CN106020200A - 采用轮毂电机驱动的agv小车及路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法，属于自动引导搬运车及导航领域，有别于磁条、光电、导轨导航，为一种全新的发明设计。具体包括AGV小车、轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块。路径规划模块用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点及提供定位点的坐标信息。检测轮模块用于记录AGV小车的行驶状况、当前的位置坐标和判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。车体偏差调整控制模块用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。本发明能减少传感器数量，降低成本，小车运动位置测量准确、对工作环境依赖小，不会因为环境变化而导致小车无法正常运行。

Description

采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种能够定位导航的自动引导搬运小车及导航方法，特别是一种采用轮毂电机驱动的AGV小车及路径规划方法。

背景技术

自动导引小车(Automated GuidedVehicle，简称AGV)指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶的无人驾驶运输车，多用于仓储等行业，以实现物料的自动装卸和搬运。

目前已知的AGV装备有电磁或光学引导装置，或是通过超声波传感器等对路径进行探测，但这些装置的安装增加了与控制器的连线，使系统结构更加复杂，传感器的工作易受工作环境影响，增加了潜在的不稳定性，并且提高了整个系统的成本、安装难度和后期的维护成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，该采用轮毂电机驱动的AGV小车一方面能减少小传感器按照数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，包括AGV小车、轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块。

AGV小车的驱动轮均由轮毂电机所驱动。

路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息。

检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。

车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。

控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。

所述驱动轮为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。

所述检测轮模块包括从动轮和编码器，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。

所述车体偏差调整控制模块为设置于AGV小车底盘前方中轴线两侧的霍尔传感器。

还包括对称设置于AGV小车后方底部的万向轮。

还包括设置于AGV小车四周的红外传感器。

本发明还提供一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的路径规划方法，该采用轮毂电机驱动的AGV小车的路径规划方法一方面能减少小传感器按照数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。

一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，包括如下步骤。

步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标。

步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶。

步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进。

步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点。

步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。

所述步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。

所述步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下。

第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶。

第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯。

第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，

AGV小车左驱动轮的转速n_l为：

$n_l=\frac{30}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_l=\frac{30v\[1-dir\frac{d\mathrm{\θ}}{R}\]}{\mathrm{\π}r}$

AGV小车右驱动轮的转速n_r为：

$n_r=\frac{30}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_r=\frac{30v\[1+dir\frac{d\mathrm{\θ}}{R}\]}{\mathrm{\π}r}$

式中，ω_l为左驱动轮的转向角速度；ω_r为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，设定值；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。

假设AGV小车的行驶路径依次包括M(x_m,y_m)、N(x_n,y_n)、P(x_p,y_p)、Q(x_q,y_q)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯；此时，转弯方向dir计算公式为：

dir＝sgn[(x_n-x_m)(y_q-y_p)-(y_n-y_m)(x_q-x_p)]

转向角θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \[\frac{(x_n-x_m)(x_q-x_p)+(y_n-y_m)(y_q-y_p)}{\sqrt{{(x_n-x_m)}^2+{(y_n-y_m)}^2}\sqrt{{(x_q-x_p)}^2+{(y_q-y_p)}^2}}\]$

在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(x_j,y_j)和转弯结束点G，则：

$x_j=\frac{(x_m-x_n)\[y_p(x_q-x_p)-x_p(y_q-y_p)\]-(x_p-x_q)\[y_m(x_n-x_m)-x_m(y_n-y_m)\]}{(y_n-y_m)(x_p-x_q)-(y_q-y_p)(x_m-x_n)}$

$y_j=\frac{(y_q-y_p)\[y_m(x_n-x_m)-x_m(y_n-y_m)\]-(y_n-y_m)\[y_p(x_q-x_p)-x_p(y_q-y_p)\]}{(y_n-y_m)(x_p-x_q)-(y_q-y_p)(x_m-x_n)}$

点E到点J的直线距离如下：

$\left|\stackrel{\‾}{EJ}\right|=r\·tan\left(0.5\mathrm{\θ}\right)$

点E到点N的直线距离L为：

$L=\sqrt{{(x_j-x_n)}^2+{(y_j-y_n)}^2}-R\·tan\left(0.5\mathrm{\θ}\right).$

本发明采用上述结构和方法后，一方面能减少小传感器按照数量，降低成本，小车运动位置测量准确，减少潜在的不稳定因素；另外，与视觉导航以及磁导航的路径规划相比，对小车工作环境的依赖较小，不会因为一般的环境变化导致小车无法正常运行。

