双差动单元四轮驱动AGV路径跟踪策略

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所属分类:AGV设计资料
摘要

为解决车体中心在运行过程中会偏离导航轨迹的问题,对双差动单元四轮驱动 AGV(automated guidedvehicle)路径跟踪策略进行研究。针对地面状况及车体结构过约束等情况,构建 AGV 运动学模型,采用角度纠偏与距离纠偏分离的纠偏策略,对车体角度和距离偏差进行纠正,得出一种按照三级优先级交叉纠偏的路径跟踪算法,解决了车体不能按期望轨迹运行的问题。实际应用结果表明,该算法纠偏可操作性强、纠偏效果好。

0 引言

目前停车场主流的停车方式依旧是驾驶员自主寻找车位、自主停车、自主取车,这往往导致寻找车位困难、排队拥挤、忘记车位取车困难等,停车效率低、操作复杂。随着 AGV 技术的日趋成熟,运行灵活的若干 AGV 由调度系统统一规划路径实现智能化停车,将成为停车场的主流趋势。笔者研究的 AGV,车体长度约 3.7 m,宽度约 1.7 m,高度约 0.2 m,载重约 2 t,最高车速约 1.5 m/s,具备直行、横移、斜移、原地旋转、任意半径走弧功能动作。由于地面状况的不完全一致性以及车体结构的过约束等问题,使 4 个驱动轮受力不一致,会导致车体纵轴线与轨迹产生角度与距离偏差,车体中心在运行过程中会渐渐偏离导航轨迹。

文献[1]提出双参考点路径跟随,前后差动单元主从控制的方式。采用模糊控制技术和人工驾驶思想分别设计模糊控制器,将差动单元横向偏差、角度偏差、路径虚曲率及差动单元角速度作为输入,得到差动单元速度与角速度,实现路径跟随,最后采用前后差动单元中心距为 0.5 m 的车体模型进行了仿真实验。文献[2]将前后 2 个驱动模块之间的连接设计为可以变化的结构,这样 2 个模块之间的距离是可变的,增加了车体的附加自由度,但是增加了建模控制的复杂性,也降低了车体的承载力。文献[3]建立了双输入-双输出的非线性运动学模型,进行输入-输出线性化,提出了一种融合偏差智能转化评价函数法和指数稳定控制的混合规律。最后采用前后差动单元中心距 0.7 m,差动单元轮距 0.343m 的车体模型进行实验。机器人移动速度 0.4 m/s,直线路径跟踪的角度误差小于 2°,距离偏差小于 7mm。模型复杂性高、计算量大、误差较大。

笔者分别建立车体横向偏差与角度偏差 2 个线性函数以及一个速度约束函数。横向偏差函数的输入量为车体与轨迹的横向距离偏差,输出为前差动单元与车体轴线的夹角,后差动单元与车体轴线的夹角;角度偏差函数的输入量为车体与轨迹的角度偏差,输出为前差动单元与车体轴线的夹角,后差动单元与车体轴线的夹角;速度约束为前后差动单元为满足刚性约束所建立的约束以及单个差动单元2 个驱动轮之间的速度约束。

1 车体结构

笔者研究的双差动单元四轮驱动 AGV 外观模型 如 图 1 所 示 。 该 款 AGV 采 用 激 光 导 航 与PGV(position guided vision)导航 2 种方式。如图 2所示,激光导航器安装于车体前端, PGV 读头安装于车体中心。在停车场运行范围内,采用激光导航方式进行导航,在小范围(如工位)切换至 PGV 导航。在车体的 4 个角,安装有 4 个万向轮,用于车体的平衡性支撑以及缓冲。整个车体的驱动系统由前差动单元、后差动单元组成,每个差动单元由 2 个驱动轮组成。车体中轴线与前差动单元(靠近激光导航器的一端记为车体前端)轴线的夹角记为f ;车体中轴线与后差动单元轴线的夹角记为 r 。以车体轴线靠近激光导航器的一端作为轴线正向,以轴线正向作为起始轴,顺时针转过的角度记为正(如图 3 中 r ),逆时针转过的角度记为负(如图 3 中f )。前后差动单元的轴心距记为 L,单个差动单元的轮心距记为 D,如图3 所示。笔者研究的 AGV 可实现直行、横移、斜移、原地旋转、走弧以及托盘升降动作[4]。2 个驱动轮的轮距 D=502 mm,驱动轮周长 C=628 mm,直径d=200 mm,2 个差动单元中心距 L=2 915 mm。

双差动单元四轮驱动AGV路径跟踪策略

2 车体路径纠偏建模

在对 AGV 进行运动学建模之前,先作如下假设[5-6]:
1) AGV 由刚性构架组成;
2) 运动平面平整光滑,且只作无滑移纯滚动运动;
3) 车轮与地面摩擦小到不足以影响车轮沿自身旋转轴线转动。

车体速度大小记为 v,转速为ω。前差动单元速度大小记为 vf,后差动单元记为 vr。前差动单元的左驱动轮速度大小记为 vfl(以车体轴线正向为观测方向,轴线左侧的记为左轮,右侧的记为右轮),右驱动轮速度大小记为 vfr。后差动单元的左驱动轮、右驱动轮速度大小分别记为 vrl、vrr。实际应用中,车体与轨迹的角度偏差分为 4 种(箭头表示车体前进方向),前进时车体右偏、后退时车体右偏、后退时车体左偏、前进时车体左偏,如图 4 所示。车体与轨迹的距离偏差分为 4 种,前进时右偏、后退时右偏、后退时左偏、前进时左偏,如图 5 所示。

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