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1、西安理工大学硕士学位论文自动导向小车路径规划算法的研究及仿真姓名：王会丽申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：傅卫平20020101摘要自动导向小车路径规划算法的研究及仿真+学科：机械制造及其自动化作者姓名：王会丽导师姓名：傅卫平(教授)答辩日期：作者签名：导师签名：主各丽摘要A G V 路释规划是智能机器人的重要研究方向。本文在概述了当前机器人路释规划的一些主要研究方法基础上，引出了本文的路释规划系统和算法。首先，本文对自动导向小车的结构组成和功能作了简要的介纠井以常用的二轮结构为例，进行了下体方位的计算。其次，通过对常用构几种机器人路释规划J J 法的优缺点分析。确定了本文将
2、要采川的基本方法：人工势场法。本文在件通人J 势场法的基础上，对其势场函数作了I=!l 进，井对处了二静态环境下的小1 i 的路径规划进 J：了计葬机仿真，通过仿真对新I R 势场法的规划效果进行了对比，证实了新势场法的有效性。第三，针对存在移动障碍物或多个小下的动态环境本文采t|：|实时最小方芹预洲算法(L M S E)米预测移动障础物r 个l 付别的何嚣信息，然后再利川静态环境F 的小车路径规划方法，对小下进行路径规划。最J l 亓，本文对路径规划的进一步研究进行了探讨，土要对动态路羟规划提了n己的设想。关键词：臼动导向小车、路径规划、避障、人I：势场法、势场函数+木研究得到两安交通大学机
3、械制造系统T 程闻咏币点实验室幕仓的磷肋IA B S T R A C TT H ER E S E A R C HA N DS I M U L A T I O NO NP A T HP LA N N I N G I E 丌H O DO FA G VC A N D I D 虹甚：狐N GHLS U P E R V I S O R：F UWP(P r o f e s s o r)S I G N A T I 爪E：S I G N A T I 瓜E：A B S T R A C TT h ea u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e(A G V)p a t hp l
4、 a n n i n gi sam a i nd i r e c t i o no nr e s e a r c h i n gi n t e l l i g e n tr o b o t s I nt h i sp a p er p a t hp l a n n i n gs y s t e ma n da r i t h m e t i ca r ei n t r o d u c e do ns u m m a r i z i n gc o m m o np a t hp l a n n i n gm e t h o d s F i r s t l y,A G V f r a m ef o
5、 r m a n df u n c t i o ni si n t r o d u c e db r i e f l y T h eb o d y w o r ko r i e n t a t i o ni sc a l c u l a t e do nt h eb a s eo f c o m m o nt h r e ew h e e lf r a m eI nt h en e x tp l a c e，t h ep a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fs o m ec o m
6、 m o np a t hp l a n n i n gm e t h o do fr o b o ta n da d o p t st h eb a s i cm e t h o d：p o t e n t i a lf i e l d C a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h eo l dp o t e n t i a lf i e l d，t h ep a p e ri m p r o v e st h eo l dp o t e n t i a lf u n c t i o n，m a k e sc o m p u t e rs i m u
