全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法

摘要

本发明公开了一种全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法。针对不同形状的运行路径采用自适应的跟踪控制方法，通过自由态跟踪控制方法提高车体运动的平稳性；通过全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态。

权利要求

1.一种全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其特征在于：针对不同形状的运行路径采用自适应的跟踪控制方法，上述全方位移动自动导引车包括轮式电动车辆的可分式差速驱动装置；

上述可分式差速驱动装置包括上转盘(1)和下转盘(4)，其中上转盘(1)带有中心孔，下转盘(4)上端面带有中心轴；上转盘(1)的中心孔和下转盘(4)的中心轴之间通过止推轴承(2)同轴装配；上转盘(1)的中心孔和下转盘(4)的中心轴之间还安装有圆柱形的电磁离合器(5)；上述的下转盘(4)沿中心轴两侧对称安装有两套轮式移动装置，右侧轮式移动装置包括右电机驱动器(28)、右电机制动器(8)、右伺服电机(9)、右旋转编码器(7)、右减速机(10)和右驱动轮(11)，左侧轮式移动装置包括左电机驱动器(29)、左电机制动器(25)、左伺服电机(24)、左旋转编码器(26)、左减速机(23)和左驱动轮(22)；上述的下转盘(4)还安装有检测路径偏差的导引传感器(30)和实现自主驾驶的车载控制器(31)；上述的导引传感器(30)、右旋转编码器(7)和左旋转编码器(26)通过信号输入电路与车载控制器(31)相连；车载控制器(31)通过信号输出电路分别与右电机驱动器(28)和左电机驱动器(29)、右电机制动器(8)和左电机制动器(25)相连；上述的上转盘(1)安装有检测其与下转盘之间旋转角度的角度传感器(3)，该角度传感器的外壳固定于上转盘(1)的上端面，其转子与下转盘(4)的中心轴机械连接，并通过信号输入电路与下转盘(4)上的车载控制器(31)相连；

上述全方位移动自动导引车，结构如下：可分式差速驱动装置安装于车体(27)下方中央，其上转盘(1)与车体(27)之间采用刚性固定连接或柔性悬挂连接，两者在水平方向无相对运动；在车体(27)下方四周至少还安装有2个自由轮，其运动速度和方向取决于车体(27)的运动状态；在车体(27)上还安装有为角度传感器(3)、右旋转编码器(7)和左旋转编码器(26)、导引传感器(30)、车载控制器(31)供电的控制蓄电池组(36)；在车体(27)上还安装有为电磁离合器(5)、右电机制动器(8)和左电机制动器(25)、右电机驱动器(28)和左电机驱动器(29) 供电的驱动蓄电池组(37)；

所述方法包括：

通过自由态跟踪控制方法提高车体运动的平稳性，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；导引传感器(30)检测下转盘(4)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)分别通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)精确控制右驱动轮(11)和左驱动轮(22)之间的速度差，使下转盘(4)紧跟运行路径的形状变化快速调整自身的位置和姿态；车体(27)不是直接跟踪运行路径的形状变化，而是由下转盘(4)的跟踪运动所带动，并绕下转盘(4)的中心轴做相对转动；

通过全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态，具体方法为：在保持车体(27)姿态不变的同时，沿任意运动方向消除自动导引车的路径偏差，具体分为以下三步：步骤一、先停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)据此计算自动导引车的运动方向角，进而计算下转盘(4)相对于车体(27)的旋转方向和角度；车载控制器(31)通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘(4)绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器(31)通过角度传感器(3)实时检测下转盘(4)与车体(27)之间的旋转角度；当该旋转角度达到预定的运动方向角时，车载控制器(31)停止右伺服电机(9)左伺服电机(24)，并通过右电机制动器(8)和左电机制动器(25)立即制动，下转盘(4)停止转动；

步骤二、通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)；

导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)根据路径偏差计算自动导引车的运动轨迹；通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)精确控制右驱动轮(11)和左驱动轮(22)的速度，自动导引车按步骤一设置的运动方向以适当的几何轨迹逼近地面导引标线，消除车体(27)的路径偏差； 步骤三、再停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)解除下转盘(4)与车体(27)之间的锁定；车载控制器(31)根据车体(27)的现有姿态计算下转盘(4)相对于车体(27)的旋转方向和角度；车载控制器(31)通过右伺服电机(9)和左伺服电机(24)分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘(4)绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器(31)通过角度传感器(3)实时检测下转盘(4)的自身方向与车体(27)是否重合；当下转盘(4)的自身方向恢复到与车体(27)重合时，车载控制器(31)停止右伺服电机(9)和左伺服电机(24)，并通过右电机制动器(8)和左电机制动器(25)立即制动，下转盘(4)停止转动；最后通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)。

2.权利要求1所述的自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其特征在于：所述自适应的跟踪控制方法，还包括：通过锁定态跟踪控制方法实现车辆的快速移动，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器(5)锁定下转盘(4)与车体(27)；导引传感器(30)检测车体(27)与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器(31)；车载控制器(31)针对不同的方向角偏差采用多步预测最优控制或单步预测智能控制，通过调整两驱动轮之间的速度差消除自动导引车的路径偏差，根据跟踪控制产生的速度差控制量设置电机伺服控制的目标速度；

