CN112947479B - 面向智能仓储的全向重载agv运动控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于包括两个舵轮和两个随动轮的AGV小车，两个舵轮和两个随动轮布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置；所述方法通过运动解耦，以获取小车前舵轮的舵向角θf和线速度Vf以及小车后舵轮的舵向角θb和线速度Vb。本发明提出的一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于基于对角分布式舵轮运动学模型，可以极大程度的解决由于舵轮悬空、打滑造成的行驶障碍问题，满足智能仓储实际使用需求。

Description

面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法和系统
技术领域
本发明涉及领域，尤其涉及一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法和系统。
背景技术
随着现代物流行业的快速发展和全球智能制造的普及，智能仓储领域对智能化搬运需求不断增加，自动导引车(AGV)作为智能化搬运必不可缺的物料运输设备。
磁导航被认为是一种高可靠性的导航技术，在车辆磁导航系统中，车辆的运动学模型建立与运动解算是车辆自主导航的重要组成部分。常见轻载AGV系统运动学建模算法为单舵轮式或中线前后双舵轮式运动学模型，这两种运动学模型舵轮易出现悬空、打滑等问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中的缺陷，本发明提出了一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法和系统。
本发明的目的之一采用以下技术方案：
一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于包括两个舵轮和两个随动轮的AGV小车，两个舵轮和两个随动轮布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置；所述方法包括以下步骤：
S31、获取小车矩形的长边长DL和短边长DW以及两个舵轮的中心距离Dd，小车矩形即以两个舵轮和两个随动轮的中心点为四个角点构成的矩形；
S32、获取小车的质心预调量，所述质心预调量包括线速度v和角速度w，并获取小车中心虚拟轮的位置角θ；
S33、结合以下公式进行运动解耦，以获取小车前舵轮的舵向角θf和线速度Vf以及小车后舵轮的舵向角θb和线速度Vb；
Figure BDA0002989715580000021
其中，Rf、Rb、R、a2、a4均为过渡参数，atan()表示反正切函数，asin()表示反正弦函数，sin()表示正弦函数，cos()表示余弦函数。
优选的，步骤S32中，小车中心虚拟轮的位置角θ根据以下公式计算获得；
Figure BDA0002989715580000022
其中，vx和vy分别为线速度v在x方向上的速度分量和y方向上的速度分量；所述x方向和y方向构成为以地面为参照的平面坐标。
优选的，小车的质心预调量的获取方式包括以下步骤：
S1、在小车上设置多个磁传感器，根据各磁传感器的检测值确定小车的横向偏差和航向偏差；
S2、根据小车的横向偏差和航向偏差获得小车质心预调量。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、根据前端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf，根据后端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb；
前端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成；前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向，且前端磁传感器队列位于后端磁传感器队列靠近小车车头的一侧；
S12、根据以下公式计算小车的横向偏差ε和航向偏差α：
Figure BDA0002989715580000031
Figure BDA0002989715580000032
其中，icenter为小车矩形的中心点；Bf、Bb、icenter均为小车矩形所在平面的二维坐标点。
优选的，步骤S11中，映射点Bf和Bb根据以下公式计算：
Figure BDA0002989715580000033
Figure BDA0002989715580000034
其中，n为前端磁传感器队列中的磁传感器数量，di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器在前端磁传感器队列分布直线上的位置，即di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器与设置的第一参照点在平行于前端磁传感器队列分布直线上的距离；Ei为前端磁传感器队列中第i个磁传感器检测到的磁场强度；
m为后端磁传感器队列中的磁传感器数量，dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器在后端传感器队列分布直线上的位置，即dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器与设置的第二参照点在平行于后端磁传感器队列分布直线上的距离；Ej为后端磁传感器队列中第j个磁传感器检测到的磁场强度；
所述第一参照点和第二参照点的连线垂直于小车短边长方向；或者，所述第一参照点和第二参照点重合。
优选的，步骤S11中，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布。
优选的，步骤S2中，通过模糊自适应PID控制对横向偏差和航向偏差进行求解，以获得小车质心预调量。
本发明的目的之二采用以下技术方案：
一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统，适用于包括两个舵轮和两个随动轮的AGV小车，两个舵轮和两个随动轮布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置；
