双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法及系统，包括：建立双舵轮自动导引车AGV运动学模型：基于上述模型，计算双舵轮自动导引车转弯半径；建立双舵轮前后舵轮的位置坐标即AGV车体位置坐标；通过计算得到控制量作用于双舵轮自动导引车，实现双舵轮AGV轨迹跟踪控制。

Track tracking control method and system of double steering wheel AGV

【技术实现步骤摘要】
双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法及系统
本专利技术属于控制
，尤其涉及双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。自动导引车是集成传感器技术、运动控制等技术于一体的综合控制系统，已广泛应用于物资运输、工业生产等诸多领域，已成为智慧物流、智能制造和柔性生产中的重要设备。自动导引车按照驱动方式分类，可以分为差速驱动导引车和舵轮驱动导引车。而舵轮式自动导引车由于驱动轮数量不同，常分为单舵轮自动导引车、双舵轮自动导引车与多舵轮自动导引车。其中双舵轮AGV由于车体运动灵活且应用场景丰富，值得重点关注研究。能够精准高效地完成轨迹跟踪任务控制是AGV系统的关键性能指标，也是AGV系统的研究热点之一。国内外对AGV轨迹跟踪问题的研究较多，且多采用横向或纵向纠偏控制实现AGV轨迹跟踪。专利技术人在研究中发现，针对差速自动导引车，现有文献提出了一种基于最优偏差路径的模糊PID(proportional–integral–derivative)纠偏算法，可以实现跟踪精度为3.2mm，横向偏差在5mm范围内的纠正，但位姿偏差的获取方式影响了系统鲁棒性。现有文献提出了一种基于模糊自整定PD(proportional–derivative)调节器来动态跟踪AGV轨迹，可实时监控车载的运行状态、跟踪控制信息，但在转弯时需要较大幅度降低速度；现有文献提出一种基于遗传算法的无人车横向模糊控制策略，但是实时性不高，且需要经过大量训练。针对单舵轮自动导引车，现有文献提出基于李雅普诺夫稳定性理论，设计了实现单舵轮AGV轨迹追踪的反演控制器，保证了跟踪误差稳定性；现有文献提出基于免疫模糊PID的智能路径控制方法，实现了小型农机在复杂环境下，直线与曲线的轨迹跟踪。针对双舵轮自动导引车，现有文献分析前后舵轮转角间关系，提出了低速行驶下车辆轨迹追踪方案；现有文献提出基于反演法设计了一种针对双舵轮半挂牵引车的轨迹追踪控制器，控制前后舵轮沿着统一轨迹行驶，提升了车辆的机动性。以上模型均包含较多参数，且参数值选取方法仅针对特定场景，难以实现推广。在快速路径跟踪时，AGV可能出现调整不及时而大幅走偏。针对四轮全向自动导引车，现有文献提出一种结合主动悬挂的四轮转向集成控制系统，运用模型预测控制算法，以车体各项性能指标为控制目标，满足极限工况下车体四轮转向的稳定性要求。现有文献提出了一种基于反步法的轨迹跟踪控制器来跟踪给定的轨迹。现有文献设计一种滑动模式动态控制器，使自动导引车的速度收敛于速度控制输入，实现AGV匀速跟踪轨迹。在轨迹跟踪控制方面，目前常见的控制器模型主要有PID控制器；前馈-反馈控制器；线性二次型调节器以及模型预测控制器等。其中，模型预测控制(modelpredictivecontrol,MPC)是通过搭建系统模型，预测系统未来状态量和输出量，对控制量进行滚动优化，选择最佳控制行为的算法，主要应用于非线性高耦合的复杂系统控制中。致力于解决更长时间跨度的轨迹跟踪问题，现有文献提出一种具有非完整约束的AGV控制方案，采用模型预测控制直接处理约束。将误差模型连续线性化后，使用二次规划求模型预测控制。现有文献对基于MPC的轨迹跟踪控制器与基于PID的轨迹跟踪控制器进行对比，结果显示在保证响应速度的基础上，MPC控制器具有更好的跟踪效果。专利技术人在研究中还发现，迄今为止，对双舵轮AGV的轨迹跟踪研究还不够深入。双舵轮AGV按底盘结构分类，主要分为两种，分别为舵轮中线布置结构与舵轮对角布置结构。其中，双舵轮驱动、激光导引，底盘采用舵轮中线布置的六轮AGV，具有操控性强、性价比高的优点，但对其轨迹跟踪控制研究甚少。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，在建立其运动学模型的基础上，求得AGV最小转向半径，然后设计基于模型预测的双舵轮AGV纠偏控制器，纠偏算法具有实时性和鲁棒性。第一方面，为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，包括：建立双舵轮自动导引车AGV运动学模型：将AGV的运动模型简化为前后驱动轮的运动模型；基于上述模型，建立双舵轮前后舵轮的位置坐标即AGV车体位置坐标，基于车体位置坐标，车体运动过程中，结合舵轮运动速度及航向角，得其角速度；将轮式自动导引车系统位姿状态分别表示车体质心在全局坐标系下的位置坐标，将双舵轮自动导引车自身运动线速度与角速度作为控制输入量，以车体质心线速度和角速度表示，获得双舵轮自动导引车运动学方程；求解双舵轮自动导引车运动学方程：将最优控制问题的求解转化为实时数值解有约束优化问题，通过计算得到控制量作用于双舵轮自动导引车，实现双舵轮AGV轨迹跟踪控制。第二方面，为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：双舵轮自动导引车轨迹追踪控制系统，包括处理器，所述处理器被配置执行双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法的步骤。第三方面，为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：双舵轮自动导引车，该双舵轮自动导引车按照上述双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法通过调节前后舵轮舵角，完成直线路径与曲线路径的轨迹跟踪任务。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：本专利技术的技术方案以纵向轴线安装的双舵轮自动导引车为研究对象。为研究双舵轮AGV转向性能，建立了自动导引车转向运动模型。同时，针对该双舵轮自动导引车，设计了一种基于模型预测控制的轨迹跟踪算法，使自动导引车快速稳定完成轨迹追踪任务，具有更高的稳定性。本专利技术的技术方案采用该模型预测控制器可以满足各类约束条件，高效精准完成对连续大曲率目标路径的有效跟踪，同时具有较高的实时性和鲁棒性。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1(a)-图1(b)为本专利技术实施例单舵轮AGV车体结构及转弯示意图；图2(a)-图2(b)为本专利技术实施例双舵轮AGV车体结构及转弯示意图；图3为本专利技术实施例双舵轮AGV轨迹跟踪系统仿真流程图；图4(a)-图4(f)为本专利技术实施例不同控制时域权重矩阵轨迹跟踪结果示意图；图5(a)-图5(b)为本专利技术实施例不同控制时域权重矩阵轨迹跟踪结果图；图6(a)-图6(d)为本专利技术实施例PID控制器与MPC控制器跟踪效果对比图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，其特征是，包括：/n建立双舵轮自动导引车AGV运动学模型：将AGV的运动模型简化为前后驱动轮的运动模型；/n基于上述模型，建立双舵轮前后舵轮的位置坐标即AGV车体位置坐标，基于车体位置坐标，车体运动过程中，结合舵轮运动速度及航向角，得其角速度；/n将轮式自动导引车系统位姿状态分别表示车体质心在全局坐标系下的位置坐标，将双舵轮自动导引车自身运动线速度与角速度作为控制输入量，以车体质心线速度和角速度表示，获得双舵轮自动导引车运动学方程；/n求解双舵轮自动导引车运动学方程：将最优控制问题的求解转化为实时数值解有约束优化问题，通过计算得到控制量作用于双舵轮自动导引车，实现双舵轮AGV轨迹跟踪控制。/n

