一种无舵轮AGV小车及其控制方法

一种无舵轮agv小车及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及搬运车技术领域，尤其涉及一种无舵轮agv小车及其控制方法。


背景技术：

2.目前，市场上agv小车的脚轮常采用舵轮结构，舵轮结构由驱动转向轮、驱动电机、转向电机、转向减速小齿轮、转向减速大齿轮、驱动转向轮支架组成。agv小车一般采用单舵轮agv小车及双舵轮agv小车的布置形式，单舵轮agv小车由舵轮、随动轮及车架组成，整车的转向及驱动由舵轮完成，随动轮仅起垂向支承作用，无驱动及转向能力，舵轮和随动轮无驱动电机和转向电机安装在车架上；双舵轮agv小车由舵轮、随动轮及车架组成，整车的转向及驱动由舵轮完成，随动轮仅起垂向支承作用，无驱动及转向能力，舵轮随动轮安装在车架上；
3.上述两类agv小车均采用舵轮结构，转向需依赖专门的转向电机及减速机构，结构复杂，占用空间大；上述两类agv小车动力驱动均由带驱动电机的舵轮产生，随动轮仅为支撑轮，在驱动过程中未充分利用所有车轮与地面的附着条件；上述两类agv小车为降低成本，使用的舵轮数量有限，但为保证有足够的驱动力，驱动电机尺寸较大，影响agv其它总成及零部件的空间布置；单舵轮agv小车存在一定的转弯半径，不能原地转向，能实现的运动相对简单，双舵轮agv小车，运行过程中，舵轮的转向电机与驱动电机存在运动耦合，需协调工作，对电机的控制精度要求较高。
4.在专利cn201611128522.5中，公开了一种电动汽车的独立转向系统，其包括整车电控系统、转向电机、转向组件、悬架组件以及车轮组件。所述整车电控系统包括ecu，转向电机与ecu电连接；转向组件的上端与转向电机的输出轴连接；悬架组件的上端安装在转向组件的下端；车轮组件包括车轮和安装板，所述车轮内设有轮毂电机，所述轮毂电机与ecu电连接，所述安装板的一端固定在车轮的一侧，其另一端固定在所述悬架组件的下端，且所述转向电机的输出轴、转向组件和悬架组件的转动中心以及车轮的侧向中心保持在同一条直线上。该转向系统通过ecu接收并处理驾驶员的行驶意图，并分别驱动车轮的转向电机转动相应的角度，从而实现车轮的单独转向，但该转向系统还是存在一定的转弯半径以及不能原地转向的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无舵轮agv小车及其控制方法，该小车由三组独立脚轮组成，传递地面提供给小车的垂向、横向、纵向力及这些力所形成的力矩，其典型特征是无专门的转向电机，仅依靠驱动电机的差速来实现转向；该小车的运动约束主要分为完整约束和非完整约束，设计的无舵轮agv小车属于完整约束运动，相较于具有非完整约束的小车，其典型特征是机械结构简单，无专门的转向电机，仅依靠驱动三个电机的差速耦合，可以在不改变小车姿态的情况下实现纵向、横向和自转运动，同时，其具有控制策略设计简单、计算量小和计算效率高等优点。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种无舵轮agv小车，包括：
8.车架，所述车架内设置有三组呈三角形阵列的独立脚轮机构，所述独立脚轮机构包括卡设于车架内的脚轮安装支架，所述脚轮安装支架上通过轴承固定有转轴，所述转轴的下侧固定有脚轮叉，所述脚轮叉之间转动设置有电机转轴，所述电机转轴上套设有橡胶轮，所述橡胶轮内安装有轮毂步进电机。
9.进一步的，所述脚轮安装支架上固定有两个相对设置的安装支架，所述安装支架上固定有安装板，所述安装板上固定有转角位置传感器，所述转轴上设置有传感器定位座，所述转角位置传感器的检测端贯穿传感器定位座。