所述系统包括存储器和处理器；所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于在执行所述计算机程序时，实现如权利要求1或2所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法。
优选的，还包括模型预测控制器和设置在所述小车上的前端磁传感器队列和后端磁传感器队列，前端磁传感器队列由位于小车前端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由位于小车后端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向；
处理器还用于根据前端磁传感器队列和后端磁传感器队列中各磁传感器的检测值计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf和小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb，并结合映射点Bf和映射点Bb计算横向偏差ε和航向偏差α；模型预测控制器用于对小车的横向偏差和航向偏差求解，以获得小车质心预调量。
优选的，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布。
本发明的优点在于：
(1)本发明提出的一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于基于对角分布式舵轮运动学模型，可以极大程度的解决由于舵轮悬空、打滑造成的行驶障碍问题，满足智能仓储实际使用需求。
(2)本发明在现有磁场分布模型的基础上，提出一种序列磁场比值算法，提高了车辆横向偏差与角度偏差测量精度，并应用模糊PID控制对全向重载AGV系统进行导引控制。
(3)本发明中对系统转向曲率、车辆横向偏差、角度偏差进行平滑优化，有效解决了系统控制量单一、车身异常抖动、车轮打滑的问题，提高了系统鲁棒性与导引控制精度。
(4)本发明具有较好的轨迹跟踪控制性能，满足智能仓储的实际使用需求，有助于全向重载AGV系统安全可靠的完成导引任务。
附图说明
图1为一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法流程图；
图2为小车的质心预调量的获取方法流程图；
图3为小车的横向偏差和航向偏差的获取方法流程图；
图4为小车运动控制矢量分解示意图；
其中，X-Y坐标为以地面为参照的二维坐标，100表示舵轮，200表示随动轮，ik表示当前时刻的小车的中心点位置，ik+1表示下一个时刻的小车的中心点位置，以ik和ik+1为端点的小车运动弧形轨迹所在圆的半径为R；
图5为映射点Bf和Bb的位置示意图；
其中，300表示导航磁条，400表示磁传感器，icernet表示小车中心点。
具体实施方式
一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法
本实施方式提出的一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于包括两个舵轮100和两个随动轮100的AGV小车，两个舵轮100和两个随动轮100布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置。即，本方法适用于对角分布式舵轮，以便通过对角分布式舵轮，避免小车载重出现舵轮翘起的问题，从而保证小车的全向重载能力。
所述面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法包括以下步骤：
S31、获取小车矩形的长边长DL和短边长DW以及两个舵轮的中心距离Dd，小车矩形即以两个舵轮100和两个随动轮100的中心点为四个角点构成的矩形，
Figure BDA0002989715580000061
S32、获取小车的质心预调量，所述质心预调量包括线速度v和角速度w，并获取小车中心虚拟轮的位置角θ。
具体的，本实施方式中，
Figure BDA0002989715580000062
线速度v为矢量，vx和vy分别为线速度v在x方向上的速度分量和y方向上的速度分量，即，
Figure BDA0002989715580000063
所述x方向和y方向构成为以地面为参照的平面坐标，即x方向和y方向表示为分析小车运动建立的平面坐标的x轴方向和y轴方向。
具体实施时，本步骤中，可根据vx和vy计算线速度v，也可根据线速度v计算vx和vy。
S33、结合以下公式进行运动解耦，以获取小车前舵轮的舵向角θf和线速度Vf以及小车后舵轮的舵向角θb和线速度Vb；
Figure BDA0002989715580000071
以上公式中，Rf、Rb、R、a2、a4均为过渡参数，atan()表示反正切函数，asin()表示反正弦函数，sin()表示正弦函数，cos()表示余弦函数。
小车的质心预调量的获取方法
本实施方式中，小车的质心预调量的获取方式包括以下步骤：
S1、在小车上设置多个磁传感器，根据各磁传感器的检测值确定小车的横向偏差和航向偏差。
S2、根据小车的横向偏差和航向偏差获得小车质心预调量。
如此，在步骤S1中，通过小车上不同位置的磁传感器检测到的磁场强度，可判断小车相对于地面铺设的导航磁条的位置，从而计算小车的横向偏差和航向偏差。然后，步骤S2中，直接应用现有的模型预测控制器求解，模型预测控制器可根据输入的横向偏差和航向偏差直接计算并输出小车质心预调量。具体的，本实施方式中，模型预测控制器采用模糊自适应PID控制对横向偏差和航向偏差进行求解，以获得小车质心预调量。
本实施方式的步骤S2中，通过模糊自适应PID控制对横向偏差和航向偏差进行求解，以获得小车质心预调量的方式为：首先通过函数映射，对横向偏差和航向偏差的单位进行统一，例如将航向偏差通过自定义的函数映射转换为常数值，以便对横向偏差和航向偏差进行计算；然后，结合横向偏差和转换后的航向偏差计算模糊自适应PID控制器的输入即误差E和误差变化率Ec；然后通过模糊自适应PID控制获得小车质心预调量。
即，本实施方式中，获取模糊自适应PID的输出作为小车质心预调量，而作为模糊自适应PID的输入的误差E和误差变化率Ec的计算公式如下：
Figure BDA0002989715580000081
