專利名稱：紅外光電導(dǎo)向agv裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于エ業(yè)自動化車間的無人車的自動導(dǎo)向系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及紅外光電導(dǎo)向AGV裝置及其控制方法，屬于移動機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自動導(dǎo)引車輛(Automated Guided Vehicle,簡稱AGV)是現(xiàn)代物流技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，隨著自動導(dǎo)引車輛新興市場的發(fā)展，對廉價且控制精度高的AGV產(chǎn)生了巨大的需求，車輛建模和控制策略的研究已經(jīng)發(fā)展成為當前研究課題的熱點，AGV作為自動運輸設(shè)備，在自動化車間中的沿著預(yù)定軌跡運行的精度直接影響到整個車間的正常運行。尤其是AGV的導(dǎo)向控制精度作為決定AGV性能的關(guān)鍵因素更是吸引了極大的關(guān)注。紅外自動導(dǎo)引車AGV是 一種以紅外光電作為導(dǎo)引方式的自動導(dǎo)向車輛，控制系統(tǒng)是AGV的核心內(nèi)容，而路徑跟蹤控制方法是保證AGV控制精度的關(guān)鍵所在。專利申請?zhí)枮?01110306984. 2的中國專利公開了ー種車道識別偏離檢測方法，采用圖像處理對AGV車道識別偏離的檢測方法，首先對獲取的車道圖像進行預(yù)處理，然后對預(yù)處理之后的車道圖像進行邊緣檢測，得到車道邊緣圖像，根據(jù)得到的車道邊緣圖像基于卡爾曼濾波器的車道跟蹤方法，確定出車道的位置，并在點集優(yōu)化后的基礎(chǔ)上提取車道參數(shù)，然后根據(jù)得到的車道參數(shù)，擬合提取車道線，最后根據(jù)提取的車道線判別AGV車體所在車道的具體狀況，可以實現(xiàn)對車道狀況的檢測。專利申請?zhí)枮?01110054045. 3的中國專利公開了 AGV可編程電磁導(dǎo)引方法和裝置，通過改變同一根導(dǎo)引線上的導(dǎo)引信號的頻率，而各種信號的頻率分別代表不同的動作意義，隨時控制AGV的動作，動作包括前進、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，AGV根據(jù)檢測到的導(dǎo)引頻率的執(zhí)行不同的動作。專利申請?zhí)枮?01110029304. 7的中國專利公開了ー種AGV自動導(dǎo)向系統(tǒng)和控制方法，系統(tǒng)由檢測模塊和控制模塊組成，檢測模塊由最為AGV車體位置傳感器的編碼器和作為AGV位姿傳感器的激光掃描儀構(gòu)成；控制模塊是由伺服驅(qū)動單元和エ控機組成，設(shè)置控制模塊由內(nèi)位置環(huán)和外位置環(huán)構(gòu)成的雙位置閉環(huán)控制模塊；內(nèi)位置環(huán)為電機轉(zhuǎn)角位置環(huán)，外位置環(huán)是以激光掃描讀取AGV位置信號，將外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV位置的路徑跟蹤誤差，將路徑跟蹤誤差作為控制系統(tǒng)的輸入量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種紅外光電導(dǎo)向AGV裝置及導(dǎo)向控制方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，包括車體、驅(qū)動輪和從動輪以及鋪設(shè)于地面的導(dǎo)引反光帯，特點是在車體底部的四端角位置各安裝一從動輪，車體底部的中間部位沿縱向安裝有一組呈對稱分布的驅(qū)動輪，驅(qū)動輪均與無刷直流電機驅(qū)動控制連接，每只驅(qū)動輪的內(nèi)側(cè)設(shè)有速度檢測裝置，車體底部的中間部位沿橫向安裝有一組呈對稱分布的紅外光電導(dǎo)向裝置，紅外光電導(dǎo)向裝置的內(nèi)側(cè)安裝有紅外標志檢測裝置，車體底部的四端角位置還各安裝一避障傳感器。進ー步地，上述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，兩驅(qū)動輪之間的軸距為900mm。