10.进一步的，所述脚轮安装支架与脚轮叉之间设置有限位组件，所述限位组件包括固定于脚轮叉上的第一限位块，所述脚轮安装支架的下侧固定有第二限位块和第三限位块，所述第一限位块分别与第二限位块、第三限位块相适应。
11.进一步的，所述转轴上套设固定有防松弹垫和防松螺母。
12.更进一步的，所述电机转轴的两端且位于脚轮叉的外侧分别套设有轮毂电机防脱片、垫圈和螺母。
13.更进一步的，所述车架包括上平面架和下平面架，所述上平面架与下平面架之间通过支撑杆进行固定，所述上平面架内通过横杆固定有矩形架，所述脚轮安装支架卡设于矩形架上；所述上平面架与下平面架之间固定有电池，所述矩形架的一侧固定有固定架，所述固定架上固定有控制器。
14.一种无舵轮agv小车的控制方法，包括以下原理：
15.该小车以模糊pid控制原理为基础，基于耦合逆运动学和简化逆转角动力学模型提出的控制策略，以无舵轮agv小车实际速度与期望速度的误差及其变化率作为输入，设计模糊调节器以满足负载变化等不确定性情况下对横向速度、纵向速度和自转速度三个pid控制器参数的自适应调整，模糊pid的输出量由耦合逆运动学和简化转角逆动力学模型计算后，可得每个脚轮驱动力矩，将其输入给三个轮毂步进电机，实现agv小车全向运动。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明提出的一种无舵轮agv小车及其控制方法的结构简单，三套独立脚轮机构完全相同，便于模块化，有利于批量设计和制造；
18.(2)该小车采用差速控制转向，无需转向电机，节约成本；
19.(3)因无舵轮agv小车的驱动电机外形尺寸小、重量轻，便于布置，可应用于多种智慧物流平台上；
20.(4)通过搭载合理的控制系统，无舵轮agv小车可实现以下性能指标；
21.参数指标直线引导精度(mm)10停止精度(mm)10空载直线行驶速度(m/min)50满载直线行驶速度(m/min)20最小转弯半径(m)0
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.图2是独立脚轮机构的结构示意图；
24.图3是独立脚轮机构的剖视图；
25.图4是车架的结构示意图；
26.图5是本发明的控制策略图。
27.图中，1-车架、2-脚轮安装支架、3-轴承、4-转轴、5-脚轮叉、6-电机转轴、7-橡胶轮、8-轮毂步进电机、9-安装支架、10-安装板、11-转角位置传感器、12-传感器定位座、13-第一限位块、14-第二限位块、15-第三限位块、16-防松弹垫、17-防松螺母、18-轮毂电机防脱片、19-垫圈、20-螺母、21-上平面架、22-下平面架、23-支撑杆、24-矩形架、25-电池、26-固定架、27-控制器、28-电池架。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本实施例中，如图1至图4所示，一种无舵轮agv小车，包括车架1，所述车架1内设置有三组呈三角形阵列的独立脚轮机构，所述独立脚轮机构包括卡设于车架1内的脚轮安装支架2，所述脚轮安装支架2上通过轴承3固定有转轴4，所述转轴4的下侧固定有脚轮叉5，所述脚轮叉5之间转动设置有电机转轴6，所述电机转轴6上套设有橡胶轮7，所述橡胶轮7内安装有轮毂步进电机8。
30.本实施例中，独立脚轮机构是无舵轮agv小车的悬架及驱动装置，小车由三组独立脚轮组成，传递地面提供给小车的垂向、横向、纵向力及这些力所形成的力矩，是无舵轮agv小车的关键部件，其典型特征是无专门的转向电机，仅依靠驱动电机实现转向，设三组独立脚轮机构的中心分别为o1、o2、o3，三组独立脚轮机构可以分别独立绕其旋转中心o1、o2、o3进行转动，o1、o2、o3三点连线成等腰三角形或等边三角形。
