CN109683616A - 一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于自动控制技术领域，提供了一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，该方法包括如下步骤：S1、实时检测叉车当前的位姿偏差，所述位姿偏差包括：偏离期望轨迹的侧向距离d，叉车车体当前偏离期望轨迹的角度γ；S2、保持舵轮的线速度不变，将当前的位姿偏差输入舵轮偏角的计算模型，输出舵轮在下一时刻的偏角。通过叉车的相关参数来构建舵轮偏角的计算模型，通过舵轮偏角的计算模型来调节舵轮的偏角朝期望轨迹方向行驶，减小了对经验参数的依赖，提高了移动平台的引导精度、缩短调整距离、减小超调量，基于确定的舵轮偏角计算模型便于经验参数h的调试。

Description

一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，提供了一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法。

背景技术

智能叉车和AGV(Automated Guided Vehicle)是工业4.0智能工厂重要的运输工具，主要用来实现原材料、半成品以及成品零部件的储存和转运，为生产***的柔性化以及智能化提供重要保证的同时，也为***保持高效稳定的运行提供技术支撑。近年来，无轨导航以其路径灵活性高、可控性好、场地布置简单等优点，正在逐步取代传统的有轨导航(如磁导轨)，其实现方式有激光雷达导航、红外顶标传感器导航等。

当主舵轮前置驱动时(即拉着车体走)，其运动控制较为简单，位姿出现偏差时修正较为迅速；但当主舵轮后置驱动时(即推着车体走)，其运动控制较为复杂，位姿出现偏差时修正响应速度慢且容易出现超调及震荡现象。而在某些情况下(如叉车进行叉货时，插齿必须在前)，车体只能由主舵轮后置驱动，所以对单舵轮后置驱动叉车的位姿偏差修正模型进行研究，现有的大多是将PID思想融入常规模糊控制中，虽可提高移动平台行走精度和平稳性，但其控制效果的好坏很大程度上依赖于模糊控制规则和隶属度函数的制定，而其制定很大程度上取决于经验，相关参数值确定麻烦，缺少相应的理论根据。

发明内容

本发明实施例提供一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，通过构建舵轮偏角的计算模型，基于舵轮偏角的计算模型来输出舵轮在下一时刻的舵轮偏角，减少对经验的依赖程度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，所述方法包括如下步骤：

S1、实时检测叉车当前的位姿偏差，所述位姿偏差包括：偏离期望轨迹的侧向距离d，叉车车体当前偏离期望轨迹的角度γ；

S2、保持舵轮的线速度不变，将当前的位姿偏差输入舵轮偏角的计算模型，输出舵轮在下一时刻的偏角。

进一步的，所述舵轮偏角的计算模型具体表示如下：

其中，H为主动舵轮到从动轮中心的间距，h为经验参数，与H相关。

进一步的，所述舵轮偏角计算模型的构建方法包括如下步骤：

S21、将从动轮中心在期望轨迹上进行投影，获取投影点O，以O点为原点，投影点O与从动轮中心所在的直线为X轴，期望轨迹为Y轴，基于参数h在Y轴正方向上确定伪目标点B；

S22、规划舵轮在下一时刻的行驶路径，即舵轮从当前位置到B点的弧线，该弧线与叉车行驶方向相切；

S23、构建所述行驶路径的转弯半径计算模型，基于转弯半径计算模型来获取舵轮偏角计算模型。

进一步的，所述转弯半径计算模型表示如下：

其中，h为经验参数，与H相关。

本发明提供的单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法具有如下有益效果：

1.通过叉车的相关参数来构建舵轮偏角的计算模型，通过舵轮偏角的计算模型来调节舵轮的偏角朝期望轨迹方向行驶，减小了对经验参数的依赖，提高了移动平台的引导精度、缩短调整距离、减小超调量；

2.基于确定的舵轮偏角计算模型便于经验参数h的调试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的单舵轮后置的叉车模型示意图；

