專利名稱：可分式差速驅動裝置及其全方位移動自動導引車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可分式差速驅動裝置及其全方位移動自動導引車，屬于自動化輸送裝備領域。
背景技術：
驅動/轉向裝置是輪式電動車輛的運動執(zhí)行機構，根據平面運動的自由度，自動 導引車(簡稱AGV)具有側向運動受限的非完整移動方式和可實現(xiàn)所有平面運動的全方位 移動方式。全方位移動自動導引車不僅可沿車體縱向前進和后退，繞車體中心原地旋轉，還 可沿車體橫向左移和右移，并可在保持車體姿態(tài)不變的同時，沿平面內任意方向運動，對有 限作業(yè)空間具有良好的機動性。以麥卡納姆輪(Mecanum Wheel)和球形輪為代表的全方位輪不僅可繞主軸旋轉實 現(xiàn)前進和后退，還可沿主軸方向產生側向運動，是實現(xiàn)全方位移動方式的一種技術方案，然 而全方位輪機械結構復雜，制造成本高。另一種技術方案是通過常規(guī)車輪的特殊布局實現(xiàn) 全方位移動方式，如采用一對方向由操舵電機控制、轉速由驅動電機控制的雙操舵驅動輪 布局，然而這種方案的控制系統(tǒng)比較復雜，且獨立控制的兩輪轉向同步性較差。為了提高兩輪轉向控制的同步性，“自動引導車的驅動/轉向機構”(專利號 ZL200620028342. 5)通過一個轉向定位機構將電機與減速機驅動連接，減速機的輸出端驅 動連接一個通軸，采用電磁離合器將兩個驅動輪與該通軸的兩端進行離合式的驅動連接。 轉向定位機構的上轉盤固定于電機外殼，下轉盤固定于減速機外殼；通過角度傳感器檢測 上轉盤與下轉盤之間的相對轉角，并利用中間位置開關和定位凹坑校正角度傳感器的零點 位置；通過上轉盤的電磁鐵驅動定位銷沉入下轉盤的定位凹坑，實現(xiàn)上轉盤與下轉盤之間 的鎖定。該裝置可保證兩輪轉向控制的同步性，然而卻存在以下不足(1)通過離合式的摩 擦驅動難以精確控制驅動輪的運動狀態(tài)；(2)該裝置以電機和減速機的外殼作為主要承載 結構，有限的強度和剛度不適用于大載荷工況；(3)利用定位銷和定位凹坑的連接方式難 以實現(xiàn)上轉盤與下轉盤之間以任意角度精確鎖定；(4)角度傳感器需要中間位置開關進行 對中標定；(5)該裝置中驅動輪電磁離合器的結構較為復雜。由于麥卡納姆輪和球形輪可實現(xiàn)所有平面運動，采用該車輪的全方位移動自動導 引車不受非完整約束，其運動控制方法相對簡單，然而全方位輪機械結構復雜、制造成本 高，且對運行路徑的形狀變化難以具備自適應性。采用常規(guī)車輪的自動導引車由于非完整 約束不能直接消除側向位置偏差，在運動控制中需要利用車體縱向位移間接消除側向位置 偏差，其運動控制方法相對復雜，且需要較大的運動空間。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、承載量大、控制精確和運行平穩(wěn)的可分式 差速驅動裝置；并充分利用該裝置的特點，為全方位移動自動導引車提供一種控制原理簡 單，路徑適應性好，具有較高平穩(wěn)性、精確性和快速性的運動控制方法。
—種輪式電動車輛的可分式差速驅動裝置，其特征在于包括上轉盤和下轉盤，其 中上轉盤帶有中心孔，下轉盤上端面帶有中心軸；上轉盤的中心孔和下轉盤的中心軸之間 通過止推軸承同軸裝配；上轉盤的中心孔和下轉盤的中心軸之間還安裝有圓柱形的電磁離 合器；上述的下轉盤沿中心軸兩側對稱安裝有兩套輪式移動裝置，右側輪式移動裝置包括 右電機驅動器、右電機制動器、右伺服電機、右旋轉編碼器、右減速機和右驅動輪，左側輪式 移動裝置包括左電機驅動器、左電機制動器、左伺服電機、左旋轉編碼器、左減速機和左驅 動輪；上述的下轉盤還安裝有檢測路徑偏差的導引傳感器和實現(xiàn)自主駕駛的車載控制器； 上述的導引傳感器、右旋轉編碼器和左旋轉編碼器通過信號輸入電路與車載控制器相連； 車載控制器通過信號輸出電路分別與右電機驅動器和左電機驅動器、右電機制動器和左電 機制動器相連；上述的上轉盤安裝有檢測其與下轉盤之間旋轉角度的角度傳感器，該角度 傳感器的外殼固定于上轉盤的上端面，其轉子與下轉盤的中心軸機械連接，并通過信號輸 入電路與下轉盤上的車載控制器相連。上述的電磁離合器具體安裝方式如下電磁離合器的外殼固定于上轉盤的中心孔，其電磁線圈是否通電由車載控制器的驅動電路控制，并通過周向均勻分布的摩擦塊與 下轉盤的中心軸之間進行離合式的機械連接。