TWI770965B - 無人自走車之導引控制方法 - Google Patents

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TWI770965B
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李明俊
張詠信
賴昇昊
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陽程科技股份有限公司
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Abstract

本發明係提供一種無人自走車之導引控制方法，該無人自走車包括車體、自動導引裝置及轉向驅動系統，並於車體包含一個驅動與控制轉向之舵輪及至少二個轉輪，該路徑導引方法係自動導引裝置先取得車體中心的位置建立車輛坐標系，並進行坐標系轉換建立本地坐標系，即可計算車體中心至預定規畫的目標路徑其中一目標點的最短距離，車體中心與目標點間之夾角，以及車體中心至目標點的旋轉半徑，再計算車體的舵輪轉向至目標點所需的旋轉半徑及轉角，使轉向驅動系統可根據計算得到的轉角控制舵輪轉向至對應的位置，從而實現對無人自走車依循預定規劃的目標路徑運行之導引控制，且不需大量複雜的運算或較長的處理週期，可有效提升整體之導航效率。

Description

無人自走車之導引控制方法
本發明係提供一種路徑導引方法，特別是指一種單舵輪無人自走車之導引控制方法。
按，現今全球少子化浪潮所導致的勞動力資源短缺與人力成本逐年提升，並逐漸由勞力密集轉型成技術密集的產業，基於各項營運成本不斷升高，要如何降低各項的成本，已成為企業是否能獲利的關鍵，而隨著自動化科技的導入、物聯網和人工智慧的快速發展，使智慧製造與智慧工廠已逐漸應用於工業生產端與製造端，也有越來越多的任務被工業機器人所取代，藉以解決勞動力資源短缺的問題。
然而，自動導引車(Automatic Guided Vehicle；AGV)或稱無人搬運車，指的是配置有電磁式或光學式等自動導引裝置，並集合了環境感知、路徑規劃決策及無人自動操控等功能的運輸車，屬於輪式移動機器人(WMR-Wheeled Mobile Robot)的範疇，主要功能表現為在電腦或車載系統的監控下，按照路徑規劃和作業要求，自動行走並停靠到指定地點或工作站，並完成一系列作業功能，一般自動導引車可透過車載系統或電腦控制其行進的路線，或是可利用牆壁、支柱或地面上沿著其行進的路線設立的指示標記(如電磁軌道、具有反光特性的反光片、塗漆或色帶 等定位標誌)作為導引，並在自動導引車上裝設電磁式或光學式感測器(如電磁感測器、視覺感測器、超音波感測器或雷射感測器等)，以偵測指示標記作為車輛運行的定位及位置修正，除了可使車體沿著預定規畫的導引路徑自動行駛之外，且因活動區域內無需鋪設軌道、支架等固定裝置，不會受到場地、道路和空間的限制，故自動導引車被廣泛地應用於物料的自動運輸、倉庫的監視巡邏與有害場所的作業等。
傳統的自動導引車大多數的路徑規劃係為網格式點對點間相連接的線所組成的路徑，並利用上述之導引方式使自動導引車能沿著預定的路徑前進，不過上述之導引方式需使用大量複雜的運算來擷取環境中的實體標記或特徵物，才能確定自動導引車應走的方向與速度，運算處理週期較長，反而降低了整體的導航效率，且該路徑規劃也並非平滑曲線，導致自動導引車在行進的過程中會有較不平順的轉彎，其實際行進的路徑會與預定的路徑產生偏離，便需要不斷地進行位置及航向的比對與修正，即為從事於此行業者所亟欲研究改善之方向所在。