当方向角偏差不大于5°时，多步预测最优控制采用运动学模型计算一个纠偏协调性最优的多步控制量序列，即同步、精确地消除两种路径偏差；其中，eθ(0)和ed(0)为导引传感器(30)检测的车体(27)与地面导引标线之间的方向角偏差和侧向距离偏差；Ts为车载控制器(31)的控制周期；W为右驱动轮(11)和左驱动轮(22)之间的距离；v为车体(27)中心的线速度；Δv(k)为第k个控制周期的速度差控制量，k＝0，1，2....，N-1；N为控制量序列的总步数，其值为满足以下约束条件的最小整数值： 其中，|Δv(k)|max为速度差控制量序列的幅值最大项，其计算公式为：

|Δv(k)|max＝|Δv(0)|or|Δv(N-1)| (3)

λ为速度差控制量序列的变化步长，其计算公式为：

Δvmax和Δamax为预先设置的速度最大幅值和最大变化率；

当方向角偏差大于5°时，单步预测智能控制采用运动学模型计算一个满足最优偏差状态转化策略的单步控制量，快速、平稳地减小两种路径偏差，当方向角偏差减小到5°后再利用多步预测最优控制；

(a)若路径偏差eθ(k)和ed(k)异号，或者ed(k)＝0，先计算消除方向角偏差的速度差控制量：(b)若路径偏差eθ(k)和ed(k)同号，或者eθ(k)＝0，先计算同步消除两种偏差的速度差控制量：若|Δv(k)P|＜Δvmin，其中，Δvmin为预先设置的速度最小幅值，则按以下公式调整速度差控制量：Δv(k)P＝Δv(k-1)+sign(ed(k))λmin (7)

其中，

λmin为预先设置的速度最小变化率；

P

(c)若|Δv(k)-Δv(k-1)|≤λmax，其中，λmax＝ΔamaxTs，则速度差控制量的计算 公式为P

Δv(k)＝Δv(k) (9)

否则，速度差控制量的计算公式为

P

Δv(k)＝Δv(k-1)+sign(Δv(k)-Δv(k-1))λmax (10)

P

若|Δv(k)|＞Δvmax，则速度差控制量的计算公式为

P

Δv(k)＝sign(Δv(k))Δvmax (11)

说明书

全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种全方位自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，属于自动化输送装备领域。

背景技术

[0002] 驱动/转向装置是轮式电动车辆的运动执行机构，根据平面运动的自由度，自动导引车(简称AGV)具有侧向运动受限的非完整移动方式和可实现所有平面运动的全方位移动方式。全方位移动自动导引车不仅可沿车体纵向前进和后退，绕车体中心原地旋转，还可沿车体横向左移和右移，并可在保持车体姿态不变的同时，沿平面内任意方向运动，对有限作业空间具有良好的机动性。

[0003] 以麦卡纳姆轮(Mecanum Wheel)和球形轮为代表的全方位轮不仅可绕主轴旋转实现前进和后退，还可沿主轴方向产生侧向运动，是实现全方位移动方式的一种技术方案，然而全方位轮机械结构复杂，制造成本高。另一种技术方案是通过常规车轮的特殊布局实现全方位移动方式，如采用一对方向由操舵电机控制、转速由驱动电机控制的双操舵驱动轮布局，然而这种方案的控制系统比较复杂，且独立控制的两轮转向同步性较差。 [0004] 为了提高两轮转向控制的同步性，“自动引导车的驱动/转向机构”(专利号：ZL200620028342.5)通过一个转向定位机构将电机与减速机驱动连接，减速机的输出端驱动连接一个通轴，采用电磁离合器将两个驱动轮与该通轴的两端进行离合式的驱动连接。
转向定位机构的上转盘固定于电机外壳，下转盘固定于减速机外壳；通过角度传感器检测上转盘与下转盘之间的相对转角，并利用中间位置开关和定位凹坑校正角度传感器的零点位置；通过上转盘的电磁铁驱动定位销沉入下转盘的定位凹坑，实现上转盘与下转盘之间的锁定。该装置可保证两轮转向控制的同步性，然而却存在以下不足：(1)通过离合式的摩擦驱动难以精确控制驱动轮的运动状态； (2)该装置以电机和减速机的外壳作为主要承载结构，有限的强度和刚度不适用于大载荷工况；(3)利用定位销和定位凹坑的连接方式难以实现上转盘与下转盘之间以任意角度精确锁定；(4)角度传感器需要中间位置开关进行对中标定；(5)该装置中驱动轮电磁离合器的结构较为复杂。

[0005] 由于麦卡纳姆轮和球形轮可实现所有平面运动，采用该车轮的全方位移动自动导引车不受非完整约束，其运动控制方法相对简单，然而全方位轮机械结构复杂、制造成本高，且对运行路径的形状变化难以具备自适应性。采用常规车轮的自动导引车由于非完整约束不能直接消除侧向位置偏差，在运动控制中需要利用车体纵向位移间接消除侧向位置偏差，其运动控制方法相对复杂，且需要较大的运动空间。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其控制原理简单，路径适应性好，具有较高平稳性、精确性和快速性的运动控制方法。

