CN113111443A - 智能运输小车及运动模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种智能运输小车及运动模型构建方法，小车包括车架，在车架的内部一端固定设有蓄电池，在车架的底部固定设有底板，在车架的内部中间位置设有驱动轮，驱动轮的中轴设有同步带轮，同步带轮通过同步带与驱动电机的输出端连接，在驱动电机的一侧设有减速机；在底板的上表面设有电机驱动器，在底板的外侧设有地标传感器，在底板的下方的四个直角位置分别设有减震万向轮，在底板的上表面设有微控制器以及磁导航传感器，磁导航传感器设于微控制器的一侧，在底板的自由末端设有红外传感器。本发明提出的智能运输小车，可满足运输过程中安全平稳运输的要求，提高了运输的稳定性以及安全性。

Description

智能运输小车及运动模型构建方法
技术领域
本发明涉及智能运输设备技术领域，特别涉及一种智能运输小车及运动模型构建方法。
背景技术
目前，智能运输小车已经广泛运用到自动化生产线上，普遍应用在电子、电商分拣、烟草、汽车、化工、医药以及冶金等行业。此外，智能运输小车还可还用在人工无法完成的领域。
具体的，智能运输小车的导引方式包括电磁导引、光学导引、磁带导引、激光导引、超声波导引、惯性导引、图像识别导引以及GPS导引。目前电磁感应的导引技术使用最多，技术比较成熟。智能运输小车的控制方式大多采用模糊控制，由于通过磁导航传感器检测的信息本身是在一个范围量内无法得到确切的数字，因此只能通过模糊控制来解决。现有的AGV样车模型，采用六轮差速驱动，同样也是采用磁带导引的方式。并且通过磁导航传感器和地标传感器检测信息，控制方式同样为模糊控制。
然而，由于六轮差速驱动在行驶的时候避免不了会发生振动，现有方案中的万向轮不具备减震功能，且由于既没有安装安全触边也没有采用红外传感器进行避障，因此缺少相应的安全避障措施。因此无法满足运输过程中安全平稳运输的要求，不能很好地满足实际应用需求。
发明内容
为此，本发明的目的是为了解决现有技术中，现有的运输小车无法满足运输过程中安全平稳运输的要求的问题。
本发明提出一种智能运输小车，包括车架，其中，在所述车架的内部一端固定设有蓄电池，在所述车架的底部固定设有底板，在所述车架的内部中间位置设有驱动轮，所述驱动轮的中轴设有同步带轮，所述同步带轮通过同步带与驱动电机的输出端连接，在所述驱动电机的一侧设有减速机；
在所述底板的上表面设有电机驱动器，在所述底板的外侧设有地标传感器，在所述底板的下方的四个直角位置分别设有减震万向轮，在所述底板的上表面设有微控制器以及磁导航传感器，所述磁导航传感器设于所述微控制器的一侧，在所述底板的自由末端设有红外传感器。
所述智能运输小车，其中，在所述车架的外表面固定设有车架面板，所述驱动轮的直径大于所述减震万向轮的直径。
所述智能运输小车，其中，所述减震万向轮包括左前减震万向轮，右前减震万向轮，左后减震万向轮以及右后减震万向轮，所述左前减震万向轮，所述右前减震万向轮，所述左后减震万向轮以及所述右后减震万向轮分别设于所述底板的四个直角位置；
所述驱动轮包括左驱动轮以及右驱动轮，所述左驱动轮以及所述右驱动轮设于所述车架的中间位置。
本发明还提出一种智能运输小车的运动模型构建方法，其中，所述智能运输小车为如上所述的智能运输小车，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别根据左驱动轮的旋转半径以及右驱动轮的旋转半径，计算得到左驱动轮速度以及右驱动轮速度；
步骤二：根据所述左驱动轮速度以及所述右驱动轮速度计算得到小车旋转角速度，并根据所述小车旋转角速度计算得到小车速度；
步骤三：将所述小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分，以得到小车角度以及小车位置坐标，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动。
本发明提出的智能运输小车的运动模型构建方法，首先根据左驱动轮的旋转半径以及右驱动轮的旋转半径，计算得到左驱动轮速度以及右驱动轮速度。然后根据左驱动轮速度以及右驱动轮速度计算得到小车旋转角速度，并根据小车旋转角速度计算得到小车速度，在确定了小车角度以及小车位置坐标之后，通过控制角度偏差以及位置偏差来控制智能运输小车进行运动。本发明提出的智能运输小车的运动模型构建方法中，综合考虑了角度偏差以及位置偏差，可满足运输过程中安全平稳运输的要求，提高了运输的稳定性以及安全性。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，所述智能运输小车在运动时，驱动轮旋转中心与小车旋转中心相同，在所述步骤一中，驱动轮旋转半径与小车旋转半径存在如下关系：