故，發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方的評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，持續的試作與修改，始設計出此種無人自走車之導引控制方法的發明專利誕生。
本發明之主要目的乃在於無人自走車之車體包含一個用於驅動與控制轉向之舵輪及至少二個輔助轉輪，並由自動導引裝置對車體進行位置與姿態的定位，以及生成預定規畫的目標路徑，當自動導引裝置取得車體中心的位置(如坐標與姿態角等)建立車輛坐標系，並進行坐標系 轉換建立本地坐標系，以計算車體中心至預定規畫的目標路徑其中一目標點的最短距離，車體中心與目標點間之夾角，以及車體中心至目標點的旋轉半徑後，再計算出舵輪轉向至目標點所需的旋轉半徑及轉角，使轉向驅動系統可根據該轉角來控制舵輪轉向至對應的位置，從而實現對無人自走車依循預定規劃的目標路徑運行之導引控制，且不需大量複雜的運算或較長的處理週期，可有效提升整體之導航效率。
本發明之次要目的乃在於當轉向驅動系統完成舵輪轉角的控制轉向，可由自動導引裝置計算出車體的當前位置、旋轉半徑與目標路徑間之誤差量，並根據該誤差量採用PID控制可得到車體修正後的速度及旋轉半徑，再採用逆運動學以反推的方式計算車體移動至目標路徑所需之速度或加速度，使轉向驅動系統可控制舵輪來修正調整車體的當前位置與旋轉半徑，直到完成該車體之路徑導引控制。
1:無人自走車
11:車體
111:舵輪
112:轉輪
12:自動導引裝置
121:感測器模組
122:路徑規劃單元
13:轉向驅動系統
〔第1圖〕係本發明無人自走車系統之示意圖。
〔第2圖〕係本發明較佳實施例之步驟流程圖。
〔第3圖〕係本發明車體的位置與姿態進行坐標系轉換之示意圖。
〔第4圖〕係本發明車體控制舵輪轉向驅動之演算法示意圖。
〔第5圖〕係本發明目標路徑閉迴路導引控制之方塊圖。
〔第6圖〕係本發明修正車體轉彎的旋轉半徑之示意圖(一)。
〔第7圖〕係本發明修正車體轉彎的旋轉半徑之示意圖(二)。
〔第8圖〕係本發明車體進行直線控制之示意圖。
〔第9圖〕係本發明車體相對於目標路徑的姿態方向之示意圖。
〔第10圖〕係本發明車體導引至下一個目標點之示意圖(一)。
〔第11圖〕係本發明車體導引至下一個目標點之示意圖(二)。
〔第12圖〕係本發明車體切換目標點的長度之示意圖。
為達成上述之目的及其功效，本發明所採用之技術手段及詳細構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例來詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。
請參閱如第1~4圖所示，係分別為本發明無人自走車系統之示意圖、較佳實施例之步驟流程圖、車體的位置與姿態進行坐標系轉換之示意圖及車體控制舵輪轉向驅動之演算法示意圖，由圖中可清楚看出，本發明之無人自走車1為包括有車體11、自動導引裝置12及轉向驅動系統13，並於車體11下方車輪模組包含一個舵輪111(即驅動與控制轉向的主動輪)及至少二個轉輪112(即承載或輔助轉向的從動輪)，且自動導引裝置12以通訊介面接收到控制管理中心下達的任務指令後，可通過車載系統或車載控制器操控轉向驅動系統13驅動車輪模組，使車體11依循預定規畫的目標路徑運行，以構成一自動導引車(AGV)、自主移動機器人(Auto mated Mobile Robot，AMR)或移動載具等。
在本實施例中，無人自走車1之車體11係以前方一個舵輪111用於驅動及控制轉向，並配合車體11後方二個轉輪(如貨叉輪)112用於承載或輔助轉向，為了使車體11具有更好的穩定性，亦可安裝有二個以上之轉輪112來提供承載的貨叉起到支撐的作用，以構成一適用於重載貨物 搬運或移載之叉車式自動導引車，但並不以此為限，亦可為拖板式或堆高機式之自動導引車。