其中，Gd为过渡参数，表示通过函数f对横向偏差ε和航向偏差α进行综合运算的结果，Gdt为当前时刻的横向偏差ε和航向偏差α对应的运算值，Gdt-1为上一时刻的横向偏差ε和航向偏差α对应的运算值，Δt为当前时刻和上一时刻之间的时间差值。
小车的横向偏差和航向偏差的获取方法
S11、根据前端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf，根据后端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb；
前端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成；前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向。且前端磁传感器队列位于后端磁传感器队列靠近小车车头的一侧。
具体的，本实施方式中，
Figure BDA0002989715580000091
Figure BDA0002989715580000092
其中，n为前端磁传感器队列中的磁传感器数量，di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器在前端磁传感器队列分布直线上的位置，di以一维坐标值表示，即di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器与设置的第一参照点在平行于前端磁传感器队列分布直线上的距离；Ei为前端磁传感器队列中第i个磁传感器检测到的磁场强度；
m为后端磁传感器队列中的磁传感器数量，dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器在后端传感器队列分布直线上的位置，dj以一维坐标值表示，即dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器与设置的第二参照点在平行于后端磁传感器队列分布直线上的距离；Ej为后端磁传感器队列中第j个磁传感器检测到的磁场强度。所述第一参照点和第二参照点的连线垂直于小车短边长方向；或者，所述第一参照点和第二参照点重合。
S12、根据以下公式计算小车的横向偏差ε和航向偏差α：
Figure BDA0002989715580000093
Figure BDA0002989715580000094
其中，icenter为小车矩形的中心点；Bf、Bb、icenter均为小车矩形所在平面的二维坐标点。
具体的，本实施方式中，可以小车矩形的前后短边长为一维坐标，从而在所述一维坐标上对Bf和Bb进行定位。具体实施时，可以短边长的中心点连线上的点为原点，以平行于短边长的方向为矢量方向建立一维坐标，则Bf和Bb均为为一维矢量。本实施例中，通过平行于小车矩形短边长方向的一维坐标进行坐标运算，平行于小车长边长方向的直线上的点的一位坐标均相同。例如，前端磁传感器队列位于小车矩形的前端短边长上，后端磁传感器队列位于小车矩形的后端短边长上。此时上述公式(1)和(2)中，当前端磁传感器队列中第i个磁传感器位于小车矩形的前端短边长中心点的上方时，则di取正值，其绝对值为该第i个磁传感器的中心点与小车矩形的前端短边长中心点之间的距离；当前端磁传感器队列中第i个磁传感器位于小车矩形的前端短边长中心点的下方时，则di取负值，其绝对值为该第i个磁传感器的中心点与小车矩形的前端短边长中心点之间的距离。同理，当后端磁传感器队列中第j个磁传感器位于小车矩形的后端短边长中心点的上方时，则dj取正值，其绝对值为该第j个磁传感器的中心点与小车矩形的后端短边长中心点之间的距离；当后端磁传感器队列中第j个磁传感器位于小车矩形的后端短边长中心点的下方时，则dj取负值，其绝对值为该第j个磁传感器的中心点与小车矩形的后端短边长中心点之间的距离。
具体实施时，步骤S11中，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，如此，在采用一维坐标时，方便了映射点Bf和Bb的计算。
具体实施时，也可以小车矩形为参照，建立二维坐标系，以根据各磁传感器的检测值结合各磁传感器在所述二维坐标系中的坐标而计算映射点Bf和Bb的二维坐标。则公式(1)(2)(3)(4)均以二维坐标进行计算。
一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统
本实施方式提出的一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统，适用于包括两个舵轮100和两个随动轮100的AGV小车，两个舵轮100和两个随动轮100布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置。
所述系统，包括存储器、处理器、模型预测控制器和设置在所述小车上的前端磁传感器队列和后端磁传感器队列。
前端磁传感器队列由位于小车前端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由位于小车后端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向。
处理器用于根据前端磁传感器队列和后端磁传感器队列中各磁传感器的检测值计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf和小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb，并结合映射点Bf和映射点Bb计算横向偏差ε和航向偏差α；模型预测控制器用于对小车的横向偏差和航向偏差求解，以获得小车质心预调量。具体的，模型预测控制器采用模糊自适应PID控制对横向偏差和航向偏差进行求解，以获得小车质心预调量。横向偏差ε和航向偏差α的计算可参照上述步骤S11和步骤S12。
所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于在执行所述计算机程序时，实现上述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法。
具体的，本实施方式中，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布。