一種利用上所述的可分式差速驅動裝置的全方位移動自動導引車，其特征在于 可分式差速驅動裝置安裝于車體下方中央，其上轉盤與車體之間采用剛性固定連接或柔性 懸掛連接，兩者在水平方向無相對運動；在車體下方四周至少還安裝有2個自由輪，其運動 速度和方向取決于車體的運動狀態(tài)；在車體上還安裝有為角度傳感器、右旋轉編碼器、左旋 轉編碼器、導引傳感器和車載控制器供電的控制蓄電池組；在車體上還安裝有為電磁離合 器、右電機制動器、左電機制動器、右電機驅動器和左電機驅動器供電驅動蓄電池組。所述的自動導引車的全方位移動工作原理為車載控制器分別通過兩個電機驅動 器獨立控制兩個伺服電機，再分別通過兩個減速機獨立驅動兩個驅動輪，每個驅動輪的運 動速度和方向都可獨立地精確控制，兩驅動輪之間的速度差將使下轉盤沿圓弧軌跡運動。 車載控制器通過電磁離合器控制下轉盤與車體之間的連接狀態(tài)，當下轉盤與車體之間無鎖 定時，設置兩驅動輪速度大小相等、方向相反，通過繞中心軸的原地旋轉自由調整下轉盤的 運動方向，并通過角度傳感器實時檢測其運動方向角；當運動方向角達到給定值時，車載控 制器停止伺服電機并通過電機制動器立即制動，再鎖定下轉盤與車體，使兩者運動方向保 持一致。因此，所述的自動導引車可在保持車體姿態(tài)不變的同時，實現(xiàn)沿任意方向角的全方 位移動。與現(xiàn)有驅動/轉向裝置相比，本發(fā)明裝置具有以下優(yōu)勢(1)結構簡單。本發(fā)明 采用模塊化結構的上轉盤、下轉盤及其輪式移動裝置，結構簡單、制造成本低、易維護性好。 (2)承載量大。本發(fā)明采用的主要承載結構為圓臺形的上轉盤和下轉盤，上轉盤的中心孔和 下轉盤的中心軸之間通過止推軸承同軸裝配，整個裝置具有足夠的強度和剛度，可適用于 大載荷工況。(3)控制精確。本發(fā)明分別通過兩套電機驅動器、伺服電機獨立、精確地控制 兩驅動輪的運動速度和方向，可形成有效的速度差以實現(xiàn)下轉盤乃至車體的轉向控制；本 發(fā)明通過上轉盤中心孔內的電磁離合器驅動摩擦塊壓緊下轉盤的中心軸，可實現(xiàn)上轉盤與 下轉盤之間以任意角度精確鎖定；本發(fā)明采用絕對式旋轉編碼器作為角度傳感器，無需外 部器件進行零點標定，可精確測量上轉盤與下轉盤之間的旋轉角度。(4)運行平穩(wěn)。根據自動導引車的承載量，本發(fā)明的上轉盤與車體之間采用剛性固定連接或柔性懸掛連接，保證 驅動輪與地面的有效接觸以產生足夠的驅動力。上述自動導引車的路徑自適應跟蹤控制方法，其特征在于針對不同形狀的運行 路徑采用自適應的跟蹤控制方法，方法一、通過自由態(tài)跟蹤控制方法提高車體運動的平穩(wěn)性，具體方法為通過可分 式差速驅動裝置中的電磁離合器解除下轉盤與車體之間的鎖定；導引傳感器檢測下轉盤與 地面導引標線之間的路徑偏差，并將其發(fā)送到車載控制器；車載控制器分別通過右伺服電 機和左伺服電機精確控制右驅動輪和左驅動輪之間的速度差，使下轉盤緊跟運行路徑的形 狀變化快速調整自身的位置和姿態(tài)；車體不是直接跟蹤運行路徑的形狀變化，而是由下轉 盤的跟蹤運動所帶動，并繞下轉盤的中心軸做相對轉動；方法二、通過全方位跟蹤控制方法精確調整車體的位置和姿態(tài)，具體方法為在 保持車體姿態(tài)不變的同時，沿任意運動方向消除自動導引車的路徑偏差，具體分為以下三
止
少步驟一、先停止自動導引車，通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器解除下轉 盤與車體之間的鎖定；導引傳感器檢測車體與地面導引標線之間的路徑偏差，并將其發(fā)送 到車載控制器；車載控制器據此計算自動導引車的運動方向角，進而計算下轉盤相對于車 體的旋轉方向和角度；車載控制器通過右伺服電機和左伺服電機分別控制兩驅動輪一個正 向旋轉，一個反向旋轉，并保持兩者速度相同；下轉盤繞其中心軸按預定方向旋轉，車載控 制器通過角度傳感器實時檢測下轉盤與車體之間的旋轉角度；當該旋轉角度達到預定的運 動方向角時，車載控制器停止右伺服電機左伺服電機，并通過右電機制動器和左電機制動 器立即制動，下轉盤停止轉動；步驟二、通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器鎖定下轉盤與車體；導引傳感 器檢測車體與地面導引標線之間的路徑偏差，并將其發(fā)送到車載控制器；車載控制器)根 據路徑偏差計算自動導引車的運動軌跡；通過右伺服電機和左伺服電機精確控制右驅動輪 和左驅動輪的速度，自動導引車按步驟一設置的運動方向以適當?shù)膸缀诬壽E逼近地面導引 標線，消除車體的路徑偏差；步驟三、再停止自動導引車，通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器解除下轉 