对港口、汽车厂等需要大量汽车转运的场合，我们提出一种想法：设计一款用于转运汽车AGV替代人工转运，解决人工转运效率低，成本高的难题。

AGV传统的导航方式主要为磁导航和视觉导航，由地面上铺设的磁条或色带作为参考，AGV在行进过程中不断动态修正其与预定轨迹的偏差。然而这种导航方式，虽然使得AGV可以不受人的控制自动行走，但固定的轨迹极大地限制了运动。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种汽车搬运AGV控制系统、调度系统及控制方法，采用差分GPS+惯导+里程计组合导航方式应用在复杂环境进行导航，并辅助激光雷达进行避障，结合传统磁导航和视觉导航技术，使其行驶速度提升到4.5m/s。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种汽车搬运AGV控制系统，所述系统包括设置在AGV车体上的供电单元、车控单元、驱动单元、导航单元、防撞单元及搬运单元；

所述供电单元用于为所述AGV控制系统提供电能；

所述车控单元用于接收位置及路径信息，并根据所述AGV车体位置实现航位推算和轨迹跟踪；

所述驱动单元用于控制AGV车轮的行走及转向；

所述导航单元用于AGV车体的定位及姿态信息获取；

所述防撞单元用于AGV自动运行下的安全区域检测及避障；

所述搬运单元用于将待搬运汽车抬起或放下。

进一步的，所述驱动单元包括在所述AGV车体下方呈对角设置的两舵轮；

每个舵轮包括转向伺服电机驱动系统和行走伺服驱动系统；

所述转向伺服驱动系统用于控制转动AGV车轮的角度，采用绝对值编码器针对AGV车轮位置实现闭环控制；

所述行走伺服驱动系统用于控制AGV车轮的行走，采用增量编码器针对AGV车轮速度实现闭环控制。

进一步的，所述导航单元包括GPS导航模块、惯性导航模块、里程计模块；

所述GPS导航模块与所述惯性导航模块结合能够实现对所述AGV车体的差分定位；

所述里程计模块能够通过获取AGV每个车轮的速度和转角计算出车体姿态位置。

进一步的，所述防撞单元包括至少两个前端激光雷达和至少两个后端激光雷达；

所述前端激光雷达和所述后端激光雷达，分别设置在所述AGV车体的前端和后端。

进一步的，所述搬运单元包括抬升模块、夹紧模块及变轴模块；

所述抬升模块能够控制所述夹紧模块上升或下降；

所述夹紧模块能够自动加持汽车轮胎；

所述变轴模块能够自动寻找不同轴距汽车的轮胎位置。

根据本发明的第二方面，提供了一种汽车搬运AGV调度系统，其特征在于，所述调度系统用于与如本发明第一方面所述的控制系统实时通信，规划搬运任务路径及多辆AGV协同作业管理，包括：

微处理器，被配置为能够将搬运任务转化为AGV运行指令及路径；

发送器，被配置为能够将所述运行指令及路径实时发送至所述控制系统的车控单元；

接收器，被配置为能够实时接收所述控制系统反馈的AGV状态信息。

进一步的，所述调度系统还包括显示器，用于实时显示所述AGV状态信息，当AGV状态信息异常时发出警报。

进一步的，所述AGV状态信息包括：

由供电单元反馈的电量信息；

由驱动单元反馈的AGV车轮的行走及转向信息；

由导航单元反馈的AGV车体的位置及姿态信息；

由防撞单元反馈的避障信息；

由搬运单元反馈的车辆搬运举升信息。

根据本发明的第三方面，提供了一种汽车搬运AGV控制方法，所述方法应用于如本发明第一方面所述的AGV控制系统，包括以下步骤：

S1：将当前搬运任务路径的起点与AGV车体所在实际位置进行匹配，获得实际运行路径；

S2：基于差分GPS与惯导的定位坐标数据进行航位推算，将AGV车体中线坐标实时解算为舵轮的速度和角度信息，并通过里程计航位推算进行矫正，不断调整车体姿态，完成路径跟踪控制；