图2为本发明实施例提供的单舵轮后置驱动叉车的运动模型图；

图3为本发明实施例提供的单舵轮后置驱动叉车的位姿偏差模型图；

图4为本发明实施例提供的左瞬心修正模型图；

图5为本发明实施例提供的右瞬心修正模型图；

图6为本发明实施例提供的h为20cm，不同偏差角对应的部分运动轨迹曲线图；

图7为本发明实施例提供的h为40cm，不同偏差角对应的部分运动轨迹曲线图；

图8为本发明实施例提供的h为80cm，不同偏差角对应的部分运动轨迹曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，单舵轮驱动叉车模型如图1所示，简化后的运动模型如图2所示，图2中D为叉车两从动轮的间距，H为主动舵轮到从动轮中心的间距，α为车体与X轴正方向的夹角，θ为舵轮与车体的夹角(右偏为正)，v为主动舵轮的线速度，R为叉车运动轨迹的瞬时半径，ω为叉车运动轨迹的角速度，根据图2中的叉车运动学模型几何关系可以求得：

在图2中，当舵轮偏角θ保持不变时，叉车的运动轨迹(以叉车两从动轮中心为参考点)为一段圆弧，经过时间间隔t后，叉车的位姿(x′,y′,α′)与原始位姿(x,y,α)的关系为：

α′＝α+ω·Δt (3)

如图3所示，任意一条带方向直线MN都可由以下方程来表示：

ax+by+c＝0，其中，a²+b²≠0 (6)

在图3中，直线的倾角β为带方向的直线MN与x轴正方向的夹角，可由a和b如下表示：

当a＞0且b＜0时，β∈(0°,90°)；当a＞0且b＞0时，β∈(90°,180°)；当a＜0且b＞0时，β∈(-180°,-90°)；当a＜0且b＜0时，β∈(-90°,0°)；当a＝0且b＞0时，β＝180°；当a＝0且b＜0时，β＝0°；当a＞0且b＝0时，β＝90°；当a＜0且b＝0时，β＝-90°。

叉车的位姿为(x,y,α)，则对于直线轨迹ax+by+c＝0的位姿偏差记为(γ,d)。其中：

γ＝β-α (8)

在本发明实施例中，该单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法包括如下步骤：

S1、实时检测叉车当前的位姿偏差，位姿偏差包括：偏离期望轨迹的侧向距离d，叉车车体当前偏离期望轨迹的角度γ；

图3所示，叉车相对于期望轨迹右偏，则侧向距离d大于零，若叉车相对于期望轨迹左偏，则侧向距离d小于零，基于公式(8)可知，γ＝β-α，β为期望轨迹与X轴正向的夹角，α为车体与X轴正方向的夹角，当β大于α时，γ取值为正，否则取值为负。

S2、在保持舵轮线速度不变，将当前的位姿偏差输入舵轮偏角的计算模型，输出舵轮在下一时刻的偏角。

在本发明实施例中，舵轮偏角的计算模型的获取方法结合图4及图5进行说明，具体包括如下步骤：

S21、将从动轮中心在期望轨迹上进行投影，获取投影点O，以O点为原点，投影点O与从动轮中心(图4中的A点)所在的直线为X轴，期望轨迹为Y轴，基于参数h在Y轴正方向上确定伪目标点B，即OB即为伪目标距离，h为经验参数，与H相关；

S22、规划舵轮在下一时刻的行驶路径，即舵轮从当前位置到B点的弧线，该弧线与叉车行驶方向相切；

S23、构建所述行驶路径的转弯半径计算模型，基于转弯半径计算模型来获取舵轮偏角计算模型。

R²＝BC²＝CE²+BE² (10)

CE＝CD-DE＝CD-OA＝Rcos(γ)-d (11)

EB＝OB-OE＝OB-AD＝h-Rsin(γ) (12)

由(8)(9)(10)可推出行驶路径的转弯半径计算模型：

其中，d＞0、γ＞0、h＞0；

进而结合公式(1)可知，舵轮偏角的计算模型：

同理，当d＞0且γ≤0上式也成立，当d＜0且γ＞0上式也成立，当d＜0且γ≤0上式也成立，当d＝0且γ＞0上式也成立，当d＝0且γ＜0上式也成立。

轨迹预测分析：当d＞0且γ＞arctan(-d/h)时，由公式(11)可知R＞0，由公式(1)和(2)可知，θ＞0、ω＞0；再由公式(3)可知α在逐渐增大；再由公式(8)可知γ在逐渐减小，等于0，再小于0，直至γ＝arctan(-d/h)；在此期间，d始终大于0。