盤與車體之間的鎖定；車載控制器根據車體的現(xiàn)有姿態(tài)計算下轉盤相對于車體的旋轉方向 和角度；車載控制器通過右伺服電機和左伺服電機分別控制兩驅動輪一個正向旋轉，一個 反向旋轉，并保持兩者速度相同；下轉盤繞其中心軸按預定方向旋轉，車載控制器通過角度 傳感器實時檢測下轉盤的自身方向與車體是否重合；當下轉盤的自身方向恢復到與車體重 合時，車載控制器停止右伺服電機和左伺服電機，并通過右電機制動器和左電機制動器立 即制動，下轉盤停止轉動；最后通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器鎖定下轉盤與車 體；所述自適應的跟蹤控制方法，還包括方法三，方法三、通過鎖定態(tài)跟蹤控制方法實 現(xiàn)車輛的快速移動，具體方法為通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器鎖定下轉盤與 車體；導引傳感器檢測車體與地面導引標線之間的路徑偏差，并將其發(fā)送到車載控制器； 車載控制器針對不同的方向角偏差采用多步預測最優(yōu)控制或單步預測智能控制，通過調整 兩驅動輪之間的速度差消除自動導引車的路徑偏差，根據跟蹤控制產生的速度差控制量設置電機伺服控制的目標速度。當方向角偏差不大于5°時，多步預測最優(yōu)控制采用運動學模型計算一個糾偏協(xié) 調性最優(yōu)的多步控制量序列，即 同步、精確地消除兩種路徑偏差；其中，e0 (0)和ed(0)為導引傳感器檢測的車體 與地面導引標線之間的方向角偏差和側向距離偏差；TS為車載控制器(31)的控制周期；W 為右驅動輪和左驅動輪之間的距離；ν為車體中心的線速度；ΔνΟΟ為第k個控制周期的 速度差控制量，k = 0,1,2....，N-I ；N為控制量序列的總步數(shù)，其值為滿足以下約束條件的 最小整數(shù)值 其中，I Δ V(k) Ifflax為速度差控制量序列的幅值最大項，其計算公式為 λ為速度差控制量序列的變化步長，其計算公式為 Δ Vfflax和Δ afflax為預先設置的速度最大幅值和最大變化率；當方向角偏差大于5°時，單步預測智能控制采用運動學模型計算一個滿足最優(yōu) 偏差狀態(tài)轉化策略的單步控制量，快速、平穩(wěn)地減小兩種路徑偏差，當方向角偏差減小到 5°后再利用多步預測最優(yōu)控制；(a)若路徑偏差e0 (k)和 00異號，或者ed(k) = 0，先計算消除方向角偏差的速 度差控制量
(5)(b)若路徑偏差e0 (k)和ed(k)同號，或者e0 (k) = 0，先計算同步消除兩種偏差 的速度差控制量
(6)若I ΔνΟΟΡ| < Avmin，其中，Δ Vmin為預先設置的速度最小幅值，則按以下公式調 整速度差控制量 其中， λ min為預先設置的速度最小變化率；(c)若 I Av(k)P-Av(k-l) ≤λmax其中，λ 隱=Δ amaxTs，則速度差控制量的計算公式為Av(k) = Δ ν (k)P (9)否則，速度差控制量的計算公式為Av(k) = Av(k-l)+sign(Av(k)p-Av(k-l)) Amax (10)若I Av(k)P| > Δ vmax，則速度差控制量的計算公式為Av(k) = sign(Av(k)P) Avmax (11)與自動導引車的現(xiàn)有運動控制方法相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)勢(1)充分利 用可分式差速驅動裝置的特點，采用結構簡單、性價比高的常規(guī)輪式移動機構實現(xiàn)沿任意 方向的全方位移動。(2)控制原理簡單，采用下轉盤與車體之間的鎖定-解除鎖定-鎖定控 制過程實現(xiàn)下轉盤乃至車體運動方向的自由、精確調整。(3)路徑適應性好，對形狀變化復 雜的運行路徑采用高平穩(wěn)性的自由態(tài)跟蹤控制方法，對停車定位點采用全方位跟蹤控制方 法精確調整車體的位置和姿態(tài)，對長距離運行路徑采用鎖定態(tài)跟蹤控制方法實現(xiàn)車輛的快 速移動。