[0007] 一种轮式电动车辆的可分式差速驱动装置，其特征在于包括上转盘和下转盘，其中上转盘带有中心孔，下转盘上端面带有中心轴；上转盘的中心孔和下转盘的中心轴之间通过止推轴承同轴装配；上转盘的中心孔和下转盘的中心轴之间还安装有圆柱形的电磁离合器；上述的下转盘沿中心轴两侧对称安装有两套轮式移动装置，右侧轮式移动装置包括右电机驱动器、右电机制动器、右伺服电机、右旋转编码器、右减速机和右驱动轮，左侧轮式移动装置包括左电机驱动器、左电机制动器、左伺服电机、左旋转编码器、左减速机和左驱动轮；上述的下转盘还安装有检测路径偏差的导引传感器和实现自主驾驶的车载控制器；上述的导引传感器、右旋转编码器和左旋转编码器通过信号输入电路与车载控制器相连；
车载控制器通过信号输出电路分别与右电机驱动器和左电机驱动器、右电机制动器和左电机制动器相连；上述的上转盘安装有检测其与下转盘之间旋转角度的角度传感器，该角度传感器的外壳固定于上转盘的上端面，其转子与下转盘的中心轴机械连接，并通过信号输入电路与下转盘上的车载控制器相连。

[0008] 上述的电磁离合器具体安装方式如下：电磁离合器的外壳固定于上转盘的中心孔，其电磁线圈是否通电由车载控制器的驱动电路控制，并通过周向均匀分布的摩擦块与下转盘的中心轴之间进行离合式的机械连接。

[0009] 一种利用上所述的可分式差速驱动装置的全方位移动自动导引车，其特征在于：可分式差速驱动装置安装于车体下方中央，其上转盘与车体之间采用刚性固定连接或柔性悬挂连接，两者在水平方向无相对运动；在车体下方四周至少还安装有2个自由轮，其运动速度和方向取决于车体的运动状态；在车体上还安装有为角度传感器、右旋转编码器、左旋转编码器、导引传感器和车载控制器供电的控制蓄电池组；在车体上还安装有为电磁离合器、右电机制动器、左电机制动器、右电机驱动器和左电机驱动器供电驱动蓄电池组。 [0010] 所述的自动导引车的全方位移动工作原理为：车载控制器分别通过两个电机驱动器独立控制两个伺服电机，再分别通过两个减速机独立驱动两个驱动轮，每个驱动轮的运动速度和方向都可独立地精确控制，两驱动轮之间的速度差将使下转盘沿圆弧轨迹运动。
车载控制器通过电磁离合器控制下转盘与车体之间的连接状态，当下转盘与车体之间无锁定时，设置两驱动轮速度大小相等、方向相反，通过绕中心轴的原地旋转自由调整下转盘的运动方向，并通过角度传感器实时检测其运动方向角；当运动方向角达到给定值时，车载控制器停止伺服电机并通过电机制动器立即制动，再锁定下转盘与车体，使两者运动方向保持一致。因此，所述的自动导引车可在保持车体姿态不变的同时，实现沿任意方向角的全方位移动。

[0011] 与现有驱动/转向装置相比，本发明装置具有以下优势：(1)结构简单。本发明采用模块化结构的上转盘、下转盘及其轮式移动装置，结构简单、制造成本低、易维护性好。(2)承载量大。本发明采用的主要承载结构为圆台形的上转盘和下转盘，上转盘的中心孔和下转盘的中心轴之间通过止推轴承同轴装配，整个装置具有足够的强度和刚度，可适用于大载荷工况。(3)控制精确。本发明分别通过两套电机驱动器、伺服电机独立、精确地控制两驱动轮的运动速度和方向，可形成有效的速度差以实现下转盘乃至车体的转向控制；本发明通过上转盘中心孔内的电磁离合器驱动摩擦块压紧下转盘的中心轴，可实现上转盘与下转盘之间以任意角度精确锁定；本发明采用绝对式旋转编码器作为角度传感器，无需外部器件进行零点标定，可精确测量上转盘与下转盘之间的旋转角度。(4)运行平稳。根据自动导引车的承载量，本发明的上转盘与车体之间采用刚性固定连接或柔性悬挂连接，保证驱动轮与地面的有效接触以产生足够的驱动力。

[0012] 上述自动导引车的路径自适应跟踪控制方法，其特征在于：针对不同形状的运行路径采用自适应的跟踪控制方法；所述方法包括：

[0013] 通过自由态跟踪控制方法提高车体运动的平稳性，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器解除下转盘与车体之间的锁定；导引传感器检测下转盘与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器；车载控制器分别通过右伺服电机和左伺服电机精确控制右驱动轮和左驱动轮之间的速度差，使下转盘紧跟运行路径的形状变化快速调整自身的位置和姿态；车体不是直接跟踪运行路径的形状变化，而是由下转盘的跟踪运动所带动，并绕下转盘的中心轴做相对转动；

[0014] 通过全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态，具体方法为：在保持车体姿态不变的同时，沿任意运动方向消除自动导引车的路径偏差，具体分为以下三步： [0015] 步骤一、先停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器解除下转盘与车体之间的锁定；导引传感器检测车体与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器；车载控制器据此计算自动导引车的运动方向角，进而计算下转盘相对于车体的旋转方向和角度；车载控制器通过右伺服电机和左伺服电机分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器通过角度传感器实时检测下转盘与车体之间的旋转角度；当该旋转角度达到预定的运动方向角时，车载控制器停止右伺服电机左伺服电机，并通过右电机制动器和左电机制动器立即制动，下转盘停止转动；

