[发明专利]全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法

权利要求书

1.一种全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其特征在于：针对不同形状的运行路径采用自适应的跟踪控制方法，

上述全方位移动自动导引车包括轮式电动车辆的可分式差速驱动装置；

上述可分式差速驱动装置包括上转盘(1)和下转盘(4)，其中上转盘(1)带有中心孔，下转盘(4)上端面带有中心轴；上转盘(1)的中心孔和下转盘(4)的中心轴之间通过止推轴承(2)同轴装配；上转盘(1)的中心孔和下转盘(4)的中心轴之间还安装有圆柱形的电磁离合器(5)；上述的下转盘(4)沿中心轴两侧对称安装有两套轮式移动装置，右侧轮式移动装置包括右电机驱动器(28)、右电机制动器(8)、右伺服电机(9)、右旋转编码器(7)、右减速机(10)和右驱动轮(11)，左侧轮式移动装置包括左电机驱动器(29)、左电机制动器(25)、左伺服电机(24)、左旋转编码器(26)、左减速机(23)和左驱动轮(22)；上述的下转盘(4)还安装有检测路径偏差的导引传感器(30)和实现自主驾驶的车载控制器(31)；上述的导引传感器(30)、右旋转编码器(7)和左旋转编码器(26)通过信号输入电路与车载控制器(31)相连；车载控制器(31)通过信号输出电路分别与右电机驱动器(28)和左电机驱动器(29)、右电机制动器(8)和左电机制动器(25)相连；上述的上转盘(1)安装有检测其与下转盘之间旋转角度的角度传感器(3)，该角度传感器的外壳固定于上转盘(1)的上端面，其转子与下转盘(4)的中心轴机械连接，并通过信号输入电路与下转盘(4)上的车载控制器(31)相连。

上述全方位移动自动导引车，结构如下：可分式差速驱动装置安装于车体(27)下方中央，其上转盘(1)与车体(27)之间采用刚性固定连接或柔性悬挂连接，两者在水平方向无相对运动；在车体(27)下方四周至少还安装有2个自由轮，其运动速度和方向取决于车体27的运动状态；在车体(27)上还安装有为角度传感器(3)、右旋转编码器(7)和左旋转编码器(26)、导引传感器(30)、车载控制器(31)供电的控制蓄电池组(36)；在车体(27)上还安装有为电磁离合器(5)、右电机制动器(8)和左电机制动器(25)、右电机驱动器(28)和左电机驱动器(29)供电的驱动蓄电池组(37)；

方法一、通过自由态跟踪控制方法提高车体运动的平稳性，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；导引传感器(30)检测下转盘(4)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)分别通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)精确控制右驱动轮(11)和左驱动轮(22)之间的速度差，使下转盘(4)紧跟运行路径的形状变化快速调整自身的位置和姿态；车体(27)不是直接跟踪运行路径的形状变化，而是由下转盘(4)的跟踪运动所带动，并绕下转盘(4)的中心轴做相对转动；

方法二、通过全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态，具体方法为：在保持车体(27)姿态不变的同时，沿任意运动方向消除自动导引车的路径偏差，具体分为以下三步：

步骤一、先停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)据此计算自动导引车的运动方向角，进而计算下转盘(4)相对于车体(27)的旋转方向和角度；车载控制器(31)通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘(4)绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器(31)通过角度传感器(3)实时检测下转盘(4)与车体(27)之间的旋转角度；当该旋转角度达到预定的运动方向角时，车载控制器(31)停止右伺服电机(9)左伺服电机(24)，并通过右电机制动器(8)和左电机制动器(25)立即制动，下转盘(4)停止转动；

步骤二、通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)；导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)根据路径偏差计算自动导引车的运动轨迹；通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)精确控制右驱动轮(11)和左驱动轮(22)的速度，自动导引车按步骤一设置的运动方向以适当的几何轨迹逼近地面导引标线，消除车体(27)的路径偏差；

