专利名称：红外光电导向agv装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及用于エ业自动化车间的无人车的自动导向系统及其控制方法，尤其涉及红外光电导向AGV装置及其控制方法，属于移动机器人技术领域。
背景技术：
自动导引车辆(Automated Guided Vehicle,简称AGV)是现代物流技术的关键设备，随着自动导引车辆新兴市场的发展，对廉价且控制精度高的AGV产生了巨大的需求，车辆建模和控制策略的研究已经发展成为当前研究课题的热点，AGV作为自动运输设备，在自动化车间中的沿着预定轨迹运行的精度直接影响到整个车间的正常运行。尤其是AGV的导向控制精度作为决定AGV性能的关键因素更是吸引了极大的关注。红外自动导引车AGV是 一种以红外光电作为导引方式的自动导向车辆，控制系统是AGV的核心内容，而路径跟踪控制方法是保证AGV控制精度的关键所在。专利申请号为201110306984. 2的中国专利公开了ー种车道识别偏离检测方法，采用图像处理对AGV车道识别偏离的检测方法，首先对获取的车道图像进行预处理，然后对预处理之后的车道图像进行边缘检测，得到车道边缘图像，根据得到的车道边缘图像基于卡尔曼滤波器的车道跟踪方法，确定出车道的位置，并在点集优化后的基础上提取车道參数，然后根据得到的车道參数，拟合提取车道线，最后根据提取的车道线判别AGV车体所在车道的具体状况，可以实现对车道状况的检測。专利申请号为201110054045. 3的中国专利公开了 AGV可编程电磁导引方法和装置，通过改变同一根导引线上的导引信号的频率，而各种信号的频率分别代表不同的动作意义，随时控制AGV的动作，动作包括前进、后退、停止、左转、右转等，AGV根据检测到的导引频率的执行不同的动作。专利申请号为201110029304. 7的中国专利公开了ー种AGV自动导向系统和控制方法，系统由检测模块和控制模块组成，检测模块由最为AGV车体位置传感器的编码器和作为AGV位姿传感器的激光扫描仪构成；控制模块是由伺服驱动单元和エ控机组成，设置控制模块由内位置环和外位置环构成的双位置闭环控制模块；内位置环为电机转角位置环，外位置环是以激光扫描读取AGV位置信号，将外位置环中反馈的AGV位姿信号计算AGV位置的路径跟踪误差，将路径跟踪误差作为控制系统的输入量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种红外光电导向AGV装置及导向控制方法。本发明的目的通过以下技术方案来实现红外光电导向AGV装置，包括车体、驱动轮和从动轮以及铺设于地面的导引反光帯，特点是在车体底部的四端角位置各安装一从动轮，车体底部的中间部位沿纵向安装有一组呈对称分布的驱动轮，驱动轮均与无刷直流电机驱动控制连接，每只驱动轮的内侧设有速度检测装置，车体底部的中间部位沿横向安装有一组呈对称分布的红外光电导向装置，红外光电导向装置的内侧安装有红外标志检测装置，车体底部的四端角位置还各安装一避障传感器。进ー步地，上述的红外光电导向AGV装置，两驱动轮之间的轴距为900mm。
更进一歩地，上述的红外光电导向AGV装置，所述避障传感器为GP2Y0A21红外测
距传感器。 再进ー步地，上述的红外光电导向AGV装置，所述红外光电导向装置包含红外发射器、红外接收器、缓冲驱动器和主控制单元，红外接收器经电压比较器接入至主控制单元，电压比较器上设有电压调节电阻，主控制单元上连接译码器，译码器连接缓冲驱动器，缓冲驱动器上设有光强可调电阻，缓冲驱动器经扫描指示灯连接红外发射器，主控制单元上设有通信串ロ。本发明红外光电导向AGV装置的控制方法，按照预设路径的轨迹在地面铺设导引反光带，在需要铺设动作标志的位置设置动作标志；(I )AGV装置运行中，车体相对导引路径的偏移信息通过红外光电导向装置进行检测，红外光电导向装置发射红外光线，红外光线经过导引反光带的发射得到车体相对导引反光带的位置信息；位置信息的检测步骤是在AGV相对导引路线所在的运动线路上，定义实际位置和目标位置之间的误差为位置误差，将AGV的运动位置表示为(d，α )，其中d为AGV偏移导引路线的法相位置误差，α为AGV的方位角误差，所述的方位角为AGV的当前行进路线与预期轨迹也就是导引路线之间的夹角；要求AGV沿着预定的导轨路线循迹前迸，设置所述的AGV的目标位置为(0，O)，由红外光电导向装置检测AGV起点的位置是(0，O),根据路径的规划，预先设置两个驱动轮之间的距离是L，前后两个位置检测装置之间的距离是D ；目标位置有两种情况，当沿着指导路径循迹吋，目标位置为(0，0);当在ー些特定转弯动作标志位置时，AGV的目标位置为(d, α);在需要转弯的情况下导引车的控制采用前馈控制，在检测到动作标志时，加入对应动作的前馈控制量，当行驶过动作标志进入循迹过程时，恢复正常循迹；根据AGV车体运行时的相对位置的几何平面，測量AGV的导轨跟踪误差的具体步骤是:AGV的前后两端各配置一个红外光电导向装置，当车辆行驶时，红外光电导向装置的发射器按照固定的频率发射红外光，接收光电ニ极管采集反光导引路线反射回来的红外光点；两个红外光电导向装置之间的距离固定为D ；预处理AGV车体行驶过程中在同一时刻采集到的从导引路线反射回来的红外光点序列，接收光电ニ极管之间的距离固定，根据接收到的发射光点序列得到偏移距离，则前后两个红外光电导向装置采集到的偏移距离分别是Dl，D2 ;设定，当AGV车体偏向左边时候，测得偏移量是负值，当AGV的车体偏向右边时候，测得偏移量是正值，当车体现行轨迹与导引路线的夹角偏向导引路线左侧为逆时针的时候，角度为负值，当偏向右侧顺时针的时候，角度为正值；(2)检测得到的数据通过红外光电导向装置的标准通信串口和主控单元MCU通信，将位置信息输入主控单元MCU进行处理；
位置信息的处理通过以下步骤实现根据几何关系推算出；
权利要求
1.红外光电导向AGV装置，包括车体、驱动轮和从动轮以及铺设于地面的导引反光带，其特征在于在车体底部的四端角位置各安装一从动轮，车体底部的中间部位沿纵向安装有一组呈对称分布的驱动轮，驱动轮均与无刷直流电机驱动控制连接，每只驱动轮的内侧设有速度检测装置，车体底部的中间部位沿横向安装有一组呈对称分布的红外光电导向装置，红外光电导向装置的内侧安装有红外标志检测装置，车体底部的四端角位置还各安装一避障传感器。
2.根据权利要求I所述的红外光电导向AGV装置，其特征在于两驱动轮之间的轴距为 900mm。
3.根据权利要求I所述的红外光电导向AGV装置，其特征在于所述避障传感器为GP2Y0A21红外测距传感器。
4.根据权利要求I所述的红外光电导向AGV装置，其特征在于所述红外光电导向装置包含红外发射器、红外接收器、缓冲驱动器和主控制单元，红外接收器经电压比较器接入至主控制单元，电压比较器上设有电压调节电阻，主控制单元上连接译码器，译码器连接缓冲驱动器，缓冲驱动器上设有光强可调电阻，缓冲驱动器经扫描指示灯连接红外发射器，主控制单元上设有通信串口。
5.权利要求I所述的红外光电导向AGV装置的控制方法，其特征在于按照预设路径的轨迹在地面铺设导引反光带，在需要铺设动作标志的位置设置动作标志； (I)AGV装置运行中，车体相对导引路径的偏移信息通过红外光电导向装置进行检测，红外光电导向装置发射红外光线，红外光线经过导引反光带的发射得到车体相对导引反光带的位置信息；位置信息的检测步骤是在AGV相对导引路线所在的运动线路上，定义实际位置和目标位置之间的误差为位置误差，将AGV的运动位置表示为(d，α)，其中d为AGV偏移导引路线的法相位置误差，α为AGV的方位角误差，所述的方位角为AGV的当前行进路线与预期轨迹也就是导引路线之间的夹角；要求AGV沿着预定的导轨路线循迹前进，设置所述的AGV的目标位置为(0，0)，由红外光电导向装置检测AGV起点的位置是(0，0)，根据路径的规划，预先设置两个驱动轮之间的距离是L，前后两个位置检测装置之间的距离是D ； 目标位置有两种情况，当沿着指导路径循迹时，目标位置为(0，0);当在一些特定转弯动作标志位置时，AGV的目标位置为(d, α ); 在需要转弯的情况下导引车的控制采用前馈控制，在检测到动作标志时，加入对应动作的前馈控制量，当行驶过动作标志进入循迹过程时，恢复正常循迹； 根据AGV车体运行时的相对位置的几何平面，测量AGV的导轨跟踪误差的具体步骤是AGV的前后两端各配置一个红外光电导向装置，当车辆行驶时，红外光电导向装置的发射器按照固定的频率发射红外光，接收光电二极管采集反光导引路线反射回来的红外光点； 两个红外光电导向装置之间的距离固定为D ； 预处理AGV车体行驶过程中在同一时刻采集到的从导引路线反射回来的红外光点序列，接收光电二极管之间的距离固定，根据接收到的发射光点序列得到偏移距离，则前后两个红外光电导向装置采集到的偏移距离分别是Dl，D2 ;设定，当AGV车体偏向左边时候，测得偏移量是负值，当AGV的车体偏向右边时候，测得偏移量是正值，当车体现行轨迹与导引路线的夹角偏向导引路线左侧为逆时针的时候，角度为负值，当偏向右侧顺时针的时候，角度为正值；(2)检测得到的数据通过红外光电导向装置的标准通信串口和主控单元MCU通信，将位置信息输入主控单元MCU进行处理； 位置信息的处理通过以下步骤实现 根据几何关系推算出； 其中，I是前端红外光电导向装置沿两个红外光电导向装置中心线到导引反光带之间距离，L2是后端红外光电导向装置沿两个红外光电导向装置中心线到反光带之间距离，0为偏转角吨是导引线到车体两个红外光电导向装置的中心点的垂直距离，同理，d2是导引线到车体两个红外光电导向装置中心点的垂直距离； (3)将得到的偏移量和偏转角经卡尔曼滤波器进行滤波，得到平滑的变化曲线，进一步修正AGV与导引路线的误差； (4)AGV运行的过程中，在一些特定位置要求AGV执行特定的动作，在这些特定位置设置动作标志，动作标志是间隔性的等距反光带，由一系列宽度相同的反光带或者非反光带按顺序排列组成； 所述标志检测通过以下步骤； 根据红外标志检测装置检测到的标志的数字信号通过串口输入MCU，主控装置判断动作标志代表的意义然后发出对应的动作控制命令，AGV做出相对应的动作，在AGV运行的过程中，在一些特定位置要求AGV执行特定的动作，在特定位置设置动作标志，当光线发射到反光带上时，接收管接收到反射光，判断为1，相反，判断为O ; 当AGV沿着导引路径以固定的速度V行进时，经过每一个小段反光带的时间是相同的t，则根据在每一段时间t内检测到的高低电平的不同对标志做出判断； 标志检测装置检测到动作标志的信号是01101010，所代表的动作是启动； 将启动动作信号发送到主控MCU，主控板发出启动命令； 在有具体动作控制位置，AGV的导向控制器与直线循迹控制器相同，控制器的前端设有前馈控制； 使AGV的目标位置改变，以左转动，目标位置为(_d, - a )，AGV将以目标位置为终点前进; 根据检测到的不同的动作标志信号，代表不同的动作意义，将检测到的动作标志通过串口发送到MCU主控制器， 主控制单元经过处理之后得到控制量，将控制量发送到驱动，驱动车体向目标位置运行； 当需要改变特定位置的动作时候，改变动作标志，或者通过人机界面对标志所代表的动作的意义加以改变； (5)由避障传感器通过红外检测到的距离的远近产生大小不同的模拟量信号，通过AD转换接口与MCU相连接，主控制装置将模拟信号转换为对应的数字信号也就是距离信息，根据距离的远近，然后发出转弯、减速或者刹车的命令到驱动轮控制器，使AGV系统避开障碍物减小损害； (6)速度检测装置为脉冲信号检测装置，对单位时间内接收到的脉冲信号个数进行统计，并通过SPI接口发送到主控制单元，MCU计算出电机的实际转速。
6.根据权利要求5所述的红外光电导向AGV装置的控制方法，其特征在于轨迹跟踪控制策略采用二次线型最优控制和卡尔曼滤波器控制相结合的LQG控制策略；在AGV运动所在的平面直角坐标系中，所述的位置检测装置检测到的偏移导引路径的偏移量d和偏转角α ; 所述路径跟踪控制方法步骤如下； 控制系统的建模 AGV在初始状态的时没有偏差，由于外部干扰的影响，AGV的路径随着时间的推移出现略微的偏差，偏差的角度为参考轨迹和小车移动的中心线的夹角，偏移的距离由两个轮子中心点和参考轨迹确定，左驱动轮的速度是右边驱动轮的速度是Vk，在一个非常短的时间At内，速度的大小和方向都没有变化，由几何关系推导出以下信息；
全文摘要
本发明涉及红外光电导向AGV装置及控制方法，在车体底部的四端角位置各安装一从动轮，车体底部的中间部位沿纵向安装有一组呈对称分布的驱动轮，驱动轮均与无刷直流电机驱动连接，每只驱动轮的内侧设有速度检测装置，车体底部的中间部位沿横向安装有一组呈对称分布的红外光电导向装置，红外光电导向装置的内侧安装有红外标志检测装置，车体底部的四端角位置还各安装一避障传感器。采用测量位置偏移量和偏转角的红外位置检测方法，二次线型最优控制和卡尔曼滤波器相结合导引路径跟踪策略，很好地实现沿着预定轨迹自动巡航，并能够保证AGV路径跟踪的快速性以及高精度。
文档编号G05D1/02GK102854878SQ20121034198
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者王伟, 刘胜明, 周勇, 马浩 申请人:苏州工业园区永动工业设备有限公司