朱艷杰, 宜亞麗, 景常海, 戴勇波

(1. 燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004； 2. 北京星航機電裝備有限公司, 北京 100074)

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全向車測量輪導(dǎo)引方式的設(shè)計與仿真

朱艷杰1, 宜亞麗1, 景常海1, 戴勇波2

(1. 燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004； 2. 北京星航機電裝備有限公司, 北京 100074)

針對全向車位姿檢測中由于麥克納姆輪驅(qū)動打滑引起的整車運行精度測量誤差大的問題,提出了測量輪自主導(dǎo)引方式,建立數(shù)學(xué)模型,并對AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了闡述.設(shè)計方案中的整車六輪布局,采用四驅(qū)兩從動,倆從動輪作為測量輪,運用差速原理獲取自動導(dǎo)引全向車的路徑信息,同時解決了現(xiàn)有單測量輪全向車原地回轉(zhuǎn)狀態(tài)下位姿無法精確檢測的難題.提出浮動三自由度測量輪結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)實時接觸地面,保證位姿檢測的準(zhǔn)確性,并對直線、曲線、原地自轉(zhuǎn)三種典型運動狀態(tài)下的位姿檢測進行了ADAMS仿真,結(jié)果表明,此種導(dǎo)引方式可滿足靈活設(shè)置路徑下全向車位姿的精確檢測,適用范圍廣.

全向車; 測量輪導(dǎo)引; 麥克納姆輪; 運動學(xué)仿真

自動導(dǎo)引車(automatic guided vehicle,AGV)即全向車,是現(xiàn)代化生產(chǎn)及柔性制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,已廣泛應(yīng)用于倉儲業(yè)、制造業(yè)、自動化物流等領(lǐng)域[1-3].它具有柔性好、運輸效率高及作業(yè)可靠等優(yōu)點,并在眾多行業(yè)中替代人工,甚至完成人工很難完成的一些操作,從而減輕了工人的勞動強度,降低危險性[4-6].

導(dǎo)引方式是AGV的研究核心之一[7],也是實現(xiàn)AGV自動化、智能化的關(guān)鍵技術(shù).基于導(dǎo)引傳感器的不同,可將AGV的導(dǎo)引方式分為有線導(dǎo)引[8-10]和無線導(dǎo)引[11-13].鄭炳坤等[14]提出了一種基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)總線、易于擴展的磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng),其路徑設(shè)置較容易,但磁帶易受污染和損傷,需定期更新與重涂.童峰等[15]設(shè)計出一種用于AGV的超聲波導(dǎo)引系統(tǒng),介紹了其工作原理及結(jié)構(gòu),并進行了各項導(dǎo)引功能的測試,該導(dǎo)引方式的優(yōu)點是在特定環(huán)境下具有較好的柔性，缺點是需要較大的反射面,在生產(chǎn)車間內(nèi)應(yīng)用較為困難.陳順平等[16]采用激光導(dǎo)引方式設(shè)計出AGV小車,其優(yōu)點是定位準(zhǔn)確,路徑變更較容易，缺點是對作業(yè)環(huán)境中光線要求較高.Jung等[17]提出基于ANFIS的AGV視覺導(dǎo)引方式,通過不同角度獲取周圍環(huán)境的圖像并整合成立體影像,進而確定AGV的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)并導(dǎo)引,優(yōu)點是路徑設(shè)置靈活,適用范圍廣,但由于技術(shù)限制,該方法并未進入實用階段.

為設(shè)計一種穩(wěn)定性好、可靠性高、路徑自由且適應(yīng)性強的全向車產(chǎn)品,本文提出一種雙測量輪導(dǎo)引方式.現(xiàn)有單測量輪方式,測量輪處于全向車平面幾何中心,當(dāng)全向車作原地回轉(zhuǎn)運動時,測量輪轉(zhuǎn)軸即整車回轉(zhuǎn)中心,致使全向車原地回轉(zhuǎn)狀態(tài)下位姿無法精確檢測.雙測量輪不僅可以避免此現(xiàn)象,還改善了運行過程中單測量輪轉(zhuǎn)軸波動的隨機性.用編碼器記錄2個測量輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和水平旋轉(zhuǎn)角度,數(shù)據(jù)經(jīng)中央控制器處理,獲得AGV的位置和姿態(tài),進而得出其位姿偏差,CPU發(fā)送信號給四軸運動控制器,由其實時調(diào)整整車的運動方式,使 AGV沿著預(yù)定的路線行駛.

