基于反射標(biāo)記物的激光導(dǎo)引AGV 全局定位方法研究

閆俊清

摘要：針對非完整AGV（automaticguidedvehicle）復(fù)雜非線性系統(tǒng)的高精度自由路徑導(dǎo)引控制問題，提出一種基于激光傳感器定位的路徑跟隨控制方法。首先在Serret-Frenet框架下建立AGV路徑跟隨運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型;然后基于Lyapunov直接法設(shè)計(jì)漸進(jìn)穩(wěn)定路徑跟隨控制器，解決AGV非完整約束控制的困難。最后采用多點(diǎn)激光反饋三角測量方法，實(shí)現(xiàn)AGV的精確實(shí)時(shí)定位。仿真結(jié)果表明，該控制器能夠快速消除路徑跟隨誤差，AGV系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠精確跟隨規(guī)定路徑。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)導(dǎo)向車;導(dǎo)引控制;路徑跟隨;定位;激光傳感器

引言

自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）是一種具有光學(xué)或電磁特性的自動(dòng)導(dǎo)引裝置，具有停車選擇、小車編程、安全保護(hù)等功能，也是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的重要組成部分。AGV在工業(yè)應(yīng)用中的動(dòng)力源為可充電蓄電池，一般通過電腦控制其運(yùn)行路線和行為，或者設(shè)置電磁軌道規(guī)范其運(yùn)行路線，AGV根據(jù)電磁軌道提供的信息進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。和其他移動(dòng)機(jī)器人相比，AGV具有工作效率高、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢。和物流運(yùn)輸中的其他設(shè)備相比，AGV不需要在活動(dòng)范圍內(nèi)設(shè)置支架等固定裝置，并且不受空間、場地的限制。AGV在自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，由于其具備自動(dòng)化、可控性高等特征，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活、高效的無人生產(chǎn)模式[1]。AGV的動(dòng)力源為電池，導(dǎo)引方式有電磁導(dǎo)引、直接坐標(biāo)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引和圖像識別導(dǎo)引等，激光導(dǎo)引是其主要導(dǎo)引方式，可以實(shí)現(xiàn)非接觸導(dǎo)引并根據(jù)實(shí)際需求更換移載機(jī)構(gòu)，以完成不同的操作任務(wù)。激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)由地面控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)三部分組成，不同項(xiàng)目對系統(tǒng)的需求存在差異，也讓系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

1激光導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AGV方向控制是接受引導(dǎo)系統(tǒng)的方向信息通過轉(zhuǎn)向裝置來實(shí)現(xiàn)的.轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成兩種形式：鉸軸轉(zhuǎn)向式和差速轉(zhuǎn)向式.前者的方向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制方向輪的取向;后者在左、右兩輪上分別裝上獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左、右輪的速度比來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。如圖1所示，在L、R兩輪上分別裝上獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，C、D兩輪在旋轉(zhuǎn)和取向上都是自由的，它的穩(wěn)定性較好，承載能力較大.vL、vR分別表示兩驅(qū)動(dòng)輪的速度，圖示時(shí)刻小車中心線與目標(biāo)路徑偏差為e，小車前進(jìn)方向與目標(biāo)路徑之間的夾角為茲，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)只要通過控制電機(jī)，使L、R兩輪產(chǎn)生一定的速度比，就可以差速轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)路徑跟蹤。通過對驅(qū)動(dòng)車輪的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的周期性采樣可以獲得車輪前進(jìn)或后退的距離.增量式光碼盤連接在左、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器發(fā)出A、B兩項(xiàng)脈沖，相位的超前或滯后關(guān)系代表了電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。鑒相電路與脈沖計(jì)算電路相結(jié)合，可判斷出左、右電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的角位移變化情況.在理想情況下，電機(jī)軸的角位移與AGV左右驅(qū)動(dòng)輪行走的距離存在比例關(guān)系.將上述光碼盤發(fā)出的脈沖進(jìn)行濾波，鑒相與計(jì)數(shù)處理后所得信息由路徑軌跡推算導(dǎo)向法（dead—reckoning）可實(shí)現(xiàn)對AGV行駛路徑的估計(jì)。激光導(dǎo)引AGV的位置計(jì)算是利用小車當(dāng)前運(yùn)行的速度、轉(zhuǎn)向的角度、間隔時(shí)間等參數(shù)對下一位置進(jìn)行估算，計(jì)算出的是相對于前一位置的新位置.根據(jù)估算的新位置關(guān)聯(lián)反射鏡，根據(jù)關(guān)聯(lián)的反射鏡修正自身位置，車載控制計(jì)算機(jī)將當(dāng)前方位與目標(biāo)點(diǎn)方位進(jìn)行比較，據(jù)此比較的結(jié)果給左、右電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)控制信號，從而實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)引AGV的自動(dòng)引導(dǎo)。