圖1是本發(fā)明的可分式差速驅動裝置的正視結構示意圖。圖2是應用本發(fā)明裝置的全方位移動自動導引車的俯視結構示意圖。圖3是本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)原理圖。圖4是可分式差速驅動裝置與車體的連接示意圖。圖5是全方位調整車體運動方向的控制示意圖。圖6是本發(fā)明路徑自適應跟蹤控制方法的組成示意圖。圖7是自由態(tài)跟蹤控制方法的控制示意圖。圖8是全方位跟蹤控制方法的控制示意圖。圖9是鎖定態(tài)跟蹤控制方法的運動學模型示意圖。圖10是鎖定態(tài)跟蹤控制方法的偏差狀態(tài)分類圖。圖11是鎖定態(tài)跟蹤控制方法的同步糾偏示意圖。圖12是鎖定態(tài)跟蹤控制方法的最優(yōu)偏差狀態(tài)轉化策略示意圖。圖中標號名稱1、上轉盤；2、止推軸承；3、角度傳感器；4、下轉盤；5、電磁離合器； 6、摩擦塊；7、右旋轉編碼器；8、右電機制動器；9、右伺服電機；10、右減速機；11、右驅動輪； 12、右驅動輪連接鍵；13、右軸承座；14、右滾動軸承；15、右緊固螺栓；16、右擋圈；17、左擋 圈；18、左緊固螺栓；19、左滾動軸承；20、左軸承座；21、左驅動輪連接鍵；22、左驅動輪； 23、左減速機；24、左伺服電機；25、左電機制動器；26、左旋轉編碼器；27、車體；28、右電機 驅動器；29、左電機驅動器；30、導引傳感器；31、車載控制器；32、自由輪1 ；33、自由輪2 ； 34、自由輪3 ；35、自由輪4 ；36、控制蓄電池組；37、驅動蓄電池組；38、導向螺栓；39、承載彈 簧；40、緊固螺栓。此外，Y軸為車體27的自身方向，y軸為下轉盤4的自身方向。
具體實施例方式以下根據附圖所示的實施例詳細說明本發(fā)明可分式差速驅動裝置的組成結構以 及路徑自適應跟蹤控制方法的操作過程。參照圖1，本發(fā)明的可分式差速驅動裝置是由可分離的上轉盤1和下轉盤4構成， 其中上轉盤1帶有中心孔，下轉盤4上端面帶有中心軸；上轉盤1的中心孔和下轉盤4的中 心軸之間通過止推軸承2同軸裝配；在承受軸向載荷的同時保證下轉盤4的中心軸可在上 轉盤1的中心孔內自由轉動。上轉盤1的中心孔和下轉盤4的中心軸之間還安裝有圓柱形 的電磁離合器5。參照圖1和圖2，下轉盤4沿中心軸兩側對稱安裝有兩套輪式移動裝置，右側輪式 移動裝置包括右電機驅動器28、右電機制動器8、右伺服電機9、右旋轉編碼器7、右減速機 10和右驅動輪11，左側輪式移動裝置包括左電機驅動器29、左電機制動器25、左伺服電機 24、左旋轉編碼器26、左減速機23和左驅動輪22 ；上述的下轉盤4還安裝有檢測路徑偏差的導引傳感器30和實現(xiàn)自主駕駛的車載 控制器31 ；其中，右電機驅動器28和左電機驅動器29的輸出端分別與右伺服電機9和左伺 服電機24的輸入端進行電連接，右電機制動器8和左電機制動器25分別與右伺服電機9和 左伺服電機24的輸出軸進行離合式的機械連接，右旋轉編碼器7和左旋轉編碼器26的轉 子分別與右伺服電機9和左伺服電機24的輸出軸通過鍵連接，右伺服電機9和左伺服電機 24的輸出軸分別與右減速機10和左減速機23的輸入軸通過聯(lián)軸器連接，右減速機10和左 減速機23的輸出軸分別與右驅動輪11和左驅動輪22的輪轂通過鍵連接，分別與右軸承座 13和左軸承座20通過右滾動軸承14和左滾動軸承19連接，并分別利用右緊固螺栓15和 左緊固螺栓18將擋圈右擋圈16和左擋圈17固定于右減速機10和左減速機23的輸出軸 端面。導引傳感器30、右旋轉編碼器7和左旋轉編碼器26通過信號輸入電路與車載控制器 31相連；車載控制器31通過信號輸出電路分別與右電機驅動器28和左電機驅動器29、右 電機制動器8和左電機制動器25相連。參照圖2和圖3，車載控制器31通過導引傳感器30檢測下轉盤4與地面導引標 線的路徑偏差；再分別通過右電機驅動器28和左電機驅動器29獨立控制右伺服電機9和 左伺服電機24的運動速度和方向，通過右電機制動器8和左電機制動器25立即制動右伺 服電機9和左伺服電機24 ；通過右伺服電機9和左伺服電機24帶動右減速機10和左減速 機23，將轉速和轉矩傳遞給右驅動輪11和左驅動輪22，每個驅動輪的運動速度和方向都可 獨立地精確控制；并通過右旋轉編碼器7和左旋轉編碼器26將每個驅動輪的速度和位移信 息反饋給車載控制器31。當兩驅動輪速度大小相等、方向相同時，下轉盤4沿直線軌跡運 動；當兩驅動輪速度大小不等、方向相同時，下轉盤4沿曲線軌跡運動；兩驅動輪速度大小 相等、方向相反時，下轉盤4繞中心軸做原地旋轉運動。參照圖1和圖2，上轉盤1安裝有檢測其與下轉盤4之間旋轉角度的角度傳感器 3。傳感器的外殼固定于上轉盤1的上端面，其轉子與下轉盤4的中心軸通過健連接，并通 過信號輸入電路與下轉盤4上的車載控制器31相連，反饋下轉盤4與上轉盤1之間的旋轉 角度，根據該角度可計算下轉盤4的運動方向角。參照圖1和圖2，電磁離合器5的外殼固定于上轉盤1的中心孔，其電磁線圈是否通電由車載控制器31的驅動電路控制，并通過周向均勻分布的摩擦塊6與下轉盤4的中心 軸之間進行離合式的機械連接。