此外，無人自走車1之車體11使用的舵輪111可為臥式舵輪或立式舵輪，並包含驅動輪、驅動單元(如驅動電機、齒輪箱等)及轉向機構(如轉向電機、編碼器等)組成，同時帶有驅動及控制轉向，可以二個自由度來實現車體11的直線移動與轉向功能，而自動導引裝置12包含感測器模組121及路徑規劃單元122，其中感測器模組121包含裝載在車體11上的內部感測器〔如編碼器、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)等〕及外部感測器〔如雷射感測器、光學雷達(Light Detection and Ranging，LiDAR)掃描儀、超聲波(Sonar)感測器或3D視覺感測器(3D Camera)等〕，並由內部感測器對車體11進行位置與姿態的定位，使自動導引裝置12可在此一定位的基礎上利用外部感測器獲取的環境資訊進行位置或姿態的修正，又路徑規劃單元122係採用演算法依預先設定規劃車體移動的路徑並進行導航/導引，且該路徑導航/導引控制的方式可為固定路徑或虛擬路徑，以供轉向驅動系統13可依循預定規劃的目標路徑來驅動舵輪111，從而實現對車體11的定位及位置控制。
具體而言，無人自走車1固定路徑導航/導引控制係利用移動路徑上設立的實體標記(如電磁軌道、磁帶、反光片等)作為導引，並由自動導引裝置12之感測器模組121偵測標記對車體11進行位置與姿態的定位，以沿著路徑規劃單元122預定規畫的目標路徑運行，包含但不限於直接坐標導引(即笛卡爾坐標導引，Cartesian Guidance)、電磁導引(Wire Guidance)、磁帶導引(Magnetic Tape Guidance)或光學導引(Optica l Guidance)，而無人自走車1虛擬路徑導航/導引控制則沒有存在實體標記，係將車體11移動路徑的配置圖資料存放在資料庫或自動導引裝置12內的地圖庫路線資料，並由感測器模組121對車體11進行位置與姿態偵測，使路徑規劃單元122自行決定預定規畫的目標路徑，包含但不限於慣性導航(Inertial Navigation)、雷射導航(Laser Navigation)或超聲波導航、視覺導航(Visual Navigation)或地理導航〔如全球定位系統導航(Global Position System)〕，惟該無人自走車1路徑導航/導引控制的方式很多，在此則不作一贅述。
如第2圖所示，本發明上述無人自走車系統所採用之路徑導引方法，係包括下列之實施步驟：
(S101)無人自走車1之自動導引裝置12先取得車體11中心的位置在全域坐標系中建立車輛坐標系，並進行坐標系轉換以建立本地坐標系。
(S102)計算車體11中心至預定規畫的目標路徑其中一目標點的最短距離，並根據幾何關係計算車體11中心與目標點間之夾角，以及車體11中心至目標點的旋轉半徑。
(S103)計算車體11的舵輪111轉向至目標點所需的旋轉半徑及轉角。
(S104)轉向驅動系統13根據計算得到的轉角控制車體11的舵輪111轉向至對應的位置。
(S105)自動導引裝置12計算車體11的當前位置、旋轉半徑與目標路徑間之誤差量，並採用PID控制得到修正後的速度及旋轉半徑 ，再採用逆運動學反推計算車體11的速度，使轉向驅動系統13可控制舵輪111來修正調整該車體11的當前位置與旋轉半徑。
由圖中及上述之實施步驟可清楚得知，本發明以下說明書內容之無人自走車1較佳實施係以叉車式自動導引車為例，並利用自動導引裝置12之感測器模組121對車體11進行位置與姿態的定位，以及路徑規劃單元122產生預定規畫的目標路徑，由於車體11的驅動機構主要是利用前方一個舵輪111(即主動輪)帶有轉向的功能，並配合後方二個轉輪112(即從動輪)運行，其實際移動的路徑軌跡只和前方舵輪111轉角或航向角有關，因此只要對舵輪111的轉角或航向角進行控制，即可實現無人自走車1之路徑導引控制。
