主动扫描式跟踪导引装置、自动导引车及导引控制方法

摘要

本发明公开了一种主动扫描式跟踪导引装置，属于自动化控制领域。包括主动扫描机构及驱动主动扫描机构运动的驱动机构，主动扫描机构包括导引传感器、角度传感器、旋转支架、垂直转轴和底板，垂直转轴安装在底板上，导引传感器通过旋转支架与垂直转轴固连，角度传感器的测量转轴与垂直转轴连接，角度传感器的外壳与底板固连。本发明可有效增大导引传感器的目标检测范围，提高跟踪导引装置对目标路径的动态跟踪性能。本发明还公开了一种安装了上述装置的自动导引车及导引控制方法，通过位置-转角偏差的双闭环反馈控制，可显著提高自动导引车在高速下跟踪大曲率导引路径时运动控制的准确性和平稳性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种跟踪导引装置、自动导引车及控制方法，具体讲是一种可用 于控制自动导引车和智能车辆沿固定导引路径运行的主动扫描式跟踪导引装置、 自动导引车及针对该自动导引车的导引控制方法，属于自动化控制领域。

技术领域

自动导引技术的研究始于20世纪50年代的美国，1954年Barret  Electronics公司研制了第一台用于货物输送的自动导引车，随后自动导引车的 应用扩展到工业生产领域。1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂采用自动导 引车作为自动装配线的载运工具。从八十年代开始，美国国防部开始了地面无人 作战平台的研究，主要针对适应不同地形的自主导航的智能车辆。

自动导引技术始终是自动导引车和智能车辆领域研究的核心技术，目前比较 常用的导引技术有视觉导引、激光导引、电磁导引、磁带导引和光学导引等。每 种导引技术都有各自的优势和不足，面向不同的应用领域：(一)、视觉导引：其 主要用于固定路径导引方式，通过安装在导引驱动装置上的视觉系统采集地面上 铺设的导引路径的图像，通过计算机视觉检测技术实时测量自动导引车相对导引 路径的距离偏差和角度偏差，从而进行控制导引，但其在实际工作过程中需要标 定摄像机的各种参数，视觉处理过程易受畸变失真、比例失真和倾斜失真的影响。 (二)、电磁导引、磁带导引和光学导引：其主要用于固定路径导引方式，需要 预先在地面铺设用于指示自动导引车跟踪目标的导引路径，自动导引车通过电磁 感应或磁感应或光感应传感器，测量车体相对于导引路径的位置偏差，通过实时 消除位置偏差保证车体沿导引路径运行，但在固定路径导引方式下，自动导引车 不能显著偏离导引路径，否则会因传感器丢失导引信号而导致路径跟踪失败。 (三)、激光导引：其可用于自由路径导引方式，但需要预先在三维空间(如墙 壁)布置用于反射激光信号且位置已知的反射信标。自动导引车的顶部安装有激 光导航雷达，该雷达在360°全方向上不断发射激光信号，激光信号遇到反射信 标后会被反射回该雷达。如果激光导航雷达在同一位置可扫描到三个以上的反射 信标，根据三角定位原理可计算出车体在二维平面内的位置坐标，实现自动导引 车的自定位。针对目标点的位置坐标，通过路径规划可生成自动导引车的运行轨 迹，通过轨迹跟踪控制车体向目标点运行。在自由路径导引方式下，理论上自动 导引车不存在固定的运行路径，只要能同时扫描到三个以上的反射信标，车体可 位于二维平面内的任意位置。然而，由于普通轮式移动车辆受到非完整约束，自 动导引车的运行轨迹还是受到其机动性的限制，并不能处于二维平面内的任意位 置。另外，激光导航雷达的关键技术被少数国外公司所垄断，价格昂贵，且其应 用环境要求激光信号扫描空间内不能存在太多阻隔信号反射的障碍物。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能有效扩大目 标检测范围和提高导引控制精度的主动扫描式跟踪导引装置，并针对采用该装置 的自动导引车提出一种基于位置-转角偏差双闭环反馈的导引控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的主动扫描式跟踪导引装置，其包括主 动扫描机构及驱动主动扫描机构运动的驱动机构，所述主动扫描机构包括导引传 感器、角度传感器、旋转支架、垂直转轴和底板，所述垂直转轴安装在底板上， 所述导引传感器通过旋转支架与垂直转轴固连，所述角度传感器的测量转轴与垂 直转轴连接，角度传感器的外壳与底板固连。