本实施方式中，还提出了一种存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现上述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，适用于包括两个舵轮(100)和两个随动轮(200)的AGV小车，两个舵轮(100)和两个随动轮(200)布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S31、获取小车矩形的长边长DL和短边长DW以及两个舵轮的中心距离Dd，小车矩形即以两个舵轮(100)和两个随动轮(200)的中心点为四个角点构成的矩形；
S32、获取小车的质心预调量，所述质心预调量包括线速度v和角速度w，并获取小车中心虚拟轮的位置角θ；
S33、结合以下公式进行运动解耦，以获取小车前舵轮的舵向角θf和线速度Vf以及小车后舵轮的舵向角θb和线速度Vb；
Figure FDA0003748240460000011
其中，Rf、Rb、R、a2、a4均为过渡参数，atan()表示反正切函数，asin()表示反正弦函数，sin()表示正弦函数，cos()表示余弦函数；
步骤S32中，小车中心虚拟轮的位置角θ根据以下公式计算获得；
Figure FDA0003748240460000021
其中，vx和vy分别为线速度v在x方向上的速度分量和y方向上的速度分量；所述x方向和y方向构成为以地面为参照的平面坐标；
小车的质心预调量的获取方式包括以下步骤：
S1、在小车上设置多个磁传感器，根据各磁传感器的检测值确定小车的横向偏差和航向偏差；
S2、根据小车的横向偏差和航向偏差获得小车质心预调量；
步骤S1具体包括以下步骤：
S11、根据前端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf，根据后端磁传感器队列中各磁传感器检测到的磁场强度计算小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb；
前端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由排列在同一直线上的多个磁传感器组成；前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向，且前端磁传感器队列位于后端磁传感器队列靠近小车车头的一侧；
S12、根据以下公式计算小车的横向偏差ε和航向偏差α：
Figure FDA0003748240460000022
Figure FDA0003748240460000023
其中，icenter为小车矩形的中心点；Bf、Bb、icenter均为小车矩形所在平面的二维坐标点；
步骤S11中，映射点Bf和Bb根据以下公式计算：
Figure FDA0003748240460000031
Figure FDA0003748240460000032
其中，n为前端磁传感器队列中的磁传感器数量，di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器在前端磁传感器队列分布直线上的位置，即di为前端磁传感器队列中第i个磁传感器与设置的第一参照点在平行于前端磁传感器队列分布直线上的距离；Ei为前端磁传感器队列中第i个磁传感器检测到的磁场强度；
m为后端磁传感器队列中的磁传感器数量，dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器在后端传感器队列分布直线上的位置，即dj为后端磁传感器队列中第j个磁传感器与设置的第二参照点在平行于后端磁传感器队列分布直线上的距离；Ej为后端磁传感器队列中第j个磁传感器检测到的磁场强度；
所述第一参照点和第二参照点的连线垂直于小车短边长方向；或者，所述第一参照点和第二参照点重合。
2.如权利要求1所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，其特征在于，步骤S11中，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布。
3.如权利要求1所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法，其特征在于，步骤S2中，通过模糊自适应PID控制对横向偏差和航向偏差进行求解，以获得小车质心预调量。
4.一种面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统，适用于包括两个舵轮(100)和两个随动轮(200)的AGV小车，两个舵轮(100)和两个随动轮(200)布置在同一矩形的四个角点上，且两个舵轮呈对角线布置；
其特征在于，所述系统包括存储器和处理器；所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于在执行所述计算机程序时，实现如权利要求1所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制方法。
5.如权利要求4所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统，其特征在于，还包括模型预测控制器和设置在所述小车上的前端磁传感器队列和后端磁传感器队列，前端磁传感器队列由位于小车前端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，后端磁传感器队列由位于小车后端且排列在同一直线上的多个磁传感器组成，前端磁传感器队列和后端磁传感器队列所在直线方向均平行于小车矩形短边长方向；
处理器还用于根据前端磁传感器队列和后端磁传感器队列中各磁传感器的检测值计算小车车头位置的磁条在小车矩形上的映射点Bf和小车车尾位置的磁条在小车矩形上的映射点Bb，并结合映射点Bf和映射点Bb计算横向偏差ε和航向偏差α；模型预测控制器用于对小车的横向偏差和航向偏差求解，以获得小车质心预调量。
6.如权利要求5所述的面向智能仓储的全向重载AGV运动控制系统，其特征在于，前端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布，后端磁传感器队列中的磁传感器等间距分布。
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