1　測量輪導(dǎo)引方式的工作原理

1.1測量輪導(dǎo)引方式

如圖1所示,在全向車中心線兩側(cè)對稱安裝2個測量輪,即六輪結(jié)構(gòu)布局形式.通常差速原理運用于驅(qū)動輪(麥克納姆輪)上,但因麥克納姆輪結(jié)構(gòu)的特殊性,在運動過程中不可避免地出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,會影響位姿檢測的精度,因此將差速原理應(yīng)用在從動輪(測量輪)上,通過這2個測量輪的速度差與水平旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)AGV位姿的檢測.倆測量輪上均裝有增量式編碼器和絕對值式編碼器,增量式編碼器記錄測量輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù),安裝在倆測量輪的水平旋轉(zhuǎn)軸上,倆輪圈數(shù)和方向一致說明AGV直線行駛,圈數(shù)或方向不一致說明AGV曲線行駛.絕對值式編碼器記錄測量輪水平方向轉(zhuǎn)動的角度,當(dāng)全向車直線前行時,絕對值式編碼器計數(shù)為0,曲線行駛或原地自轉(zhuǎn)時,編碼器計數(shù)為相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度值.

圖1　全向車車輪布局圖Fig.1　The wheel layout of omnidirectional vehicle

測量輪導(dǎo)引方式路徑變更靈活,只需改變軟件程序即可實現(xiàn)[18],在導(dǎo)引區(qū)域內(nèi),AGV可依據(jù)程序設(shè)定的路徑自由行走并精確定位,且導(dǎo)引路徑可根據(jù)實際情況隨時變動,充分發(fā)揮了AGV的導(dǎo)引柔性,提高了工作效率.

1.2測量輪導(dǎo)引方式的數(shù)學(xué)模型

全向車的位姿檢測通過2個測量輪的速度差來實現(xiàn),假設(shè)運動學(xué)模型在理想狀態(tài)下建立,即：車體為剛性,地面水平,測量輪與地面間無相對滑動.基于雙測量輪的全向車運動簡化模型如圖2所示.

圖2　基于雙測量輪的全向車運動簡化模型Fig.2　The simplified model of omnidirectional vehicle movement based on two measuring wheels

圖中XOY為大地坐標(biāo)系,O1,O2為倆測量輪的輪心,M為O1O2中點,即車體幾何中心,且O1O2=2L,輪1、輪2與車體之間的夾角分別為γ1,γ2,輪半徑為r,瞬時轉(zhuǎn)彎半徑OM=R(t),v1,v2,vM分別為倆測量輪1,2及M點的瞬時速度.

ω1(t)=Δθ1/Δt=dθ1/dt,

(1)

ω2(t)=Δθ2/Δt=dθ2/dt,

(2)

v1(t)=rω1(t),

(3)

v2(t)=rω2(t),

(4)

式中：θ1,θ2分別為測量輪1,2的旋轉(zhuǎn)角度;ω1,ω2為其對應(yīng)的角速度.

由速度瞬心法分析式(3)和式(4)可得

vM(t)=v1(t)·

(5)

由

ω(t)=vM(t)/R(t)，

得

(6)

由式(1)至式(5)可得：

(7)

(8)

則t時刻全向車的位姿向量為

(9)

1.3AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　The structure diagram of AGV system

AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示.首先,上位機通過程序設(shè)定方式給AGV制定運行路徑,位姿檢測模塊中通過倆測量輪實時檢測AGV的位置和姿態(tài),并將檢測數(shù)據(jù)傳輸給中央控制器,經(jīng)其運算處理,得出AGV的真實運行情況及行駛偏差,CPU發(fā)送信號給四軸運動控制器,由其控制4臺電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向,實時調(diào)整整車的運動方式,以完成上位機發(fā)送的指定任務(wù).