2激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)的應(yīng)用方法

2.1確定AGV的操作方式與數(shù)量

AGV系統(tǒng)在應(yīng)用過程中首先必須確定操作方式和數(shù)量。可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況以及用戶需求選擇操作方式，常用的操作方式有叉車式、牽引式等。如果遇到特殊情況，一個(gè)系統(tǒng)可以運(yùn)用幾種不同的操作方式[4]。AGV的數(shù)量一般根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，運(yùn)用仿真計(jì)算的方式確定。

2.2AGV安全防護(hù)的選用

AGV中除了需要安裝聲光報(bào)警系統(tǒng)外，還應(yīng)該安裝一些障礙探測器，便于車輛在運(yùn)行路徑中探測障礙物。常用的探測方式有超聲波探測、光電探測和激光掃描探測等。激光掃描探測具有更大的優(yōu)勢，但成本較高，光電探測簡單實(shí)用，但探測效果不佳，因此工作人員應(yīng)該根據(jù)具體情況合理選用。

2.3AGV中反射板的設(shè)置和路徑規(guī)劃

AGV中反射板的設(shè)置，應(yīng)該根據(jù)設(shè)備行駛區(qū)域的具體情況進(jìn)行安裝，安裝數(shù)量遵循安全、準(zhǔn)確的原則。反射板設(shè)置過少不利于安全導(dǎo)引，設(shè)置過多也會(huì)影響導(dǎo)引的精度[5]。AGV的路徑規(guī)劃屬于基礎(chǔ)性的工作，通常和系統(tǒng)的總體方案一起確定，在規(guī)劃過程中應(yīng)該結(jié)合AGV的數(shù)量、操作方式等信息，以及運(yùn)行場所的具體情況，盡量保障AGV的運(yùn)行路徑暢通。

3AGV激光傳感器定位方法

AGV使用的激光傳感器通常也稱為激光測距儀，其工作原理是測量發(fā)射光束與從物體表面漫反射光束的時(shí)間差，并結(jié)合激光的傳播速度，計(jì)算出其與反射物體之間的距離。為了獲得更好的反射效果，提高測量精度，反射物體通常采用專用的激光反射板。該反射板安裝于AGV所處空間的已知位置，在AGV初始位置已知后，激光傳感器內(nèi)部的激光頭進(jìn)行周期性的固定角度旋轉(zhuǎn)掃描，從而可獲得3個(gè)或以上反射板的位置和角度信息，再應(yīng)用三角測量法和統(tǒng)計(jì)方法獲得自身的定位信息。和其他定位方法相比，該方法具有不易受環(huán)境影響，測量速度快，定位精度高的特點(diǎn)。以僅3個(gè)反射板的激光定位三角測量法為例，其定位原理如圖2所示。圖中，A（x1，y1），B（x2，y2）和C（x3，y3）為3個(gè)激光反射板的已知安裝位置，∠AOcD=θ1，∠DOcB=θ2，∠DOcC=θ3為當(dāng)前時(shí)刻激光傳感器掃描檢測獲得的反射板與AGV前進(jìn)方向的夾角（順時(shí)針為正值）。則有如下方程成立：

結(jié)語

本文從定位方法和控制器設(shè)計(jì)兩個(gè)方面研究了非完整AGV的路徑導(dǎo)引控制問題，建立了包含AGV參考點(diǎn)與參考路徑之間距離誤差和角度誤差的路徑跟隨誤差控制模型，分析激光傳感器多點(diǎn)反饋定位原理，并給出直線和圓弧路徑的誤差計(jì)算模型。借助Lyapunov理論，獲得漸進(jìn)穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)簡單的路徑跟隨控制器。仿真試驗(yàn)表明，該控制器能夠快速消除路徑跟隨誤差，且誤差值較小，下一步將進(jìn)行實(shí)際AGV系統(tǒng)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒細(xì)勇，徐德，李子印.非完整移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤的模糊控制[J].控制與決策，2008（6）：655-659.

[2]張香圃，任乃飛，張海軍.非接觸式IC卡在視覺導(dǎo)引AGV運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）.

[3]陳順平，梅德慶，陳子辰.激光導(dǎo)引AGV的自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2012（05）.