[0016] 步骤二、通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器锁定下转盘与车体；导引传感器检测车体与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器；车载控制器)根据路径偏差计算自动导引车的运动轨迹；通过右伺服电机和左伺服电机精确控制右驱动轮和左驱动轮的速度，自动导引车按步骤一设置的运动方向以适当的几何轨迹逼近地面导引标线，消除车体的路径偏差；

[0017] 步骤三、再停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器解除下转盘与车体之间的锁定；车载控制器根据车体的现有姿态计算下转盘相对于车体的旋转方向和角度；车载控制器通过右伺服电机和左伺服电机分别控制两驱动轮一个正向旋转，一个反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘绕其中心轴按预定方向旋转，车载控制器通过角度传感器实时检测下转盘的自身方向与车体是否重合；当下转盘的自身方向恢复到与车体重合时，车载控制器停止右伺服电机和左伺服电机， 并通过右电机制动器和左电机制动器立即制动，下转盘停止转动；最后通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器锁定下转盘与车体；

[0018] 所述自适应的跟踪控制方法，还包括：通过锁定态跟踪控制方法实现车辆的快速移动，具体方法为：通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器锁定下转盘与车体；导引传感器检测车体与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器；车载控制器针对不同的方向角偏差采用多步预测最优控制或单步预测智能控制，通过调整两驱动轮之间的速度差消除自动导引车的路径偏差，根据跟踪控制产生的速度差控制量设置电机伺服控制的目标速度。

[0019] 当方向角偏差不大于5°时，多步预测最优控制采用运动学模型计算一个纠偏协调性最优的多步控制量序列，即

[0020]

[0021] 同步、精确地消除两种路径偏差；其中，eθ(0)和ed(0)为导引传感器检测的车体与地面导引标线之间的方向角偏差和侧向距离偏差；Ts为车载控制器(31)的控制周期；W为右驱动轮和左驱动轮之间的距离；v为车体中心的线速度；Δv(k)为第k个控制周期的速度差控制量，k＝0，1，2....，N-1；N为控制量序列的总步数，其值为满足以下约束条件的最小整数值：

[0022]

[0023] 其中，|Δv(k)|max为速度差控制量序列的幅值最大项，其计算公式为： [0024] |Δv(k)|max＝|Δv(0)|or|Δv(N-1)| (3) [0025] λ为速度差控制量序列的变化步长，其计算公式为：

[0026]

[0027] Δvmax和Δamax为预先设置的速度最大幅值和最大变化率；

[0028] 当方向角偏差大于5°时，单步预测智能控制采用运动学模型计算一个满足最优偏差状态转化策略的单步控制量，快速、平稳地减小两种路径偏差，当方向角偏差减小到5°后再利用多步预测最优控制；

[0029] (a)若路径偏差eθ(k)和ed(k)异号，或者ed(k)＝0，先计算消除方向角偏差的速度差控制量：

[0030]

[0031] (b)若路径偏差eθ(k)和ed(k)同号，或者eθ(k)＝0，先计算同步消除两种偏差的速度差控制量：

[0032]P

[0033] 若|Δv(k)|＜Δvmin，其中，Δvmin为预先设置的速度最小幅值，则按以下公式调整速度差控制量：P

[0034] Δv(k) ＝Δv(k-1)+sign(ed(k))λmin (7)

[0035] 其中，

[0036] λmin为预先设置的速度最小变化率；

[0037] (c)若|Δv(k)P-Δv(k-1)|≤λmax，其中，λmax＝ΔamaxTs，则速度差控制量的计算公式为

[0038] Δv(k)＝Δv(k)P (9)

[0039] 否则，速度差控制量的计算公式为

[0040] Δv(k)＝Δv(k-1)+sign(Δv(k)P-Δv(k-1))λmax (10)

[0041] 若|Δv(k)P|＞Δvmax，则速度差控制量的计算公式为

[0042] Δv(k)＝sign(Δv(k)P)Δvmax (11)

[0043] 与自动导引车的现有运动控制方法相比，本发明方法具有以下优势：(1)充分利用可分式差速驱动装置的特点，采用结构简单、性价比高的常规轮式移动机构实现沿任意方向的全方位移动。(2)控制原理简单，采用下转盘与车体之间的锁定- 解除锁定-锁定控制过程实现下转盘乃至车体运动方向的自由、精确调整。(3)路径适应性好，对形状变化复杂的运行路径采用高平稳性的自由态跟踪控制方法，对停车定位点采用全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态，对长距离运行路径采用锁定态跟踪控制方法实现车辆的快速移动。

