基于反射標記物的激光導引AGV 全局定位方法研究

閆俊清

摘要：針對非完整AGV（automaticguidedvehicle）復雜非線性系統的高精度自由路徑導引控制問題，提出一種基于激光傳感器定位的路徑跟隨控制方法。首先在Serret-Frenet框架下建立AGV路徑跟隨運動學誤差模型;然后基于Lyapunov直接法設計漸進穩定路徑跟隨控制器，解決AGV非完整約束控制的困難。最后采用多點激光反饋三角測量方法，實現AGV的精確實時定位。仿真結果表明，該控制器能夠快速消除路徑跟隨誤差，AGV系統運行平穩，能夠精確跟隨規定路徑。

關鍵詞：自動導向車;導引控制;路徑跟隨;定位;激光傳感器

引言

自動導引小車（AGV）是一種具有光學或電磁特性的自動導引裝置，具有停車選擇、小車編程、安全保護等功能，也是現代物流系統中的重要組成部分。AGV在工業應用中的動力源為可充電蓄電池，一般通過電腦控制其運行路線和行為，或者設置電磁軌道規范其運行路線，AGV根據電磁軌道提供的信息進行相應動作。和其他移動機器人相比，AGV具有工作效率高、可控性強等優勢。和物流運輸中的其他設備相比，AGV不需要在活動范圍內設置支架等固定裝置，并且不受空間、場地的限制。AGV在自動化物流運輸系統中的應用，由于其具備自動化、可控性高等特征，能夠實現靈活、高效的無人生產模式[1]。AGV的動力源為電池，導引方式有電磁導引、直接坐標導引、激光導引和圖像識別導引等，激光導引是其主要導引方式，可以實現非接觸導引并根據實際需求更換移載機構，以完成不同的操作任務。激光導引AGV系統由地面控制系統、車載控制系統和導航系統三部分組成，不同項目對系統的需求存在差異，也讓系統變得更加復雜。

1激光導引系統設計

AGV方向控制是接受引導系統的方向信息通過轉向裝置來實現的.轉向裝置的結構通常設計成兩種形式：鉸軸轉向式和差速轉向式.前者的方向輪裝在轉向鉸軸上，轉向電機通過減速器和機械連桿機構控制鉸軸從而控制方向輪的取向;后者在左、右兩輪上分別裝上獨立的驅動電機，通過控制左、右輪的速度比來實現車體的轉向。如圖1所示，在L、R兩輪上分別裝上獨立的驅動電機，C、D兩輪在旋轉和取向上都是自由的，它的穩定性較好，承載能力較大.vL、vR分別表示兩驅動輪的速度，圖示時刻小車中心線與目標路徑偏差為e，小車前進方向與目標路徑之間的夾角為茲，運動控制系統只要通過控制電機，使L、R兩輪產生一定的速度比，就可以差速轉向實現路徑跟蹤。通過對驅動車輪的電機轉動角度的周期性采樣可以獲得車輪前進或后退的距離.增量式光碼盤連接在左、右驅動電機軸上，隨著電機的轉動，光電編碼器發出A、B兩項脈沖，相位的超前或滯后關系代表了電機的正轉或反轉。鑒相電路與脈沖計算電路相結合，可判斷出左、右電機正轉和反轉的角位移變化情況.在理想情況下，電機軸的角位移與AGV左右驅動輪行走的距離存在比例關系.將上述光碼盤發出的脈沖進行濾波，鑒相與計數處理后所得信息由路徑軌跡推算導向法（dead—reckoning）可實現對AGV行駛路徑的估計。激光導引AGV的位置計算是利用小車當前運行的速度、轉向的角度、間隔時間等參數對下一位置進行估算，計算出的是相對于前一位置的新位置.根據估算的新位置關聯反射鏡，根據關聯的反射鏡修正自身位置，車載控制計算機將當前方位與目標點方位進行比較，據此比較的結果給左、右電機發送驅動控制信號，從而實現激光導引AGV的自動引導。

2激光導引AGV系統的應用方法

2.1確定AGV的操作方式與數量

AGV系統在應用過程中首先必須確定操作方式和數量。可以根據系統的具體情況以及用戶需求選擇操作方式，常用的操作方式有叉車式、牽引式等。如果遇到特殊情況，一個系統可以運用幾種不同的操作方式[4]。AGV的數量一般根據系統的運輸能力，運用仿真計算的方式確定。

2.2AGV安全防護的選用

AGV中除了需要安裝聲光報警系統外，還應該安裝一些障礙探測器，便于車輛在運行路徑中探測障礙物。常用的探測方式有超聲波探測、光電探測和激光掃描探測等。激光掃描探測具有更大的優勢，但成本較高，光電探測簡單實用，但探測效果不佳，因此工作人員應該根據具體情況合理選用。

2.3AGV中反射板的設置和路徑規劃

AGV中反射板的設置，應該根據設備行駛區域的具體情況進行安裝，安裝數量遵循安全、準確的原則。反射板設置過少不利于安全導引，設置過多也會影響導引的精度[5]。AGV的路徑規劃屬于基礎性的工作，通常和系統的總體方案一起確定，在規劃過程中應該結合AGV的數量、操作方式等信息，以及運行場所的具體情況，盡量保障AGV的運行路徑暢通。

3AGV激光傳感器定位方法

AGV使用的激光傳感器通常也稱為激光測距儀，其工作原理是測量發射光束與從物體表面漫反射光束的時間差，并結合激光的傳播速度，計算出其與反射物體之間的距離。為了獲得更好的反射效果，提高測量精度，反射物體通常采用專用的激光反射板。該反射板安裝于AGV所處空間的已知位置，在AGV初始位置已知后，激光傳感器內部的激光頭進行周期性的固定角度旋轉掃描，從而可獲得3個或以上反射板的位置和角度信息，再應用三角測量法和統計方法獲得自身的定位信息。和其他定位方法相比，該方法具有不易受環境影響，測量速度快，定位精度高的特點。以僅3個反射板的激光定位三角測量法為例，其定位原理如圖2所示。圖中，A（x1，y1），B（x2，y2）和C（x3，y3）為3個激光反射板的已知安裝位置，∠AOcD=θ1，∠DOcB=θ2，∠DOcC=θ3為當前時刻激光傳感器掃描檢測獲得的反射板與AGV前進方向的夾角（順時針為正值）。則有如下方程成立：

結語

本文從定位方法和控制器設計兩個方面研究了非完整AGV的路徑導引控制問題，建立了包含AGV參考點與參考路徑之間距離誤差和角度誤差的路徑跟隨誤差控制模型，分析激光傳感器多點反饋定位原理，并給出直線和圓弧路徑的誤差計算模型。借助Lyapunov理論，獲得漸進穩定且結構簡單的路徑跟隨控制器。仿真試驗表明，該控制器能夠快速消除路徑跟隨誤差，且誤差值較小，下一步將進行實際AGV系統研究。

參考文獻

[1]鄒細勇，徐德，李子印.非完整移動機器人路徑跟蹤的模糊控制[J].控制與決策，2008（6）：655-659.

[2]張香圃，任乃飛，張海軍.非接觸式IC卡在視覺導引AGV運動控制中的應用[J].機械設計與制造，2011（11）.

[3]陳順平，梅德慶，陳子辰.激光導引AGV的自動引導系統設計[J].工程設計學報，2012（05）.