基于负载特性的自动引导车转向偏差补偿方法

农业机械学报

第39卷第4期

基于负载特性的自动引导车转向偏差补偿方法

林义忠　王新华　陈远玲　黄玉美

　　【摘要】　设计了一种简单实用的测量AGV负载特性的方法,即通过测量车体的纵向倾角间接推算转弯时负载给AGV带来的附加力矩,并针对2轮差速驱动的6轮AGV的结构,进行了动力学的理论分析和推导,在AGV上进行了现场的实验研究,找出了附加力矩对操舵角的影响和相应的补偿修正系数。实验结果表明,该方法在一定程度上消除了纵向不对称负载对AGV轨迹跟踪精度的影响。

关键词:自动引导车　倾角测量　方向补偿中图分类号:U46111

文献标识码:A

OrientationCompensationMethodBasedonLoadCharacteristicsforAGV

LinYizhong1　WangXinhua1　ChenYuanling1　HuangYumei2(11GuangxiUniversity　21Xi’anUniversityofTechnology)

AbstractAsimpleandpracticalmethodtomeasuretheloadofAGV(automatedguidedvehicle),whichcalculatedtheadditionaltorqueoftheloadthroughmeasuringlongitudinalobliquityofAGV,wasadopted.Dynamictheoreticalanalysisandmathematicalmodelonatwo2wheel2drivenAGVhavebeencompleted.Byexperimentalresearchesinworkingplace,thecompensationcoefficientandtherelationshipbetweenorientationangleandadditionaltorquewereobtained.ThetestresultsshowedthattracetrackingerrorsofAGVbroughtbylongitudinalunsymmetricalloadscouldbeeliminatedtosomeextentbyusingthismethod.

Keywords　AGV,Obliquitymeasurement,Orientationcompensation

　　引言

在自动引导车(AGV)的自动导航和轨迹跟踪中,采用各种传感器实时测量车体的位置和方向角,包括编码器、陀螺仪、数字罗盘、激光反射器和GPS、地面磁条,以及超声波、红外线等,但是,现有

的控制特性变坏,动态误差增大。针对这一问题,本文提出了一种新的思路和方法,即通过测量车体的纵向倾角间接推算负载对AGV带来的附加力矩,通过现场实验,找出附加力矩对转向角的影响关系和相应的补偿修正系数,在一定程度上可以消除负载对轨迹跟踪精度的影响。

的轨迹跟踪控制方法中,一般假设AGV的运动特性和动力学特性一定,也就是说,作为控制系统中的被控制对象,它的数学模型是一定的,这一假设在AGV空载运行的过程中是成立的,但是当AGV上

1　带负载差速驱动AGV的动力学分析

以实验所用2轮差速驱动的6轮AGV(XU2

ATagv.100)为例,建立其转弯时的动力学方程。假设:在未加任何负载的情况下,AGV的回转中心(原地回转)与其质量中心重合;不考虑AGV在空载时车轮与地面之间产生的滑移,包括纵向和横向滑移。

加有负载后,随着负载的大小和重心位置的不同,其整体动力学特性就会发生变化,此时如果对控制算法和控制参数不进行相应的调整,就会使整个系统

收稿日期:2007201222林义忠　广西大学机械工程学院　副教授　博士,530004　南宁市王新华　广西大学计算机与电子信息学院　工程师陈远玲　广西大学机械工程学院　副教授黄玉美　西安理工大学机械与精密仪器仪表学院　教授　博士生导师,710048　西安市

第4期　　　　　　　　　　　　林义忠等:基于负载特性的自动引导车转向偏差补偿方法123

图1中,AGV以线速度v、沿着半径为R的圆弧段路径运动,列出其力学平衡方程式。

的实际转向角大于理论转向角,称之为过转向方式。

负载单独引起的离心力计算式为

vF=m

R

2

(4)

附加力矩的计算式为

θmacosvM=

R

式中　m———负载质量

附加力矩越大,车体方向偏移越严重,如果事先能测得离心力F和距离a,就可以知道附加力矩

图1　AGV带负载转向时的附加力及附加力矩

Fig.1　AdditionalforceandtorqueofloadedAGV

2

(5)