步骤三、再停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；车载控制器(31)根据车体(27)的现有姿态计算下转盘(4)相对于车体(27)的旋转方向和角度；车载控制器(31)通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘(4)绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器(31)通过角度传感器(3)实时检测下转盘(4)的自身方向与车体(27)是否重合；当下转盘(4)的自身方向恢复到与车体(27)重合时，车载控制器(31)停止右伺服电机(9)和左伺服电机(24)，并通过右电机制动器(8)和左电机制动器(25)立即制动，下转盘(4)停止转动；最后通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)。

2.权利要求1所述的自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述自适应的跟踪控制方法，还包括方法三，

方法三、通过锁定态跟踪控制方法实现车辆的快速移动，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)；导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)针对不同的方向角偏差采用多步预测最优控制或单步预测智能控制，通过调整两驱动轮之间的速度差消除自动导引车的路径偏差，根据跟踪控制产生的速度差控制量设置电机伺服控制的目标速度。

当方向角偏差不大于5°时，多步预测最优控制采用运动学模型计算一个纠偏协调性最优的多步控制量序列，即

Δv(k)=-eθ(0)2NTsW+3(k-N-12)[NvTseθ(0)-2ed(0)(N3-N)TsWvTs]---(1)]]>

同步、精确地消除两种路径偏差；其中，e_θ(0)和e_d(0)为导引传感器(30)检测的车体(27)与地面导引标线之间的方向角偏差和侧向距离偏差；T_s为车载控制器(31)的控制周期；W为右驱动轮(11)和左驱动轮(22)之间的距离；v为车体(27)中心的线速度；Δv(k)为第k个控制周期的速度差控制量，k＝0，1，2....，N-1；N为控制量序列的总步数，其值为满足以下约束条件的最小整数值：

|Δv(k)|max≤Δvmaxλ≤ΔamaxTs---(2)]]>

其中，|Δv(k)|_max为速度差控制量序列的幅值最大项，其计算公式为：

|Δv(k)|_max＝|Δv(0)|or|Δv(N-1)|    (3)

λ为速度差控制量序列的变化步长，其计算公式为：

λ=Δa(k)Ts=3[NvTseθ(0)-2ed(0)](N3-N)TsWvTs---(4)]]>

Δv_max和Δa_max为预先设置的速度最大幅值和最大变化率；

当方向角偏差大于5°时，单步预测智能控制采用运动学模型计算一个满足最优偏差状态转化策略的单步控制量，快速、平稳地减小两种路径偏差，当方向角偏差减小到5°后再利用多步预测最优控制；

(a)若路径偏差e_θ(k)和e_d(k)异号，或者e_d(k)＝0，先计算消除方向角偏差的速度差控制量：

Δv(k)p=-Weθ(k)2Ts---(5)]]>

(b)若路径偏差e_θ(k)和e_d(k)同号，或者e_θ(k)＝0，先计算同步消除两种偏差的速度差控制量：

Δv(k)P=-vWtaneθ(k)taneθ(k)22ed(k)---(6)]]>

若|Δv(k)^P|＜Δv_min，其中，Δv_min为预先设置的速度最小幅值，则按以下公式调整速度差控制量：

Δv(k)^P＝Δv(k-1)+sign(e_d(k))λ_min    (7)

其中，sign(x)=1x>00x=0-1x<0.---(8)]]>

λ_min为预先设置的速度最小变化率；

(c)若|Δv(k)^P-Δv(k-1)|≤λ_max，其中，λ_max＝Δa_maxT_s，则速度差控制量的计算公式为

Δv(k)＝Δv(k)^P                                 (9)

否则，速度差控制量的计算公式为

Δv(k)＝Δv(k-1)+sign(Δv(k)^P-Δv(k-1))λ_max    (10)

若|Δv(k)^P|＞Δv_max，则速度差控制量的计算公式为

Δv(k)＝sign(Δv(k)^P)Δv_max                     (11)