Figure BDA0003051666800000031
左驱动轮速度以及右驱动轮速度分别表示为：
Figure BDA0003051666800000032
其中，小车左驱动轮速度为V1，右驱动轮速度为V2，小车的旋转半径为R，小车旋转角速度为ω，左驱动轮与右驱动轮之间的距离为L，左驱动轮旋转半径为R1，右驱动轮旋转半径为R2。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，在所述步骤二中，所述小车旋转角速度表示为：
Figure BDA0003051666800000033
所述小车速度表示为：
V＝(V1+V2)/2
其中，小车运行速度为V。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，在所述步骤三中，将所述小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分的步骤表示为：
Figure BDA0003051666800000034
积分后可得：
Figure BDA0003051666800000041
其中，φ0分别为小车初始时刻的角度，x0、y0为小车初始时刻的位置坐标，φ为小车的角度，x、y为小车的位置坐标，VX，VY分别为小车X轴方向上的小车速度以及Y轴方向上的小车速度。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，在所述步骤三中，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动的步骤表示为：
Figure BDA0003051666800000042
其中，小车的角度偏差为Δa，小车的位置偏差为Δe，Δt为时间差。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，所述方法还包括：
对角度以及位置进行微分的公式表示为：
Figure BDA0003051666800000043
其中，dφ，de分别为角度微分值以及位置微分值，t为时间值。
所述智能运输小车的运动模型构建方法，其中，对角度微分值以及位置微分值进行拉氏变换以确定得到运动模型，所述运动模型表示为：
Figure BDA0003051666800000044
其中，φ(s)表示小车运动时的实时角度，e(s)表示小车运动时的实时位置，s为小车所行驶的距离。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
本发明实施例的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明提出的智能运输小车的整体结构示意图；
图2为图1中智能运输小车的内部结构示意图；
图3为本发明提出的智能运输小车的运动模型构建方法的原理框图；
图4为本发明提出的智能运输小车的运动学模型原理图。
主要符号说明：
车架 11 减震万向轮 19
蓄电池 12 微控制器 20
同步带 13 磁导航传感器 21
同步带轮 14 红外传感器 22
驱动轮 15 车架面板 110
地标传感器 16 底板 111
电机驱动器 17 驱动电机 171
减速机 18
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于六轮差速驱动在行驶的时候避免不了会发生振动，现有方案中的万向轮不具备减震功能，且由于既没有安装安全触边也没有采用红外传感器进行避障，因此缺少相应的安全避障措施。因此无法满足运输过程中安全平稳运输的要求，不能很好地满足实际应用需求。
为了解决这一技术问题，请参阅图1与图2，本发明提出一种智能运输小车，包括车架11。
其中，在车架11的内部一端固定设有蓄电池12，在车架11的底部固定设有底板111。可以理解的，设置的蓄电池12可为整车提供驱动电源。
具体的，在车架11的内部中间位置设有驱动轮15，在驱动轮15的中轴设有同步带轮14。在本实施例中，同步带轮14通过同步带13与驱动电机171的输出端连接，在驱动电机171的一侧设有减速机18。在实际应用中，驱动电机171通过同步带13带动驱动轮15进行转动。
此外，在底板111的上表面设有电机驱动器17，在底板111的外侧设有地标传感器16。在底板111的下方的四个直角位置分别设有减震万向轮19，在底板111的上表面设有微控制器20以及磁导航传感器21。磁导航传感器21设于微控制器20的一侧，在底板111的自由末端设有红外传感器22。
在此需要补充的是，在车架11的外表面固定设有车架面板110。此外，从图2中可以看出，驱动轮15的直径大于减震万向轮19的直径。
