一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法技术

本发明专利技术公开一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，基于确定的AGV的期望跟踪轨迹，在对AGV进行运动学建模的过程中考虑AGV的尺寸和大小，同时给定AGV一个可控的区间范围，使得AGV能够在给定的区间范围内稳定跟踪期望轨迹。现根据AGV当前运动状态和给定的期望轨迹，来预测AGV在未来固定一段时间内的行驶轨迹，通过达到对给定的性能指标的最优来对AGV的行驶状态进行控制，同时考虑到模型失配或者环境干扰引起的控制对AGV期望轨迹的偏离，在下一个采样时刻，通过检测到的AGV实际行驶的轨迹，与期望轨迹进行对比，对两者之间的误差进行实时修正，反复在线对其进行滚动优化，使得AGV可以更稳定、更快速、更准确地跟踪期望轨迹。

An Interval Tracking Method Considering Variable AGV Velocity and Front Wheel Deviation Angle

The invention discloses an interval trajectory tracking method with variable AGV speed and front wheel deflection angle. Based on the desired trajectory of the determined AGV, the size and size of AGV are taken into account in the process of kinematics modeling of AGV, and a controllable interval range of AGV is given so that AGV can track the desired trajectory steadily in a given interval range. According to the current motion state and the given desired trajectory of AGV, the trajectory of AGV is predicted for a fixed period of time in the future. The trajectory of AGV is controlled by optimizing the given performance index. Considering the deviation of the desired trajectory of AGV caused by model mismatch or environmental disturbance, the actual trajectory of AGV is detected at the next sampling time. The trajectory of AGV is compared with the expected trajectory, and the error between them is corrected in real time. The trajectory of AGV can be tracked more stably, faster and accurately by rolling optimization on line repeatedly.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法
本专利技术涉及AGV控制方法领域，特别涉及一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法。
技术介绍
在现有的对AGV(AutomatedGuidedVehicle，自动导引运输车)轨迹跟踪的研究中，通常都会忽略AGV的尺寸和大小，直接将AGV当作一个刚性点来处理问题，这会导致AGV在运行过程中可能会发生碰撞等问题，因此本专利技术在研究中考虑了AGV的尺寸和大小，避免AGV可能发生的碰撞问题。AGV在进行轨迹跟踪的过程中，大多都会忽略AGV可行驶道路的宽度，这可能会导致AGV偏离期望轨迹，因此，若能对AGV的区间进行控制，则可以保证对AGV轨迹的稳定跟踪。考虑到在对AGV的轨迹跟踪过程的建模过程中，由于对模型的简化，会出现建模误差，影响AGV跟踪期望轨迹的准确性，本专利技术在AGV轨迹跟踪建模中，考虑建模误差，并给出AGV轨迹跟踪的流程，以实现更快、更稳定的轨迹跟踪。