本发明中，所述驱动机构包括扫描电机、第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿 轮与扫描电机的输出轴固连，所述第二齿轮套装固定在垂直转轴上，所述第一齿 轮与第二齿轮间相互啮合。

本发明中，所述旋转支架的后端与垂直转轴的下端固连，旋转支架的前端为 折弯结构，所述导引传感器固定在旋转支架的前端面的内侧。

本发明中，所述角度传感器的测量转轴与垂直转轴的上端面同轴连接，角度 传感器的外壳通过固定支架与底板固连。

本发明中，所述垂直转轴上套装轴承，轴承安装在轴承端盖内，所述轴承端 盖固定在底板上。

本发明还提供了一种自动导引车，包括主动扫描式跟踪导引装置。

作为改进，该自动导引车包括车体，所述车体上设有通过两个电机独立驱动 的左驱动轮、右驱动轮以及若干个起支撑作用的万向随动轮，所述主动扫描式跟 踪导引装置安装在左驱动轮、右驱动轮轴线连线的中心处且所述主动扫描机构中 垂直转轴的旋转中心与左驱动轮、右驱动轮轴线连线的中心相重合。

本发明还提供了上述自动导引车的导引控制方法，包括以下步骤：

1)、通过扫描电机驱动旋转支架前端的导引传感器在车体前方±90°范围内 主动搜索导引路径，并实时测得导引传感器的中点与导引路径中心线之间的位置 偏差e_d，并根据消除位置偏差e_d的目标计算旋转支架的期望旋转角度

式(2)中，R_S为旋转支架的扫描半径；

2)、通过扫描电机的闭环反馈控制使旋转支架的实际旋转角度实时跟踪期望旋转角度

3)、通过角度传感器实时测量旋转支架相对于车体的转角偏差e_θ，并根据消 除转角偏差e_θ的目标计算左驱动轮和右驱动轮之间的期望速度差Δv；

$\mathrm{\Delta v}=\frac{{\mathrm{We}}_{\theta }}{2T}---\left(3\right)$

式(3)中，W为自动导引车的左驱动轮和右驱动轮的轴线连线长度，T为 消除转角偏差e_θ的纠偏时间；

4)、针对自动导引车的行驶速度v，分别计算左驱动轮的期望速度v_1t和右驱 动轮的期望速度v_2t:

v_1t＝v+Δv

                                        (4)

v_2t＝v-Δv

5)、通过左驱动电机和右驱动电机的闭环反馈控制使左驱动轮的实际速度 v_1r和右驱动轮的实际速度v_2r实时跟踪左驱动轮的期望速度v_1t和右驱动轮的期 望速度v_2t。

本发明的有益效果在于：(一)、本发明针对固定路径导引方式，在不改变传 统导引传感器(电磁感应、磁感应或光感应)导引原理的前提下，通过模仿激光 导航雷达的扫描工作原理，提供一种由扫描电机驱动的主动扫描式跟踪导引装 置，可有效增大导引传感器的目标检测范围，提高跟踪导引装置对目标路径的动 态跟踪性能；(二)、针对采用该装置的自动导引车，提出一种基于位置-转角偏 差双闭环反馈的导引控制方法，其利用小惯量的主动扫描式跟踪导引装置实时跟 踪导引路径，大惯量的车体即使显著偏离导引路径，也不会发生传感器丢失导引 信号的情况，可显著提高自动导引车在高速下跟踪大曲率导引路径时运动控制的 准确性和平稳性；(三)、将导引传感器固定在旋转支架的前端面的内侧，可以对 其进行有效地防护，防止碰撞受损；同时，可以减少其他干扰，从而提高导引精 度。