附图说明

图1显示了本发明一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的原理示意图。

图2显示了本发明一种采用轮毂电机驱动的AGV小车的结构示意图。

图3显示了本发明采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划方法的流程示意图。

图4显示了地图数据库的一种实施例。

图5显示了AGV小车的尺寸分析图。

图6显示了AGV小车的转向示意图。

图7显示了车体偏差调整过程示意图。

其中有：1-霍尔传感器；2-编码器；3-驱动轮；4-从动轮；5-AGV小车；6-控制器；7-万向轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，包括AGV小车5、轮毂电机、控制器6、路径规划模块、检测轮模块、车体偏差调整控制模块、万向轮7和红外传感器。

AGV小车的驱动轮3均由轮毂电机所驱动。驱动轮优选为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。

路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息。路径规划模块，本申请也称之为地图数据库或地图数据信息。

检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。

上述检测轮模块优选包括从动轮4和编码器2，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。

车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确。

上述车体偏差调整控制模块优选为设置于AGV小车底盘前方两侧的两个霍尔传感器1。

控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。

上述万向轮优选为两个，对称设置于AGV小车的后方底部，用于辅助驱动轮3实现转向。

上述红外传感器优选设置于AGV小车的四周，当红外传感器检测到附近有物体时，将使小车停止，用于AGV小车的避障。

一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，如图3所示，包括如下步骤。

步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标。

本步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。

步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶。

本步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下。

第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶。

如图4所示，小车要执行从A点到D点的任务，途径的定位点及其坐标依次为：

A(x_a,y_a)；B(x_b,y_b)；C(x_c,y_c)；D(x_d,y_d)。

设小车的初始位置为图3中的A点(x_a,y_a)，方向为y轴正方向，准备向B点(x_b,y_b)行驶。通过控制器的计算提供该路段的定位算法，方向：y轴正向；横坐标：x＝x_b-x_a＝0；纵坐标：y＝y_b-y_a；满足直线行驶条件，控制器将信号送入轮毂电机，使驱动轮旋转，小车向前行驶到B点。

第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯。

第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，

AGV小车左驱动轮的转速n_l为：

$n_l=\frac{30}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_l=\frac{30v\[1-dir\frac{d\mathrm{\θ}}{R}\]}{\mathrm{\π}r}$

AGV小车右驱动轮的转速n_r为：

$n_r=\frac{30}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_r=\frac{30v\[1+dir\frac{d\mathrm{\θ}}{R}\]}{\mathrm{\π}r}$

式中，如图5所示，ω_l为左驱动轮的转向角速度；ω_r为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，为固定值，可以人为进行设定；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。

如图6所示，假设AGV小车的行驶路径依次包括M(x_m,y_m)、N(x_n,y_n)、P(x_p,y_p)、Q(x_q,y_q)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯。

此时，小车到达M点时会将N点和P点纳入计算，转弯方向dir计算公式为：

dir＝sgn[(x_n-x_m)(y_q-y_p)-(y_n-y_m)(x_q-x_p)]

在图6中，dir＝-1＜0，则判定为右转弯，小车将Q点也纳入计算。

转向角θ的计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \[\frac{(x_n-x_m)(x_q-x_p)+(y_n-y_m)(y_q-y_p)}{\sqrt{{(x_n-x_m)}^2+{(y_n-y_m)}^2}\sqrt{{(x_q-x_p)}^2+{(y_q-y_p)}^2}}\]$

在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(x_j,y_j)(在转弯开始前小车保持两驱动轮轴线中点向J点直线行驶)、转弯辅助点F和转弯结束点G，则：

$x_j=\frac{(x_m-x_n)\[y_p(x_q-x_p)-x_p(y_q-y_p)\]-(x_p-x_q)\[y_m(x_n-x_m)-x_m(y_n-y_m)\]}{(y_n-y_m)(x_p-x_q)-(y_q-y_p)(x_m-x_n)}$

$y_j=\frac{(y_q-y_p)\[y_m(x_n-x_m)-x_m(y_n-y_m)\]-(y_n-y_m)\[y_p(x_q-x_p)-x_p(y_q-y_p)\]}{(y_n-y_m)(x_p-x_q)-(y_q-y_p)(x_m-x_n)}$

点E到点J的直线距离如下：

$\left|\stackrel{\‾}{EJ}\right|=r\·tan\left(0.5\mathrm{\θ}\right)$

点E到点N的直线距离L为：

$L=\sqrt{{(x_j-x_n)}^2+{(y_j-y_n)}^2}-R\·tan\left(0.5\mathrm{\θ}\right)$

根据上述信息，即可实现小车的转向行驶。

步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进。若小车未按照指令行驶，则判断小车驱动轮出于某种原因处于打滑或空转状态，小车停机并报警。