在本實施例中，係利用自動導引裝置12先在無人自走車1所處的環境中建立一個全域坐標系(Global Coordinate System)(如第3圖中之XGYG坐標平面)，並取得車體11中心(即舵輪111之幾何中心)在全域坐標系中之坐標(XC，YC)作為中心點C，以及目標點P作為預定規畫的目標路徑其中一目標點，且該預定規畫的目標路徑包含直線路徑及彎曲路徑，以建立車輛坐標系(如XGMYGM坐標平面)後，再利用旋轉矩陣進行坐標系轉換建立一個本地坐標系(Local Coordinate System)(如XLYL坐標平面)可以得到：
Figure 110115171-A0305-02-0009-1
其中θ為車體11當前姿態角，可表示為車輛坐標系的XGM或YGM軸旋轉到本地坐標系的XL或YL軸的角度；XC為全域坐標系的YG軸與 車輛坐標系的YGM軸之間距；YC為全域坐標系的XG軸與車輛坐標系的XGM軸之間距；XG，YG為預定規畫的目標路徑其中一目標點P在全域坐標系中之坐標(X，Y)；XL，YL為目標點P在本地坐標系中之坐標(X，Y)，以定位出車體11當前位置與姿態。
根據直角三角形的幾何關係可以得到：
Figure 110115171-A0305-02-0010-2
Figure 110115171-A0305-02-0010-3
Figure 110115171-A0305-02-0010-4
其中D為車體11在本地坐標系中的中心點C(XC，YC)至目標點P(XL，YL)的最短路徑距離；θ S為本地坐標系的YL軸順時針旋轉到目標點P上的角度，可表示為車體11中心或中心點C與目標點P間之夾角，即車體11之舵輪111轉向至目標點P的轉角或航向角；由於車體11之舵輪111當前航向角與車體11在本地坐標系的YL軸保持一致，在D、θ S已知的情況下，根據幾何關係可以得到R為車體11中心(即舵輪111之幾何中心)至目標點P的旋轉半徑。
如第4圖所示，當自動導引裝置12取得車體11中心或舵輪111之幾何中心當前位置(即中心點C)、距離D及速度V，便可計算得到當前位置與目標路徑之偏差量，並在V、D已知的情況下，根據直角三角形的幾何關係則可以得到：
Figure 110115171-A0305-02-0010-5
Figure 110115171-A0305-02-0011-6
Figure 110115171-A0305-02-0011-7
其中R為車體11中心(即舵輪111之幾何中心)轉向至目標點P的旋轉半徑；1為車體11前方舵輪111幾何中心至後方二個轉輪112中心連線的中點M之間固定的距離；w為二個轉輪112中心連線的中點M至車體11中心的旋轉半徑的原點O之間可變的距離；θ S為車體11之舵輪111轉向至目標點P的轉角或航向角，使轉向驅動系統13可根據θ S的偏差量來控制車體11之舵輪111轉向至對應的位置，從而實現對無人自走車1依循預定規劃的目標路徑運行之導引控制，並且車載控制器或自動導引裝置12內建處理器採用的轉向驅動演算法，不需經由大量複雜的運算或較長的運算處理週期，對於車載控制器或處理器的運算性能要求相對降低，也可有效地提升整體之導航效率。
請搭配參閱如第5~7圖所示，係分別為本發明目標路徑閉迴路導引控制之方塊圖、修正車體轉彎的旋轉半徑之示意圖(一)及修正車體轉彎的旋轉半徑之示意圖(二)，由圖中可清楚看出，本發明之無人自走車1可根據車體11移動狀態與自動導引裝置12所生成預定規劃的目標路徑進行PID(比例、積分與微分)控制，以形成閉迴路的控制流程，從而實現對車體11週期性循環之控制調整。