31.所述脚轮安装支架2上通过轴承3固定有转轴4，使得形成转动副，实现脚轮叉5可相对于车架1绕o4、o5轴线旋转，因轴线o4、o5与轮胎接地点存在一定的偏移距离，地面对轮胎侧向力可以使脚轮叉5相对于o4、o5轴线形成转向力矩，从而实现脚轮的转向；
32.本实施例进一步设置为：所述脚轮安装支架2上固定有两个相对设置的安装支架9，所述安装支架9上固定有安装板10，所述安装板10上固定有转角位置传感器11，所述转轴4上设置有传感器定位座12，所述转角位置传感器11的检测端贯穿传感器定位座12。
33.本实施例中，转角位置传感器11上端通过螺钉固定，安装板10连同安装支架9通过螺栓固定于脚轮安装支架2上，相当于转角位置传感器11上端固连在车架1上，转角位置传感器11下端与脚轮叉5内焊接的传感器定位座12径向定位，从而可以实现实时监测脚轮叉5
相对于车架1的转角。
34.所述脚轮叉5连接的橡胶轮7的轮心与转轴4的中心存在偏置距离，该偏置距离需大于0，否则该无舵轮agv小车将具有非完整约束运动，失去自转运动能力。
35.本实施例进一步设置为：所述脚轮安装支架2与脚轮叉5之间设置有限位组件，所述限位组件包括固定于脚轮叉5上的第一限位块13，所述脚轮安装支架2的下侧固定有第二限位块14和第三限位块15，所述第一限位块13分别与第二限位块14、第三限位块15相适应。
36.本实施例中，通过第一限位块13、第二限位块14和第三限位块15的设置，使得便于对角度的最大转角进行限位，所述第一限位块13与第二限位块14的转角角度为九十度，所述第一限位块13与第三限位块15的转角角度为九十度；所述第一限位块13、第二限位块14和第三限位块15的都为l形结构。
37.本实施例进一步设置为：所述转轴4上套设固定有防松弹垫16和防松螺母17。
38.本实施例进一步设置为：所述电机转轴6的两端且位于脚轮叉5的外侧分别套设有轮毂电机防脱片18、垫圈19和螺母20。
39.本实施例中，通过轮毂电机防脱片18的设置，避免agv小车在使用过程中步进轮毂电机8因重力而脱落，同时，设计时为便于安装，脚轮叉5下端设计成缺口结构，轮毂电机防脱片18的径向孔安装在电机转轴6上，另一端插入脚轮叉5的矩形孔内，通过垫圈19和螺母20进行锁紧，实现轮毂步进电机8的防脱落功能。
40.本实施例进一步设置为：所述车架1包括上平面架21和下平面架22，所述上平面架21与下平面架22之间通过支撑杆23进行固定，所述上平面架21内通过横杆固定有矩形架24，所述脚轮安装支架2卡设于矩形架24上；所述上平面架21与下平面架22之间固定有电池25，所述矩形架24的一侧固定有固定架26，所述固定架26上固定有控制器27，所述脚轮安装支架2卡设于矩形架24上并进行焊接固定。所述上平面架21和下平面架22之间固定有电池架28，所述电池架28上用于放置和固定电池25。
41.本实施例中，所述控制器27分别与步进轮毂电机8、转角位置传感器11、电池25进行电连接；车架1由矩管及角钢焊接而成，是无舵轮agv小车零部件的安装基础，承担并传递车辆纵向、横向、垂向的力及力矩。