當電磁離合器5的電磁線圈通電時，摩擦塊6被吸回，其對 下轉盤4的中心軸無壓緊作用，下轉盤4的中心軸可在上轉盤1的中心孔內自由轉動，從而 調整下轉盤4與上轉盤1之間的旋轉角度。當電磁離合器5的電磁線圈斷電時，壓簧推動 摩擦塊6壓緊下轉盤4的中心軸，下轉盤4與上轉盤1之間無相對轉動。參照圖2和圖4，可分式差速驅動裝置安裝于車體27的下方中央。根據自動導引 車的承載量大小和運行路面的平整情況，上轉盤1與車體27之間既可采用緊固螺栓40進 行剛性固定連接，也可采用導向螺栓38和承載彈簧39進行柔性懸掛連接。這兩種連接的 區(qū)別僅在于上轉盤1與車體27之間是否可在垂直方向上產生位移，而在水平方向絕無相對 運動，因此，下轉盤4相對于上轉盤1的自由轉動即為下轉盤4相對于車體27的自由轉動。 在車體27下方的前部和后部各安裝有2個具有支撐作用的自由輪，其運動速度和方向取決 于車體27的運動狀態(tài)，配合下轉盤4的驅動輪實現(xiàn)自動導引車的轉向。在車體27上還安裝有為角度傳感器3、右旋轉編碼器7和左旋轉編碼器26、導引 傳感器30、車載控制器31供電的控制蓄電池組36 ；在車體27上還安裝有為電磁離合器5、 右電機制動器8和左電機制動器25、右電機驅動器28和左電機驅動器29供電的驅動蓄電 池組37。由于質量較大的蓄電池組和負載均安裝于車體27，下轉盤4所具有的慣性較小， 可通過兩驅動輪的差速控制靈活地完成轉向和直行運動。參照圖5，全方位調整車體運動方向的控制過程如下在圖5. (a)中，首先將車體27處于靜止狀態(tài)，車載控制器31通過其驅動電路控制電磁離合器5的電磁線圈通電，摩擦塊6被吸回，其對下轉盤4的中心軸無壓緊作用。車載 控制器31通過右電機驅動器28控制右伺服電機9，經右減速機10帶動右驅動輪11反向旋 轉；通過左電機驅動器29控制左伺服電機24，經左減速機23帶動左驅動輪22正向旋轉； 并保證右驅動輪11和左驅動輪22的旋轉速度相同，下轉盤4的中心軸在上轉盤1的中心 孔內自由轉動。由于車體27的質量遠大于下轉盤4的質量，且下轉盤4的中心軸在上轉盤1的中心 孔內轉動所受的摩擦力很小，因此在車體27姿態(tài)(即Y軸方向)保持不變的同時，下轉盤4繞 其中心軸原地旋轉，自由、精確地調整其運動方向(即y軸方向)。在此過程中，車載控制器31 通過角度傳感器3實時檢測下轉盤4與車體27之間的旋轉角度，即y軸與Y軸之間的夾角。在圖5. (b)中，當該夾角達到預定的運動方向角時(在實施例中y軸與Y軸之間 的夾角為90° )，車載控制器31通過右電機驅動器28和左電機驅動器29控制右伺服電機 9和左伺服電機24停止轉動，并通過右電機制動器8和左電機制動器25立即制動右伺服電 機9和左伺服電機24。然后，車載控制器31通過其驅動電路控制電磁離合器5的電磁線圈斷電，壓簧推 動摩擦塊6壓緊下轉盤4的中心軸，下轉盤4與車體27之間無相對轉動，將y軸與Y軸之 間的夾角鎖定為預定的運動方向角。參照圖6，本發(fā)明面向可分式差速驅動自動導引車，針對不同形狀的運行路徑采用 自適應的跟蹤控制方法對形狀變化復雜的曲線路徑，解除下轉盤4與車體27之間的鎖定， 采用高平穩(wěn)性的自由態(tài)跟蹤控制方法；對直線路徑上的停車定位點，利用下轉盤4與車體 27之間的鎖定-解除鎖定_鎖定控制過程，通過全方位跟蹤控制方法精確調整車體的位置和姿態(tài)；對直線路徑上的長距離路段，鎖定下轉盤4與車體27，采用鎖定態(tài)跟蹤控制方法實 現(xiàn)車輛的快速移動。參照圖7，本發(fā)明所述的自由態(tài)跟蹤控制方法的控制過程如下當自動導引車進 入形狀變化復雜的曲線路徑時，車載控制器31通過其驅動電路控制電磁離合器5的電 磁線 圈通電，摩擦塊6被吸回，其對下轉盤4的中心軸無壓緊作用，解除下轉盤4與車體27之間 的鎖定。一方面，下轉盤4上僅安裝了質量較輕的導引傳感器30、車載控制器31以及兩套 輪式移動裝置，可利用導引傳感器30實時檢測地面導引標線的路徑偏差，并將其發(fā)送到車 載控制器31 ；車載控制器31通過高效糾偏計算輸出兩驅動輪的速度差控制量，再分別通過 右伺服電機9和左伺服電機24精確控制右驅動輪11和左驅動輪22的實際速度，使小慣性 的下轉盤4可根據曲線路徑的形狀變化及時調整自身的位置和姿態(tài)。在圖6所示的路徑跟 蹤過程中，下轉盤4的中心始終位于曲線路徑上，且其自身方向(y軸)始終指向曲線路徑 的切線方向?？梢?