附图说明

图1为本发明中主动扫描式跟踪导引装置的结构示意图；

图2为本发明中主动扫描式跟踪导引装置的俯视图；

图3为本发明主动扫描式跟踪导引装置安装于自动导引车的俯视图；

图4为本发明自动导引车的位置-转角偏差双闭环反馈策略的控制流程图；

图5为本发明中主动扫描式跟踪导引装置增加导引传感器检测范围的原理 图；

图6是本发明中主动扫描式跟踪导引装置的目标检测范围随转角偏差变化 的实验曲线图；

图7是本发明中通过两轮差速驱动方式消除车体转角偏差的原理图；

图中：1-导引传感器，2-旋转支架，3-垂直转轴，4-轴承端盖，5-圆锥滚子 轴承，6-底板，7-固定支架，8-第二齿轮，9-第二齿轮传动键，10-角度传感器， 11-第一齿轮，12-第一齿轮传动轴，13-第一齿轮传动键，14-电机传动键，15- 扫描电机，16-车体，17-导引路径，18-左驱动轮，19-左驱动电机，20-右驱动 轮，21-右驱动电机，22-万向随动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和2所示，本发明的主动扫描式跟踪导引装置包括导引传感器1、旋 转支架2、垂直转轴3、底板6、固定支架7，第二齿轮8、角度传感器10、第一 齿轮11和扫描电机15。其中，垂直转轴3通过圆锥滚子轴承5和轴承端盖4安 装于底板6上，垂直转轴3的下段小轴及其下台阶面与圆锥滚子轴承5的内圈及 其上端面配合，圆锥滚子轴承5的外圈与轴承端盖4的内孔配合，轴承端盖4 通过螺钉固定在底板6上；垂直转轴3的下端面通过螺钉固定旋转支架2的后端， 旋转支架2的长度可以根据实际需要进行选择调节，旋转支架2的前端为折弯结 构，在旋转支架2的前端面内侧固定安装导引传感器1，通过这样的设计可以对 导引传感器1进行有效地防护，防止碰撞受损，并在工作过程中可以减少其他干 扰，从而提高导引精度；垂直转轴3的上段小轴及其上台阶面与第二齿轮8的内 孔及其下表面配合，并通过第二齿轮传动键9将第二齿轮8的旋转运动传递给垂 直转轴3；角度传感器10用于测量主动扫描式跟踪导引装置相对于自动导引车 车体16(图1、2中未显示)的旋转角度，角度传感器10的测量转轴通过紧定 螺钉同轴固定于垂直转轴3的上段小轴上并跟随垂直转轴3旋转，角度传感器 10的外壳固定安装在固定支架7的上端面，固定支架7通过螺栓和螺母固定在 底板6的上端面；当角度传感器10的测量转轴随垂直转轴3旋转时，角度传感 器10可测量旋转支架2相对于底板6的旋转角度，也即主动扫描式跟踪导引装 置相对于自动导引车车体16的旋转角度。

扫描电机15通过螺钉和螺母固定于底板6的下端面，扫描电机15的输出轴 通过电机传动键14与第一齿轮传动轴12的下段大轴的内孔连接，第一齿轮传动 轴12的上段小轴及其上台阶面与第一齿轮11的内孔及其下表面配合，并通过第 一齿轮传动键13将第一齿轮传动轴12的旋转运动传递给第一齿轮11，第一齿 轮11与第二齿轮8之间相互啮合，从而将旋转运动传递给第二齿轮8进而带动 垂直转轴3旋转。