具体的，上述的减震万向轮19包括左前减震万向轮，右前减震万向轮，左后减震万向轮以及右后减震万向轮。其中，左前减震万向轮，右前减震万向轮，左后减震万向轮以及右后减震万向轮分别设于底板111的四个直角位置。此外，驱动轮15包括左驱动轮以及右驱动轮。其中，左驱动轮以及右驱动轮设于车架11的中间位置。
在此特别指出的是，小车运动学模型的建立需要建立在以下几点假设上：
(1)所铺设的磁道是连续的，宽度的精确度在误差允许范围以内；
(2)小车所在平面是平整的，即小车在二维空间内运动；
(3)小车轮子与地面之间不发生相对滑动；
(4)减震万向轮可以完全跟随驱动轮的运行状态。
在满足上述条件下，请参阅图3与图4，本发明还提出一种智能运输小车的运动模型构建方法，其中，所述智能运输小车为如上所述的智能运输小车，所述方法包括如下步骤：
S101，分别根据左驱动轮的旋转半径以及右驱动轮的旋转半径，计算得到左驱动轮速度以及右驱动轮速度。
在本步骤中，智能运输小车在运动时，驱动轮旋转中心与小车旋转中心相同。具体的，驱动轮旋转半径与小车旋转半径存在如下关系：
Figure BDA0003051666800000071
左驱动轮速度以及右驱动轮速度分别表示为：
Figure BDA0003051666800000072
其中，小车左驱动轮速度为V1，右驱动轮速度为V2，小车的旋转半径为R，小车旋转角速度为ω，左驱动轮与右驱动轮之间的距离为L，左驱动轮旋转半径为R1，右驱动轮旋转半径为R2。
S102，根据所述左驱动轮速度以及所述右驱动轮速度计算得到小车旋转角速度，并根据所述小车旋转角速度计算得到小车速度。
在本步骤中，联立上述公式(6-1)以及公式(6-2)，可计算得到小车旋转角速度。
具体的，在本步骤中，小车旋转角速度表示为：
Figure BDA0003051666800000073
所述小车速度表示为：
V＝(V1+V2)/2 (6-4)
其中，小车运行速度为V。
S103，将所述小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分，以得到小车角度以及小车位置坐标，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动。
在本步骤中，将小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分的步骤表示为：
Figure BDA0003051666800000081
积分后可得：
Figure BDA0003051666800000082
其中，φ0分别为小车初始时刻的角度，x0、y0为小车初始时刻的位置坐标，φ为小车的角度，x、y为小车的位置坐标，VX，VY分别为小车X轴方向上的小车速度以及Y轴方向上的小车速度。在本发明中，是通过减少角度偏差Δa和位置偏差Δe来实现小车沿预定轨迹运行。
实际上，小车的运行姿态实际为直线运行加圆弧运行的方式。其中，在直线运行时，若小车偏离磁道中心，可通过调节电机转速的方式使其向磁道中心逼近。逼近过程小车近似呈曲线运行，设小车的角度偏差为Δa，位置偏差为Δe，则其变化率分别为：
具体的，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动的步骤表示为：
Figure BDA0003051666800000083
其中，小车的角度偏差为Δa，小车的位置偏差为Δe，Δt为时间差。
所述方法还包括：
对公式(6-7)进行微分后所得到的公式表示为：
Figure BDA0003051666800000091
其中，dφ，de分别为角度微分值以及位置微分值，t为时间值。
因为小车的运动是连续的，因此可对式(6-8)作拉氏变换得：
对角度微分值以及位置微分值进行拉氏变换以确定得到运动模型，所述运动模型表示为：
Figure BDA0003051666800000092
其中，φ(s)表示小车运动时的实时角度，e(s)表示小车运动时的实时位置，s为小车所行驶的距离。可以理解的，在确定了智能运输小车的运行模型后，即按照该运动模型对小车进行运动控制。
本发明提出的智能运输小车的运动模型构建方法，首先根据左驱动轮的旋转半径以及右驱动轮的旋转半径，计算得到左驱动轮速度以及右驱动轮速度。然后根据左驱动轮速度以及右驱动轮速度计算得到小车旋转角速度，并根据小车旋转角速度计算得到小车速度，在确定了小车角度以及小车位置坐标之后，通过控制角度偏差以及位置偏差来控制智能运输小车进行运动。本发明提出的智能运输小车的运动模型构建方法中，综合考虑了角度偏差以及位置偏差，可满足运输过程中安全平稳运输的要求，提高了运输的稳定性以及安全性。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种智能运输小车，包括车架，其特征在于，在所述车架的内部一端固定设有蓄电池，在所述车架的底部固定设有底板，在所述车架的内部中间位置设有驱动轮，所述驱动轮的中轴设有同步带轮，所述同步带轮通过同步带与驱动电机的输出端连接，在所述驱动电机的一侧设有减速机；