2　測量輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足各行業(yè)對全向車應(yīng)用的需求,AGV對不同的道路環(huán)境及復(fù)雜的氣候條件應(yīng)具有良好的適應(yīng)性.針對位姿檢測的高精度要求,測量輪的設(shè)計中應(yīng)保證倆輪時刻與地面接觸以防止打滑,并能自動適應(yīng)路面不平引起的上下浮動.測量輪整體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　測量輪整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4　The overall structural diagram of measuring wheel

測量輪主要由聚氨酯包膠輪、輪架、轉(zhuǎn)軸套筒、彈簧導(dǎo)柱、增量式編碼器和絕對值式編碼器等組成.整個測量輪有3個自由度：繞水平軸線的轉(zhuǎn)動,用于增量式編碼器信號采集,實現(xiàn)位移檢測；繞豎直軸線的轉(zhuǎn)動,用于絕對值式編碼器信號采集,實現(xiàn)轉(zhuǎn)角檢測；沿彈簧導(dǎo)柱的上下移動,使彈簧時刻處于壓緊狀態(tài),在路面不平狀態(tài)下,保證聚氨酯包膠輪時刻與地面保持接觸,提高地面不平度適應(yīng)性,避免打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生,從而保證了編碼器計數(shù)的準(zhǔn)確性.

3　測量輪導(dǎo)引方式的運動學(xué)仿真

3.1模型建立及參數(shù)設(shè)置

三維建模主要運用SolidWorks軟件,車體幾何尺寸為2 854 mm×1 424 mm×478 mm,四輪連心線尺寸為2 000 mm×1 210 mm,倆測量輪位于車體中間位置,且關(guān)于幾何中心對稱.麥克納姆輪的小輥子母線利用橢圓弧方程,取點擬合的方法,繞軸線旋轉(zhuǎn)即成輥子體；輪轂的設(shè)計在滿足強度、剛度要求的同時,還應(yīng)使加工制造方便.整輪裝配時,使小輥子軸線與輪轂軸線成45°夾角,并滿足小輥子外輪廓線為圓形.整車模型如圖5所示.

圖5　全向車模型Fig.5　The model of omnidirectional vehicle

將建立好的模型導(dǎo)入ADAMS中,并對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置,運動副主要包括4個麥克納姆輪與車架之間的轉(zhuǎn)動副、32個小輥子與4個輪轂之間的轉(zhuǎn)動副、測量輪與地面之間的轉(zhuǎn)動副和測量輪與轉(zhuǎn)軸套筒之間的轉(zhuǎn)動副.小輥子與地面之間、測量輪與地面之間的靜摩擦系數(shù)均為0.3,動摩擦系數(shù)均為0.25,AGV行駛速度設(shè)置為0.5 m/s.

3.2仿真及分析

為了驗證測量輪導(dǎo)引方式的可行性,運用ADAMS軟件,模擬全向車的幾種運行方式,分別為直線行駛、曲線行駛和原地自轉(zhuǎn)運動,得出倆測量輪的運動速度和旋轉(zhuǎn)角度曲線圖.

1) 直線行駛.

因縱向行駛(Y向)、斜向行駛、橫向行駛(X向)在運動特性中均屬于直線運動,所以以Y向行駛為例,進行仿真分析.由圖6可知,測量輪1和2在Y和X方向上的分速度分別為v1.Y,v2.Y,v1.X,v2.X,曲線基本吻合,Y方向上的速度由0逐漸增加到0.5m/s,而X方向上的速度為0,與初始設(shè)定速度吻合,仿真結(jié)果符合設(shè)計要求.

圖6　直線行駛時測量輪的速度曲線Fig.6　The speed curve of measuring wheel when driving in a straight line

圖7中θ1.Z,θ2.Z(下同)分別表示倆測量輪繞豎直軸線Z轉(zhuǎn)動的角度,倆曲線基本重合,且在0°附近波動,即:Y向行駛時,測量輪水平轉(zhuǎn)動角度為0°,與前述原理吻合.說明通過采集測量輪的速度和轉(zhuǎn)動角度能夠正確反映全向車的位置和姿態(tài).

圖7　直線行駛時測量輪的水平轉(zhuǎn)動角度曲線Fig.7　The horizontal rotation angle curve of measuring wheel when driving in a straight line

2) 曲線行駛.

以轉(zhuǎn)彎半徑2.5 m為例,圖8為全向車曲線行駛時倆測量輪合速度v1,v2的曲線,均從0逐漸增加到穩(wěn)態(tài)值,且測量輪1的速度小于測量輪2的速度,證明全向車逆時針轉(zhuǎn)彎且速度穩(wěn)定后仍有波動的主要原因是測量輪隨車身旋轉(zhuǎn)的滯后性及運動中轉(zhuǎn)軸方向的左右擺動.

