一种基于负载重心的可移动平台运动控制方法与流程

本发明涉及一种智能化控制方法，具体地说，是一种基于负载重心的可移动平台的运动控制方法。

背景技术：

可移动平台是一种可以搬运负载的自动导引车(AGV)，由于可移动平台技术日趋成熟，其应用场景也越发广泛，以现代物料仓库中可移动平台的搬运应用为例，所需搬运的负载往往较大(负载通常大于可移动平台自重)，且负载变化较频繁，负载变化范围也较大。可移动平台在启停时，为了减小冲击，需要调整启停加速度至适当大小，即要足够小，以防止冲击造成可移动平台部件的损坏。当可移动平台夹持或背负负载时，要防止冲击导致其夹持/背负失效。因此在实际应用中，还需要根据负载情况对运动控制做出调整。这里调整主要指启停加速度的大小控制，及移动过程中的速度大小控制。传统的运动控制策略往往不考虑负载的变化，因此当负载大小/重心发生变化时，恒定的加速度与速度有可能导致负载在运行过程中失去稳定性。且传统的控制策略不够灵活，不能及时按照负载的现状做出调整，因此，本发明提出一种基于负载重心的可移动平台运动控制策略，特别适用于可移动平台负载频繁变化的场合，按照该策略，灵活调整可移动平台的启停加速度，保证可移动平台运行稳定的前提下，提高其搬运效率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的技术问题，提供了一种基于负载重心的可移动平台的运动控制方法，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种基于负载重心的可移动平台运动控制方法，所述的负载置于托盘上，

以托盘为投影基准面；将所述投影基准面划分为若干子域；

根据重心投影点所在的子域区间将可移动平台的加速度调整为与子域对应的加速度，所述重心投影点为负载的重心通过投影落于到投影基准面上的点。

作为进一步地改进，本发明通过获得负载的重心投影点在投影基准面上的位置，确定重心投影点所在子域区间。

作为进一步地改进，本发明所述托盘上包括至少3个压力点，至少3个压力点不在同一直线上，根据力矩平衡原理计算负载的重心投影点在投影基准面上的位置。

作为进一步地改进，本发明根据力矩平衡公式

计算获得重心投影点位置M(x，y)；

其中，M(x，y)用于表示重心投影点在投影基准面坐标系下的坐标；

(a₁，b₁)、(a₂，b₂)、(a₃，b₃)分别用于表示3个不在同一直线的压力点N₁、N₂、N₃在投影基准面坐标系下的坐标；

为重心投影点位置M到压力点N₁的距离；

为重心投影点位置M到压力点N₂的距离；

为重心投影点位置M到压力点N₃的距离；

M_Lg为负载所受重力，F_j为第j个压力点上的压力值；

L_ij为压力点N_i与压力点N_j之间的距离，其中，i，j为正整数，且i≠j，并且i，j均属于[0，m]，m表示压力点的总数。

作为进一步地改进，本发明根据可移动平台的运动轨迹划分投影基准面的子域，确定重心投影点的子域区间，所述运动轨迹为直线运动或曲线运动。

作为进一步地改进，本发明当运动轨迹是直线运动时，沿垂直直线运动方向，将投影基准面划分为若干条形子域空间；

当运动轨迹是曲线运动时，以投影基准面的几何中心为圆心，将投影基准面划分为若干条同心圆子域空间。

作为进一步地改进，本发明当运动轨迹是直线运动时，将投影基准面沿垂直直线运动方向等分为若干条形子域空间；

当运动轨迹是曲线运动时，以投影基准面的几何中心为圆心，将投影基准面等分为若干条圆环宽度相同的同心圆子域空间。

作为进一步地改进，本发明根据负载不倾覆确定子域对应的加速度。

作为进一步地改进，本发明当运动轨迹是直线运动时，当M_LaH≤M_LgP时，负载不倾覆；其中，α表示重心投影点所在子域对应的加速度，P表示子域边界的重心投影点沿运动轨迹到托盘边缘最远的距离，H是负载重心离托盘高度；

当运动轨迹是曲线运动时，当M_LaH≤M_LgS时，负载不倾覆；其中，a表示重心投影点所在子域对应的加速度，S为子域边界的重心投影点与沿运动轨迹切线方向到托盘边缘交点的距离，H是负载重心离托盘高度。

