專利名稱：紅外光電導向agv裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及用于エ業自動化車間的無人車的自動導向系統及其控制方法，尤其涉及紅外光電導向AGV裝置及其控制方法，屬于移動機器人技術領域。
背景技術：
自動導引車輛(Automated Guided Vehicle,簡稱AGV)是現代物流技術的關鍵設備，隨著自動導引車輛新興市場的發展，對廉價且控制精度高的AGV產生了巨大的需求，車輛建模和控制策略的研究已經發展成為當前研究課題的熱點，AGV作為自動運輸設備，在自動化車間中的沿著預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的導向控制精度作為決定AGV性能的關鍵因素更是吸引了極大的關注。紅外自動導引車AGV是 一種以紅外光電作為導引方式的自動導向車輛，控制系統是AGV的核心內容，而路徑跟蹤控制方法是保證AGV控制精度的關鍵所在。專利申請號為201110306984. 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處理，然后對預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，并在點集優化后的基礎上提取車道參數，然后根據得到的車道參數，擬合提取車道線，最后根據提取的車道線判別AGV車體所在車道的具體狀況，可以實現對車道狀況的檢測。專利申請號為201110054045. 3的中國專利公開了 AGV可編程電磁導引方法和裝置，通過改變同一根導引線上的導引信號的頻率，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、右轉等，AGV根據檢測到的導引頻率的執行不同的動作。專利申請號為201110029304. 7的中國專利公開了ー種AGV自動導向系統和控制方法，系統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成；控制模塊是由伺服驅動單元和エ控機組成，設置控制模塊由內位置環和外位置環構成的雙位置閉環控制模塊；內位置環為電機轉角位置環，外位置環是以激光掃描讀取AGV位置信號，將外位置環中反饋的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的輸入量。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種紅外光電導向AGV裝置及導向控制方法。本發明的目的通過以下技術方案來實現紅外光電導向AGV裝置，包括車體、驅動輪和從動輪以及鋪設于地面的導引反光帯，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動輪，驅動輪均與無刷直流電機驅動控制連接，每只驅動輪的內側設有速度檢測裝置，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向裝置，紅外光電導向裝置的內側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，上述的紅外光電導向AGV裝置，兩驅動輪之間的軸距為900mm。
更進一歩地，上述的紅外光電導向AGV裝置，所述避障傳感器為GP2Y0A21紅外測
距傳感器。 再進ー步地，上述的紅外光電導向AGV裝置，所述紅外光電導向裝置包含紅外發射器、紅外接收器、緩沖驅動器和主控制單元，紅外接收器經電壓比較器接入至主控制單元，電壓比較器上設有電壓調節電阻，主控制單元上連接譯碼器，譯碼器連接緩沖驅動器，緩沖驅動器上設有光強可調電阻，緩沖驅動器經掃描指示燈連接紅外發射器，主控制單元上設有通信串ロ。本發明紅外光電導向AGV裝置的控制方法，按照預設路徑的軌跡在地面鋪設導引反光帶，在需要鋪設動作標志的位置設置動作標志；(I )AGV裝置運行中，車體相對導引路徑的偏移信息通過紅外光電導向裝置進行檢測，紅外光電導向裝置發射紅外光線，紅外光線經過導引反光帶的發射得到車體相對導引反光帶的位置信息；位置信息的檢測步驟是在AGV相對導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期軌跡也就是導引路線之間的夾角；要求AGV沿著預定的導軌路線循跡前迸，設置所述的AGV的目標位置為(0，O)，由紅外光電導向裝置檢測AGV起點的位置是(0，O),根據路徑的規劃，預先設置兩個驅動輪之間的距離是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，當沿著指導路徑循跡吋，目標位置為(0，0);當在ー些特定轉彎動作標志位置時，AGV的目標位置為(d, α);在需要轉彎的情況下導引車的控制采用前饋控制，在檢測到動作標志時，加入對應動作的前饋控制量，當行駛過動作標志進入循跡過程時，恢復正常循跡；根據AGV車體運行時的相對位置的幾何平面，測量AGV的導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向裝置，當車輛行駛時，紅外光電導向裝置的發射器按照固定的頻率發射紅外光，接收光電ニ極管采集反光導引路線反射回來的紅外光點；兩個紅外光電導向裝置之間的距離固定為D ；預處理AGV車體行駛過程中在同一時刻采集到的從導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，根據接收到的發射光點序列得到偏移距離，則前后兩個紅外光電導向裝置采集到的偏移距離分別是Dl，D2 ;設定，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，當車體現行軌跡與導引路線的夾角偏向導引路線左側為逆時針的時候，角度為負值，當偏向右側順時針的時候，角度為正值；(2)檢測得到的數據通過紅外光電導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根據幾何關系推算出；
權利要求
1.紅外光電導向AGV裝置，包括車體、驅動輪和從動輪以及鋪設于地面的導引反光帶，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動輪，驅動輪均與無刷直流電機驅動控制連接，每只驅動輪的內側設有速度檢測裝置，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向裝置，紅外光電導向裝置的內側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.根據權利要求I所述的紅外光電導向AGV裝置，其特征在于兩驅動輪之間的軸距為 900mm。