7、l a t i o no f p a t hp l a n n i n go f A G Vo n t h ec o n d i t i o no f t h es t a t i cs t a t ea n dc o n t r a s t st h ep l a n n i n ge f f e c to f t h en e wa n do l dp o t e n t i a lf i e l d T h i r d l y,i na l l u s i o nt od y n a m i cs t a t eo fm o v i n go b s t a c l eo rm u l
8、t i v e h i c l et h ep a p e ru s e sL M S Et oe s t i m a t et h ep o s i t i o no ft h en e x tt i m eo ft h em o v i n go b s t a c l e，t h r o u g ht h eA G Vp a t hp l a n n i n go f s t a t i cs t a t ep l a n st h ev e h i c l ep a t h F i n a l l y,t h ep a p e rd e e p l yd i s c u s s e s
9、t h ep a t hp l a n n i n gm e t h o da n dp u t sf o r w a r dm y s e l fo p i n i o na b o u td y n a m i cp a t hp l a n n i n g K e yw o r d：A Gv p a t hp l a n n i n g，o b s t a c l ea v o i d i n g，p o t e n t i a lf i e l d，p o t e n t i a lf u n c t i o nZ第一章绪论1 绪论1 1 课题研究的背景及意义1 1 1 课题研究的背景
10、2 l 世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓住市场机遇快速开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。敏捷制造装备的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。由于机器人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨越发展提供重要的技术支持。自动导向小车(A u t o m a t e dG u i d e dV e h i c l e 简称A G V)是移动机器人的一种，是现代制造企
11、业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。A G V 主要有两类形式，一种是有轨式A G V，它的运行路径是固定的、且有轨道，故导引技术相对简单；另一种是无轨式A G v，由于没有轨道，它为A G V 自由运行提供了最大可能，但由于技术限制，A G V 沿任意路径自由运行仍是一个待解决的技术难题。在以往的生产线上，导向式A G V 是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式及激光导引式等方法。这些方法都需要预先规划好A G V 的运行路线，而且生产车间内的装置不能随意移动。随着生产车问智能化的提高，导向式A G V 明显降低了A G V 的柔性。
12、因此，非导向式A G V 将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式A G V 系统中，A G V 的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。1 1 2 课题研究的意义目前，在我国某些汽车、烟草行业，A G V 己投入使用，并取得了良好的经济效益。但从使用形式来看，大都采用导向方式属于线路导向范畴的西安理工大学硕士论文电磁导引A G V，非线路自主导向的A G V 由于上述诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。因此，进行这项研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。1 2
13、 自动导向小车的发展概况1 2 1 自动导向小车的定义及特点根据美国物流协会定义【1 1 1 2】，自动导向小车是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有自动编程与停车选择装置，安全保护以及各种移载功能的运输小车。自动导向小车是现代物流系统的关键装备。它是以电池为动力，装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动车。A G V S 是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行的A G V 组成。A G V S 在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。作为一种物流输送设备，与传统的输送设备相比，A G V 有以