作为进一步地改进，本发明所述的托盘为圆形，且所述曲线运动为圆周运动时，子域对应的加速度其中，R为圆形托盘的半径，D为重心投影点所在子域的边界与圆形托盘中心的距离。

作为进一步地改进，本发明所述可移动平台的托盘上置有负载，包括划分单元：以托盘为投影基准面，将所述投影基准面划分为若干子域；控制单元，根据重心投影点所在的子域区间将可移动平台的加速度调整为与子域对应的加速度；其中，所述重心投影点为负载的重心通过投影落于到投影基准面上的点。

作为进一步地改进，本发明所述控制单元还包括获取单元，用于获取负载的重心投影点在投影基准面上的位置，运算单元，根据获取的重心位置确定重心投影点所在子域区间。

作为进一步地改进，本发明所述划分单元，根据可移动平台的运动轨迹划分投影基准面的子域；控制单元，确定重心投影点的子域区间；动轨迹为直线运动或曲线运动。

作为进一步地改进，本发明所述控制单元还包括确定单元，根据负载不倾覆确定子域对应的加速度。

作为进一步地改进，本发明当运动轨迹是直线运动时，确定单元确定加速度当运动轨迹是曲线运动时，确定单元确定加速度

其中，P表示子域边界的重心投影点沿运动轨迹到托盘边缘最远的距离，H是负载重心离托盘高度，S为子域边界的重心投影点与沿运动轨迹切线方向到托盘边缘交点的距离，H是负载重心离托盘高度。

本发明的有益效果在于：

本发明利用了至少三个称重传感器测量负载重心，根据不通运动类型划分子域，当重心落在子域中，保证可移动平台搬运负载稳定的前提下，给定最大的加速度，克服了可移动平台在启停时容易过度冲击造成可移动平台部件的损坏导致其夹持/背负失效的情况，灵活控制移动过程中的速度大小，特别适用于可移动平台负载频繁变化的场合，本发明装置结构简单，控制方便，且实时性高，在保证可移动平台运行稳定的前提下，提高其搬运效率。

附图说明

图1是可移动平台的结构示意图；

图2是可移动平台搬运时负载重心及称重传感器在圆形托盘上的投影位置示意图；

图3是可移动平台搬运负载的力平衡示意图；

图4是可移动平台以直线运动模式状态运动时在重心投影平面上划分的子域示意图；

图5是可移动平台以曲线运动模式状态运动时在重心投影平面上划分的子域示意图；

图6是可移动平台以曲线运动模式状态运动时载物重心在重心投影平面上位置表示的示意图。

图7是可移动平台有4个称重传感器时搬运时负载重心及称重传感器在圆形托盘上的投影位置示意图；

图8是可移动平台有4个称重传感器的搬运负载的力平衡示意图；

图中，1是驱动轮、2是底盘、3是称重传感器、4是立柱、5是圆形托盘、6是负载。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

本发明公开了一种基于负载重心的可移动平台运动控制方法，所述负载置于可移动平台的托盘上，以托盘为投影基准面，所述负载的重心投影到投影基准面上形成重心投影点，将所述投影基准面划分为若干子域；每个子域均有对应的加速度，根据重心投影点所在的子域区间将可移动平台的加速度调整为与子域对应的加速度，所述重心投影点为负载的重心通过投影落于到投影基准面上的点。

由于投影基准面划分有子域，为了确定负载重心投影点所在的子域，本发明通过计算负载重心投影点在投影基准面上的位置来确定。

图1是可移动平台的结构示意图，图2是可移动平台搬运时负载6重心及称重传感器3在圆形托盘5上的投影位置示意图，图3是可移动平台搬运负载6的力平衡示意图；一般通过在圆形托盘5上设置投影基准面的坐标系，以圆盘中心为坐标系原点，得到负载重心在圆形托盘5上投影的位置为M(x，y)，所述M(x，y)的计算方法为:

进一步在托盘上设置若干压力点，至少为3个压力点，且至少有3个压力点不在同一条直线上，根据力矩平衡原理计算负载的重心投影点在投影基准面上的位置。具体地，通过在压力点设置称重传感器3(称重传感器3置零处理，使得其在空载时的测量值为)获得负载施加于压力点的压力值。选取任意3个不在同一直线上的压力点，所选的3个压力点分别是N1、N2和N3，在投影基准面坐标系上的位置分别为N1(a1,b1)、N2(a2,b2)、N3(a3,b3),当负载质量为ML时，在托盘上设置的若干压力点N1、N2......Nm，对应的称重传感器3的上负载对其施加的压力为F1、F2......Fm，m是大于等于3的整数，根据力平衡可得：M_Lg＝F₁+F₂+…+F_m-1+F_m；其中，N_i与N_j之间的距离为L_ij，其中，i,j为正整数，且i≠j，并且i，j均属于[0，m]，其中，分别对点N₁、N₂和N₃取矩，根据力矩平衡可得：

根据以上各式得出：

确定M(x，y)的坐标值，即负载的重心投影点在投影基准面上的位置，进而确定当前位置所在的对应的子域。

根据运动轨迹是直线运动还是曲线运动，在投影基准面上划分子域，其中，所述的直线运动是指可移动平台朝固定的某一方向运动，其运动轨迹为直线，如朝X轴正方向运动；所述的曲线运动是可移动平台运动是可移动平台朝向不定的方向运动，其运动轨迹为曲线，如围绕可移动平台自转中心的圆周运动。为了使物体不倾覆，每个子域均有对应的加速度，每一个子域对应的加速度使运动过程中的负载在不倾覆的同时具有最大的加速度，通过获取重心投影点所落的子域区间，将调整加速度调整为子域对应的加速度。

当运动轨迹是直线运动时，沿垂直直线运动方向，将投影基准面划分为若干条形子域空间；进一步的，可以将投影基准面沿垂直直线运动方向等分为若干条形子域空间；当M_LaH≤M_LgP时，负载不倾覆；其中，a表示重心投影点所在子域对应的加速度，P表示子域边界(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)的重心投影点沿运动轨迹到托盘边缘最远的距离，H是负载重心离托盘高度；例如托盘为圆形，投影基准面的坐标系以圆形托盘5中心为坐标系原点，直线运动方向为X轴，用垂直于X轴的直线将投影基准面N等分，每个子域的宽度为2R/N，N为正整数，R为圆形托盘5的半径，为了使负载不倾覆，M_LaH≤M_Lg(R-X)，可得：给定加速度值不大于X为子域边界(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)在投影基准面坐标系下X轴的坐标，R-X为重心投影点所在的子域边界(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)沿运动轨迹到托盘边缘的距离；当重心落在正子域(X轴正方向上的子域，X轴正方向为直线运动方向)时，[2(n-1)R/N，2nR/N]，则取给小车加速度值不大于当重心落在负子域时，[-2nR/N，-2(n-1)R/N]，则取给小车加速度值不大于其中，n∈[0，N]，且n为正整数；

图6是可移动平台以曲线运动模式状态运动时载物重心在重心投影平面上位置表示的示意图，当运动轨迹是曲线运动时，以投影基准面的几何中心为圆心，将投影基准面划分为若干条同心圆子域空间；进一步的，可以将投影基准面等分为若干条同心圆子域空间；当M_LaH≥M_LgS时，负载不倾覆；其中，α表示重心投影点所在子域对应的加速度，S为子域边界(同心圆圆环的外边界)的重心投影点与沿运动轨迹切线方向到托盘边缘交点的距离，H是负载重心离托盘高度；例如托盘为圆形，投影基准面的坐标系以圆形托盘5中心为坐标系原点，用以圆形托盘5中心为圆心，且圆环宽度相同的同心圆将投影基准面N等分，形成圆环宽度为R/N(含圆心的子域除外，该子域为半径R/N的圆)，其中N为正整数，R为圆形托盘5的半径，为了使负载不倾覆，M_LaH≤M_LgS，可得：其中给小车的加速度值不大于其中D为重心投影点所在子域的边界(同心圆圆环的外边界)与圆形托盘5中心的距离，H是重心离圆形托盘5高度，θ为图6中S与D的夹角；当曲线运动为圆周运动，θ＝90°,则