若GPS信号不稳定，则令AGV减速或停止运行；此时若GPS信号在一定时间内未恢复，则关闭差分定位而仅基于里程计航位推算进行车体调整与路径跟踪；

S3：当AGV运行至路径终点时，针对不同车辆前后轮轴距进行变轴并夹紧轮胎，随后将车辆举升，进行汽车搬运作业。

进一步的，所述S2中里程计航位推算为根据每个舵轮的速度和转角反推出车体姿态变化及相对位置；

所述S2中调整车体姿态包括调整车体角度偏差、横向偏差及位置偏差。

进一步的，所述S2包括利用GPS与RTK基站实现差分定位实现运行速度的输出，惯性导航实现角速度和航向值的输出，里程计根据车轮速度和转角推算车体里程信息。

进一步的，基于差分GPS与惯导的定位坐标数据进行航位推算，将AGV车体中线坐标实时解算为舵轮的速度和角度信息，包括：

(1)获取AGV中心点的参数为V，W，A，其中，V为速度大小、W为角速度大小、A为舵向值；

(2)根据V，W，求AGV的旋转半径R，并结合A求得得到AGV旋转中心，其中，

(3)分别求解AGV运行前后两舵轮旋转中心点与AGV旋转中心的距离，并结合航向值A实现舵轮的速度和角度解算。

进一步的，根据车轮速度和转角推算车体里程信息包括：

(1)根据每个车轮的速度和角度，计算出车轮在T时间里位置的变化，如X、Y、角度等；

(2)根据车体模型反推出车体中心姿态在T时间里X、Y、角度的增加值；

(3)在累计坐标里程信息基础上增加T时间的里程信息。

相对于现有技术，本发明所述的一种汽车搬运AGV控制系统、调度系统及控制方法具有如下优势：

对于传统的有线式导向技术而言，主要是磁导航和机器视觉，对地面的平整和清洁程度非常高，并且电磁和磁带导向方式对地面的平整程度要求较高，并且有线式导向方法的路径柔性相对较差，其中电磁感应埋线导向技术导向路径的变更最困难，成本较高。

对于传统的无线式导向技术而言，主要是激光导向技术，其环境要求是空间的无障碍程度。这是由于该种方法要在AGV运行所经过空间的特定位置处设置反射镜面。因此，需要提供足够的扫描空间，避免其他物体的干扰。

AGV的运行速度受导向技术的影响很大，主要取决于对导向路径识别的实时性。所采用的导向技术对路径的识别能力(如检测精确性、实时性和抗干扰性等)直接影响运行速度，通常有线导航AGV运行速度约为1m/s；无线导航AGV运行速度约为2m/s。

本发明采用差分GPS+惯导导航技术与里程计推算相结合，并辅以激光雷达进行避障，完成AGV的路径修正与姿态调整，使AGV能够沿预定路径准确运行，实现了AGV在速度高达4.5m/s时的自动导航运行；差分GPS+惯导与里程计相结合，能够利用GPS+惯导反馈的位置速度等信息，矫正里程计的累计误差，同时也能借助GPS数据在行驶中进行初始坐标对准，另一方面里程计也能加速GPS信号的捕获。

因此，在本申请所述控制系统下运行的AGV，其路径柔性好，能够灵活避障而不受铺设路径或障碍物的影响；同时在GPS信号受到干扰的恶劣环境下能够仅通过里程计完成姿态调整，实现了AGV在恶劣环境下的自动搬运作业。

进一步的，由于本申请提供的AGV控制系统能够使AGV精确且高速的运行，因此在一些适合高速运行的环境中，可以通过提升速度节省AGV数量，由于其AGV的运行速度至少是其他AGV的2倍，因此相对其它速度慢的AGV来说能够大幅节省成本或运行时间；同时高速AGV无需做任何更改，也能覆盖低速AGV使用环境的需求，使得本申请提供的AGV控制系统能够覆盖众多使用环境和需求。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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是本发明所述的控制系统的布局示意图；

图2是本发明所述的导航单元的原理示意图；

图3是本发明所述的控制方法流程图；

图4是本发明所述的车体姿态控制原理示意图；

图5是本发明所述的基于二阶贝塞尔曲线的路径示意图；

图6是本发明所述的双舵轮运动模型示意图。

其中，1-供电单元；2-车控单元；3-导航单元；4-驱动单元；5-防撞单元；6-夹紧模块；7-抬升模块；8-变轴模块。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本发明所述一种汽车搬运AGV控制系统，AGV车体采用2组舵轮、2组万向轮，AGV采用U形结构设计，2组舵轮对角放置、另一对角放置万向轮。室外搬运汽车AGV按照调度系统规划路径，在GPS和惯导组合导航下进行轨迹跟踪实现自动存取车功能。