14、下主要特点：l 行线路设定灵活A G V 的运行线路可以由地面管理站来设定，也可以由车上的输入键盘等设定，既可以沿某一环路运行，也可以在两个或多个站点之间往复行驶。由于运行线路是可以设定的，所以在输送不同的产品情况下，无需改变输送设备或厂房设各。2 柔性高车的发送和调度一改以往的其它输送设备的固定运行模式，完全由地面站灵活调配。3 线路容易变更更改线路只需改变导引线即可，在无线路导引方式中，只改变软件程序即可完成。增减线路和车辆也很方便。这些对于迅速调整产业结构和产品的更新换代都是非常有利的。4 具有检知和避开障碍物的机能A G V 车体装有红外或超声探测装置，遇障碍或两车接近时自动报警并停车
15、。5 智能化具有自动探索最近的路径等机能。6 可沿多条路径行进运行不再局限于一个或几个回路，而是整个系统内的各条线路。2第一章绪论7 与计算机控制的全自动化生产装配系统有机地相连地面站由于采用了计算机管理，所以很方便地提供和自动存取、数控设备、F M S、自动装配等系统的接口。8 可向多个方向行进除具有前进、后退、侧行、斜行等功能外，还可以以车体平面内的一点为轴线旋转。1 2 2 自动导向小车的发展简史世界上第一台A G V 是美国B a s r r e t t 电子公司于2 0 世纪5 0 年代开发成功的(2 J。它是一种牵引式小车系统，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以真空管技
16、术为基础的控制器。到了6 0 年代和7 0 年代初除B a s r r e t t 公司以外，W E B B 和C L A R K 公司在A G V 市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的A G V 技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了A G V 的发展。欧洲的主要制造厂家有S c h i n d l e r D i g i t r o n、W a g n e r、H J C、A C S、B T、C F C、F A T A、S a x b y、D e n f o r d 和B l e c h e r t 等。7 0 年代中，欧洲约装备了
17、5 2 0 个A G V 系统，共有4 8 0 0 台小车，1 9 8 5 年发展到1 0 0 0 0 台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为：汽车工业(5 7)，柔性制造系统F M S(8)和柔性装配系统F A S(“)。欧洲A G V 技术于8 0 年代初通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的A G V S，1 9 8 1 年J o h n 公司将A G V 连接到A S R S以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1 9 8 4 年，通用汽车公司便成为A G V 的最大用户，1 9 8 6 年已达1 4 0 7 台(包括牵
18、引式小车。叉式小车和单元装载小车)，1 9 8 7 年又新增家1 6 6 2 台。美国各公司在欧洲技术的基础上将A G V 发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网于F M S 或C I M S)，运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以便2 4 小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的A G V 生产厂商从2 3 家(1 9 8 3 年)骤增至7 4 家(1 9 8 5 年)。日本的第一家A G V 工厂于1 9 6 6西安理工大擘硕士论文年由一家运输设备供应厂与美国的W e b b 公司合资开设。到1 9 8 8 年，F f 本A G V 制造厂已达2 0 多