实施例1

以称重传感器3为3个的可移动平台为例，具体实现如下：

将称重传感器3置零处理，使得其在空载时的测量值为0。

可移动平台搬运负载6，假设，当负载6质量为M_L时，压力点点N₁、N₂、N₃对应的称重传感器3的数值为F1、F2、F3。由图3根据竖直方向上，力平衡可得：

M_Lg＝F₁+F₂+F₃

另N₁，N₂之间的距离为L₁₂，N₂，N₃之间的距离为L₂₃，N₁，N₃之间的距离为L₁₃，

其中：

分别对点N₁、N₂、N₃取矩，根据力矩平衡可得：

根据以上公式，可以求得：

当可移动平台的运动轨迹是直线运动时，即上述X轴方向，用垂直于X轴的直线投影基准面N等分，即将投影基准面沿运动轨迹的垂直方向划分的每个子域的宽度为2R/N，N为正整数，R为圆形托盘5的半径。

加速度值根据负载6是否倾覆计算，则有：M_LaH≤M_Lg(R-x)

，可得因此，给可移动平台加速度值不大于H是重心离圆形托盘5高度；(R-x)为重心投影点沿运动轨迹到托盘边缘最远的距离，由于每个子域都有对应的加速度，选取子域边界上(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)重心投影点的坐标作为x的值。

当重心落在正子域时，[2(n-1)R/N，2nR/N]，则取给小车加速度值不大于当重心落在负子域时，[-2nR/N，-2(n-1)R/N]，则取给小车加速度值不大于其中，n∈[0，N]，且n为正整数。图4是可移动平台以直线运动模式状态运动时在重心投影平面上划分的子域示意图，其中重心投影点横坐标落在[2R/N，4R/N]区间内。当重心点M落在该子域时，加速度值均给定为则，不论x取该区间内的何值，均满足公式，即均能保证负载6搬运时不发生倾覆。

实施例2

以称重传感器3为4个的可移动平台为例，图7是可移动平台有4个称重传感器3时搬运时负载6重心及称重传感器3在圆形托盘5上的投影位置示意图，图8是可移动平台有4个称重传感器3的搬运负载6的力平衡示意图；具体实现如下：

将称重传感器3置零处理，使得其在空载时的测量值为0。

可移动平台搬运负载6，假设，当负载6质量为M_L时，点N₁～N₄对应的称重传感器3的数值为F1～F4。由图3根据竖直方向上，力平衡可得：

M_Lg＝F₁+F₂+F₃+F₄

分别对点N₁，N₂，N₄取矩，根据力矩平衡可得：

根据以上公式，可以求得：

可移动平台以曲线运动，图6是可移动平台以曲线运动模式状态运动时载物重心在重心投影平面上位置表示的示意图；曲线运动时所述的加速度值根据负载6是否倾覆计算，M_LaH≤M_LgS

可得：其中给小车的加速度值不大于其中D为重心投影点位置与圆形托盘5中心点距离，H是重心离圆形托盘5高度。

当曲线运动为圆周运动，θ＝90°,则

当重心落于[(n-1)R/N，nR/N]时，选取子域的边界(同心圆圆环的外边界)与圆形托盘5中心的距离为D的值，则取其中，n∈(0，N)，且n为正整数。图5是可移动平台以曲线运动模式状态运动时在重心投影平面上划分的子域示意图，重心M点横坐标落在[(N-2)R/N，(N-1)R/N]区间内，当重心点M落在该子域时，加速度值均给定为则，不论D取该区间内的何值，均满足公式。即均能保证负载6搬运时不发生倾覆。

一种运动控制装置，用于控制可移动平台的加速度，所述可移动平台的托盘上置有负载，包括

划分单元，以托盘为投影基准面，将所述投影基准面划分为若干子域；

控制单元，根据重心投影点所在的子域区间将可移动平台的加速度调整为与子域对应的加速度；其中，所述重心投影点为负载的重心通过投影落于到投影基准面上的点。

所述运动控制装置还包括获取单元和运算单元，所述获取单元用于获取负载的重心投影点在投影基准面上的位置，运算单元，所述运算单元根据获取的重心位置确定重心投影点所在子域区间，通过负载重心投影点在投影基准面上的位置来确定负载重心投影点所在的子域，