M,根据M的大小和方向,对驱动电机的转角进行

修正,从而使AGV沿着预期的方向和轨迹前进,显然,要实现这一调节过程,附加力矩的测量是首先需要解决的问题。

(1)(2)

力平衡方程为

θ　(X方向)F3+F4=Fc+Fcos

θ　(Y方向)F1+F2=F′1+F′2+Fsin

力矩平衡方程(以O1为回转中心)为

(F1-F′1)

ww・

2　附加力矩测量方式需要测量的只是负载引起的附加力矩M,没有必要精确地测量负载的大小和位置,所以采用了一种简单方法间接地测量附加力矩M。测量原理如图2所示,在车体上安装一个倾角传感器检测AGV的纵向倾角β,通过β和支撑弹簧的刚度推算附加力矩M,将AGV在纵向等效成一个受力杆件,中间的驱动轮为刚性支撑,自由轮为弹簧支撑,负载重力

mg,f1、f2是支撑弹簧对车体的作用力,力矩平衡

2

+M-(F′2-F1)

2=Iθ(3)

其中θM=FacosF1、F2———车轮对AGV的向前驱动力F′F′——地面对车轮的纵向摩擦阻力1、2—F3、F4———地面对车轮的径向摩擦力Fc———车体受到的径向离心力

F———由负载单独产生的离心力,将该力平

式中　w———两轮之间的轮距　　M———附加力矩

方程式为

amg=f1b=kxb=kbbsinβ=kbsinβ

2

(6)

移到车体中心O1,对应的力为F′

a———力F作用线与Y轴交点到O1的距离

将式(5)代入式(6),得

mvkbvM=a=sinβ

RgR

2

2

2

由于附加力矩M的存在,使得驱动力F2增大,F1减小,而F1、F2是由车轮和地面之间的摩擦力产生的,当附加力矩足够大时,F1、F2的数值超过了车轮和地面之间最大静摩擦力后,车轮和地面之间就会发生纵向相对滑移。

负载对操舵性能的影响可以分为2种情况,第1种是负载的重心处于车体几何中心的前方,转向

(7)

式中k、b、a、g为定值,v2、R为常量。在程序中设

定运动轨迹参数,附加力矩M和倾斜角β就存在着对应的关系,测出β就可推算M,而不需要知道负载的具体大小(mg)和位置a,该方案的测量装置和测量过程都比较简单,以较小成本就可实现对M的间接测量。

时,附加力矩M会使车体向外侧滑移,此时AGV的实际转向角小于理论转向角,称之为欠转向方式;第2种是负载的重心处于车体几何中心O1的后方,此时附加力矩M的方向正好和上述情况相反,AGV

3　转向实验

311　补偿的原理和算法

实验的原理如图3所示,运动控制器根据轨迹

图2　带负功AGV的工作原理及简化力学模型

Fig.2　PrincipleandmechanicsmodeloftheAGVwithaload

124农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　2008年

的特征点(xi,yi,θi)进行

运动和速度规划,在转弯路径段,由倾角传感器实时测量纵向倾角β,按照β角的正负确定AGV是处于过转向还是欠转向方式;根据β角的大小推算附加力矩,对转向角θ进行预先修正,使AGV尽可能按照理想轨迹运行。实验采用的AGV是XAU2

Tagv.100,其结构与上述建立的力学模型一致。如

运动轨迹,然后通过调节补偿量Δv1和Δv2,使2种

Δv1和情况下的轨迹基本一致,记录β、v1、v2、

Δv2。整个实验包含过转向和欠转向2种情况,图4记录了过转向及补偿后的轨迹曲线。图5记录的是欠转向轨迹(图中的运动轨迹是由固定在AGV上的绘图笔直接在地面大图纸上绘出)。

图3　差速AGV的圆周回转运动

Fig.3　CirclemovementofdifferenceAGV

图3所示,R为回转半径,v1、v2分别为右、左驱动轮的线速度,则有

v1+v2R=w

v1-v2

(8)

图4　过转向模式下的运动轨迹

Fig.4　TracksofAGVinexcessivesteeringmode

(a)未补偿的曲线　(b)补偿后的曲线将式(8)分别代入式(4)和式(7)式,得

F=mw

v1-v22

2

4

(9)(10)