更進一歩地，上述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，所述避障傳感器為GP2Y0A21紅外測
距傳感器。 再進ー步地，上述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，所述紅外光電導(dǎo)向裝置包含紅外發(fā)射器、紅外接收器、緩沖驅(qū)動器和主控制單元，紅外接收器經(jīng)電壓比較器接入至主控制單元，電壓比較器上設(shè)有電壓調(diào)節(jié)電阻，主控制單元上連接譯碼器，譯碼器連接緩沖驅(qū)動器，緩沖驅(qū)動器上設(shè)有光強可調(diào)電阻，緩沖驅(qū)動器經(jīng)掃描指示燈連接紅外發(fā)射器，主控制單元上設(shè)有通信串ロ。本發(fā)明紅外光電導(dǎo)向AGV裝置的控制方法，按照預(yù)設(shè)路徑的軌跡在地面鋪設(shè)導(dǎo)引反光帶，在需要鋪設(shè)動作標志的位置設(shè)置動作標志；(I )AGV裝置運行中，車體相對導(dǎo)引路徑的偏移信息通過紅外光電導(dǎo)向裝置進行檢測，紅外光電導(dǎo)向裝置發(fā)射紅外光線，紅外光線經(jīng)過導(dǎo)引反光帶的發(fā)射得到車體相對導(dǎo)引反光帶的位置信息；位置信息的檢測步驟是在AGV相對導(dǎo)引路線所在的運動線路上，定義實際位置和目標位置之間的誤差為位置誤差，將AGV的運動位置表示為(d，α )，其中d為AGV偏移導(dǎo)引路線的法相位置誤差，α為AGV的方位角誤差，所述的方位角為AGV的當前行進路線與預(yù)期軌跡也就是導(dǎo)引路線之間的夾角；要求AGV沿著預(yù)定的導(dǎo)軌路線循跡前迸，設(shè)置所述的AGV的目標位置為(0，O)，由紅外光電導(dǎo)向裝置檢測AGV起點的位置是(0，O),根據(jù)路徑的規(guī)劃，預(yù)先設(shè)置兩個驅(qū)動輪之間的距離是L，前后兩個位置檢測裝置之間的距離是D ；目標位置有兩種情況，當沿著指導(dǎo)路徑循跡吋，目標位置為(0，0);當在ー些特定轉(zhuǎn)彎動作標志位置時，AGV的目標位置為(d, α);在需要轉(zhuǎn)彎的情況下導(dǎo)引車的控制采用前饋控制，在檢測到動作標志時，加入對應(yīng)動作的前饋控制量，當行駛過動作標志進入循跡過程時，恢復(fù)正常循跡；根據(jù)AGV車體運行時的相對位置的幾何平面，測量AGV的導(dǎo)軌跟蹤誤差的具體步驟是:AGV的前后兩端各配置一個紅外光電導(dǎo)向裝置，當車輛行駛時，紅外光電導(dǎo)向裝置的發(fā)射器按照固定的頻率發(fā)射紅外光，接收光電ニ極管采集反光導(dǎo)引路線反射回來的紅外光點；兩個紅外光電導(dǎo)向裝置之間的距離固定為D ；預(yù)處理AGV車體行駛過程中在同一時刻采集到的從導(dǎo)引路線反射回來的紅外光點序列，接收光電ニ極管之間的距離固定，根據(jù)接收到的發(fā)射光點序列得到偏移距離，則前后兩個紅外光電導(dǎo)向裝置采集到的偏移距離分別是Dl，D2 ;設(shè)定，當AGV車體偏向左邊時候，測得偏移量是負值，當AGV的車體偏向右邊時候，測得偏移量是正值，當車體現(xiàn)行軌跡與導(dǎo)引路線的夾角偏向?qū)б肪€左側(cè)為逆時針的時候，角度為負值，當偏向右側(cè)順時針的時候，角度為正值；(2)檢測得到的數(shù)據(jù)通過紅外光電導(dǎo)向裝置的標準通信串口和主控單元MCU通信，將位置信息輸入主控單元MCU進行處理；
位置信息的處理通過以下步驟實現(xiàn)根據(jù)幾何關(guān)系推算出；
權(quán)利要求
1.紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，包括車體、驅(qū)動輪和從動輪以及鋪設(shè)于地面的導(dǎo)引反光帶，其特征在于在車體底部的四端角位置各安裝一從動輪，車體底部的中間部位沿縱向安裝有一組呈對稱分布的驅(qū)動輪，驅(qū)動輪均與無刷直流電機驅(qū)動控制連接，每只驅(qū)動輪的內(nèi)側(cè)設(shè)有速度檢測裝置，車體底部的中間部位沿橫向安裝有一組呈對稱分布的紅外光電導(dǎo)向裝置，紅外光電導(dǎo)向裝置的內(nèi)側(cè)安裝有紅外標志檢測裝置，車體底部的四端角位置還各安裝一避障傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，其特征在于兩驅(qū)動輪之間的軸距為 900mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，其特征在于所述避障傳感器為GP2Y0A21紅外測距傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置，其特征在于所述紅外光電導(dǎo)向裝置包含紅外發(fā)射器、紅外接收器、緩沖驅(qū)動器和主控制單元，紅外接收器經(jīng)電壓比較器接入至主控制單元，電壓比較器上設(shè)有電壓調(diào)節(jié)電阻，主控制單元上連接譯碼器，譯碼器連接緩沖驅(qū)動器，緩沖驅(qū)動器上設(shè)有光強可調(diào)電阻，緩沖驅(qū)動器經(jīng)掃描指示燈連接紅外發(fā)射器，主控制單元上設(shè)有通信串口。
5.權(quán)利要求I所述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置的控制方法，其特征在于按照預(yù)設(shè)路徑的軌跡在地面鋪設(shè)導(dǎo)引反光帶，在需要鋪設(shè)動作標志的位置設(shè)置動作標志； (I)AGV裝置運行中，車體相對導(dǎo)引路徑的偏移信息通過紅外光電導(dǎo)向裝置進行檢測，紅外光電導(dǎo)向裝置發(fā)射紅外光線，紅外光線經(jīng)過導(dǎo)引反光帶的發(fā)射得到車體相對導(dǎo)引反光帶的位置信息；位置信息的檢測步驟是在AGV相對導(dǎo)引路線所在的運動線路上，定義實際位置和目標位置之間的誤差為位置誤差，將AGV的運動位置表示為(d，α)，其中d為AGV偏移導(dǎo)引路線的法相位置誤差，α為AGV的方位角誤差，所述的方位角為AGV的當前行進路線與預(yù)期軌跡也就是導(dǎo)引路線之間的夾角；要求AGV沿著預(yù)定的導(dǎo)軌路線循跡前進，設(shè)置所述的AGV的目標位置為(0，0)，由紅外光電導(dǎo)向裝置檢測AGV起點的位置是(0，0)，根據(jù)路徑的規(guī)劃，預(yù)先設(shè)置兩個驅(qū)動輪之間的距離是L，前后兩個位置檢測裝置之間的距離是D ； 目標位置有兩種情況，當沿著指導(dǎo)路徑循跡時，目標位置為(0，0);當在一些特定轉(zhuǎn)彎動作標志位置時，AGV的目標位置為(d, α ); 在需要轉(zhuǎn)彎的情況下導(dǎo)引車的控制采用前饋控制，在檢測到動作標志時，加入對應(yīng)動作的前饋控制量，當行駛過動作標志進入循跡過程時，恢復(fù)正常循跡； 根據(jù)AGV車體運行時的相對位置的幾何平面，測量AGV的導(dǎo)軌跟蹤誤差的具體步驟是AGV的前后兩端各配置一個紅外光電導(dǎo)向裝置，當車輛行駛時，紅外光電導(dǎo)向裝置的發(fā)射器按照固定的頻率發(fā)射紅外光，接收光電二極管采集反光導(dǎo)引路線反射回來的紅外光點； 兩個紅外光電導(dǎo)向裝置之間的距離固定為D ； 預(yù)處理AGV車體行駛過程中在同一時刻采集到的從導(dǎo)引路線反射回來的紅外光點序列，接收光電二極管之間的距離固定，根據(jù)接收到的發(fā)射光點序列得到偏移距離，則前后兩個紅外光電導(dǎo)向裝置采集到的偏移距離分別是Dl，D2 ;設(shè)定，當AGV車體偏向左邊時候，測得偏移量是負值，當AGV的車體偏向右邊時候，測得偏移量是正值，當車體現(xiàn)行軌跡與導(dǎo)引路線的夾角偏向?qū)б肪€左側(cè)為逆時針的時候，角度為負值，當偏向右側(cè)順時針的時候，角度為正值；(2)檢測得到的數(shù)據(jù)通過紅外光電導(dǎo)向裝置的標準通信串口和主控單元MCU通信，將位置信息輸入主控單元MCU進行處理； 位置信息的處理通過以下步驟實現(xiàn) 根據(jù)幾何關(guān)系推算出； 其中，I是前端紅外光電導(dǎo)向裝置沿兩個紅外光電導(dǎo)向裝置中心線到導(dǎo)引反光帶之間距離，L2是后端紅外光電導(dǎo)向裝置沿兩個紅外光電導(dǎo)向裝置中心線到反光帶之間距離，0為偏轉(zhuǎn)角噸是導(dǎo)引線到車體兩個紅外光電導(dǎo)向裝置的中心點的垂直距離，同理，d2是導(dǎo)引線到車體兩個紅外光電導(dǎo)向裝置中心點的垂直距離； (3)將得到的偏移量和偏轉(zhuǎn)角經(jīng)卡爾曼濾波器進行濾波，得到平滑的變化曲線，進一步修正AGV與導(dǎo)引路線的誤差； (4)AGV運行的過程中，在一些特定位置要求AGV執(zhí)行特定的動作，在這些特定位置設(shè)置動作標志，動作標志是間隔性的等距反光帶，由一系列寬度相同的反光帶或者非反光帶按順序排列組成； 