，該控制方法顯著提高了下轉盤4在路徑跟蹤過程中的快速性和精確性， 完全避免了因地面導引標線超出導引傳感器30的有效檢測范圍而導致的跟蹤失敗問題。另一方面，質量較重的蓄電池組和負載均安裝于車體27，大慣性的車體27難以根 據曲線路徑的形狀變化及時調整自身的位置和姿態(tài)。因此，車體27不是直接跟蹤曲線路徑 的形狀變化，而是在下轉盤4的帶動下，一邊隨下轉盤4的運動方向產生移動，一邊繞下轉 盤4的中心軸進行轉動。在路徑跟蹤過程中，車體27的姿態(tài)角變化速率慢于下轉盤4，如 在圖6. (a)位置，下轉盤4的自身方向(y軸)開始沿曲線路徑的切線方向偏轉，而車體27 的自身方向(Y軸)仍然沿著原來的直線路徑方向。并且，車體27的姿態(tài)角變化幅值小于 下轉盤4，如圖6中的虛線和實線所示?？梢?，下轉盤4快速變化的運行位姿狀態(tài)對車體27 影響有限，該控制方法可保證車體27在復雜曲線路徑上運行的平穩(wěn)性。參照圖5和圖8，本發(fā)明所述的全方位跟蹤控制方法采用下轉盤與車體之間的鎖 定_解除鎖定_鎖定控制過程實現(xiàn)自動導引車沿任意方向的運動。以圖8中直接消除自動 導引車的側向位置偏差為例，說明全方位跟蹤控制方法的控制過程。在圖8. (a)中，自動導引車與運行路徑之間的角度偏差為0，側向位置偏差為ed， 下面在保持車體27自身方向(Y軸)不變的同時直接消除ed。在圖8. (b)中，先停止自動導引車，通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器5解 除下轉盤4與車體27之間的鎖定。導引傳感器30檢測車體27與地面導引標線之間的路 徑偏差，并將其發(fā)送到車載控制器31 ；車載控制器31據此計算自動導引車的運動方向角， 進而計算下轉盤4相對于車體27需要順時針旋轉90° ；車載控制器31通過右伺服電機9 控制右驅動輪11反向旋轉，通過左伺服電機24控制左驅動輪22正向旋轉，并保持兩者速 度相同；下轉盤4繞其中心軸順時針旋轉，車載控制器31通過角度傳感器3實時檢測下轉 盤4與車體27之間的旋轉角度。當該旋轉角度達到90°時，車載控制器31停止右伺服電 機9和左伺服電機24，并通過右電機制動器8和左電機制動器25立即制動，下轉盤4停止 轉動，其自身方向(y軸)調整為垂直于運行路徑的車體側向。在圖8. (c)中，通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器5鎖定下轉盤4與車體 27，下轉盤4自身方向(y軸)與車體27自身方向(Y軸)之間的夾角保持為90°。車載控 制器31通過右伺服電機9和左伺服電機24精確控制右驅動輪11和左驅動輪22以相同速度正向旋轉，自動導引車在保持車體27姿態(tài)不變的同時沿y軸向地面導引標線移動。導引 傳感器30實時檢測自動導引車的側向位置偏差ed，當ed消除到零時，車載控制器31停止 右伺服電機9和左伺服電機24，并通過右電機制動器8和左電機制動器25立即制動，自動 導引車停止運動。在圖8. (d)中，通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器5解除下轉盤4與車體 27之間的鎖定。車載控制器31根據車體27的現(xiàn)有姿態(tài)計算下轉盤4相對于車體27需要 逆時針旋轉90° ；車載控制器31通過右伺服電機9控制右驅動輪11正向旋轉，通過左伺 服電機24控制左驅動輪22反向旋轉，并保持兩者速度相同；下轉盤4繞其中心軸逆時針旋 轉，車載控制器31通過角度傳感器3實時檢測下轉盤4與車體27之間的旋轉角度。當該 旋轉角度達到90°時，車載控制器31停止右伺服電機9和左伺服電機24，并通過右電機制 動器8和左電機制動器25立即制動，下轉盤4停止轉動，其自身方向(y軸)恢復到與車體 27自身方向(Y軸)重合。最后通過可分式差速驅動裝置中的電磁離合器5鎖定下轉盤4 與車體27。參照圖9，本發(fā)明所述的鎖定態(tài)跟蹤控制方法通過可分式差速驅動裝置中的電磁 離合器5鎖定下轉盤4與車體27，Σ XOY為固定坐標系，Σ xoy為車體27的車載坐標系， 導引標線與χ軸交點的橫坐標為側向位置偏差ed，導引標線的切線方向與y軸的夾角為方 向角偏差e"當切線方向逆時針轉向y軸時e0 < 0，當順時針轉向y軸時e0 >0。左驅動 輪22和右驅動輪11的線速度分別為V1和\，車體27中心的平動線速度為v，旋轉角速度 為ω ο當導引傳感器30檢測到路徑偏差時，車載控制器31通過電機伺服控制，在右驅動 輪11和左驅動輪22之間產生一個速度差控制量Δ V，使車體27沿瞬心為C的圓弧軌跡移 動以消除路徑偏差，并保持車體27中心線速度ν的大小不變，即 設右驅動輪11和左驅動輪22之間的距離為W，則車體27沿瞬心為C轉動的角速 度為 設車載控制器31的控制周期為Ts，設當前狀態(tài)k的方向角偏差為e0 (k)，下一狀