3.根據權利要求I所述的紅外光電導向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.根據權利要求I所述的紅外光電導向AGV裝置，其特征在于所述紅外光電導向裝置包含紅外發射器、紅外接收器、緩沖驅動器和主控制單元，紅外接收器經電壓比較器接入至主控制單元，電壓比較器上設有電壓調節電阻，主控制單元上連接譯碼器，譯碼器連接緩沖驅動器，緩沖驅動器上設有光強可調電阻，緩沖驅動器經掃描指示燈連接紅外發射器，主控制單元上設有通信串口。
5.權利要求I所述的紅外光電導向AGV裝置的控制方法，其特征在于按照預設路徑的軌跡在地面鋪設導引反光帶，在需要鋪設動作標志的位置設置動作標志； (I)AGV裝置運行中，車體相對導引路徑的偏移信息通過紅外光電導向裝置進行檢測，紅外光電導向裝置發射紅外光線，紅外光線經過導引反光帶的發射得到車體相對導引反光帶的位置信息；位置信息的檢測步驟是在AGV相對導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期軌跡也就是導引路線之間的夾角；要求AGV沿著預定的導軌路線循跡前進，設置所述的AGV的目標位置為(0，0)，由紅外光電導向裝置檢測AGV起點的位置是(0，0)，根據路徑的規劃，預先設置兩個驅動輪之間的距離是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，當沿著指導路徑循跡時，目標位置為(0，0);當在一些特定轉彎動作標志位置時，AGV的目標位置為(d, α ); 在需要轉彎的情況下導引車的控制采用前饋控制，在檢測到動作標志時，加入對應動作的前饋控制量，當行駛過動作標志進入循跡過程時，恢復正常循跡； 根據AGV車體運行時的相對位置的幾何平面，測量AGV的導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向裝置，當車輛行駛時，紅外光電導向裝置的發射器按照固定的頻率發射紅外光，接收光電二極管采集反光導引路線反射回來的紅外光點； 兩個紅外光電導向裝置之間的距離固定為D ； 預處理AGV車體行駛過程中在同一時刻采集到的從導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，根據接收到的發射光點序列得到偏移距離，則前后兩個紅外光電導向裝置采集到的偏移距離分別是Dl，D2 ;設定，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，當車體現行軌跡與導引路線的夾角偏向導引路線左側為逆時針的時候，角度為負值，當偏向右側順時針的時候，角度為正值；(2)檢測得到的數據通過紅外光電導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 根據幾何關系推算出； 其中，I是前端紅外光電導向裝置沿兩個紅外光電導向裝置中心線到導引反光帶之間距離，L2是后端紅外光電導向裝置沿兩個紅外光電導向裝置中心線到反光帶之間距離，0為偏轉角噸是導引線到車體兩個紅外光電導向裝置的中心點的垂直距離，同理，d2是導引線到車體兩個紅外光電導向裝置中心點的垂直距離； (3)將得到的偏移量和偏轉角經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執行特定的動作，在這些特定位置設置動作標志，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； 根據紅外標志檢測裝置檢測到的標志的數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出對應的動作控制命令，AGV做出相對應的動作，在AGV運行的過程中，在一些特定位置要求AGV執行特定的動作，在特定位置設置動作標志，當光線發射到反光帶上時，接收管接收到反射光，判斷為1，相反，判斷為O ; 當AGV沿著導引路徑以固定的速度V行進時，經過每一個小段反光帶的時間是相同的t，則根據在每一段時間t內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； 將啟動動作信號發送到主控MCU，主控板發出啟動命令； 在有具體動作控制位置，AGV的導向控制器與直線循跡控制器相同，控制器的前端設有前饋控制； 使AGV的目標位置改變，以左轉動，目標位置為(_d, - a )，AGV將以目標位置為終點前進; 根據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送到MCU主控制器， 主控制單元經過處理之后得到控制量，將控制量發送到驅動，驅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生大小不同的模擬量信號，通過AD轉換接口與MCU相連接，主控制裝置將模擬信號轉換為對應的數字信號也就是距離信息，根據距離的遠近，然后發出轉彎、減速或者剎車的命令到驅動輪控制器，使AGV系統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，對單位時間內接收到的脈沖信號個數進行統計，并通過SPI接口發送到主控制單元，MCU計算出電機的實際轉速。
6.根據權利要求5所述的紅外光電導向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控制和卡爾曼濾波器控制相結合的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引路徑的偏移量d和偏轉角α ; 所述路徑跟蹤控制方法步驟如下； 控制系統的建模 AGV在初始狀態的時沒有偏差，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，左驅動輪的速度是右邊驅動輪的速度是Vk，在一個非常短的時間At內，速度的大小和方向都沒有變化，由幾何關系推導出以下信息；
全文摘要
本發明涉及紅外光電導向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動輪，驅動輪均與無刷直流電機驅動連接，每只驅動輪的內側設有速度檢測裝置，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向裝置，紅外光電導向裝置的內側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角的紅外位置檢測方法，二次線型最優控制和卡爾曼濾波器相結合導引路徑跟蹤策略，很好地實現沿著預定軌跡自動巡航，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 優先權日2012年9月14日
發明者王偉, 劉勝明, 周勇, 馬浩 申請人:蘇州工業園區永動工業設備有限公司