2kwb2(v21-v2)M=sinβ

4g

从理论上讲,当v1、v2确定时,AGV应严格按照式(8)进行半径为R的圆周运动,但是由第2节中分析可知,附加力矩M会使AGV产生过转向或者欠转向现象,补偿的方法就是在AGV加上负载后,由传感器测量出倾角β,推算附加力矩M,对理论计算的v1、v2,进行事先的修正。

v′1=v1+Δv1

v′2=v2+Δv2

图5　欠转向模式下的运动轨迹

Fig.5　TracksofAGVinlackingsteeringmode

(a)未补偿的曲线　(b)补偿后的曲线

(11)

然后按照v′v′右轮的运1、2来控制AGV的左、动速度,以确保按照规划好的半径R来完成转弯时的圆周运动。在不同的回转半径和回转速度的情况

下建立起倾斜角β和速度补偿量Δv1和Δv2之间的对应关系,可按照该模型来控制AGV,当然,这一修正模型应该根据不同的地面情况进行适当调整。312　实验装置及补偿结果

实验时AGV作圆周运动,圆周半径为R=

1m,中心线速度v=013m/s,过转向实验时,v1=0124m/s,v2=0136m/s,车体的纵向倾角为1191°,

Δv1=010019m/s,Δv2=两轮速度修正量分别为:

-010019m/s。欠转向实验时,v1=0136m/s,v2=0124m/s,车体的纵向倾角为-2186°,两轮的速度

修正量分别为:Δv1=-010017m/s,Δv2=

010017m/s。未补偿时半径的偏差为20mm,补偿后的半径偏差可控制在5mm范围内。

实验AGV采用XAUTagv.100(实物图片省略)。倾角传感器型号为NS25/VI,具有较强的抗振

动能力,适合在AGV上使用,相关性能参数为:测量范围±5°,分辨率01001,精度0103,零点漂移011,输出信号015～514V,工作电压DC为12～24V。检测和控制部分采用可编程运动控制器PMAC2,带有2路12位A/D转换输入接口,输入

4　结束语

对AGV负载的动力学特性及其对转弯轨迹的

影响进行了理论分析和实验研究,提出了一种间接测量负载及其附加力矩的简便方法,克服了精确测量负载大小和位置带来的困难,并对附加力矩造成的转弯轨迹误差进行了事先的补偿。经过实验验证,该方法可在一定程度上消除AGV及其负载的动力学特性对轨迹跟踪精度的影响,同时也可使AGV的快速性和工作效率得到有效提高。

(下转第121页)

信号范围为±10V;对AGV施加不同质量的负载,按照不同的速度和半径作圆周运动,记录纵向倾角β,分别测量出在空载和带负载2种情况下的实际

第4期　　　　　　　　　　　邵光成等:温室辣椒时空亏缺灌溉需水特性与产量的试验121

定的增产潜力,其作用机理是根系均匀亏缺刺激了根系生长尤其是主根的生长,协调了作物地上与地下部分的关系,增加了根的吸收能力和合成能力。开花座果期复水后,由于作物的补偿生长效应,辣椒株高及叶面积等营养指标迅速接近甚至超过对照处理。结果盛期和结果后期为了调节光合同化物在营养生长和生殖生长的合理分配,在两个生育阶段应采用根系均匀亏缺灌溉和分根交替灌溉。这样不但可以提高辣椒的经济产量,而且还可以大幅度提高总水分利用效率。

椒的部分生育阶段存在着根区两侧土壤的干湿交替过程,可以影响土壤水分动态变化和分布,使根系干旱一侧经受一定程度的干旱考验,从而提高其吸收能力和合成能力。充分供水条件下,辣椒全生育期耗水量以结果盛期为最大,苗期和开花座果期其次,结果后期最小,各阶段耗水模系数分别为39196%、22191%、19134%和17179%。不同生育阶段相同灌水量不同灌水方式的组合可以影响到辣椒的阶段耗水量。苗期采用根系均匀亏缺,开花座果期复水,结果盛期和结果后期分别采用根系均匀亏缺和根系分区交替灌溉的DFDP处理可在辣椒产量略微降低的情况下,显著提高辣椒的水分利用效率,明显改善辣椒的外部品质。

文

献

3　结束语

采用时空亏缺灌溉与调亏灌溉相比,由于在辣

参

考

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(上接第124页)

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