一種多自動(dòng)導(dǎo)引車agv的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一種多自動(dòng)導(dǎo)引車agv的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的agv通常采用雙輪差動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模式。agv可以直線或曲線移動(dòng)，但不是向一側(cè)移動(dòng)?；谌轿卉囕喌腶gv有效避免了傳統(tǒng)車輪不能側(cè)面滑動(dòng)造成的非完整性限制，使agv具有三個(gè)平坦運(yùn)動(dòng)的自由度。理論上，它可以移動(dòng)到agv的平面，以任意的半徑旋轉(zhuǎn)，并以任何角度旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)二維平面從當(dāng)前位置移動(dòng)到任意方向的運(yùn)動(dòng)，而不需要改變身體的姿態(tài)。當(dāng)工作空間狹窄，對(duì)agv的機(jī)械性要求高時(shí)，當(dāng)需要精確定位和跟蹤高精度軌道時(shí)，全球移動(dòng)設(shè)備可以調(diào)整位置。進(jìn)一步地,若想用傳統(tǒng)的非全方位移動(dòng)的AGV進(jìn)行協(xié)作搬運(yùn),則只能進(jìn)行前后或橫向并列編隊(duì)運(yùn)行,即使如此,這樣組成的AGV系統(tǒng)仍不能橫向運(yùn)動(dòng),以及不能在不改變姿態(tài)的情況下按任意角度移動(dòng)和按任意半徑轉(zhuǎn)動(dòng),這就不適應(yīng)某些大型復(fù)雜零部件(如飛機(jī)零部件)的搬運(yùn)裝配的需要,因此,用具有全方位移動(dòng)的多AGV按任意角度組成編隊(duì)協(xié)作運(yùn)動(dòng),對(duì)大型重物或復(fù)雜零部件的搬運(yùn)與裝配有著非常獨(dú)特的優(yōu)勢,而這是其他非全方位移動(dòng)AGV無法做到的.針對(duì)商用飛機(jī)大型部件的數(shù)字化裝配過程的需求,本研究提出了一種基于麥卡納姆輪的按任意角度組成編隊(duì)協(xié)作搬運(yùn)的全方位移動(dòng)AGV系統(tǒng),該系統(tǒng)中單個(gè)AGV可以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),在視覺導(dǎo)引下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤行走,前后兩臺(tái)激光的掃描檢測實(shí)現(xiàn)全方位避障.通過激光及加速度計(jì)的信息融合定位,多臺(tái)AGV可以任意角度組成編隊(duì),實(shí)現(xiàn)在狹小的空間中大型復(fù)雜零部件的搬運(yùn)與裝配.1agv車載系統(tǒng)AGV外形尺寸為1200mm×7200mm×280mm,自重100kg,載重大于200kg.最大運(yùn)行速度3.6km/h,最大加速度為0.5m/s2,定停精度±20mm.四個(gè)麥卡納姆輪,每輪載重約100kg.傳感器由攝像機(jī)cognexin-sight7402、兩臺(tái)SICKLMS151激光掃描測量儀、一臺(tái)姿態(tài)方位參考系統(tǒng)(包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀)ARHS100組成.采用研華工控機(jī)ARK-3399作為系統(tǒng)控制器.該AGV采用四個(gè)麥卡納姆輪實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),四輪布置見圖1,各輪由各自的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng).由于是四輪驅(qū)動(dòng)配置,為適應(yīng)路面的不平設(shè)計(jì)了雙滑動(dòng)軸浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)以使四輪同時(shí)觸地,此機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)矩形彈簧在不同壓力下實(shí)現(xiàn)上下浮動(dòng),而橫向布置的兩對(duì)導(dǎo)向軸、軸承實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)導(dǎo)向.導(dǎo)引用相機(jī)安裝在整機(jī)的中心點(diǎn)上方(見圖2),垂直于地面安裝,使得運(yùn)動(dòng)控制中心點(diǎn)在相機(jī)視野內(nèi),且視野開闊.由于相機(jī)裝在整車內(nèi),由獨(dú)立光源提供照明,這樣就不受外界的光線的干擾,以保證視覺信息的準(zhǔn)確.車的前后各安裝一個(gè)激光器,且以與車前進(jìn)方向成45°的對(duì)角安裝,以實(shí)現(xiàn)激光器360°全方位定位.AGV車載系統(tǒng)主要由主控制器、視覺導(dǎo)引模塊、避障定位模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、無線傳輸模塊組成.控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.