一種多自動導引車agv的設計與實現(xiàn)

一種多自動導引車agv的設計與實現(xiàn)

傳統(tǒng)的agv通常采用雙輪差動的運動模式。agv可以直線或曲線移動，但不是向一側(cè)移動。基于全方位車輪的agv有效避免了傳統(tǒng)車輪不能側(cè)面滑動造成的非完整性限制，使agv具有三個平坦運動的自由度。理論上，它可以移動到agv的平面，以任意的半徑旋轉(zhuǎn)，并以任何角度旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)二維平面從當前位置移動到任意方向的運動，而不需要改變身體的姿態(tài)。當工作空間狹窄，對agv的機械性要求高時，當需要精確定位和跟蹤高精度軌道時，全球移動設備可以調(diào)整位置。進一步地,若想用傳統(tǒng)的非全方位移動的AGV進行協(xié)作搬運,則只能進行前后或橫向并列編隊運行,即使如此,這樣組成的AGV系統(tǒng)仍不能橫向運動,以及不能在不改變姿態(tài)的情況下按任意角度移動和按任意半徑轉(zhuǎn)動,這就不適應某些大型復雜零部件(如飛機零部件)的搬運裝配的需要,因此,用具有全方位移動的多AGV按任意角度組成編隊協(xié)作運動,對大型重物或復雜零部件的搬運與裝配有著非常獨特的優(yōu)勢,而這是其他非全方位移動AGV無法做到的.針對商用飛機大型部件的數(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協(xié)作搬運的全方位移動AGV系統(tǒng),該系統(tǒng)中單個AGV可以實現(xiàn)全方位運動,在視覺導引下能實現(xiàn)自動跟蹤行走,前后兩臺激光的掃描檢測實現(xiàn)全方位避障.通過激光及加速度計的信息融合定位,多臺AGV可以任意角度組成編隊,實現(xiàn)在狹小的空間中大型復雜零部件的搬運與裝配.1agv車載系統(tǒng)AGV外形尺寸為1200mm×7200mm×280mm,自重100kg,載重大于200kg.最大運行速度3.6km/h,最大加速度為0.5m/s2,定停精度±20mm.四個麥卡納姆輪,每輪載重約100kg.傳感器由攝像機cognexin-sight7402、兩臺SICKLMS151激光掃描測量儀、一臺姿態(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ARK-3399作為系統(tǒng)控制器.該AGV采用四個麥卡納姆輪實現(xiàn)全方位運動,四輪布置見圖1,各輪由各自的直流電機驅(qū)動.由于是四輪驅(qū)動配置,為適應路面的不平設計了雙滑動軸浮動支撐機構(gòu)以使四輪同時觸地,此機構(gòu)中的兩個矩形彈簧在不同壓力下實現(xiàn)上下浮動,而橫向布置的兩對導向軸、軸承實現(xiàn)上下滑動導向.導引用相機安裝在整機的中心點上方(見圖2),垂直于地面安裝,使得運動控制中心點在相機視野內(nèi),且視野開闊.由于相機裝在整車內(nèi),由獨立光源提供照明,這樣就不受外界的光線的干擾,以保證視覺信息的準確.車的前后各安裝一個激光器,且以與車前進方向成45°的對角安裝,以實現(xiàn)激光器360°全方位定位.AGV車載系統(tǒng)主要由主控制器、視覺導引模塊、避障定位模塊、運動控制模塊、無線傳輸模塊組成.控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.運動控制模塊由四個電機,每個電機由驅(qū)動器和相應控制器控制驅(qū)動,四個電機之間通過CAN總線連接,從而組成運動控制模塊;避障定位模塊主要由前后兩個激光、姿態(tài)方位參考系統(tǒng)等組成,實現(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的運行狀態(tài).2車輪中心oy坐標系為使系統(tǒng)運行平穩(wěn)及經(jīng)濟合理,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機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)于機身的坐標系;o′x′y′是固聯(lián)于輪轂中心o′的坐標系;(li,θi)表示o′x′y′對oxy的位姿;ri、αi分別表示輪i輪轂半徑及輥子偏置角;Vir表示輪i著地輥子中心速度矢量;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)逆運動學方程為式中系統(tǒng)中輪的輥子偏置角取α=45°,四輪安裝角之間的關系β3=180°+β1,β4=180°+β2.因此可以求得系統(tǒng)逆雅可比矩陣.這樣,已知機器人整體的速度就可以求出四個輪子的速度.已知機器人在二維平面上的速度,就可以得到四個輪子的輪速.因此,精確調(diào)整四個輪子的轉(zhuǎn)速,就可以實現(xiàn)AGV的全方位運動(前后、左右,任意角度斜走、任意半徑轉(zhuǎn)動).3agv姿態(tài)優(yōu)先交叉耦合控制由于單臺AGV可以實現(xiàn)全方位運動,多臺(兩臺以上)AGV按任意角度組合形成一個整體,可以實現(xiàn)全方位移動搬運、裝配.將每臺AGV上的四個碼盤測得的電機的速度通過式(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AGV行走的x和y方向的距離及方位角信息,然后算出兩臺之間的x和y方向的距離及方向偏差.將每臺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,再計算出兩臺之間的x和y方向的距離及方向偏差.如圖5所示,每臺AGV車上的前后激光器通過掃描測得的相對的AGV車輪廓的點的距離及對應的角度,根據(jù)AGV的外殼特征進行特征匹配,算出兩臺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AGV組成一個系統(tǒng),各AGV采取一主多從的控制結(jié)構(gòu)形式,主AGV根據(jù)不同的任務協(xié)調(diào)各機器人的運動,各從AGV根據(jù)這個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車體運動關系確定各交叉耦合增益,并作為補償量分配到各AGV,從而調(diào)整各AGV的運動輸入量,建立多AGV協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),減小系統(tǒng)輪廓誤差,用適合全方位移動方式的AGV姿態(tài)優(yōu)先的交叉耦合控制方法實現(xiàn)多目標約束下的合作控制.4agv系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖7所示,兩臺AGV以90°度組合(此種組合運動誤差最大),用皮尺測量兩臺AGV之間的位姿偏差,然后進行全方位運動(前后、左右、轉(zhuǎn)動、任意角度斜走),到達目標位置后通過平板電腦遙控停止機器人,再用皮尺測量此時兩臺AGV之間的位姿偏差.將這兩個值進行比較,驗證所述協(xié)作搬運的性能.實驗中以500mm/s速度運動,針對前后、左右、轉(zhuǎn)動、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)作運動時的位置誤差為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協(xié)作搬運的全方位移動AGV系統(tǒng),該系統(tǒng)中