步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点。

车体偏差调整过程如下：

如图7所示，通过车体偏差调整控制模块检测磁钉得到小车的偏移角度α(小车中轴线与路径方向的夹角)和小车的偏移距离h(也即小车两驱动轮轴线中点到路径的距离|AP|)，然后计算小车转弯半径R＝h/cosα，小车转弯角度θ₁＝α+π/3(∠HO₁I)，θ2＝π/3(∠KO₂I)，接下来可按照步骤2中的第三步转弯部分行驶。

步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：包括AGV小车、轮毂电机、控制器、路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块；

AGV小车的驱动轮均由轮毂电机所驱动；

路径规划模块内置在控制器中，用于规划AGV小车行驶路径上的若干个定位点以及提供每个定位点的坐标信息；

检测轮模块，用于记录AGV小车的行驶状况并记录AGV小车当前的位置坐标，并且能够判断AGV小车的转向方向、圆点和半径；

车体偏差调整控制模块，用于检测判断AGV小车是否到达定位点以及位姿是否正确；

控制器，用于对路径规划模块、检测轮模块和车体偏差调整控制模块提供的数据信息进行处理，并将驱动信号送入轮毂电机，使得AGV小车实现直线行驶或差速转向。

2.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述驱动轮为两个，对称设置于AGV小车的前方底部。

3.根据权利要求2所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述检测轮模块包括从动轮和编码器，每个驱动轮安装一个从动轮，每个从动轮上设置一个编码器；编码器能根据两个从动轮的差速判断AGV小车的转向方向、圆点和半径。

4.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：所述车体偏差调整控制模块为设置于AGV小车底盘前方中轴线两侧的霍尔传感器。

5.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：还包括对称设置于AGV小车后方底部的万向轮。

6.根据权利要求1所述的采用轮毂电机驱动的AGV小车，其特征在于：还包括设置于AGV小车四周的红外传感器。

7.一种采用轮毂电机驱动的AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，更新定位点坐标信息：通过对AGV小车的任务分配，在路径规划模块中标出AGV小车当前位置到目标定位点的路径，标记途径的定位点，并为途经的定位点排序，然后记录出发点及各个定位点坐标；

步骤2，小车行驶状态确定：AGV小车中的控制器将出发点坐标与下一定位点坐标进行对比，并确定AGV小车是直线行驶还是进行差速转向行驶；然后，控制器指令轮毂电机按照所确定的行驶状态驱动AGV小车进行行驶；

步骤3，小车行驶状态检测：AGV小车在步骤2所确定的直线行驶或差速转向行驶过程中，检测轮模块将判断AGV小车是否按指令行进；

步骤4，车体偏差调整：AGV小车每行驶到一个定位点，判断一次当前位姿，并通过计算得 到位姿矫正行驶数据；AGV小车在直线路段行驶的过程中，进行一次车体偏差调整，直到小车行驶到下一个定位点；

步骤5，车体偏差调整控制模块检测到下一定位点，更新前进信息，继续向后一个定位点前进，直至到达目标定位点，完成任务。

8.根据权利要求7所述的采用轮毂电机驱动AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：所述步骤1中，定位点采用事先铺设的方法，定位点为磁道钉。

9.根据权利要求7所述的采用轮毂电机驱动AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：所述步骤2中，AGV小车行驶状态的确定方法如下：

第一步，直线行驶确定：AGV小车每到达一个定位点会将接下来的两个定位点的坐标纳入计算，先判断是否满足直线行驶条件，如满足直线行驶条件，AGV小车在到达定位点及下一个定位点之间将进行直线行驶；

第二步，转弯确定：当第一步中判断为不满足直线行驶条件时，则判定为需要转弯；

第三步，确定AGV小车的转弯条件：转弯条件包括转弯方向dir、转弯半径R、转弯角度θ和左右两个驱动轮的转速：其中，

AGV小车左驱动轮的转速n_l为：

AGV小车右驱动轮的转速n_r为：

式中，ω_l为左驱动轮的转向角速度；ω_r为右驱动轮的转向角速度；v为小车转弯线速度，为设定值；d为左右两个驱动轮到小车轴线的距离；r为小车驱动轮半径；R为小车转弯半径，为一恒定值；dir为小车的转向，取值为1、0或-1；θ为小车转弯角度。

10.根据权利要求9所述的采用轮毂电机驱动AGV小车进行路径规划的方法，其特征在于：假设AGV小车的行驶路径依次包括M(x_m,y_m)、N(x_n,y_n)、P(x_p,y_p)、Q(x_q,y_q)四个点位点，且定位点N和定位点P之间具有转弯；此时，转弯方向dir计算公式为：

dir＝sgn[(x_n-x_m)(y_q-y_p)-(y_n-y_m)(x_q-x_p)]

转向角θ的计算公式为：

在定位点N和定位点P之间找出小车转弯起始点E、转弯辅助点J(x_j,y_j)和转弯结束点G，则：

点E到点J的直线距离如下：

点E到点N的直线距离L为：