如图1所示，本发明所述的一种汽车搬运AGV控制系统包括AGV基本组成部分如供电单元1、车控单元2、导航单元3、驱动单元4、防撞单元5、搬运单元。

所述车控单元接收组合导航系统的坐标信息、接收调度系统路径信息，根据车体位置实现航位推算和轨迹跟踪。

所述调度系统包括车辆控制界面和自主路径规划及多车任务协同管理，调度系统通过通讯模块与车体无线通讯模块实现与车体实时通信，路线设定是调度系统根据AGV当前位置和订单任务计算出一条合理的最优路径，完成AGV汽车搬运功能。

所述驱动单元4包括2组舵轮，每组舵轮包含1组转向伺服电机驱动系统、1组行走伺服驱动系统、转向伺服驱动系用于转动车轮的角度，采用绝对值编码器位置闭环控制，行走伺服驱动系统用于车轮的行走，采用增量编码器速度闭环控制。

所述防撞单元5包括2台前端激光雷达和2台后端激光雷达，用于自动导航模式下安全区域的检测。

所搬运单元包括夹紧模块6、抬升模块7、变轴模块8。每组抬升模块7包含伺服系统和升降机组成，伺服系统包含伺服电机和驱动器、升降机内置上下限位。4组独立的抬升模块7需要同时升降，每次上电时需要独立寻找原地位置变轴模块8包括伺服系统、减速器、离合器和编码器共两组，用于自动寻找不同轴距汽车的后侧轮胎位置。夹紧模块6包括电动推杆和限位传感器，用于自动加持汽车轮胎。

如图2所示，所述组合导航系统包括差分GPS卫星定位系统、惯性导航系统、里程计多传感器融合导航。GPS卫星定位系统与RTK基站实现差分定位，惯性导航实现角度数据输出，车轮速度和转角推算车体里程信息，差分GPS+惯导坐标数据实时校准，实现AGV高精度高可靠性航位推算。车控单元数据处理后得到车体的姿态信息、减速命令信息或转弯位置信息，其中姿态信息包括左右偏移值和偏转角度，实现AGV运动过程中的姿态调节，如图2所示，基站与车体天线数据经过惯导对差分数据融合，数据传输采用RS232通信，波特率位115200，数据刷新频率位最高到100HZ，由于需要连续发送三包数据因此刷新频率降低到50HZ，即20ms时间接收一包数据，同时需要经纬度转换成XY局部坐标的功能，可以在任何一点设置原点，并通过上位机界面设置参数。根据车控单元要求需要在50HZ频率下接收数据时，设置时间戳功能，检测是否稳定在20ms采集一次数据，如果时间不稳定需要调整解算数据算法。惯导实时反馈数据融合类型，RTK fixed状态下数值为4，如果不是RTK状态数据则舍弃。里程计航位推算原理是根据每个车轮的速度和转角反推出车体姿态位置变化，详细推算过程如下：

(1)在每个循环周期T时间内，获取前后车轮速度和转角值，为保证数据同步性需要同时反馈速度和角度，否则舍弃本次反馈数据；

(2)根据每个车轮的速度和角度，计算出车轮在T时间里位置的变化，如X、Y、角度等；

(3)根据车体模型反推出车体中心姿态在T时间里X、Y、角度的增加值；

(4)在累计坐标里程信息基础上增加T时间的里程信息。

差分GPS+惯导每20ms刷新一次数据，里程计推算循环周期小于导航时间，当导航数据下个周期到来时，搜索最近导航时间戳与当前里程推算时间最近的一次，以惯导数据为基准进行矫正，超过设定最大时间则舍弃矫正。需要注意的是GPS数据不稳定情况肯定会发生，可以设定GPS信号弱最大时间，来确定AGV是否减速停止；目前，当GPS信号不可靠可以采用纯里程推算继续行驶，当超出设定时间值后GPS信号还是不稳定AGV就要减速停止，时间设定是60s可以根据实际情况更改。