42.转角位置传感器11用于感应三个橡胶轮7的转角位置，并将其感应的信号传递给控制器27；支架1上安装脚轮安装支架2，使得脚轮安装支架2可以绕转轴4轴向旋转；轮毂步进电机8安装于橡胶轮7内，为整车提供驱动力；橡胶轮7与地面直接接触，为整车提供附着力；脚轮安装支架2连接轮毂步进电机8及脚轮安装支架2，使得轮毂步进电机8可以绕其轴线旋转，并可沿着其自身轴线绕脚轮安装支架2旋转，并传递橡胶轮7与车架1之间的纵向、横向、垂向的力及力矩；电池25为三运锂电池，电池25为整车提供电源，电池25由多组电池串联组成，其额定压36v；控制器27将搜集到的转角位置传感器11的信号进行处理，并依据一定的控制算法作出决策，再向轮毂步进电机8发出控制信号，使三个轮毂步进电机8按照不同的转速转动，橡胶轮7因与轮毂步进电机8固连，橡胶轮7也将按不同的转速行进，从而实现三个橡胶轮7转速的独立控制，当三个橡胶轮7以不同的转速行进，便可实现agv小车原地旋转、前进、后退以及弯道行驶。
43.一种无舵轮agv小车的控制方法，包括以下原理：
44.如图5所示，该小车以模糊pid控制原理为基础，基于耦合逆运动学和简化逆转角
动力学模型提出的控制策略，以无舵轮agv小车实际速度与期望速度的误差及其变化率作为输入，设计模糊调节器以满足负载变化等不确定性情况下对横向速度、纵向速度和自转速度三个pid控制器参数的自适应调整，模糊pid的输出量由耦合逆运动学和简化转角逆动力学模型计算后，可得每个脚轮驱动力矩，将其输入给三个轮毂步进电机8，实现agv小车全向运动。
45.控制器27依据转角位置传感器11传回的信号，计算出小车实际运行轨迹，然后通过控制器27将实际运行轨迹与理论轨迹进行比较，再分别控制轮毂步进电机8的转速，使得三组独立脚轮机构产生不同的偏转角。
46.轮毂步进电机8与橡胶轮7装配成一体，形成轮毂电机驱动轮，轮毂电机驱动轮通过转轴4与脚轮安装支架2连接，轮毂电机驱动轮可以绕转轴4作顺时针或逆时针转动，实现整车的前进与倒车，脚轮安装支架2可绕脚轮安装支架2做一定角度的旋转运动，实现车辆的转向，脚轮安装支架2绕脚轮安装支架2旋转的角度依据控制算法确定，旋转的角度通过轮毂电机驱动轮不同转速来实现，同时转角位置传感器11获取轮毂电机驱动轮随脚轮安装支架2的旋转角度，并判断整车的恣态。
47.无舵轮agv小车的整体的运行原理是电池25提供能源，控制器27依据转角位置传感器11传回的信号，通过一定控制计算算法，分别控制轮毂步进电机8的转速，从而实现agv小车原地旋转、前进、后退以及弯道行驶。
48.上述技术方案的优势：
49.(1)无舵轮agv小车无需配置舵轮，因此，无转向电机，转向仅依靠三组脚轮机构按照控制算法进行控制，通过轮毂电机驱动轮不同转速便可实现转向，节省了转向电机的成本，同时，空间布置更紧凑；
50.(2)无舵轮agv小车克服了单舵轮agv小车存在转弯半径，不能实现原地转向的问题；克服了双舵轮agv小车的转向与驱动需协调控制，对驱动电机及转向电机控制精度要求高的弊端，无舵轮agv小车仅需控制三个驱动步进电机的转速差，对控制精度要求没有双舵轮agv小车高；
51.(3)无舵轮agv小车三个单电机脚轮均为驱动轮，可最大限度地利用地面附着条件，无论是驱动工况还是制动工况；如整车驱动功率相同，无舵轮agv有三个驱动电机，双舵轮agv小车仅有两个驱动电机，因此，无舵轮agv小车的驱动电机功率可以做得更小，外形尺寸更小，重量更轻，有利于小车的行驶稳定性。
52.综上所述，无舵轮agv小车的脚轮机构无需单独配置转向电机，通过驱动轮转速差可实全向移动、全轮驱动，布置紧凑、行驶稳定性好等优点。
53.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接
连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。