當車體11依循目標路徑進行移動時，自動導引裝置12可將車體11的當前位置與旋轉半徑進行坐標轉換，並計算出車體11的當前位置、旋轉半徑與目標路徑間之誤差量(errord及errorR)，再根據該誤差量進 行PID控制得到車體11修正後的速度V*及旋轉半徑R*，便可採用逆運動學(Inverse Kinematics)以反推的方式計算車體11移動至目標路徑上所需之速度V或加速度A，使轉向驅動系統13可控制舵輪111來修正調整車體11的當前位置與旋轉半徑，如此反覆修正使車體11移動狀態符合期望的目標路徑，直到完成車體11之路徑導引控制。
在本實施例中，自動導引裝置12所生成預定規劃的目標路徑可導引車體11依循直線路徑或彎曲路徑運行，並給予車體11的當前位置與旋轉半徑，且可不斷地偵測車體11的當前位置、旋轉半徑與目標路徑間之誤差量，其中errord為車體11當前位置與目標路徑的最終位置直線距離之誤差量，而errorR=R-Rfalse為車體11中心的旋轉半徑與車體11偏移產生的旋轉半徑的誤差量，再進行PID控制不同的演算法可計算得到車體11修正後的速度V*=KPR＊(errord)，以及車體11修正後的旋轉半徑R*=KPR＊(R-errorR)，其中KPR為增益量。
當車體11行進於彎曲路徑時，可利用調整旋轉半徑來改變車體11的轉彎幅度，例如車體11中心的旋轉半徑變大時，表示車體11已偏移到彎曲路徑外側，則車體11調整改變的轉彎幅度要變小；換言之，當車體11的旋轉半徑變小時，表示車體11已偏移到彎曲路徑內側，則車體11調整改變的轉彎幅度要變大，至於車體11中心轉彎的方向則可在演算法中作判斷，因此可利用車體11中心的旋轉半徑當作變化量來修正車體11的轉向，使車體11在偏移彎曲路徑時，能快速且準確將偏離修正，並穩定的保持在預定規劃的目標路徑上。
請同時參閱如第8~12圖所示，係分別為本發明車體進行直 線控制之示意圖、車體相對於目標路徑的姿態方向之示意圖、車體導引至下一個目標點之示意圖(一)、車體導引至下一個目標點之示意圖(二)及車體切換目標點的長度之示意圖，由圖中可清楚看出，上述之自動導引裝置12所生成預定規劃的目標路徑係利用複數目標點P0~P9來劃分成多個線段，並將多個線段連接形成直線路徑軌跡，其中目標點P0可表示為直線路徑的起始點，目標點P9可表示為直線路徑的最終點，並根據直線方程式y=ax+b依預定長度劃分，當車體11行進時，依車輛坐標系來看第一個目標點P0在車體11的左邊(如第9圖所示)，並計算得到車體11中心至目標點P0間之夾角〔arctan(x/y)〕可作為車體11轉向的控制，也可藉此判斷車體11轉彎的方向為逆時針或順時針，其中逆時針轉彎的方向為正，順時針轉彎的方向為負。
在本實施例中，當車體11於追蹤直線路徑上劃分的複數目標點P0~P9時，若是車體11中心超過了目標點就會追蹤下一個目標點(如第10~11圖所示)，至於判斷是否超過了該目標點，則可根據車輛坐標本身的目標點對於車體11的y軸方向向量是否小於0，若是判斷目標點對於車體11的y軸方向向量為小於0時，就會從下一個目標點開始追蹤，舉例來說，若是車體11中心投影到直線路徑上的定位點n為位於目標點P2與目標點P3之間，直線路徑上的目標點P2對於車體11的y軸方向向量為2-n小於0，也就是說y小於0，而直線路徑上的目標點P3對於車體11的y軸方向向量為3-n大於0，則可表示為y大於0，並結合程式碼進行函式運算，其中index為直線路徑上的目標點，y=index-n，若是計算得到y小於0，則預設的index便需要加1，直到y大於0，也就是最終的index計算結果為3，車體11便會從第三 個目標點P3開始追蹤。
此外，為了避免車體11中心過於靠近直線路徑上的目標點而X軸方向仍有過大差距，很容易造成車體11轉向的角度〔arctan(x/y)〕過大，導致車體11產生偏移或強烈的抖動，因此可以通過參數設定切換目標點的長度(如第12圖所示)，藉此確保車體11能夠穩定的依循目標路徑前進。