如图3所示，本发明提出的一种汽车搬运AGV控制方法，包括以下步骤：

S1：将当前搬运任务路径的起点与AGV车体所在实际位置进行匹配，获得实际运行路径；

S2：基于差分GPS与惯导的定位坐标数据进行航位推算，将AGV车体中线坐标实时解算为舵轮的速度和角度信息，并根据所述信息对里程计航位推算进行矫正，不断调整车体姿态，完成路径跟踪控制；

若GPS信号不稳定，则令AGV减速或停止运行；此时若GPS信号在一定时间内未恢复，则关闭差分定位而仅基于里程计航位推算进行车体调整与路径跟踪；

S3：当AGV运行至路径终点时，针对不同车辆前后轮轴距进行变轴并夹紧轮胎，随后将车辆举升，进行汽车搬运作业。

下面将具体介绍AGV室外自动导航轨迹跟踪控制方法。对角双舵轮运动模型中的参数有线速度大小、角速度大小、舵向值(V，W，A)三个参数，车控单元经过导航控制算法后会下发车体中心参数，即线速度大小、线速度方向、角速度，根据如图4所示的运动模型车体中心参数解算两个舵轮的三个参数。根据图中所示AGV两个舵轮旋转中心支点刚性连接，以两舵轮旋转中心点来计算AGV线速度和角速度。

如图5所示，车控单元根据调度系统下发订单，1个订单由多个边组成，每条边可以是直线也可以是曲线、曲线按照二阶贝塞尔曲线设计，包含起点、终点和2个控制点，其中控制点和起点、终点重合就会形成直线，因此调度系统下发每条边都会包含起点、2个控制点、终点，如图5所示调度系统下发路径从起点A到终点J，包含3条路径，直线A-D、曲线D-G、直线G-J，根据贝塞尔曲线特性每条路径包含了2个控制点，通过计算出这些点的坐标后，下发给AGV车控单元，经过解算实时控制车体中心按照设定路线进行轨迹控制。

车控单元导航坐标数据与当前边终点进行实时计算，得出横向偏差、角度偏差、位置偏差，通过对横向、角度、位置进行PID控制，得出车体中心3个参数调节量(V，W，A)，然后再根据数学模型分解到车轮参数上。

如图6所示，经过PID控制后下发给AGV中心点的参数为(V，W，A)，两舵轮之间的纵向距离为L,横向距离为D，舵轮间距可以计算得到距离为H，夹角为B1，求舵轮1的参数(V1，W1，A1),舵轮2的参数(V2，W2，A2)。

第一步：已知参数(V，W，A)，求AGV的旋转半径。

根据A可知旋转半径与AGV中心点速度的几何关系。实际情况我们可以根据现场实际测试得到一个合适的转弯半径。

第二步：由于两个舵轮旋转中心支点与AGV是刚性连接，所以两舵轮的中心支点必定与AGV旋转中心同心。将AGV旋转中心与两舵轮旋转中心点连接，如图3所示，已知A、R，求R1，R2，A1，A2。

第三步：由于R＝V/W，W1＝W2＝W，所以V1＝V*(R1/R)；V2＝V*(R2/R)；

第四步：将V1、V2、A1、A2分别解算出来，下发给两舵轮控制器，双舵轮AGV就可以按照导航算法去运动。

本发明具体实施步骤如下：

1.AGV启动后，切换成自动模式，车载控制进行自检，自动存取车系统恢复原点位置，与调度系统实时通信，接收导航系统坐标数据；

2.调度系统根据当前位置，根据任务订单下发路径信息；

3.车控单元根据下发当前路径起点与所在实际位置进行匹配，搜索到第1条路径后，进行轨迹跟踪控制；

4.车控单元实时刷新坐标数据进行航位推算，车体中线坐标实时解算到2个轮子速度和角度信息，不断调整车体姿态，完成路径的跟踪PID控制。

5.AGV到达终点为之前的路径，自动存取车系统升降机构下降到最低点，当夹抱杆接触到汽车轮胎后，AGV停止进行原地高精度调节；

6.夹抱轮胎机构夹住轮胎后，抬升汽车100mm；

7.此时调度系统继续下发订单完成存车任务。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种汽车搬运AGV控制系统，其特征在于，所述控制系统包括设置在AGV车体上的供电单元、车控单元、驱动单元、导航单元、防撞单元及搬运单元；