在所述底板的上表面设有电机驱动器，在所述底板的外侧设有地标传感器，在所述底板的下方的四个直角位置分别设有减震万向轮，在所述底板的上表面设有微控制器以及磁导航传感器，所述磁导航传感器设于所述微控制器的一侧，在所述底板的自由末端设有红外传感器。
2.根据权利要求1所述的智能运输小车，其特征在于，在所述车架的外表面固定设有车架面板，所述驱动轮的直径大于所述减震万向轮的直径。
3.根据权利要求2所述的智能运输小车，其特征在于，所述减震万向轮包括左前减震万向轮，右前减震万向轮，左后减震万向轮以及右后减震万向轮，所述左前减震万向轮，所述右前减震万向轮，所述左后减震万向轮以及所述右后减震万向轮分别设于所述底板的四个直角位置；
所述驱动轮包括左驱动轮以及右驱动轮，所述左驱动轮以及所述右驱动轮设于所述车架的中间位置。
4.一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，所述智能运输小车为如上述权利要求1至3任意一项所述的智能运输小车，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别根据左驱动轮的旋转半径以及右驱动轮的旋转半径，计算得到左驱动轮速度以及右驱动轮速度；
步骤二：根据所述左驱动轮速度以及所述右驱动轮速度计算得到小车旋转角速度，并根据所述小车旋转角速度计算得到小车速度；
步骤三：将所述小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分，以得到小车角度以及小车位置坐标，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动。
5.根据权利要求4所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，所述智能运输小车在运动时，驱动轮旋转中心与小车旋转中心相同，在所述步骤一中，驱动轮旋转半径与小车旋转半径存在如下关系：
Figure FDA0003051666790000021
左驱动轮速度以及右驱动轮速度分别表示为：
Figure FDA0003051666790000022
其中，小车左驱动轮速度为V1，右驱动轮速度为V2，小车的旋转半径为R，小车旋转角速度为ω，左驱动轮与右驱动轮之间的距离为L，左驱动轮旋转半径为R1，右驱动轮旋转半径为R2。
6.根据权利要求5所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述小车旋转角速度表示为：
Figure FDA0003051666790000023
所述小车速度表示为：
V＝(V1+V2)/2
其中，小车运行速度为V。
7.根据权利要求6所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，在所述步骤三中，将所述小车速度沿X轴以及Y轴进行分解后进行积分的步骤表示为：
Figure FDA0003051666790000024
积分后可得：
Figure FDA0003051666790000031
其中，φ0分别为小车初始时刻的角度，x0、y0为小车初始时刻的位置坐标，φ为小车的角度，x、y为小车的位置坐标，VX，VY分别为小车X轴方向上的小车速度以及Y轴方向上的小车速度。
8.根据权利要求7所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，在所述步骤三中，通过控制角度偏差以及位置偏差控制所述智能运输小车进行运动的步骤表示为：
Figure FDA0003051666790000032
其中，小车的角度偏差为Δa，小车的位置偏差为Δe，Δt为时间差。
9.根据权利要求7所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，所述方法还包括：
对角度以及位置进行微分的公式表示为：
Figure FDA0003051666790000033
其中，dφ，de分别为角度微分值以及位置微分值，t为时间值。
10.根据权利要求9所述的一种智能运输小车的运动模型构建方法，其特征在于，对角度微分值以及位置微分值进行拉氏变换以确定得到运动模型，所述运动模型表示为：
Figure FDA0003051666790000034
其中，φ(s)表示小车运动时的实时角度，e(s)表示小车运动时的实时位置，S为小车所行驶的距离。
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