【技术特征摘要】
1.双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，其特征是，包括：
建立双舵轮自动导引车AGV运动学模型：将AGV的运动模型简化为前后驱动轮的运动模型；
基于上述模型，建立双舵轮前后舵轮的位置坐标即AGV车体位置坐标，基于车体位置坐标，车体运动过程中，结合舵轮运动速度及航向角，得其角速度；
将轮式自动导引车系统位姿状态分别表示车体质心在全局坐标系下的位置坐标，将双舵轮自动导引车自身运动线速度与角速度作为控制输入量，以车体质心线速度和角速度表示，获得双舵轮自动导引车运动学方程；
求解双舵轮自动导引车运动学方程：将最优控制问题的求解转化为实时数值解有约束优化问题，通过计算得到控制量作用于双舵轮自动导引车，实现双舵轮AGV轨迹跟踪控制。


2.如权利要求1所述的双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，其特征是，所述双舵轮自动导引车运动学方程获得的前提是AGV在平面运动时没有滑动。


3.如权利要求1所述的双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，其特征是，在规划AGV跟踪路径时，设立运行参考轨迹，参考轨迹任意点均满足状态空间表达式；
在线性化预测控制模型时，将状态空间表达式在参考轨迹点处进行泰勒展开，忽略高阶项，保留一阶项，获得双舵轮移动机器人线性化误差模型。


4.如权利要求3所述的双舵轮自动导引车轨迹追踪控制方法，其特征是，通过使用前向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，齐嘉晖，汪威，吴颖颖，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37