19、家，如大福，F a n u c 公司、M u r a t a(村田)公司等。到1 9 8 6 年，日本累计安装了2 3 1 2 个A G V S，拥有5 0 3 2 台A G V。我国A G V 发展历史较短。北京起重运输研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的A G V 的研制并小批投入生产。1 9 7 5 年北京起重机械运输研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的A G V。1 9 8 9 年在北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线电通信的A G V。该院已能进行A G V 的批量生产，已
20、生产和正在制造的A G V 达2 3 台(截止1 9 9 6 年)。沈阳自动化所在A G V 技术方面已取得了多项多项研究开发成果和专利，解决A G V 车体设计、控制、导航和高度管理等一系列关键技术问题，形成了装配型A G V 和搬运型A G V 两大系列产品，成为国内唯一能够提供自主品牌A G V 产品的单位。其产品性能国内领先，达到国际先进水平，并于1 9 9 6 年度将搬运型A G V 系统技术出口韩国三星公司，实现了高技术出口。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6 台A G V，用于装配线上，可以晚是汽车工业中用的较成功的A G V。以上A G V均为固定路径引导方式。清华大学独立研
21、制的“自由路径自动导向A G V”属无固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平。我国越来越多的工厂、科研机构采用A G V 为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如：上海金山华工厂、华宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的A G V 既有国外引进电有国产的。8 0 年代，A G V 就已进入我国市场，今后必将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是A G V 本身所独具的优越性所决定的。A G V 自动导向车系统，是伴随着柔性装配系统、计算机集成制造系统以及自动化立体仓库产业发展起来的，是物流系统中革命性的换
22、代产品。作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，随着经济的第一章绪论发展，在我国A G V 的应用领域必将越来越大。l 2 3 自动导向小车的应用概况由于A G V 具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达到百米分钟，运输能力可以从几千克到几十吨。A G V 是一种非常有发展前途地物流输送设备，尤其在柔性制造系统(F M S)和柔性装配系统(F A S)中被认为是最有效的物料运输设备。随着电子和控制技术的发展，A G V 的技术也在不断进步，正在朝着性能
23、更优越、更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。其应用领域也在不断扩展，这种十几年前只是用作工厂内的物流输送设备，现在已经不仅仅局限于工厂之内，已成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。A G V 的应用领域主要在制造业，在重型机械及部分非制造业中也有应用。A G V 在制造业中主要应用于物料分发、装配和加工制造三个方面。其中装配作业中A G V 用量最大，而汽车工业又是A G V 的应用大户。美国通用汽车公司9 0 的A G V 用于汽车装配线，西欧各国用于汽车装配A G V 占整个A G V 数量的5 7。物料分发主要指生产工序间的物料移送和仓库作业
24、中的物料移送。随着电子工业的进一步发展，电子工业中A G V 的使用极具市场潜力。其原因在于消费者需求的变化日益加快，生产系统必须适应市场的变化要求，其中F M S(柔性制造系统)即为以灵活的生产方式适应市场变化的制造方式。对于F M S 来说，各自n _-x 单元之间的中(小)批量元器件的送发效率要求极高，而A G V 能提供柔性最好的输送，可以很方便地对A G V 的输送工艺路线进行编程，使之按要求的路径和方式到达装配线地指定位置。在净化室中，A G-V 更可大显身手，它可满足净化要求极高的操作。在重型机械行业中，A G V 主要用来运送模具和原材料(如成卷带钢等)，西安理工大学硕士论文因