其中，所述获取单元在托盘上设置若干压力点，至少为3个压力点，且至少有3个压力点不在同一条直线上，运算单元根据力矩平衡原理计算负载的重心投影点在投影基准面上的位置。具体地，通过在压力点设置称重传感器3(称重传感器3置零处理，使得其在空载时的测量值为)获得负载施加于压力点的压力值。选取任意3个不在同一直线上的压力点，所选的3个压力点分别是N₁、N₂和N₃，在投影基准面坐标系上的位置分别为N₁(a₁,b₁)、N₂(a₂,b₂)、N₃(a₃,b₃),当负载质量为M_L时，在托盘上设置的若干压力点N₁、N₂......N_m，对应的称重传感器3的上负载对其施加的压力为F₁、F₂......F_m，m是大于等于3的整数，根据力平衡可得：M_Lg＝F₁+F₂+…+F_m-1+F_m；其中，N_i与N_j之间的距离为L_ij，其中，i,j为正整数，且i≠j，并且i，j均属于[0，m]，其中，

分别对点N₁、N₂和N₃取矩，根据力矩平衡可得：

根据以上各式得出：

确定M(x，y)的坐标值，即负载的重心投影点在投影基准面上的位置，进而确定当前位置所在的对应的子域。

所述运动控制装置还包括划分单元，根据可移动平台的运动轨迹划分投影基准面的子域，所述控制单元，确定重心投影点的子域区间；所述运动轨迹为直线运动或曲线运动。所述运动控制装置还包括确定单元，根据负载不倾覆确定子域对应的加速度。根据运动轨迹是直线还是曲线运动，在投影基准面上划分子域，为了使物体不倾覆，每个子域均有对应的加速度，每一个子域对应的加速度使运动过程中的负载在不倾覆的同时具有最大的加速度，通过获取重心投影点所落的子域区间，将调整加速度调整为子域对应的加速度。

当运动轨迹是直线运动时，划分单元沿垂直直线运动方向，将投影基准面划分为若干条形子域空间；进一步的，划分单元可以将投影基准面沿垂直直线运动方向等分为若干条形子域空间；当M_LaH≤M_LgP时，负载不倾覆，确定单元确定其中，a表示重心投影点所在子域对应的加速度，P表示子域边界(靠近托盘边缘的那条边界)的重心投影点所在沿运动轨迹到托盘边缘最远的距离，H是负载重心离托盘高度；例如托盘为圆形，投影基准面的坐标系以圆形托盘5中心为坐标系原点，直线运动方向为X轴，划分单元用垂直于X轴的直线将投影基准面N等分，每个子域的宽度为2R/N，N为正整数，R为圆形托盘5的半径，为了使负载不倾覆，M_LaH≤M_Lg(R-X)，可得：给定加速度值不大于X为子域边界(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)在投影基准面坐标系下X轴的坐标，R-X为重心投影点所在的子域边界(沿运动轨迹方向靠近托盘边缘的边界)沿运动轨迹到托盘边缘的距离；当重心落在正子域(X轴正方向上的子域，X轴正方向为直线运动方向)时，[2(n-1)R/N，2nR/N]，则取给小车加速度值不大于当重心落在负子域时，[-2nR/N，-2(n-1)R/N]，则取给小车加速度值不大于其中，n∈[0，N]，且n为正整数；

当运动轨迹是曲线运动时，划分单元，以投影基准面的几何中心为圆心，将投影基准面划分为若干条同心圆子域空间；进一步的，划分单元可以将投影基准面等分为若干条同心圆子域空间；当M_LaH≤M_LgS时，负载不倾覆，确定单元确定其中，a表示重心投影点所在子域对应的加速度，S为子域边界(同心圆圆环的外边界)的重心投影点与沿运动轨迹切线方向到托盘边缘交点的距离，H是负载重心离托盘高度；例如托盘为圆形，投影基准面的坐标系以圆形托盘5中心为坐标系原点，划分单元用以圆形托盘5中心为圆心，且圆环宽度相同的同心圆将投影基准面N等分，形成圆环宽度为R/N(含圆心的子域除外，该子域为半径R/N的圆)，其中N为正整数，R为圆形托盘5的半径，为了使负载不倾覆，M_LaH≤M_Lgs，可得：其中给小车的加速度值不大于其中D为重心投影点所在子域的边界(同心圆圆环的外边界)与圆形托盘5中心的距离，H是重心离圆形托盘5高度，θ为图6中S与D的夹角；当曲线运动为圆周运动，θ＝90°,则

本发明的技术方案中，测量重心，可以通过三个或三个以上的其他传感器实现，如压力传感器等可以测力的装置即可，划分子域的方式可以采用非等分或者采用其他曲线。

以上所述仅为本发明的几个较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。