一种基于激光引导双轮差速AGV的原地偏航旋转方法与流程

本发明属于移动机器人自动导航技术领域，尤其涉及一种基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法。

背景技术：

agv(automatedguidedvehicle)即“自动导引车”，也称移动机器人，是一种以电能作为动力，通过电磁或光学等非接触式自动导引装置，在无人操控的情况下沿着预定路径行驶到指定的地点，实现自动移载、搬运等功能的运输小车。agv小车的激光导引方式始于90年代初期，不需要对地面进行任何处理，在agv小车的行走区域安装位置精确的激光反射板，agv通过激光扫描仪发射激光并采集由不同角度的反射板反射回来的激光光束，利用其内置定位算法，确定当前小车的位置和方向，并通过连续定位算法实现agv的导引。激光导引方式的最大优点就是agv定位精确，柔性好，不需要对地面进行任何处理，路径变换灵活多变，适用于各种现场环境，能够方便快捷的修改运动参数及行驶路径，是当前国际上最先进的导引方式。

我国agv的应用和研发起步较晚，如今的国内企业中，昆明昆船、北京机科、合肥柯金、怡丰、艾吉威等一批企业近两年都纷纷推出agv叉车系列，尤其是艾吉威自主研发出无激光反射板的激光引导叉车，开创了agv行业的新领域。但agv的核心车载控制系统技术几乎仍由国外公司拥有，激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法是其中不可或缺的一个环节。那么如何控制agv小车的旋转，按照符合实际的方向进行旋转，是实际应用中必须要解决的关键问题。通过查阅论文与专利，在运动规划上常见的路径规划方法有遗传算法、人工势场法、prm法、dubins路径规划方法等。

此类规划路径的方法一般都是基于全局的，其侧重点在算法的设计及其鲁棒性的检验上，并不考虑对象的轮廓及其运动特性，无法保证路径的真实可行性。多数工厂的空间受限，若将小车抽象成质点，不能反映出轮廓与环境的信息，因此上述的方法并不合适。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法，该方法适用于一般情况或者空间受限程度较小的情况，结合agv小车的全方位运动特性，方案实用简洁、切实可行。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，agv车载控制系统通过无线网络与上位机控制系统进行通讯，接收到路径信息；

步骤2，激光引导agv通过激光扫描仪得到小车的位姿信息(x0，y0，θ0)，其中小车当前航向角在0～360°并与车载控制系统进行数据交换；

步骤3，利用agv位姿信息和目标点得到通过该两点的直线与x轴正方向之间的较小夹角，再通过计算使夹角在0～360°之间；

步骤4，通过agv小车当前航向角度值与目标点期待航向角度值进行比较，得到理论偏差，同时遵循能量最小原理，运用相应算法，得到使小车往角度较小方向旋转，即小车理应原地偏航旋转到达期待航向的度数；

步骤5，基于双轮差速agv的原地偏航旋转，设置相应的减速点，当车轮到达减速点时，车速开始降低，停止时，agv小车到达期待航向，允许小范围的误差。

进一步地，步骤1中，所述上位机控制系统同时使用两种方法通过无线网络发送作业任务指令以及路径运行指令，再由agv通过主控制器软件中的任务功能模块处理成为车载控制系统的执行指令，同时主控制器反馈模块将agv运行过程中的实时信息反馈回上位机控制系统，方法具体包括：

agv的行走路径由上位机控制系统的路径规划软件运用高适应度值遗传算法确定，最优路径确定后，同时使用两种方法传输路径信息，第一种为实时下发路径，上位机通过无线网络实时传输下一段agv需要行走的路径信息，并实时监控agv当前位置；第二种方法为一次性下发当前作业所有路径，上位机路径规划软件根据当前作业任务确定该任务所有路径并一次性下发完毕。

进一步地，agv的主控制器为基于嵌入式操作系统的ipc控制器，在该操作系统下运行符合国际标准iec61131-3软plc，方法在该软plc中实现。

进一步地，步骤2中，激光引导agv通过激光扫描仪得到小车的位姿信息，该信息通过以太网传送给车载主控制器中嵌入式操作系统的应用程序，并使用ads通讯协议实现应用程序与软plc中数据交换，方法具体包括：