態(tài)k+Ι的方向角偏差為下一狀態(tài)k+Ι的側向距離偏差為 自動導引車的運動學模型為 考慮到伺服電機及電機驅動器有限的執(zhí)行能力，速度差控制量Δν(k)的幅值和 變化步長必須滿足以下條件 其中，Δ Vmax和Δ amax為預先設置的速度最大幅值和最大變化率。在條件(6)約束下，當前狀態(tài)的路徑偏差可能無法在一個控制周期完全消除，從 多個控制周期的整體優(yōu)化角度出發(fā)，以兩種路徑偏差消除的協(xié)調性最優(yōu)為目標，設計一個N 步最優(yōu)控制序列Δν(10，(k = 0，l...N-l)，將兩種路徑偏差同時消除到零，即滿足控制目 標 在條件(6)約束下最小化控制步數(shù)N，可達到電機驅動系統(tǒng)所能實現(xiàn)的最快偏差 消除過程。在此基礎上，采用速度差控制量的二次型積分作為描述糾偏協(xié)調性的目標函數(shù)， 即 當方向角偏差不大于5°時，本發(fā)明所述的鎖定態(tài)跟蹤控制方法采用多步預測最 優(yōu)控制，對狀態(tài)方程為(5)的系統(tǒng)，在條件(6)的約束下，通過最小化目標函數(shù)(8)和控制 步數(shù)N，實現(xiàn)一種電機驅動系統(tǒng)能力所及的協(xié)調性和快速性最優(yōu)的偏差消除過程，并最終滿 足控制目標(8)，使兩種路徑偏差同時消除到零并維持無偏差跟蹤狀態(tài)。 根據Lagrange待定數(shù)列法，對狀態(tài)方程(5)引入待定數(shù)列:{λ (k+1)} = {[λ1 (k+1)λ2(k+1)]T}
Hamilton函數(shù)為
(10)能使目標函數(shù)(8)取得極小值的速度差控制量序列Δν(k)滿足以下條件 由條件(11)可得速度差控制量序列為
(12)其中，控制量序列的總步數(shù)N ≥2，當前控制步數(shù)k = 0，1，2.....,N-1
在速度差控制量序列中，幅值最大項的計算公式為
速度差控制量序列的變化步長為 為保證所有的速度差控制量ΔνΟΟ滿足條件(6)，只需滿足 由條件(15)可計算出多步預測最優(yōu)控制的控制量序列總步數(shù)N。參照圖10，本發(fā)明所述的鎖定態(tài)跟蹤控制方法根據兩種路徑偏差之間的關系分為 四種偏差狀態(tài)，對方向角偏差大于5°的大偏差情況，研究偏差狀態(tài)之間的轉化過程，通過 單步預測智能控制快速、平穩(wěn)地減小兩種路徑偏差，當方向角偏差減小到5°后再利用多步 預測最優(yōu)控制。參照圖11，本發(fā)明所述的單步預測智能控制在同號偏差狀態(tài)下，使自動導引車的 運動方向從車載坐標系y軸，沿以點c為圓心、以|R|為半徑的圓弧OB相切過渡到導引標 線，兩種路徑偏差可同步消除到零，運動半徑為 當速度差控制量不為零時，圓周運動的半徑和角速度之間存在以下關系 由式(16)和(17)可得同步消除兩種偏差的速度差控制量為 考慮到偏差消除過程的快速性要求，由式(18)計算的速度差控制量需滿足Av(k)P| ^ Avmin (19)其中，Δ Vmin為預先設置的速度最小幅值。若滿足條件(19)，將該類同號偏差狀態(tài)定義為同號偏差I狀態(tài)，直接采用式(18) 計算的同步速度差控制量；否則，定義為同號偏差II狀態(tài)，為向同號偏差I狀態(tài)轉化，需提 高方向角偏差對側向位置偏差的比值，速度差控制量向增大方向角偏差的方向調整，即 其中， λ min為預先設置的速度最小變化率。對零角度偏差狀態(tài)，由式(18)計算的速度差控制量為零，該偏差狀態(tài)可視為同號 偏差II狀態(tài)的特殊情況。