附图说明

[0044] 图1是本发明的可分式差速驱动装置的正视结构示意图。

[0045] 图2是应用本发明装置的全方位移动自动导引车的俯视结构示意图。

[0046] 图3是本发明装置的控制系统原理图。

[0047] 图4是可分式差速驱动装置与车体的连接示意图。

[0048] 图5是全方位调整车体运动方向的控制示意图。

[0049] 图6是本发明路径自适应跟踪控制方法的组成示意图。

[0050] 图7是自由态跟踪控制方法的控制示意图。

[0051] 图8是全方位跟踪控制方法的控制示意图。

[0052] 图9是锁定态跟踪控制方法的运动学模型示意图。

[0053] 图10是锁定态跟踪控制方法的偏差状态分类图。

[0054] 图11是锁定态跟踪控制方法的同步纠偏示意图。

[0055] 图12是锁定态跟踪控制方法的最优偏差状态转化策略示意图。

[0056] 图中标号名称：1、上转盘；2、止推轴承；3、角度传感器；4、下转盘；5、电磁离合器；6、摩擦块；7、右旋转编码器；8、右电机制动器；9、右伺服电机；10、右减速机；11、右驱动轮；
12、右驱动轮连接键；13、右轴承座；14、右滚动轴承；15、右紧固螺栓；16、右挡圈；17、左挡圈；18、左紧固螺栓；19、左滚动轴承；20、左轴承座；21、左驱动轮连接键；22、左驱动轮；
23、左减速机；24、左伺服电机；25、左电机制动器；26、左旋转编码器；27、车体；28、右电机驱动器；29、左电机驱动器；30、导引传感器；31、车载控制器；32、自由轮1；33、自由轮2；
34、自由轮3；35、自由轮4；36、控制蓄电池组；37、驱动蓄电池组；38、导向螺栓；39、承载弹簧；40、紧固螺栓。此外，Y轴为车体27的自身方向，y轴为下转盘4的自身方向。 具体实施方式

[0057] 以下根据附图所示的实施例详细说明本发明可分式差速驱动装置的组成结构以及路径自适应跟踪控制方法的操作过程。

[0058] 参照图1，本发明的可分式差速驱动装置是由可分离的上转盘1和下转盘4构成，其中上转盘1带有中心孔，下转盘4上端面带有中心轴；上转盘1的中心孔和下转盘4的中心轴之间通过止推轴承2同轴装配；在承受轴向载荷的同时保证下转盘4的中心轴可在上转盘1的中心孔内自由转动。上转盘1的中心孔和下转盘4的中心轴之间还安装有圆柱形的电磁离合器5。

[0059] 参照图1和图2，下转盘4沿中心轴两侧对称安装有两套轮式移动装置，右侧轮式移动装置包括右电机驱动器28、右电机制动器8、右伺服电机9、右旋转编码器7、右减速机10和右驱动轮11，左侧轮式移动装置包括左电机驱动器29、左电机制动器25、左伺服电机
24、左旋转编码器26、左减速机23和左驱动轮22；

[0060] 上述的下转盘4还安装有检测路径偏差的导引传感器30和实现自主驾驶的车载控制器31；

[0061] 其中，右电机驱动器28和左电机驱动器29的输出端分别与右伺服电机9和左伺服电机24的输入端进行电连接，右电机制动器8和左电机制动器25分别与右伺服电机9和左伺服电机24的输出轴进行离合式的机械连接，右旋转编码器7和左旋转编码器26的转子分别与右伺服电机9和左伺服电机24的输出轴通过键连接，右伺服电机9和左伺服电机24的输出轴分别与右减速机10和左减速机23的输入轴通过联轴器连接，右减速机10和左减速机23的输出轴分别与右驱动轮11和左驱动轮22的轮毂通过键连接，分别与右轴承座
13和左轴承座20通过右滚动轴承14和左滚动轴承19连接，并分别利用右紧固螺栓15和左紧固螺栓18将挡圈右挡圈16和左挡圈17固定于右减速机10和左减速机23的输出轴端面。导引传感器30、右旋转编码器7和左旋转编码器26通过信号输入电路与车载控制器
31相连；车载控制器31通过信号输出电路分别与右电机驱动器28和左电机驱动器29、右电机制动器8和左电机制动器25相连。

[0062] 参照图2和图3，车载控制器31通过导引传感器30检测下转盘4与地面导引标线的路径偏差；再分别通过右电机驱动器28和左电机驱动器29独立控制右伺服 电机9和左伺服电机24的运动速度和方向，通过右电机制动器8和左电机制动器25立即制动右伺服电机9和左伺服电机24；通过右伺服电机9和左伺服电机24带动右减速机10和左减速机23，将转速和转矩传递给右驱动轮11和左驱动轮22，每个驱动轮的运动速度和方向都可独立地精确控制；并通过右旋转编码器7和左旋转编码器26将每个驱动轮的速度和位移信息反馈给车载控制器31。当两驱动轮速度大小相等、方向相同时，下转盘4沿直线轨迹运动；当两驱动轮速度大小不等、方向相同时，下转盘4沿曲线轨迹运动；两驱动轮速度大小相等、方向相反时，下转盘4绕中心轴做原地旋转运动。

[0063] 参照图1和图2，上转盘1安装有检测其与下转盘4之间旋转角度的角度传感器3。传感器的外壳固定于上转盘1的上端面，其转子与下转盘4的中心轴通过健连接，并通过信号输入电路与下转盘4上的车载控制器31相连，反馈下转盘4与上转盘1之间的旋转角度，根据该角度可计算下转盘4的运动方向角。

[0064] 参照图1和图2，电磁离合器5的外壳固定于上转盘1的中心孔，其电磁线圈是否通电由车载控制器31的驱动电路控制，并通过周向均匀分布的摩擦块6与下转盘4的中心轴之间进行离合式的机械连接。当电磁离合器5的电磁线圈通电时，摩擦块6被吸回，其对下转盘4的中心轴无压紧作用，下转盘4的中心轴可在上转盘1的中心孔内自由转动，从而调整下转盘4与上转盘1之间的旋转角度。当电磁离合器5的电磁线圈断电时，压簧推动摩擦块6压紧下转盘4的中心轴，下转盘4与上转盘1之间无相对转动。