在agv运行区域内按照要求安装一定数量的激光反射板，并事先将这些反射板的绝对坐标信息保存在激光扫描仪内，将激光扫描仪水平安装在agv的顶部，与反射板在同一水平面内，并以固定的转速旋转360°并通过脉冲激光器持续向外发射激光束，同时接收不少于三个反射板反射回来的激光束，激光扫描仪就能通过探测到的反射板的数量并与存入的反射板信息进行比较，得出此时agv在绝对坐标系中的位姿(x0，y0，θ0)，其中0≤θ0≤360°；激光扫描仪的位姿信息通过以太网传送给主控制器，使用ads通信协议完成与软plc的数据交换，将读写程序的可执行文件植入操作系统中。

进一步地，步骤3中，利用agv位姿信息和目标点得到通过该两点的直线与x轴正方向之间的较小夹角，再通过计算使夹角在0～360°之间，具体实现方法包括：

步骤3.1，已知agv小车的绝对坐标a(x0，y0)，目标点坐标b(x，y)，则可得矢量

步骤3.2，反向延长可得直线ab，其与x轴之间的夹角θ′计算可得：

步骤3.3，将夹角θ′限定在0～360°之间，即x轴正方向逆时针旋转到矢量的期待航向角度θ，

当x＞x0，y≥y0时θ＝θ′；

当x＜x0，y≥y0时θ＝θ′+180°；

当x＜x0，y＜y0时θ＝|θ′|+180°；

当x＞x0，y＜y0时θ＝360°-|θ′|。

进一步地，步骤4中，通过agv小车实际朝向角度值θ0与目标点期待航向角度值θ进行比较，得到理论偏差δθ，同时遵循能量最小原理，运用相应算法，得到使小车往角度较小方向旋转，即小车理应原地偏航旋转到达期待航向的度数δθ′，具体实现方法包括：

步骤4.1，得出理论偏差δθ：

δθ＝θ0-θ；

步骤4.2，遵循能量最小原理，求出agv小车理应转过的角度δθ′：

当δθ＜-180°时δθ′＝δθ+360°；

当δθ＞180°时δθ′＝δθ-360°；

当-180≤δθ≤180°时δθ′＝δθ；

将此换算过程称为“格式化”，即将差值δθ′以0作为分割点，可快速确定agv小车原地旋转的方向：当δθ′≥0时，控制agv小车原地顺时针旋转；当δθ′＜0时，控制agv小车原地逆时针旋转。

进一步地，步骤5中，agv小车在原地偏航旋转，并设置相应的减速点，当车轮到达减速点时，车速开始降低，停止时，agv小车到达期待航向，具体实现方法包括：

δθ2＝ωt2(5)

δθ3＝δθ1+δθ2(6)

联立公式(1)～公式(6)，可得减速点的位置：

以agv两个驱动轮连线中点为圆心原地旋转，以上公式中，ω为匀速旋转时的角速度，v为匀速旋转时车轮的速度，d为两个驱动轮连线之间的距离，ωt为减速末角速度，vt为减速末车轮的速度，a为匀减速旋转时的加速度，t1为减速过程所用的时间，t2为系统反应时间，δθ1为减速转过的角度，δθ2为系统反应时间内转过的角度，δθ3为从减速点到减速完成转过的角度。

本发明的出发点即是考虑到空间受限或特定轨迹的实现，体现出了agv全方位移动的优势。当然，本发明适用于空间受限程度较小的情况，当遇到极其受限时，则需要考虑到周围环境、障碍物等情况，本发明不做阐述。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的方法创新地将旋转方向问题进行了‘格式化’，涵盖了各种旋转情况，排除了特殊情况带来的不稳定影响。同时设置了相应的减速点，以确保agv实际朝向到达期待航向时的精度。此方法适用于一般情况或者空间受限程度较小的情况，实用简洁、切实可行。本发明具有如下优点：

1、本发明创新地将特殊方向角转化为普通情况下的方向角，涵盖了各种旋转情况，排除了特殊情况带来的不稳定影响。

2、本发明优化了自旋方向选择的算法问题，始终往agv小车实际航向与期待航向的较小夹角方向运行，节省能耗。

3、本发明设置了相应的减速点，使agv小车自旋时提前减速，减小超调，提高了停止时方向定位的精度。

4、本发明应用普遍，即可广泛应用于一般工作空间，也适用于相对狭窄的工作空间，极具实用性。

5、本发明agv的行走路径由上位机控制系统同时使用两种方法下发，第一种为实时下发路径，上位机通过无线网络实时传输下一段agv需要行走的路径信息，并实时监控agv当前位置，第二种方法为一次性下发当前作业所有路径，上位机路径规划软件根据当前作业任务确定该任务所有路径并一次性下发完毕，该种方式可以避免无线网络出现通讯问题时无法完成作业任务。第二种方法为第一种方法备份。本发明同时使用这两种方式进行路径信息传输，增加了信息的冗余性，提高了系统的可靠性。