25、而A G V 要求承载最大，通常为2 2 q 5 吨，最大者可达6-3 吨。配备了功率较大的移载装置也是这类A G V 的特点。在A G V 上配备大型机器人用于对大型金属构成进行喷漆(如飞机骨架的喷漆)是A G V 在重型行业中的应用之一。在非制造业中，A G V 的应用越来越普遍。现代化的医院安装A G V 系统，把取样从门诊部自动运送到中央化验室；把药物、医疗用品、食品、农着用品从中央物料管理中心输送到医院的各个部门。邮政部门也广泛采用A G V，如将邮件进区台的邮件输送到处理区，将处理区的邮件输送到邮件出台区。为了加大运输量，使用了牵引式A G V 系统，一次可以牵引多台邮件车。大型的
26、办公大楼也开始安装A G V 系统，用于运送邮件、电文和包裹到各个份区部门。宾馆业采用A G V 把食品从厨房运送到客房。A G V 也可作为机器人的“脚”，使机器人可在更大范围内自动完成作业，如在A G V上配备机器人用于光整水泥地面。在具有核辐射危险的地方，常使用A G V机器人用于核材料的搬运。1 2 4 自动导向小车的关键技术为使自动导向小车成功地完成一项任务，最主要的是如何使小车在复杂的环境中以较小的代价到达目的地。这就涉及到如下几个问题的解决，即：1)如何从环境中得到自动导向小车周围的障碍物信息及其它相关信息：2)如何根据内部及外部传感器来回答小车当前处于环境中的什么位置；3)如何
27、根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略：4)如何产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。这四个问题的解决对于在实时环境中运动的小车来说是缺一不可的，与此相对应的技术即为传感技术、自定位技术、规划决策部分和运动控制部分。第一章绪论1 3 本课题研究的主要内容规划部分是A G V 的智能部分，它回答A G V 如何动作的问题。规划分为任务规划和运动规划，运动规划又分为路径规划和轨迹规划，本文着重研究路径规划。自动导向小车在固定环境中，沿固定路径行走，其工作过程不会受到环境因素的影响，运行路线是人为预先设置好的。这种情况下只能完成一些简单的任务。然而，随着科学技术的发展，作业任务的复杂化，以及
28、作、也环境的不可预知性，使得小车必须由其固定路线行走方式改变成自由路径行走方式。本课题主要研究的是针对无固定路径环境，使小车在正常运行的前提下，感知外界环境的情况回避一切可能影响其正常运行的障碍。论文中主要涉及到以下内容：自动导向小车车体方位的确定，它是小车路径规划的基础：运动控制，它是小车路径规划的实现手段：势场法及势场函数的确定，它是小车实现自主运动的核心。其成果在A G V 路径规划及避障中有一定的应用价值。本研究工作的内容是西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室基金项目“非线路导向A G V 智能避障系统的研究”的一部分。西安理工大学硕士论文2 自动导向小车的结构组成与方位确定我们
29、要对自动导向小车进行路径规划，首先要对小车的组成结构有所了解，即小车是由什么系统装置组成的，每个装置的结构和功能是怎样的，每个系统是如何工作的。只有知道了这些，才能选用合适的策略或算法来对小车进行路径规划。另外，选定了策略，还要知道小车是如何利用这些策略来对小车进行运动控制的，所以有必要对小车的运动控制作简要的介绍。对小车进行路径规划时，时时刻刻小车都要知道自身在环境中所处的位置和方向，即车体的方位。所以对车体的方位进行计算是必要的。本章分别介绍常用小车的结构组成；小车的运动控制；如何计算车体的方位。2 1A G V 的结构与构成A G V 由车体、蓄电和充电系统、驱动装嚣、精确停车装置、车上
30、控制器、通信装置、信息采样子系统、超声探测保护子系统、移载装置和车体方位计算子系统等组成。差动的A G V 靠安装在两驱动轮上的电机分别独立驱动，动力为车上蓄电池组，采用车载计算机控制。车载计算机运行决策程序、控制自动导向小车的行驶方向、速度大小等。A G V 在结构上类似于有人驾驶车，只不过它的行驶是在车载微电脑的控制下完成的。对目的地和道路的选择是通过编程或由上位机控制来实现的。图2 1 即是一种虽常见的A G V 的结构简图。l 车体车体由车架和相应的机械电器结构如减速箱、电机、车轮等所组成，它是A G V 的基础部分。车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件铆接而成
31、，其上蒙以l m m 3 n u n 的钢板或硬铝板，板下空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件(如蓄电池)第二章自动导向小车的结构组成与方位确定蹦2-lA G v 结构简l 兰|9西安理工大学硕士论文以利于机械结构设计和降低车体重心。重心越低越有利于抗倾翻。板上常安装移载装置、液压系统、电控系统、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。2 蓄电和充电A G V 常采用2 4 V 或4 8 V 直流工业蓄电池电能为动力。蓄电池供电应达到额定的安培小时值，一般应保证8 h 以上的工作需要，对二班制工作环境则要求1 7 h 以上的供电能力。蓄电池充电可采用随机充电和全周期