[0065] 参照图2和图4，可分式差速驱动装置安装于车体27的下方中央。根据自动导引车的承载量大小和运行路面的平整情况，上转盘1与车体27之间既可采用紧固螺栓40进行刚性固定连接，也可采用导向螺栓38和承载弹簧39进行柔性悬挂连接。这两种连接的区别仅在于上转盘1与车体27之间是否可在垂直方向上产生位移，而在水平方向绝无相对运动，因此，下转盘4相对于上转盘1的自由转动即为下转盘4相对于车体27的自由转动。在车体27下方的前部和后部各安装有2个具有支撑作用的自由轮，其运动速度和方向取决于车体27的运动状态，配合下转盘4的驱动轮实现自动导引车的转向。

[0066] 在车体27上还安装有为角度传感器3、右旋转编码器7和左旋转编码器26、导引传感器30、车载控制器31供电的控制蓄电池组36；在车体27上还安装有为电磁 离合器5、右电机制动器8和左电机制动器25、右电机驱动器28和左电机驱动器29供电的驱动蓄电池组37。由于质量较大的蓄电池组和负载均安装于车体27，下转盘4所具有的惯性较小，可通过两驱动轮的差速控制灵活地完成转向和直行运动。

[0067] 参照图5，全方位调整车体运动方向的控制过程如下：

[0068] 在图5.(a)中，首先将车体27处于静止状态，车载控制器31通过其驱动电路控制电磁离合器5的电磁线圈通电，摩擦块6被吸回，其对下转盘4的中心轴无压紧作用。车载控制器31通过右电机驱动器28控制右伺服电机9，经右减速机10带动右驱动轮11反向旋转；通过左电机驱动器29控制左伺服电机24，经左减速机23带动左驱动轮22正向旋转；并保证右驱动轮11和左驱动轮22的旋转速度相同，下转盘4的中心轴在上转盘1的中心孔内自由转动。

[0069] 由于车体27的质量远大于下转盘4的质量，且下转盘4的中心轴在上转盘1的中心孔内转动所受的摩擦力很小，因此在车体27姿态(即Y轴方向)保持不变的同时，下转盘4绕其中心轴原地旋转，自由、精确地调整其运动方向(即y轴方向)。在此过程中，车载控制器31通过角度传感器3实时检测下转盘4与车体27之间的旋转角度，即y轴与Y轴之间的夹角。

[0070] 在图5.(b)中，当该夹角达到预定的运动方向角时(在实施例中y轴与Y轴之间的夹角为90°)，车载控制器31通过右电机驱动器28和左电机驱动器29控制右伺服电机9和左伺服电机24停止转动，并通过右电机制动器8和左电机制动器25立即制动右伺服电机9和左伺服电机24。

[0071] 然后，车载控制器31通过其驱动电路控制电磁离合器5的电磁线圈断电，压簧推动摩擦块6压紧下转盘4的中心轴，下转盘4与车体27之间无相对转动，将y轴与Y轴之间的夹角锁定为预定的运动方向角。

[0072] 参照图6，本发明面向可分式差速驱动自动导引车，针对不同形状的运行路径采用自适应的跟踪控制方法：对形状变化复杂的曲线路径，解除下转盘4与车体27之间的锁定，采用高平稳性的自由态跟踪控制方法；对直线路径上的停车定位点，利用下转盘4与车体27之间的锁定-解除锁定-锁定控制过程，通过全方位跟踪控制方法精确调整车体的位置和姿态；对直线路径上的长距离路段，锁定下转盘4与车体27，采用锁定态跟踪控制方法实现车辆的快速移动。

[0073] 参照图7，本发明所述的自由态跟踪控制方法的控制过程如下：当自动导引车进入形状变化复杂的曲线路径时，车载控制器31通过其驱动电路控制电磁离合器5的电磁线圈通电，摩擦块6被吸回，其对下转盘4的中心轴无压紧作用，解除下转盘4与车体27之间的锁定。

[0074] 一方面，下转盘4上仅安装了质量较轻的导引传感器30、车载控制器31以及两套轮式移动装置，可利用导引传感器30实时检测地面导引标线的路径偏差，并将其发送到车载控制器31；车载控制器31通过高效纠偏计算输出两驱动轮的速度差控制量，再分别通过右伺服电机9和左伺服电机24精确控制右驱动轮11和左驱动轮22的实际速度，使小惯性的下转盘4可根据曲线路径的形状变化及时调整自身的位置和姿态。在图6所示的路径跟踪过程中，下转盘4的中心始终位于曲线路径上，且其自身方向(y轴)始终指向曲线路径的切线方向。可见，该控制方法显著提高了下转盘4在路径跟踪过程中的快速性和精确性，完全避免了因地面导引标线超出导引传感器30的有效检测范围而导致的跟踪失败问题。 [0075] 另一方面，质量较重的蓄电池组和负载均安装于车体27，大惯性的车体27难以根据曲线路径的形状变化及时调整自身的位置和姿态。因此，车体27不是直接跟踪曲线路径的形状变化，而是在下转盘4的带动下，一边随下转盘4的运动方向产生移动，一边绕下转盘4的中心轴进行转动。在路径跟踪过程中，车体27的姿态角变化速率慢于下转盘4，如在图6.(a)位置，下转盘4的自身方向(y轴)开始沿曲线路径的切线方向偏转，而车体27的自身方向(Y轴)仍然沿着原来的直线路径方向。并且，车体27的姿态角变化幅值小于下转盘4，如图6中的虚线和实线所示。可见，下转盘4快速变化的运行位姿状态对车体27影响有限，该控制方法可保证车体27在复杂曲线路径上运行的平稳性。