6、本发明agv所使用的主控制器为基于嵌入式操作系统的ipc控制器，在该操作系统下运行符合国际标准iec61131-3软plc，应用程序和plc(内核模式驱动)之间的切换发生在固定期限内，保证了plc任务的实时性，本发明在该软plc中实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光引导双轮差速agv原理示意图。

图2为本发明实施例提供的激光引导双轮差速agv车底车轮结构分布示意图。

图3为本发明实施例提供的控制系统结构示意图。

图4为本发明所述算法中各个角度之间的关系。

图5本发明实施案例中设置的相应减速点示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法，通过激光扫描仪不断获取agv小车的实时位姿，并通过中间读写程序传递给plc执行程序，同时上位机将目标点的坐标信息通过无线网络通讯给车载控制系统。当agv在某一点完成任务后需要向下一目标点行进时，则要通过本发明提供的原地偏航旋转方法结合agv实时位姿和目标点坐标信息到达期待航向，才可以继续行进。

图2为本发明实施例的双轮差速agv车底车轮结构分布示意图，若要实现车体原地旋转功能，只需使两个驱动轮的转速大小相等、方向相反即可。

图3示出了本发明实施例完成激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法的控制系统结构以及各单元之间遵循的通讯协议示意图。该方法包括：

步骤1，agv车载控制系统通过无线局域网与上位机进行通讯，接收到目标点的坐标信息；

步骤2，激光引导agv通过激光扫描仪得到小车的位姿信息，其中小车当前航向在0～360°并与车载控制系统进行数据交换；

步骤3，利用agv位姿信息和目标点得到通过该两点的直线与x轴正方向之间的较小夹角，再通过计算使夹角在0～360°之间；

步骤4，通过agv小车当前航向角度值与目标点期待航向角度值进行比较，得到理论偏差，同时遵循能量最小原理，运用相应算法，得到使小车往角度较小方向旋转，即小车理应原地偏航旋转到达期待航向的度数；

步骤5，基于双轮差速agv的原地偏航旋转，设置相应的减速点，当车轮到达减速点时，车速开始降低，停止时，agv小车到达期待航向，允许小范围的误差。

在步骤1中，上位机控制系统同时使用两种方法通过无线网络发送作业任务指令以及路径运行指令，agv通过主控制器软件中的任务功能模块处理成为车载控制系统的执行指令，同时主控制器反馈模块将agv运行过程中的实时信息反馈回上位机控制系统，该方法包括：

本发明agv的行走路径由上位机路径规划软件运用相关最优算法确定，最优路径确定后，同时使用两种方法传输路径信息，第一种为实时下发路径，上位机通过无线网络实时传输下一段agv需要行走的路径信息，并实时监控agv当前位置，第二种方法为一次性下发当前作业所有路径，上位机路径规划软件根据当前作业任务确定该任务所有路径并一次性下发完毕，该种方式可以避免无线网络出现通讯问题时无法完成作业任务。第二种方法为第一种方法备份。本发明同时使用这两种方式进行路径信息传输，增加了信息的冗余性，提高了系统的可靠性。

在本实施例中，所述的主控制器为基于嵌入式操作系统的ipc控制器。

在步骤2中，激光引导agv通过激光扫描仪得到小车的位姿信息，该信息通过以太网传送给车载主控制器中嵌入式操作系统的应用程序，并使用ads(自动化设备规范)通讯协议实现应用程序与软plc中数据交换，该方法包括：

在agv运行区域内按照要求安装一定数量的激光反射板，并事先将这些反射板的绝对坐标信息保存在激光扫描仪内。将激光扫描仪水平安装在agv的顶部，与反射板在同一水平面内，并以固定的转速旋转360°并通过脉冲激光器持续向外发射激光束，同时接收不少于三个反射板反射回来的激光束，激光扫描仪就能通过探测到的反射板的数量并与存入的反射板信息进行比较，得出此时agv在绝对坐标系中的位姿(x0，y0，θ0)，其中0≤θ0≤360°。激光扫描仪的位姿信息通过以太网传送给主控制器，使用socket套接字建立通讯连接，但该数据无法直接写入plc程序，需要编写读写程序使用ads通信协议完成与软plc的数据交换，本发明将读写程序的可执行文件植入操作系统中，当程序运行时，通过ads通讯协议与plc程序进行数据交换。其中，ads是一种自动化设备规范，用于控制器设备之间的非周期性通讯，既可用于控制器内部的设备通讯，也可以用于控制器之间的设备通讯。本发明用于控制器内部的设备通讯。ads通讯是基于tcp/ip之上的应用协议，所以当它用于控制器之间的设备通讯时，需要保证控制器之间的tcp/ip通讯正常，支持有线连接和无线连接。ads通讯的机制是server/client机制。作为adsserver不需要任何ads通讯方面的编程。server能够对协议约定的ads请求作出响应。所有通讯方面的编程工作都在client端，且client必须按照server约定的规则，才能得到正确的响应。本发明读写程序作为client端，plc程序作为server端。