32、充电两种方式。随机充电采用可任意充电的汽车免修蓄电池，在A G V 的各停泊站，无时间限制地随时充电。全周期充电则要求A G V 退出服务并进入指定地充电区且当蓄电池电荷降至指定范围时方可充电。此类电池一般执行4 h 连续充电，2 h 冷却的规范。也有的A G V 采用上述两种充电方式相结合的方式。充电操作有自动、人工和快速更换的可抽拉时三种。3 驱动装置驱动A G V 运行并具有速度控制和制动能力的子系统称为驱动装置。显然它应由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。A G V 驱动命令由计算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是
33、两个独立的变量，它们分别由计算机控制。为了安全，制动器的制动力由弹簧力产生，这样在紧急电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。A G V 在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走高速度常达l r r d s e e，拐弯时为O 2 m s 0 6 m s，接近停位点时为0 1 m s。紧急停车继电器应独立于微型计算机之外，其通断状态应由与安全有关的系统(如车挡与按钮等)来确定。4 转向装置A G V 的方向控制是接受导引系统的方向信息通过转向装置来实现的。A G V 通常被设计成三种运动方式：只能向前、
34、能向前与向后以及纵向、横向、斜向及回转四个方向的运动。显然，第三种方式最有利于A G V 与缓冲站或出入库台等物流设备的联接。转向装置的结构最常设计成两种方式：O第二章自动导向小车的结构组成与方位确定(1)铰轴转向式方向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制方向轮的取向。转向限位开关作为一种保护性装置是十分必要的。(2)差速转向式在A G V 的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比来实现车体的转向。显然，此种情况下，非驱动轮应在旋转和取向上都是自由的。A G V 的转向装置方案如图2-2 所示(a)(c)圈2-2A G V 的转向装置方案圈图
35、a 为常用的结构简单的三轮式方案。图中的右轮为铰轴转向轮，它也同时可作为驱动轮。如采用差速转向方式，则该图中的左两轮为分别驱动轮，此时，右轮应为完全的自由轮。图b 为四轮式方案。与三轮式方案相比，它的稳定性较好，承载能力较大。它同样可实现铰轴式或差速式转向。当采用差速式转向时右两轮间的同步转向连杆可取消，两轮均为自由轮即可；此时左两轮为差速驱动轮。图c 为四轮式方案，中间两轮为差速驱动轮，左和右均为自由轮。西安理工大学硕士论文图d 为六轮式方案，与四轮式方案相似，只不过有更大的承载能力和稳定性。图2-3 牟方位行走韵转向城置崩图2，3 为全方位行走的转向装置图。它是一种六轮式方案，图中并未画出
36、左两轮和右两轮，仅表示了中间两驱动轮。该结构的特点为驱动轮未直接装在车体上，而是安装在可旋转的内齿圈上，即齿圈决定了这一对驱动轮的取向。内齿圈由方向舵电机3 来控制，驱动轮分别由电机1 和2 来控制。此结构可实现车体的前后运动及左右平移，特别适合于缓冲站附近的小空间运动，也有利于提高A G V 的定位精度。5 车上控制器“智能”较高的A G V 都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对A G V 进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常监控器可完成以下的监控：手动控制、安全装簧启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等
37、。某些A G V 具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后循原道返回到导引路径上来。6 通信装置输入A G V 的控制指令一般是由地面(车外)控制器发出第二章自动导向小车的结构组成与方位确定的，然后存储在车上：A G V 的状态也通过通信系统送回地面控制器。通信系统有两种，连续方式和分散方式。连续通信系统允许A G V 在任何时候和相对地面控制器的任何位置使用射频方式或使用在导引路径内的通信电缆收发信息。如采用无线电、红外激光的通信方法。目前红外线激光在线实时双向数据通信技术用于A G V 通信可取得很好的效果。实践证明并不是波特率越高效率越高。波特率适中，而校验时间短