上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。
綜上所述，本發明之無人自走車之導引控制方法使用時為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

Claims (5)

  1. 一種無人自走車之導引控制方法，該無人自走車包括車體、自動導引裝置及轉向驅動系統，並於該車體包含一個用於驅動與控制轉向之舵輪及至少二個輔助轉向之轉輪，該自動導引裝置用於對該車體進行位置與姿態的定位，並生成一預定規畫的目標路徑，以供該轉向驅動系統驅動該車體的舵輪能依循該目標路徑運行，該路徑導引方法包括下列之步驟：(A)該自動導引裝置取得該車體中心的位置在全域坐標系中建立車輛坐標系，並取得該車體當前姿態角進行坐標系轉換，以建立本地坐標系；(B)計算該車體中心至該目標路徑其中一目標點的最短距離，並根據幾何關係計算該車體中心與該目標點間之夾角，以及該車體中心至該目標點的旋轉半徑；(C)取得該車體中心的速度，並根據該最短距離計算該車體的舵輪轉向至該目標點所需的旋轉半徑及轉角：
    Figure 110115171-A0305-02-0016-11
    、
    Figure 110115171-A0305-02-0016-12
    、
    Figure 110115171-A0305-02-0016-13
    其中D為該最短距離；R為該舵輪轉向至該目標點的旋轉半徑；l為該舵輪中心至該至少二個輔助轉向之轉輪中心連線的中點的距離；w為該至少二個輔助轉向之轉輪的中點至該舵輪的旋轉半徑的原點的距離；θ S為該舵輪轉向至該目標點的轉角；(D)該轉向驅動系統根據該計算得到的轉角控制該車體的舵輪 轉向至對應的位置。
  2. 如請求項1所述之無人自走車之導引控制方法，其中該自動導引裝置包含用於對該車體的位置與姿態進行定位之感測器模組及用於生成該目標路徑之路徑規劃單元。
  3. 如請求項1所述之無人自走車之導引控制方法，其中該步驟(A)係利用旋轉矩陣進行坐標系轉換：
    Figure 110115171-A0305-02-0017-9
     其中θ為該車體當前姿態角；XC為全域坐標系的YG軸與車輛坐標系的YGM軸之間距；YC為全域坐標系的XG軸與車輛坐標系的XGM軸之間距；XG，YG為該目標點在全域坐標系中之坐標；XL，YL為目標點在本地坐標系中之坐標。
  4. 如請求項1所述之無人自走車之導引控制方法，其中該步驟(B)計算的方式係根據直角三角形的幾何關係得到：
    Figure 110115171-A0305-02-0017-14
    、
    Figure 110115171-A0305-02-0017-15
    、
    Figure 110115171-A0305-02-0017-16
    其中D為該車體中心至該目標點的最短距離；θ S為該車體中心與該目標點間之夾角；R為該車體中心至該目標點的旋轉半徑。
  5. 如請求項1所述之無人自走車之導引控制方法，其中該步驟(D)完成該車體的舵輪轉向，再執行下一步驟：(E)該自動導引裝置計算該車體的當前位置、旋轉半徑與該目標路徑間之誤差量，並根據該誤差量採用PID控制得到該車體修正後的速度及旋轉半徑，再採用逆運動學以反推的方式計算該車體移動至 該目標路徑上所需之速度或加速度，使該轉向驅動系統可控制該車體的舵輪來修正調整該車體的當前位置與旋轉半徑，直到完成該車體之路徑導引控制。
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