[0076] 参照图5和图8，本发明所述的全方位跟踪控制方法采用下转盘与车体之间的锁定-解除锁定-锁定控制过程实现自动导引车沿任意方向的运动。以图8中直接消除自动导引车的侧向位置偏差为例，说明全方位跟踪控制方法的控制过程。

[0077] 在图8.(a)中，自动导引车与运行路径之间的角度偏差为0，侧向位置偏差为ed，下面在保持车体27自身方向(Y轴)不变的同时直接消除ed。

[0078] 在图8.(b)中，先停止自动导引车，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器5 解除下转盘4与车体27之间的锁定。导引传感器30检测车体27与地面导引标线之间的路径偏差，并将其发送到车载控制器31；车载控制器31据此计算自动导引车的运动方向角，进而计算下转盘4相对于车体27需要顺时针旋转90°；车载控制器31通过右伺服电机9控制右驱动轮11反向旋转，通过左伺服电机24控制左驱动轮22正向旋转，并保持两者速度相同；下转盘4绕其中心轴顺时针旋转，车载控制器31通过角度传感器3实时检测下转盘4与车体27之间的旋转角度。当该旋转角度达到90°时，车载控制器31停止右伺服电机9和左伺服电机24，并通过右电机制动器8和左电机制动器25立即制动，下转盘4停止转动，其自身方向(y轴)调整为垂直于运行路径的车体侧向。

[0079] 在图8.(c)中，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器5锁定下转盘4与车体27，下转盘4自身方向(y轴)与车体27自身方向(Y轴)之间的夹角保持为90°。车载控制器31通过右伺服电机9和左伺服电机24精确控制右驱动轮11和左驱动轮22以相同速度正向旋转，自动导引车在保持车体27姿态不变的同时沿y轴向地面导引标线移动。导引传感器30实时检测自动导引车的侧向位置偏差ed，当ed消除到零时，车载控制器31停止右伺服电机9和左伺服电机24，并通过右电机制动器8和左电机制动器25立即制动，自动导引车停止运动。

[0080] 在图8.(d)中，通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器5解除下转盘4与车体27之间的锁定。车载控制器31根据车体27的现有姿态计算下转盘4相对于车体27需要逆时针旋转90°；车载控制器31通过右伺服电机9控制右驱动轮11正向旋转，通过左伺服电机24控制左驱动轮22反向旋转，并保持两者速度相同；下转盘4绕其中心轴逆时针旋转，车载控制器31通过角度传感器3实时检测下转盘4与车体27之间的旋转角度。当该旋转角度达到90°时，车载控制器31停止右伺服电机9和左伺服电机24，并通过右电机制动器8和左电机制动器25立即制动，下转盘4停止转动，其自身方向(y轴)恢复到与车体
27自身方向(Y轴)重合。最后通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器5锁定下转盘4与车体27。

[0081] 参照图9，本发明所述的锁定态跟踪控制方法通过可分式差速驱动装置中的电磁离合器5锁定下转盘4与车体27，∑XOY为固定坐标系，∑xoy为车体27的车载坐标系，导引标线与x轴交点的横坐标为侧向位置偏差ed，导引标线的切线方向 与y轴的夹角为方向角偏差eθ，当切线方向逆时针转向y轴时eθ＜0，当顺时针转向y轴时eθ＞0。左驱动轮22和右驱动轮11的线速度分别为vl和vr，车体27中心的平动线速度为v，旋转角速度为ω。

[0082] 当导引传感器30检测到路径偏差时，车载控制器31通过电机伺服控制，在右驱动轮11和左驱动轮22之间产生一个速度差控制量Δv，使车体27沿瞬心为C的圆弧轨迹移动以消除路径偏差，并保持车体27中心线速度v的大小不变，即

[0083]

[0084] 设右驱动轮11和左驱动轮22之间的距离为W，则车体27沿瞬心为C转动的角速度为：

[0085]

[0086] 设车载控制器31的控制周期为Ts，设当前状态k的方向角偏差为eθ(k)，下一状态k+1的方向角偏差为：

[0087]

[0088] 下一状态k+1的侧向距离偏差为：

[0089]

[0090] 自动导引车的运动学模型为：

[0091]

[0092] 考虑到伺服电机及电机驱动器有限的执行能力，速度差控制量Δv(k)的幅值和变化步长必须满足以下条件：

[0093]

[0094] 其中，Δvmax和Δamax为预先设置的速度最大幅值和最大变化率。

[0095] 在条件(6)约束下，当前状态的路径偏差可能无法在一个控制周期完全消除，从多个控制周期的整体优化角度出发，以两种路径偏差消除的协调性最优为目标，设计一个N步最优控制序列Δv(k)，(k＝0，1...N-1)，将两种路径偏差同时消除到零，即满足控制目标：