38、可获得最高的效率。一般来说连续通信易受到干扰，大型电机、焊接与其它工业作业所产生的射频噪声干扰可以使通信中断或失真。分散式系统只是在预定的地点(通信点)如A G V 停泊站等，在特定的A G V 与地面控制器之间提供通信。一般来说，这种通信是通过感应或光学的方法来实现的。分散通信的一个明显缺点是，如果A G V 在两通信点之间发生故障，将无法与地面控制站取得联系。目前大多数A G V S 都是采用分散式通信方式，因为价格较便宜，且很少发生两通信点间故障问题。7 安全问题A G V 的运行中，安全问题是一个十分重要的问题。既要实现对A G V 的保护，又要实现对人，或对其它地面设备的保护。当前的
39、安全保护方法可归纳为两类：接触式和非接触式两种保护系统。这两种方法往往同时装在一台A G V 上。接触式保护方法因结构简单、安全可靠而被广泛应用，但只能用于速度较低、重量较轻、体积较小、制动距离较短的小型A G V 上，作为一种应急手段。非接触式采用超声波或红外线进行障碍探测。根据所接触反射回来的超声波和红外线可测出障碍物之间距离。当此距离小于某一特定值时，即通过警告灯、蜂鸣器或特种音调器发出警报，并将A G V 的速度降低或停止运行。为了保证A G V 之间在行进的路上不发生碰撞，除了在车的前后缘装上超声波或红外线探测仪外，采用区段控制也是一种解决的办法。地面控制器将导引路径分割成若干区段，
40、在某一区段和某一时刻，只允许进入一台西安理工大学硕士论文A G V，这样就能有效地防止A G V 之问的碰撞。8 车体方位计算子系统对自由路径(无固定导引路径)型的A G V还有一个车体方位计算的问题，这是由车体方位计算子系统来完成的。A G V的方位，即在总体坐标系中的位置与方向，与车体左右轮的运动有一个确定的关系，由此可计算出A G V 的方位。本子系统的功能是根据采样信息，通过积分运算，实时计算出车体方位(f lJ，(，)，曰O)。根据需要，将计算的方位信息通过串行通信传给车上控制器，然后再通过无线电通信传给地面监控系统以实现对A G V 的监控。地面监控系统也可通过这一通信信路对车体方
41、位计算子系统进行操作，如初始化、重置车体方位以消除累积误差等。完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，这是通过对驱动车轮的电机转动角度的周期性采样而获取的。增量式光电编码器(光驱盘)连接在左右电机轴，随电机的转动光电编码器发出A、B 两相脉冲，相位的超前或滞后关系，代表了电机的F 转或反转。鉴相电路与脉冲计算电路相结合。以增加或减小的形式发出一系列十六进制代码，从而可判断出左右电机正、反转的角位移变化情况。在车轮不打滑和车轮直径参数准确的情况下，电机轴的角位移与A G V 左右驱动轮行走的距离存在比例关系。将上述光码盘发出的脉冲进行滤波、鉴相及计数处理后所得之信息传输给车体方位计
42、算予系统，便可实现对A G V(自由路径型)的路径跟踪实时控制。为实现这一功能，需进行：积分公式的恰当离散化，构造合适的算法，并在车载计算机上实现。2 2 几种常见的移动机构在各种移动机构中，车轮式移动机构最为常见。车轮式移动机构之所以得到广泛应用，主要是容易控制其移动速度和移动方向。与步行式移动机构相比，装有充气轮胎的车轮式移动机构所消耗的能量，要比步行式小个数量级，所以效率高。车轮式移动机构根据轮数多少可分为1 轮、2 轮、第二章自动导向小车的结构组成与方位确定3 轮、4 轮、6 轮以及多轮移动机构。1 轮移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题尚未解决，目前已有人正在致力于直立控制的研究。
43、2 轮移动机构也是因为直立稳定性差而未能进入实用化阶段。为此J 下在以摩托车和自行车为对象，用陀螺、超声波等检出姿势，进行着无人稳定走行试验等研究工作。3 轮移动机构基本上具有稳定性，其问题主要是移动方向的控制。代表性的车轮控制方法是一个前轮，两个后轮，前轮操舵，采用前轮驱动或后轮驱动均可。也有采用后两轮独立驱动，靠两轮的转速差进行操舵的驱动方式。此时，另外的一个轮仅起支持作用。因为这种方式可通过两个驱动轮向不同的方向回转，从而可以使整体实现灵活的小范围回转。但如果要沿着比较长的直线移动时，因两驱动轮的直径差会影响到操舵，采用单前轮操舵方式更为合适。4 轮移动方式是一种应用广泛的移动方式。如何