当叉车位姿d＞0且γ＝arctan(-d/h)时，由公式(13)可知，R无穷大，舵轮偏角θ＝0，即该修正轨迹为直线。在叉车沿着直线轨迹行驶的瞬间，γ不变，d减小，hsin(γ)+dcos(γ)＜0。

当叉车位姿d＞0且γ＜arctan(-d/h)时，其轨迹如图5所示，其几何关系可类比公式(10)(11)(12)，进而可参考公式(13)、公式(14)推算d、γ、h、R、θ间的关系。

当d＞0且γ＜arctan(-d/h)时，由公式(13)可知R＜0，由公式(1)和(2)可知，θ＜0、ω＜0；再由公式(3)可知α在逐渐减小；再由公式(8)可知γ在逐渐增大，直至d等于0(在此期间，γ始终小于0)；当d小于0后(此时γ＜0)，由公式(1)和公式(13)可知，当位姿偏差分别取(d,γ)和(-d,-γ)时，两条叉车修正轨迹关于期望轨迹对称，所以其后轨迹趋势可参考d＞0且γ＞0时的情况。

由于位姿偏差分别取(d,γ)和(-d,-γ)时，两条叉车修正轨迹关于期望轨迹对称，所以：当d＜0且γ＜arctan(-d/h)时的轨迹趋势可参考d＞0且γ＞arctan(-d/h)时的轨迹预测分析；

当d＜0且γ＝arctan(-d/h)时的轨迹趋势可参考d＞0且γ＝arctan(-d/h)时的轨迹预测分析；

当d＜0且γ＞arctan(-d/h)时的轨迹趋势可参考d＞0且γ＜arctan(-d/h)时的轨迹预测分析；

当d＝0且γ＞0时，d将即刻大于0，此后的轨迹趋势可参考d＞0且γ＞0时的轨迹预测分析；

当d＝0且γ＜0时，d将即刻小于0，此后的轨迹趋势可参考d＞0且γ＜0时的轨迹预测分析。

本发明提供的单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法具有如下有益效果：

1.通过叉车的相关参数来构建舵轮偏角的计算模型，通过舵轮偏角的计算模型来调节舵轮的偏角朝期望轨迹方向行驶，减小了对经验参数的依赖，提高了移动平台的引导精度、缩短调整距离、减小超调量；

2.基于确定的舵轮偏角计算模型便于经验参数h的调试；

根据叉车的真实情况，取两个从动轮的间距D＝500mm、舵轮到两从动轮中心的间距H＝1300mm、主动舵轮的线速度v＝30m/min、控制周期T＝0.1s、初始位姿偏差d＝15cm，另外，h分别取20cm、40cm、60cm，初始位姿偏差角度γ分别取-20°、-10°、0°、10°、20°，其部分运动轨迹曲线分别如图6、图7及图8所示，从图6至图8可知：当h＝20cm时，轨迹绝对收敛，且最大偏差小于0.6cm，收敛距离小于120cm；当h不变、γ＝0°时，最大偏差取到最小值；当h不变、γ增大时，收敛距离增大；当γ不变，h增大时，最大偏差和收敛距离均增大。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、实时检测叉车当前的位姿偏差，所述位姿偏差包括：偏离期望轨迹的侧向距离d，叉车车体当前偏离期望轨迹的角度γ；

S2、保持舵轮的线速度不变，将当前的位姿偏差输入舵轮偏角的计算模型，输出舵轮在下一时刻的偏角。

2.如权利要求1所述单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，其特征在于，所述舵轮偏角计算模型的构建方法包括如下步骤：

S21、将从动轮中心在期望轨迹上进行投影，获取投影点O，以O点为原点，以投影点O与从动轮中心所在的直线为X轴，期望轨迹为Y轴，基于参数h在Y轴正方向上确定伪目标点B；

S22、规划舵轮在下一时刻的行驶路径，即舵轮从当前位置到B点的弧线，该弧线与叉车行驶方向相切；

S23、构建所述行驶路径的转弯半径计算模型，基于转弯半径计算模型来获取舵轮偏角计算模型。

3.如权利要求1或2所述单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，其特征在于，所述舵轮偏角的计算模型具体表示如下：

其中，H为主动舵轮到从动轮中心的间距，h为经验参数，与H相关。

4.如权利要求2所述单舵轮后置驱动移动平台的直线路径引导方法，其特征在于，所述转弯半径计算模型表示如下：

其中，h为经验参数，与H相关。