運(yùn)動(dòng)控制模塊由四個(gè)電機(jī),每個(gè)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)控制器控制驅(qū)動(dòng),四個(gè)電機(jī)之間通過CAN總線連接,從而組成運(yùn)動(dòng)控制模塊;避障定位模塊主要由前后兩個(gè)激光、姿態(tài)方位參考系統(tǒng)等組成,實(shí)現(xiàn)避障定位等功能;監(jiān)測遙控系統(tǒng)主要用于控制及監(jiān)測AGV的運(yùn)行狀態(tài).2車輪中心oy坐標(biāo)系為使系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)及經(jīng)濟(jì)合理,一般采用相同參數(shù)值的四輪結(jié)構(gòu),典型的全方位輪移動(dòng)機(jī)器人有六種典型四輪布局,采用其中最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布局(圖1).如圖4所示,圖中:oxy為固聯(lián)于機(jī)身的坐標(biāo)系;o′x′y′是固聯(lián)于輪轂中心o′的坐標(biāo)系;(li,θi)表示o′x′y′對(duì)oxy的位姿;ri、αi分別表示輪i輪轂半徑及輥?zhàn)悠媒?Vir表示輪i著地輥?zhàn)又行乃俣仁噶?βi表示輪i的安裝角度;ωi表示輪i的旋轉(zhuǎn)速度,可求得系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為式中系統(tǒng)中輪的輥?zhàn)悠媒侨ˇ?45°,四輪安裝角之間的關(guān)系β3=180°+β1,β4=180°+β2.因此可以求得系統(tǒng)逆雅可比矩陣.這樣,已知機(jī)器人整體的速度就可以求出四個(gè)輪子的速度.已知機(jī)器人在二維平面上的速度,就可以得到四個(gè)輪子的輪速.因此,精確調(diào)整四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速,就可以實(shí)現(xiàn)AGV的全方位運(yùn)動(dòng)(前后、左右,任意角度斜走、任意半徑轉(zhuǎn)動(dòng)).3agv姿態(tài)優(yōu)先交叉耦合控制由于單臺(tái)AGV可以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),多臺(tái)(兩臺(tái)以上)AGV按任意角度組合形成一個(gè)整體,可以實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)搬運(yùn)、裝配.將每臺(tái)AGV上的四個(gè)碼盤測得的電機(jī)的速度通過式(1)和(2)轉(zhuǎn)換為AGV的x和y方向的速度Vx和Vy及角速度ω,求得速度后,可求出每臺(tái)AGV行走的x和y方向的距離及方位角信息,然后算出兩臺(tái)之間的x和y方向的距離及方向偏差.將每臺(tái)AGV上姿態(tài)方位參考系統(tǒng)測得的x和y方向加速度及角速度測得的數(shù)據(jù)兩次積分,求出距離及方位角信息,再計(jì)算出兩臺(tái)之間的x和y方向的距離及方向偏差.如圖5所示,每臺(tái)AGV車上的前后激光器通過掃描測得的相對(duì)的AGV車輪廓的點(diǎn)的距離及對(duì)應(yīng)的角度,根據(jù)AGV的外殼特征進(jìn)行特征匹配,算出兩臺(tái)AGV的x和y方向的距離及方位偏差.再將此x和y方向的距離及方位偏差與前面的加速度/角速度、碼盤的信息算出來的距離及方位角信息融合算出兩AGV的x和y方向的距離及方位角偏差.如圖6所示,通過平板電腦遙控將多臺(tái)AGV組成一個(gè)系統(tǒng),各AGV采取一主多從的控制結(jié)構(gòu)形式,主AGV根據(jù)不同的任務(wù)協(xié)調(diào)各機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),各從AGV根據(jù)這個(gè)要求以及上面算出的各AGV之間的相互距離偏差以及方位角偏差作為反饋量,根據(jù)各AGV車體運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定各交叉耦合增益,并作為補(bǔ)償量分配到各AGV,從而調(diào)整各AGV的運(yùn)動(dòng)輸入量,建立多AGV協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),減小系統(tǒng)輪廓誤差,用適合全方位移動(dòng)方式的AGV姿態(tài)優(yōu)先的交叉耦合控制方法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)約束下的合作控制.4agv系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖7所示,兩臺(tái)AGV以90°度組合(此種組合運(yùn)動(dòng)誤差最大),用皮尺測量兩臺(tái)AGV之間的位姿偏差,然后進(jìn)行全方位運(yùn)動(dòng)(前后、左右、轉(zhuǎn)動(dòng)、任意角度斜走),到達(dá)目標(biāo)位置后通過平板電腦遙控停止機(jī)器人,再用皮尺測量此時(shí)兩臺(tái)AGV之間的位姿偏差.將這兩個(gè)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證所述協(xié)作搬運(yùn)的性能.實(shí)驗(yàn)中以500mm/s速度運(yùn)動(dòng),針對(duì)前后、左右、轉(zhuǎn)動(dòng)、任意角度斜走4種情況分別測量了10組數(shù)據(jù)(如表1~4所示),從數(shù)據(jù)中可以看出協(xié)作運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置誤差為20mm,方位角誤差為1°.提出了一種基于麥卡納姆輪的按任意角度組成編隊(duì)協(xié)作搬運(yùn)的全方位移動(dòng)AGV系統(tǒng),該系統(tǒng)中