如图3所示，本发明的主动扫描式跟踪导引装置通过螺栓和螺母将底板6 固定于自动导引车车体16的机械框架上，车体16下部设有左驱动轮18、用于 独立驱动左驱动轮18的左驱动电机19、右驱动轮20、用于独立驱动右驱动轮 20的右驱动电机21以及多个起支撑作用的万向随动轮22；车体16下方的地面 上铺设有导引路径17。主动扫描式跟踪导引装置的底板6安装左驱动轮18、右 驱动轮20轴线连线的中心处且垂直转轴3的旋转中心与左驱动轮18、右两驱动 轮20轴线连线的中心相重合。

如图5所示，本发明中主动扫描式跟踪导引装置增大导引传感器检测范围的 原理如下：设导引传感器1自身的基本检测范围为B_O，旋转支架2的长度为扫 描半径R_S，角度传感器10测量的旋转支架2相对于底板6的转角偏差为e_θ。由 于旋转支架2的旋转运动，主动扫描式跟踪导引装置在前方±90°范围内主动搜 索地面铺设的导引路径17，跟踪导引装置的主动扫描式检测范围为B_E，则有

B_E＝2R_Ssine_θ+B_Ocose_θ     (1)

一般地，旋转支架2的扫描半径R_S大于导引传感器1的基本检测范围B_O， 根据式(1)，主动扫描式检测范围B_E大于基本检测范围B_O，且随转角偏差e_θ的 增加而变化。

如图6所示，设基本检测范围B_O为10cm(±5cm)，扫描半径R_S为22cm，当 转角偏差e_θ从0°增加到90°时，主动扫描式检测范围B_E的变化过程如图中实 验曲线所示。当转角偏差e_θ为78°时，主动扫描式检测范围B_E达到最大值45cm， 该值为基本检测范围B_O的4.5倍，可以看出本发明中的主动扫描式跟踪导引装 置可以大幅度地增加导引传感器的检测范围。

如图4、5、7所示，本发明中安装有主动扫描式跟踪导引装置的自动导引车 的导引控制方法，具体包括以下步骤：

在针对位置偏差的内环控制过程中：

1、通过垂直转轴3驱动旋转支架2前端的导引传感器1，在前方±90°范 围内主动搜索地面铺设的导引路径17，导引传感器1实时测量得到其中点与导 引路径17中心线之间的位置偏差e_d，并利用位置纠偏控制器根据式(2)计算消除 位置偏差e_d所需的旋转支架2的期望旋转角度：

在式(2)中，R_S为旋转支架的扫描半径；

2、通过扫描电机15的闭环反馈控制使旋转支架2的实际旋转角度实时 跟踪期望旋转角度

在针对转角偏差的外环控制过程中：

3、设旋转支架2的实际旋转角度为，自动导引车的车体姿态角为θ_V，通 过垂直转轴3上端面的角度传感器10实时测量旋转支架2相对于车体16的旋转 角度，即转角偏差e_θ；设自动导引车的左驱动轮18和右驱动轮20的轴线连线长 度为W，为了使车体16跟踪旋转支架2的旋转导引运动，利用转角纠偏控制器 根据式(3)计算消除转角偏差e_θ所需的两驱动轮之间的期望速度差Δv：

$\mathrm{\Delta v}=\frac{{\mathrm{We}}_{\theta }}{2T}---\left(3\right)$

式(3)中，T为消除转角偏差e_θ的纠偏时间；

4、针对自动导引车的行驶速度v，利用速度分解器根据式(4)分别计算得到 左驱动轮18和右驱动轮20的期望速度v_1t和v_2t：

v_1t＝v+Δv

                                         (4)

v_2t＝v-Δv

5、通过左驱动电机19和右驱动电机21的闭环反馈控制使左驱动轮18的实 际速度v_1r和右驱动轮20的实际速度v_2r实时跟踪左驱动轮18的期望速度v_1t和右 驱动轮20的期望速度v_2t。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应 视为本发明的保护范围。