[0096]

[0097] 在条件(6)约束下最小化控制步数N，可达到电机驱动系统所能实现的最快偏差消除过程。在此基础上，采用速度差控制量的二次型积分作为描述纠偏协调性的目标函数，即

[0098]

[0099] 当方向角偏差不大于5°时，本发明所述的锁定态跟踪控制方法采用多步预测最优控制，对状态方程为(5)的系统，在条件(6)的约束下，通过最小化目标函数(8)和控制步数N，实现一种电机驱动系统能力所及的协调性和快速性最优的偏差消除过程，并最终满足控制目标(8)，使两种路径偏差同时消除到零并维持无偏差跟踪状态。

[0100] 根据Lagrange待定数列法，对状态方程(5)引入待定数列：

[0101] {λ(k+1)}＝{[λ1(k+1)λ2(k+1)]T} (9)

[0102] Hamilton函数为：

[0103]

[0104] 能使目标函数(8)取得极小值的速度差控制量序列Δv(k)满足以下条件： [0105]

[0106] 由条件(11)可得速度差控制量序列为：

[0107]

[0108] 其中，控制量序列的总步数N≥2，当前控制步数k＝0，1，2....，N-1。 [0109] 在速度差控制量序列中，幅值最大项的计算公式为：

[0110] |Δv(k)|max＝|Δv(0)|or|Δv(N-1)| (13)

[0111] 速度差控制量序列的变化步长为：

[0112]

[0113] 为保证所有的速度差控制量Δv(k)满足条件(6)，只需满足

[0114]

[0115] 由条件(15)可计算出多步预测最优控制的控制量序列总步数N。

[0116] 参照图10，本发明所述的锁定态跟踪控制方法根据两种路径偏差之间的关系分为四种偏差状态，对方向角偏差大于5°的大偏差情况，研究偏差状态之间的转化过程，通过单步预测智能控制快速、平稳地减小两种路径偏差，当方向角偏差减小到5°后再利用多步预测最优控制。

[0117] 参照图11，本发明所述的单步预测智能控制在同号偏差状态下，使自动导引车的运动方向从车载坐标系y轴，沿以点C为圆心、以|R|为半径的圆弧oB相切过渡到导引标线，两种路径偏差可同步消除到零，运动半径为

[0118]

[0119] 当速度差控制量不为零时，圆周运动的半径和角速度之间存在以下关系： [0120]

[0121] 由式(16)和(17)可得同步消除两种偏差的速度差控制量为：

[0122]

[0123] 考虑到偏差消除过程的快速性要求，由式(18)计算的速度差控制量需满足： P

[0124] |Δv(k)|≥Δvmin (19)

[0125] 其中，Δvmin为预先设置的速度最小幅值。

[0126] 若满足条件(19)，将该类同号偏差状态定义为同号偏差I状态，直接采用式(18)计算的同步速度差控制量；否则，定义为同号偏差II状态，为向同号偏差I状态转化，需提高方向角偏差对侧向位置偏差的比值，速度差控制量向增大方向角偏差的方向调整，即 [0127] Δv(k)P＝Δv(k-1)+sign(ed(k))λmin (20)

[0128] 其中，

[0129] λmin为预先设置的速度最小变化率。

[0130] 对零角度偏差状态，由式(18)计算的速度差控制量为零，该偏差状态可视为同号偏差II状态的特殊情况。

[0131] 由式(5)可知，对异号偏差状态和零距离偏差状态，方向角偏差将不断产生新的侧向距离偏差，因此需尽快消除方向角偏差。由式(5)可得，将方向角偏差消除到零的速度差控制量为：

[0132]

[0133] 为使速度差控制量Δv(k)的幅值和变化步长满足条件(6)，判断由式(18)、(20)P和(22)计算的Δv(k) 是否满足以下条件：

[0134] 若|Δv(k)P-Δv(k-1)|≤λmax，其中，λmax＝ΔamaxTs，则速度差控制量的计算公式为

[0135] Δv(k)＝Δv(k)P (23)

[0136] 否则，速度差控制量的计算公式为

[0137] Δv(k)＝Δv(k-1)+sign(Δv(k)P-Δv(k-1))λmax (24)

[0138] 若|Δv(k)P|＞Δvmax，则速度差控制量的计算公式为

[0139] Δv(k)＝sign(Δv(k)P)Δvmax (25)

[0140] 参照图12，本发明所述的单步预测智能控制为快速、平稳地减小两种路径偏差，根据偏差状态之间的转化过程设计了最优偏差状态转化策略。对异号偏差状态和零距离偏差状态，方向角偏差将不断产生新的侧向距离偏差，采用式(22)尽快将方向角偏差消除到零，转化为零角度偏差状态和同号偏差II状态。此时根据式(18)计算的同步速度差控制量很小，不满足偏差消除过程的快速性要求，因此由式(20)向增大方向角偏差的方向调整速度差控制量，转化为同号偏差I状态。此时可根据式(18)计算同步消除两种路径偏差的速度差控制量，若控制量满足条件(15)的约束，将进入为无偏差跟踪状态；否则转化为异号偏差状态，再次进入偏差状态转化的循环过程。