圖8　曲線行駛時測量輪的速度曲線Fig.8　The speed curve of measuring wheel when driving in a curve

圖9為曲線行駛時倆測量輪繞豎直軸線Z轉(zhuǎn)動的角度θ1.Z,θ2.Z,倆輪曲線基本吻合,且由起始值0°逐漸增加到穩(wěn)態(tài)值,并在穩(wěn)態(tài)值附近上下波動,是由測量輪轉(zhuǎn)軸在水平方向的轉(zhuǎn)動引起的.圖8、圖9能夠清晰地示出全向車曲線運動時位姿的變化過程.

圖9　曲線行駛時測量輪的水平轉(zhuǎn)動角度曲線Fig.9　The horizontal rotation angle curve of measuring wheel when driving in a curve

3) 原地自轉(zhuǎn).

由圖10和圖11可知,倆測量輪的合速度v1,v2和轉(zhuǎn)動角度基本一致,在0.8 s時測量輪1的曲線出現(xiàn)了大的波動,原因是:全向車逆時針旋轉(zhuǎn)時,測量輪1需調(diào)整自身方位,由+Y向轉(zhuǎn)至-Y向,以適應(yīng)原地旋轉(zhuǎn)的狀態(tài).

圖10　原地自轉(zhuǎn)時測量輪的速度曲線Fig.10　The speed curve of measuring wheel when in situ rotation

圖11　原地自轉(zhuǎn)時測量輪的水平轉(zhuǎn)動角度曲線Fig.11　The horizontal rotation angle curve of measuring wheel when in situ rotation

4　結(jié)　論

1) 提出了測量輪導(dǎo)引方式,采用雙測量輪,利用差速原理,依靠編碼器計數(shù),獲取全向車運行狀態(tài)信息.該導(dǎo)引方式適應(yīng)性好,性能可靠,導(dǎo)引路徑完全自由,發(fā)展前景廣闊.

2) 建立了測量輪導(dǎo)引方式的數(shù)學(xué)模型,為運動控制提供了理論依據(jù).介紹了測量輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)了倆輪與地面時刻接觸及自適應(yīng)不平路面的功能,為位姿檢測的準(zhǔn)確性提供了保證.

3) 通過ADAMS仿真,得到了全向車在直線行駛、曲線行駛和原地自轉(zhuǎn)三種運行方式中倆測量輪的速度和轉(zhuǎn)動角度曲線圖.經(jīng)分析可知,通過測量輪檢測全向車的位置和姿態(tài)能夠滿足設(shè)計要求,驗證了此導(dǎo)引方式的可行性.

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Design and simulation of measuring wheel guidancemode for omnidirectional vehicle

ZHU Yan-jie1, YI Ya-li1, JING Chang-hai1, DAI Yong-bo2

(1. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China；2. Beijing Xinghang Mechanical-Electrical Equipment Co.,Ltd., Beijing 100074, China)

Aiming at solving the large measurement error of vehicle operating accuracy caused by the slip of driving Mecanum wheel in the detecting of the position and attitude of omnidirectional vehicle,measuring wheel guiding approach is proposed.Mathematical model is established,and the structure of AGV system is expounded.The layout structure of omnidirectional vehicle was made up of six wheels,including four driving wheels and two driven wheels in the design.The two driven wheels were used as measuring wheels,and the differential principle was applied to the two measuring wheels to get the path information of automatic guided omnidirectional vehicle,at the same time,the problem that the existing omnidirectional vehicle with single measuring wheel couldn’t detect accurately in-situ rotary posture was solved.The structure of measuring wheel with floating three freedoms was put forward.It could maintain contact with ground in real time and ensure the accuracy of position detection.ADAMS simulation for the pose detection of three typical movements which were straight line,curve and in situ rotation is performed.The results show that this guidance mode can meet the accurate detection of position and attitude of omnidirectional vehicle on flexible path setting and has a wide application range.

omnidirectional vehicle; measuring wheel guidance; Mecanum wheel; kinematics simulation

2015-11-27.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國家國防科技工業(yè)局科工一司資助項目(2012764).

朱艷杰(1987—),女,河北唐山人,碩士,從事自主導(dǎo)引車本體設(shè)計與運動性能分析等研究,E-mail:zhuyanjie1987@163.com.http://orcid.org//0000-0002-5465-9658

通信聯(lián)系人：宜亞麗(1976—),女,山西永濟人,副教授,博士,從事新型機械傳動的理論與應(yīng)用技術(shù)研究,E-mail:yiyali@ysu.edu.cn.http://orcid.org//0000-0001-8123-4172

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.006

TH 11

A

1006-754X(2016)04-0333-05