所述供电单元用于为所述AGV控制系统提供电能；

所述车控单元用于接收位置及路径信息，并根据所述AGV车体位置实现航位推算和轨迹跟踪；

所述驱动单元用于控制AGV车轮的行走及转向；

所述导航单元用于AGV车体的定位及姿态信息获取；

所述防撞单元用于AGV自动运行下的安全区域检测及避障；

所述搬运单元用于将待搬运汽车抬起或放下。

2.根据权利要求1所述的一种汽车搬运AGV控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括在所述AGV车体下方呈对角设置的两舵轮；

每个舵轮包括转向伺服电机驱动系统和行走伺服驱动系统；

所述转向伺服驱动系统用于控制转动AGV车轮的角度，采用绝对值编码器针对AGV车轮位置实现闭环控制；

所述行走伺服驱动系统用于控制AGV车轮的行走，采用增量编码器针对AGV车轮速度实现闭环控制。

3.根据权利要求1所述的一种汽车搬运AGV控制系统，其特征在于，所述导航单元包括差分GPS导航模块、惯性导航模块、里程计模块；

所述差分GPS导航模块与所述惯性导航模块结合能够实现对所述AGV车体的定位；

所述里程计模块能够通过获取AGV每个车轮的速度和转角进行航位推算，计算出AGV车体中心位置；

所述里程计模块推算位置通过所述差分GPS导航模块和所述惯性导航模块定位进行位置矫正。

4.根据权利要求1所述的一种汽车搬运AGV控制系统，其特征在于，所述防撞单元包括至少两个前端激光雷达和至少两个后端激光雷达；

所述前端激光雷达和所述后端激光雷达，分别设置在所述AGV车体的前端和后端。

5.根据权利要求1所述的一种汽车搬运AGV控制系统，其特征在于，所述搬运单元包括抬升模块、夹紧模块及变轴模块；

所述抬升模块能够控制所述夹紧模块上升或下降；

所述夹紧模块能够自动加持汽车轮胎；

所述变轴模块能够自动寻找不同轴距汽车的轮胎位置。

6.一种汽车搬运AGV调度系统，其特征在于，所述调度系统用于与如权利要求1～5任一项所述的控制系统实时通信，规划搬运任务路径及多辆AGV协同作业管理，包括：

微处理器，被配置为能够将搬运任务转化为AGV运行指令及路径；

发送器，被配置为能够将所述运行指令及路径实时发送至所述控制系统的车控单元；

接收器，被配置为能够实时接收所述控制系统反馈的AGV状态信息。

7.根据权利要求6所述的一种汽车搬运AGV调度系统，其特征在于，所述调度系统还包括显示器，用于实时显示所述AGV状态信息，当AGV状态信息异常时发出警报。

8.根据权利要求7所述的一种汽车搬运AGV调度系统，其特征在于，所述AGV状态信息包括：

由供电单元反馈的电量信息；

由驱动单元反馈的AGV车轮的行走及转向信息；

由导航单元反馈的AGV车体的位置及姿态信息；

由防撞单元反馈的避障信息；

由搬运单元反馈的车辆搬运举升信息。

9.一种汽车搬运AGV控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1～5任一项所述的AGV控制系统，包括以下步骤：

S1：将当前搬运任务路径的起点与AGV车体所在实际位置进行匹配，获得实际运行路径；

S2：基于差分GPS与惯导的定位坐标数据进行航位推算，将AGV车体中线坐标实时解算为舵轮的速度和角度信息，并根据所述信息对里程计航位推算进行矫正，不断调整车体姿态，完成路径跟踪控制；

S3：当AGV运行至路径终点时，针对不同车辆前后轮轴距进行变轴并夹紧轮胎，随后将车辆举升，进行汽车搬运作业。

10.根据权利要求9所述的一种汽车搬运AGV控制方法，其特征在于，所述S2中里程计航位推算为根据每个舵轮的速度和转角反推出车体姿态变化及相对位置；

所述S2中调整车体姿态包括调整车体角度偏差、横向偏差及位置偏差。

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