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，考虑了AGV的尺寸和大小、道路宽度可以避免偏离期望轨迹以及AGV建模中的误差；本专利技术通过反复在线滚动优化，找出AGV速度和前轮偏向角在给定范围内的最优值，并以最小化成本函数、使控制量平稳变化，确保低能耗，对偏航角进行约束为优化目标，以达到AGV可以更稳定、更快速、更准确的跟踪期望轨迹。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，该方法包含以下步骤：S1、根据期望跟踪轨迹并考虑AGV的形状和尺寸之后，给定AGV的可行驶区域范围；S2、对AGV进行运动学建模；S3、基于离散化线性模型并额外考虑建模误差，选择AGV速度和前轮偏向角为控制变量，对AGV进行动力学建模，预计AGV在未来固定一段时间内的行驶轨迹；所述步骤S3包含步骤S3.1：通过对多目标函数和多约束的优化问题的求解，得到在控制时域内的AGV速度和前轮偏向角的最优解，并将AGV速度和前轮偏向角的最优解作为受控对象的实际控制量；当来到下一个时刻时，重复所述步骤S3.1，不断地进行滚动优化，使得AGV在每一时刻的实际行驶轨迹与期望跟踪轨迹的之间的误差不断减小，最终趋于重合，实现对AGV的持续控制，稳定快速地在给定可行驶区域范围内跟踪期望轨迹。优选地，所述步骤S1中，进一步包含：若AGV的宽度定义为w，通过简化可行区域道路模型，可得简化后的设定AGV可行驶区域范围变为f1'(x)和f2'(x)之间的区域，f1'(x)＝f1-w/2和f2'(x)＝f2-w/2；其中，f1与f2之间的区域为模型简化前的AGV可行驶区域范围；简化后AGV前端横向位置为f前(x)＝f(x)+a*sin(ψ+β)，AGV后端横向位置为f后(x)＝f(x)-b*sin(ψ+β)，其中，f(x)是横向位置，Ψ是偏航角，β为AGV侧滑角，AGV重心到前端的距离为a，AGV重心到后端的距离为b；当考虑大多数道路为小曲率，因此，偏航角和车辆侧滑角之和的正弦可简化为：sin(ψ+β)≈(ψ+β)，则AGV的可行驶区域范围为：f2'(x)-a(ψ+β)≤f前(x)≤f1'(x)-a(ψ+β)和f2'(x)+b(ψ+β)≤f后(x)≤f1'(x)+b(ψ+β)。优选地，所述步骤S2中，进一步包含：对AGV进行运动学建模，如下式：式中，m为AGV的质量，Iz为AGV的惯性矩，v是AGV的速度，前轮胎和后轮胎的轮胎力分别为：Fyf＝Cfαf，Fyr＝Crαr；前后轮的侧滑角分别近似为：αf＝β+ar/v-δf，αr＝β-br/v，δf为AGV的前轮偏向角；Cf和Cr分别为前后轮胎侧偏刚度。优选地，所述步骤S3中，进一步包含：在离散化线性模型并额外考虑建模误差，如下：x(k+1)＝A1x(k)+B1u(k)+B2d(k)y(k)＝C1x(k)其中，x(k)表示时刻k的状态变量，且状态变量设置为[xyψβr]；x(k+1)表示下一个时刻k+1时的状态变量；u(k)表示时刻k的控制变量，且控制变量设置为[vδf]；d(k)表示时刻k的误差；v为AGV的行驶速度；δf为AGV的前轮偏向角；x是横向位置；y是纵向位置，其是输出变量；ψ是偏航角；β为AGV的侧滑角；r为AGV的偏航率；A1、B1、B2、C1分别为各个变量的系数，且x(k)、u(k)、d(k)、A1、B1、B2、C1均为矩阵。优选地，所述步骤S3中，进一步包含：设定控制系统的控制时域为Nc，预测时域为Np，当以时刻k作为当前时刻，控制器结合当前测量得到的状态变量，预测未来一段时域内[k,k+Np]系统的输出，预测时域Np内的状态变量和输出量由下式计算得出：x(k+1)＝A1x(k)+B1u(k)+B2d(k)y(k+1)＝C1A1x(k)+C1B1u(k)+C1B2d(k)式中，…省略的是在i＝k+2时刻、k+3时刻等一直到K+Np时刻对应的x(i)和y(i)的公式。优选地，所述步骤S3中，还包含：将未来时刻的输出以矩阵的形式表达，如下式：Y(k)＝Fx(k|k)+φU(k)其中，优选地，所述步骤S3.1中，进一步包含：当考虑到系统对期望轨迹的跟随能力，最小化成本函数，如下：J1＝||(Y(k)-R(k))||2，式中，R(k)为期望轨迹，与Y(k)同为矩阵；当考虑到对控制增量的精确约束，得到如下函数：J2＝||ΔU(k)||2式中，其中，Δu(k+i)＝u(k+i+1)-u(k+i)，i＝0,1,…,Nc-1；当考虑到行驶路线的最短，得到如下函数：式中，i＝1,2,…,Np，y(k+i)及y(k+i-1)分别表示在k+i和k+i-1时刻的y值；当考虑到对偏航角的约束，得到如下函数：其中，i＝1,2,…,Np，ψ(k+i)为k+i时刻ψ的值；引入权重因子Z、H、Q、W，则多目标函数如下：优选地，所述步骤S3.1中，进一步包含：在实际控制系统里，需要满足控制量约束，可得：umin≤u(k+i)≤umax其中，i＝0,1,…,Nc-1，umax和umin分别为u(k+i)的最大值和最小值；同时，需要满足控制增量约束，可得：Δumin≤Δu(k+i)≤Δumax其中，i＝0,1,…,Nc-1，Δumax和Δumin分别为Δu(k+i)的最大值和最小值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术针对AGV轨迹跟踪过程中考虑AGV的尺寸和大小，给定了AGV一个可行驶区域范围，可以避免AGV之间的碰撞，考虑道路宽度可以避免偏离期望轨迹，考虑AGV建模中的误差可增加对AGV跟踪的准确性，设计了一种区间控制下的AGV轨迹跟踪方法，通过反复在线滚动优化，找出AGV速度和前轮偏向角在给定范围内的最优值，并以最小化成本函数、使控制量平稳变化，确保低能耗，对偏航角进行约束为优化目标，以达到AGV可以更稳定、更快速、更准确地跟踪期望轨迹的目的。