本发明可将读写应用程序的可执行文件植入操作系统中，上位机通过无线通讯向车载控制系统发送目标点信息(x，y)，并由读写程序接收。同时激光头旋转360°不断向四周发射激光束并采集由不同角度的反射板反射回来的激光束，利用其内置定位算法，确定当前小车的位置和方向，即位姿(x0，y0，θ0)，且中间程序通过socket通讯协议不断读取激光扫描仪里的小车位姿信息。与此同时，中间程序与plc程序通过ads通讯协议进行数据交换。plc程序收到所需信息之后通过算法进行向目标点原地偏航旋转，以使达到期待航向。图4示出了各个角度之间的关系。在本发明具体实施案例中，agv小车按照规定轨迹到达终点后，即将往下一目标点行进，则需先通过以下算法到达期待航向，具体算法步骤如下：

步骤一，得到小车所在位置与目标点连线，与x轴正方向之间的夹角θ′：

步骤二，将夹角θ′限定在0～360°之间，得到期待航向角度θ：

当x＞x0，y≥y0时θ=θ′；

当x＜x0，y≥y0时θ=θ′+180°；

当x＜x0，y＜y0时θ＝|θ′|+180°；

当x＞x0，y＜y0时θ＝360°-|θ′|。

步骤三，通过agv小车实际朝向角度值θ0与目标点期待航向角度值θ进行比较，得到理论偏差δθ，并遵循能量最小原理，求出agv小车理应转过的角度δθ′：

δθ＝θ0-θ；

当δθ＜-180°时δθ′＝δθ+360°；

当δθ＞180°时δθ′＝δθ-360°；

当-180≤δθ≤180°时δθ′＝δθ。

将此换算过程称为“格式化”，即将差值δθ′以0作为分割点，可快速确定agv小车原地旋转的方向：当δθ′≥0时，控制agv小车原地顺时针旋转；当δθ′＜0时，控制agv小车原地逆时针旋转。

步骤四，通过步骤三将差值δθ′以0作为分割点，快速确定agv小车原地旋转的方向：当δθ′≥0时，控制agv小车原地顺时针旋转；当δθ′＜0时，控制agv小车原地逆时针旋转。嵌入式控制器包含can通讯模块，与驱动器通过can总线进行通讯，发送驱动报文，当左轮向前运行，右轮向后运行，且大小相等时，可实现顺时针旋转，反之实现逆时针旋转。在本实施案例中，在即将到达期待航向前，需设置减速点，以使车轮停止旋转时刚好到达期待航向，允许小范围误差，图5示出了agv小车原地旋转时，到达相应减速点的一般情况。

步骤五，设置相应的减速点，当车轮到达减速点时，车速开始降低，停止时，agv小车到达期待航向，允许小范围的误差：

δθ2＝ωt2(5)

δθ3＝δθ1+δθ2(6)

联立公式(1)～公式(6)可得减速点的位置：

本发明以agv两个驱动轮连线中点为圆心原地旋转。以上公式中，ω为匀速旋转时的角速度，v为匀速旋转时车轮的速度，d为两个驱动轮连线之间的距离，ωt为减速末角速度，vt为减速末车轮的速度，a为匀减速旋转时的加速度，t1为减速过程所用的时间，t2为系统反应时间，δθ1为减速转过的角度，δθ2为系统反应时间内转过的角度，δθ3为从减速点到减速完成转过的角度。

至此，整个基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法已经完成，当agv小车的实际朝向到达期待航向之后，上位机即通过wlan向agv车载控制系统发送向目标点行进的指令。

综上所述，本发明实施例所述的一种基于激光引导双轮差速agv的原地偏航旋转方法，结合agv小车的全方位运动特性，此方法适用于一般情况或者空间受限程度较小的情况，方案将一般情况、特殊情况统一融合，实用简洁、切实可行。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。