44、使操舵性能进一步提高，是目前研究的重要课题之一。2 3 自动导向小车运动控制常用的三轮结构如图2-4 所示1 3 I。本文以平面运动的三轮小车图2-4 a为例，这种机构是由独立驱动的两个后轮和小脚轮或球形车轮构成的辅助轮组合而成，令位姿矢量X=扛，Y，口)7，速度控制失量u：i v,，)7 其中圪、咋分别为小车的左轮平移速度和右轮平移速度，则小车的运动学模型为其中-X=B 脚r c o s O 2c o s 0 2 B p)：Is i n 口，2s i n 9 2l I WI l WJ西安理工大学硕士论文隆咿二二=迦弋；一W i驱动轮圾f L 惰迎o图2 4 三轮车的典型机构(b)移动小车的运
45、动控制实质是如何根据小车上的传感器测得的位最信息去跟踪一条希望的路径。运行控制器是以希望的路径为参考输入，测得的位置信息作反馈信号进行跟踪控制。小车是由前轮(辅助轮)、后轮(驱动轮)(即图2-4 a 所示)、车体及信息处理系统所组成，其在坐标系的状态由后轴中点坐标(x，_ y)及方向口表示，即X=(x，Y，臼)。而控制变量是用驱动轮的左轮速度与右轮速度来表示，即U=(巧，)1。图2 箩是运动控制的框图。图2-5 运动控制框幽第二章自动导向小车的结构组成与方位确定图中路径产生器根据各种信息可产生出小车将要运行的一系列状态x 与对应的控制变量u，路径跟踪器即可根据当前的希望状态x，、控制u，及测得
46、的状态X。，通过一定的控制算法，产生出实际的控制变量【，。帆，。)，而控制变量。和咋是通过各自独立的伺服控制系统驱动电机运行。伺服系统的反馈信号分别取自安装在两个电机轴上的光电编码器，其中一个电机用作左轮驱动用，另一个电机作右轮驱动用。这两个差分后轮上安装了两个光电编码器作为位置测量传感器，可以产生出相对的位置估计。2 4 车体方位的确定车体方位计算是路径轨迹推算导向法的基础。本文以光码盘作为传感器的车体方位推算导向技术 4 1，所采用的结构还是图2 4 a 所示的三轮结构。基本假设如下：(1)车体所在路面为光滑平面；(2)车轮在运动过程中，在纵向(轮面所处方向)作纯滚动，在横向j 匕侧滑运动
47、：(3)车体有关参数，如左右轮直径D，和D。，左右轮间距在车体负载与空载情况下相同。计算坐标总图如下。凹2 午体方位坐标圈西安理工大学硕士论文0 点为车体位置参考点，车体中心线O A 与总体坐标轴的夹角目(f)代表车体方向，0 的坐标(x(4 r(O*H O(t)代表了车体的方位。在车体左右轮不发生侧滑的情况下，车体方位与左右轮运动速度屹(f)和比O)具有如下关系：掣=圭畦(f)+啪)】c o s 叽)池)即掣：鱼_(，)+眺n 臼o)(2-2)a tZ掣=古阮(f)+。)c o s 臼o)(2 3)o)=纯)+f；阪o)十(f)】c。s 口o p(2-4)y o)=y f 批o)+啡n 日(
48、r 协(2 _ 5)曰(，)=口(，。)+f 专眈(f)+o 渺(2 固根据光码盘采样信息，通过上面6 个式子的积分关系，可实时计算出车体方位工(f)r O)，目(f)。采用光码盘作为传感器来实现车体方位推算的优点最大是系统简单并成本较低。在车轮作纯滚动的情况下，轮轴中心点在纵向经过的距离s。应与车轮与地面接触之外缘任一固定点绕车轮圆心0 在环向所经过的距离S c(如图2 1 所示)相等，即S。=S。第二章自动导向小车的结构组成与方位确定幽2-1 下轮纯滚动假设图设由检测电机到车轮的减速比为n。，检测电机轴转动臼弧度时车轮转动o=O n。弧度则比例常数Px DD c。忑2 丽即S c=K c
49、O=丝2 n o(2 7)此时检测电机上的光码盘(其分度数为2 5 0 0)发出m 个脉冲，则0：2 r i mr d d2 5 0 0(2 8)当车轮空转是，S。S。：当车轮被制动时，由于惯性而向前滑动，此时s。S f，S A s，为滑动距离。由于信息的采样是周期性的，故式(2-4)至(2 6)可改写为k，=_+r；眦(，)+(，)】c 础o p=E 十r 去k o)+n 臼o 9西安理工大学硕士论文=巳+r 专畋(，)+o 册以上诸式中，(以，E 和吼)是车体方位在第n 次采样时刻(即t n 时刻)的已计算值，(。，L+。和以+)是车体方位在第”+1 次采样时刻(即，。+7 1 时刻)的待
50、计算值，T 是采样周期。设硝。=r 妙o)+o)1 c o s p o L=r 批(r)+n 口(f 胁A O。=r”专k o)一(f 舭=嘉即一峨。)上式中丛。和A S。分别为右轮和左轮在第 次采样时刻和第n+1 次采样时刻之间所行走的距离。则E+I=X。+硝。(2 9)K“=E+匕(2 1 0)只+l=以+A 0。(2 1 1)通过采样获得研值，由式(2，9)和(2 8)可获得s。0)和S R(t)，从而解出以，再由式(2 1 1)可求出。然而求置。和E+。则困难得多，这是由于无法直接求得圪O)和O)，而只有它们对时问的积分值。为了求出此积分，下面给出了离散化计算公式。在区间p。，t。+丁