附图说明图1为本专利技术的AGV轨迹跟踪过程分析图；图2为本专利技术的AGV区间模型图；图3为本专利技术的AGV运动学建模图。具体实施方式为了使本专利技术更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。如图1所示，本专利技术的考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：S1、根据期望跟踪轨迹并考虑AGV的形状和尺寸之后，给定AGV的可行驶区域范围；S2、对AGV进行运动学建模；S3、基于离散化线性模型并额外考虑建模误差，选择AGV速度和前轮偏向角为控制变量，对AGV进行动力学建模，预计AGV在未来固定一段时间内的行驶轨迹；所述步骤S3包含步骤S3.1：通过对多目标函数和多约束的优化问题的求解，得到在控制时域内的AGV速度和前轮偏向角的最优解，并将AGV速度和前轮偏向角的最优解作为受控对象的实际控制量；当来到下一个时刻时，重复所述步骤S3.1，不断地进行滚动优化，使得AGV在每一时刻的实际行驶轨迹与期望跟踪轨迹的之间的误差不断减小，最终趋于重合，实现对AGV的持续控制，稳定快速地在给定可行驶区域范围内跟踪期望轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：S1、根据期望跟踪轨迹并考虑AGV的形状和尺寸之后，给定AGV的可行驶区域范围；S2、对AGV进行运动学建模；S3、基于离散化线性模型并额外考虑建模误差，选择AGV速度和前轮偏向角为控制变量，对AGV进行动力学建模，预计AGV在未来固定一段时间内的行驶轨迹；所述步骤S3包含步骤S3.1：通过对多目标函数和多约束的优化问题的求解，得到在控制时域内的AGV速度和前轮偏向角的最优解，并将AGV速度和前轮偏向角的最优解作为受控对象的实际控制量；当来到下一个时刻时，重复所述步骤S3.1，不断地进行滚动优化，使得AGV在每一时刻的实际行驶轨迹与期望跟踪轨迹的之间的误差不断减小，最终趋于重合，实现对AGV的持续控制，稳定快速地在给定可行驶区域范围内跟踪期望轨迹。2.如权利要求1所述的考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1中，进一步包含：若AGV的宽度定义为w，通过简化可行区域道路模型，可得简化后的设定AGV可行驶区域范围变为f1'(x)和f2'(x)之间的区域，f1'(x)＝f1-w/2和f2'(x)＝f2-w/2；其中，f1与f2之间的区域为模型简化前的AGV可行驶区域范围；简化后AGV前端横向位置为f前(x)＝f(x)+a*sin(ψ+β)，AGV后端横向位置为f后(x)＝f(x)-b*sin(ψ+β)，其中，f(x)是横向位置，Ψ是偏航角，β为AGV侧滑角，AGV重心到前端的距离为a，AGV重心到后端的距离为b；当考虑大多数道路为小曲率，因此，偏航角和车辆侧滑角之和的正弦可简化为：sin(ψ+β)≈(ψ+β)，则AGV的可行驶区域范围为：f'2(x)-a(ψ+β)≤f前(x)≤f1'(x)-a(ψ+β)和f'2(x)+b(ψ+β)≤f后(x)≤f1'(x)+b(ψ+β)。3.如权利要求2所述的考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2中，进一步包含：对AGV进行运动学建模，如下式：式中，m为AGV的质量，Iz为AGV的惯性矩，v是AGV的速度，前轮胎和后轮胎的轮胎力分别为：Fyf＝Cfαf，Fyr＝Crαr；前后轮的侧滑角分别近似为：αf＝β+ar/v-δf，αr＝β-br/v，δf为AGV的前轮偏向角；Cf和Cr分别为前后轮胎侧偏刚度。4.如权利要求3所述的考虑AGV速度和前轮偏向角可变的区间轨迹跟踪方法，其特征在于，所述步骤S3中，进一步包含：在离散化线性模型并额外考虑建模误差，如下：x(k+1)＝A1x(k)+B1u(k)+B2d(k)y(k)＝C1x(k)其中，x(k)表示时刻k的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐航，朱瑾，张依恋，孟庆尧，郑淇元，赵斯宇，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31