所述標志檢測通過以下步驟； 根據(jù)紅外標志檢測裝置檢測到的標志的數(shù)字信號通過串口輸入MCU，主控裝置判斷動作標志代表的意義然后發(fā)出對應(yīng)的動作控制命令，AGV做出相對應(yīng)的動作，在AGV運行的過程中，在一些特定位置要求AGV執(zhí)行特定的動作，在特定位置設(shè)置動作標志，當光線發(fā)射到反光帶上時，接收管接收到反射光，判斷為1，相反，判斷為O ; 當AGV沿著導(dǎo)引路徑以固定的速度V行進時，經(jīng)過每一個小段反光帶的時間是相同的t，則根據(jù)在每一段時間t內(nèi)檢測到的高低電平的不同對標志做出判斷； 標志檢測裝置檢測到動作標志的信號是01101010，所代表的動作是啟動； 將啟動動作信號發(fā)送到主控MCU，主控板發(fā)出啟動命令； 在有具體動作控制位置，AGV的導(dǎo)向控制器與直線循跡控制器相同，控制器的前端設(shè)有前饋控制； 使AGV的目標位置改變，以左轉(zhuǎn)動，目標位置為(_d, - a )，AGV將以目標位置為終點前進; 根據(jù)檢測到的不同的動作標志信號，代表不同的動作意義，將檢測到的動作標志通過串口發(fā)送到MCU主控制器， 主控制單元經(jīng)過處理之后得到控制量，將控制量發(fā)送到驅(qū)動，驅(qū)動車體向目標位置運行； 當需要改變特定位置的動作時候，改變動作標志，或者通過人機界面對標志所代表的動作的意義加以改變； (5)由避障傳感器通過紅外檢測到的距離的遠近產(chǎn)生大小不同的模擬量信號，通過AD轉(zhuǎn)換接口與MCU相連接，主控制裝置將模擬信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號也就是距離信息，根據(jù)距離的遠近，然后發(fā)出轉(zhuǎn)彎、減速或者剎車的命令到驅(qū)動輪控制器，使AGV系統(tǒng)避開障礙物減小損害； (6)速度檢測裝置為脈沖信號檢測裝置，對單位時間內(nèi)接收到的脈沖信號個數(shù)進行統(tǒng)計，并通過SPI接口發(fā)送到主控制單元，MCU計算出電機的實際轉(zhuǎn)速。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外光電導(dǎo)向AGV裝置的控制方法，其特征在于軌跡跟蹤控制策略采用二次線型最優(yōu)控制和卡爾曼濾波器控制相結(jié)合的LQG控制策略；在AGV運動所在的平面直角坐標系中，所述的位置檢測裝置檢測到的偏移導(dǎo)引路徑的偏移量d和偏轉(zhuǎn)角α ; 所述路徑跟蹤控制方法步驟如下； 控制系統(tǒng)的建模 AGV在初始狀態(tài)的時沒有偏差，由于外部干擾的影響，AGV的路徑隨著時間的推移出現(xiàn)略微的偏差，偏差的角度為參考軌跡和小車移動的中心線的夾角，偏移的距離由兩個輪子中心點和參考軌跡確定，左驅(qū)動輪的速度是右邊驅(qū)動輪的速度是Vk，在一個非常短的時間At內(nèi)，速度的大小和方向都沒有變化，由幾何關(guān)系推導(dǎo)出以下信息；
全文摘要
本發(fā)明涉及紅外光電導(dǎo)向AGV裝置及控制方法，在車體底部的四端角位置各安裝一從動輪，車體底部的中間部位沿縱向安裝有一組呈對稱分布的驅(qū)動輪，驅(qū)動輪均與無刷直流電機驅(qū)動連接，每只驅(qū)動輪的內(nèi)側(cè)設(shè)有速度檢測裝置，車體底部的中間部位沿橫向安裝有一組呈對稱分布的紅外光電導(dǎo)向裝置，紅外光電導(dǎo)向裝置的內(nèi)側(cè)安裝有紅外標志檢測裝置，車體底部的四端角位置還各安裝一避障傳感器。采用測量位置偏移量和偏轉(zhuǎn)角的紅外位置檢測方法，二次線型最優(yōu)控制和卡爾曼濾波器相結(jié)合導(dǎo)引路徑跟蹤策略，很好地實現(xiàn)沿著預(yù)定軌跡自動巡航，并能夠保證AGV路徑跟蹤的快速性以及高精度。
文檔編號G05D1/02GK102854878SQ20121034198
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者王偉, 劉勝明, 周勇, 馬浩 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)永動工業(yè)設(shè)備有限公司