由式(5)可知，對異號偏差狀態(tài)和零距離偏差狀態(tài)，方向角偏差將不斷產生新的 側向距離偏差，因此需盡快消除方向角偏差。由式(5)可得，將方向角偏差消除到零的速度 差控制量為 為使速度差控制量ΔνΟΟ的幅值和變化步長滿足條件(6)，判斷由式(18)、(20) 和(22)計算的Δ ν (k) ρ是否滿足以下條件若I Av(k)P-Av(k-l) I (入_，其中，入.=Δ BmaxTs，則速度差控制量的計算公 式為Av(k) = Δ ν (k)P (23)否則，速度差控制量的計算公式為Δ ν (k) = Δ ν (k-1) +sign ( Δ ν (k) ρ- Δ ν (k_l)) λ max (24)若I Av(k)P| > Δ vmax，則速度差控制量的計算公式為Δ ν (k) = sign ( Δ ν (k)Ρ) Δ vmax (25)參照圖12，本發(fā)明所述的單步預測智能控制為快速、平穩(wěn)地減小兩種路徑偏差，根 據偏差狀態(tài)之間的轉化過程設計了最優(yōu)偏差狀態(tài)轉化策略。對異號偏差狀態(tài)和零距離偏 差狀態(tài)，方向角偏差將不斷產生新的側向距離偏差，采用式(22)盡快將方向角偏差消除到 零，轉化為零角度偏差狀態(tài)和同號偏差II狀態(tài)。此時根據式(18)計算的同步速度差控制 量很小，不滿足偏差消除過程的快速性要求，因此由式(20)向增大方向角偏差的方向調整 速度差控制量，轉化為同號偏差I狀態(tài)。此時可根據式(18)計算同步消除兩種路徑偏差的 速度差控制量，若控制量滿足條件(15)的約束，將進入為無偏差跟蹤狀態(tài)；否則轉化為異 號偏差狀態(tài)，再次進入偏差狀態(tài)轉化的循環(huán)過程。
權利要求
一種輪式電動車輛的可分式差速驅動裝置，其特征在于包括上轉盤(1)和下轉盤(4)，其中上轉盤(1)帶有中心孔，下轉盤(4)上端面帶有中心軸；上轉盤(1)的中心孔和下轉盤(4)的中心軸之間通過止推軸承(2)同軸裝配；上轉盤(1)的中心孔和下轉盤(4)的中心軸之間還安裝有圓柱形的電磁離合器(5)；上述的下轉盤(4)沿中心軸兩側對稱安裝有兩套輪式移動裝置，右側輪式移動裝置包括右電機驅動器(28)、右電機制動器(8)、右伺服電機(9)、右旋轉編碼器(7)、右減速機(10)和右驅動輪(11)，左側輪式移動裝置包括左電機驅動器(29)、左電機制動器(25)、左伺服電機(24)、左旋轉編碼器(26)、左減速機(23)和左驅動輪(22)；上述的下轉盤(4)還安裝有檢測路徑偏差的導引傳感器(30)和實現(xiàn)自主駕駛的車載控制器(31)；上述的導引傳感器(30)、右旋轉編碼器(7)和左旋轉編碼器(26)通過信號輸入電路與車載控制器(31)相連；車載控制器(31)通過信號輸出電路分別與右電機驅動器(28)和左電機驅動器(29)、右電機制動器(8)和左電機制動器(25)相連；上述的上轉盤(1)安裝有檢測其與下轉盤之間旋轉角度的角度傳感器(3)，該角度傳感器的外殼固定于上轉盤(1)的上端面，其轉子與下轉盤(4)的中心軸機械連接，并通過信號輸入電路與下轉盤(4)上的車載控制器(31)相連。
2.根據權利要求1所述的一種可分式差速驅動裝置，其特征在于所述的電磁離合器(5)的外殼固定于上轉盤(1)的中心孔，其電磁線圈是否通電由車載控制器31的驅動電路 控制，并通過周向均勻分布的摩擦塊(6)與下轉盤(4)的中心軸之間進行離合式的機械連 接。
3.利用權利要求1所述的可分式差速驅動裝置的全方位移動自動導引車，其特征在于可分式差速驅動裝置安裝于車體(27)下方中央，其上轉盤(1)與車體(27)之間采用 剛性固定連接或柔性懸掛連接，兩者在水平方向無相對運動；在車體(27)下方四周至少還安裝有2個自由輪，其運動速度和方向取決于車體27的 運動狀態(tài)；在車體(27)上還安裝有為角度傳感器(3)、右旋轉編碼器(7)和左旋轉編碼器(26)、 導引傳感器(30)、車載控制器(31)供電的控制蓄電池組(36)；在車體(27)上還安裝有為電磁離合器(5)、右電機制動器(8)和左電機制動器(25)、 右電機驅動器(28)和左電機驅動器(29)供電的驅動蓄電池組(37)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可分式差速驅動裝置及其全方位移動自動導引車，屬于自動化輸送裝備領域。該裝置的上轉盤固定于車體，通過止推軸承與下轉盤同軸裝配，上轉盤安裝有角度傳感器和電磁離合器，下轉盤安裝有導引傳感器和車載控制器，以及兩套包含電機驅動器、電機制動器、伺服電機、旋轉編碼器、減速機和驅動輪的輪式移動裝置。該發(fā)明裝置具有結構簡單、承載量大、控制精確和運行平穩(wěn)等優(yōu)點；該方法充分利用裝置特點，控制原理簡單，路徑適應性好，具有較高平穩(wěn)性、精確性和快速性。
文檔編號G05D1/08GK101885351SQ20101022878
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權日2010年7月15日
發(fā)明者吳亮亮, 周馳東, 喻俊, 張炯, 樓佩煌, 武星, 王輝, 肖海寧, 錢曉明 申請人:南京航空航天大學