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轮式AGV纯滚动转向系统设计与无侧滑转向控制研究
资料介绍
为了解决前轮导向AGV的车轮侧滑问题,基于Ackermann转向原理设计了一种变长连杆的双曲柄转向系统。通过推导转向动力学模型,建立了考虑转向阻力矩的左、右前轮转向角闭环控制模型,提出了左、右前轮转向角PID同步控制算法,利用Matlab仿真转向控制模型的动态响应,获得了相关控制参数。以松下PLC为核心,构建了由左前轮转向交流伺服电机、推杆伺服电机、驱动器和编码器组成的AGV转向测控系统,设计了前轮转向系统同步闭环控制流程,实现了满足纯滚动转向原理的左、右前轮转角实时同步控制及转角信息采集。草地路面原地转向及硬质路面S型轨迹转向行驶试验表明,前轮导向AGV转向系统的左、右前轮期望转角与实际转角误差小于0.1°,AGV转向系统近似满足车轮纯滚动无侧滑运动条件,验证了轮式AGV纯滚动转向系统设计和转向控制的正确性与有效性。
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4
农 业 机 械 学 报
49
4
卷 第 期
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2018． 04． 003
AGV
轮式
纯滚动转向系统设计与无侧滑转向控制研究
1，2
3
3
3
1
谢永良
尹建军 贺 坤 余承超 胡旭东
( 1．
，
浙江理工大学机械与自动控制学院 杭州
310018; 2．
，
浙江经济职业技术学院物流技术学院 杭州
310018;
3．
，
江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室 镇江
212013)
:
摘要 为了解决前轮导向
AGV
， Ackermann
的车轮侧滑问题 基于 转向原理设计了一种变长连杆的双曲柄转向系
。
， 、 ， 、
通过推导转向动力学模型 建立了考虑转向阻力矩的左 右前轮转向角闭环控制模型 提出了左 右前轮转向
统
PID ， Matlab ， 。 PLC
同步控制算法 利用 仿真转向控制模型的动态响应 获得了相关控制参数 以松下
，
为核心 构建
角
、 、
了由左前轮转向交流伺服电机 推杆伺服电机 驱动器和编码器组成的
AGV
，
转向测控系统 设计了前轮转向系统
， 、 。
同步闭环控制流程 实现了满足纯滚动转向原理的左 右前轮转角实时同步控制及转角信息采集 草地路面原地
S ，
转向及硬质路面 型轨迹转向行驶试验表明 前轮导向
AGV
、
转向系统的左 右前轮期望转角与实际转角误差小于
0. 1°，AGV
，
转向系统近似满足车轮纯滚动无侧滑运动条件 验证了轮式
AGV
纯滚动转向系统设计和转向控制的正
。
确性与有效性
: ; ; ;
关键词 轮式自动导引车 纯滚动转向系统 转向动力学 无侧滑转向控制
+
: TP242. 3; S229 . 1
: A
: 1000-1298( 2018) 04-0027-09
文章编号
中图分类号
文献标识码
Pure Rolling Steering System Design and Research on
Non-sideslip Steering Control for Wheeled AGV
1，2
3
3
3
1
XIE Yongliang
YIN Jianjun HE Kun YU Chengchao HU Xudong
( 1． School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China
2． Logistic Technology Department，Zhejiang Technical Institute of Economics，Hangzhou 310018，China
3． Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education，Jiangsu University，
Zhenjiang 212013，China)
Abstract: Aiming to eliminate the wheel sideslip of the front wheel guided AGV，a kind of double crank
steering system with changing length link was designed based on the steering principle of Ackermann． By
deducing steering dynamics models，closed loop control models of rotation angle of left and right front
wheels were established in consideration of steering resisting moment． PID synchronous control algorithm
of steering angle of left and right front wheels was proposed． The dynamic responses of steering control
models were simulated by Matlab，and the relative control parameters were obtained． With Panasonic
PLC as the core，a measurement and control system of AGV steering was built up，which consisted of AC
servo motor of left front wheel，AC servo motor of push rod，actuator and encoder． Synchronous closed
loop control flow of front wheel steering system was designed，and real-time synchronous control of
rotation angle of left and right front wheels and the collection of rotation angle data were realized to meet
the principle of pure rolling steering． Pivot steering test on grassland roadway and turning travel test of
AGV along S-type trajectory under hard roadway showed that the errors between expected turning angle
and actual turning angle of left and right front wheels of steering system of front wheel guide AGV were no
more than 0. 1°，and AGV steering system can approximately satisfy the movement condition of pure
rolling and non-sideslip，which validated the correctness and effectiveness of pure rolling steering system
design of wheeled AGV and steering control．
Key words: wheeled AGV; pure rolling steering system; steering dynamics; non-sideslip steering control
: 2017-12-07
: 2018-01-22
修回日期
收稿日期
:
基金项目 国家自然科学基金项目
( 51475212)
: ( 1972—) ， ， ， ，
作者简介 谢永良 男 博士生 浙江经济职业技术学院讲师 主要从事农业机器人和物流工程研究
，E-mail: 564059974@ qq． com
，E-mail: yinjianjun@ ujs． edu． cn
:
通信作者 尹建军
( 1973—) ， ， ， ，
男 研究员 博士 主要从事特种收获机械集成设计和采收机器人研究
28
2 0 1 8
年
农
业
机
械
学
报
L'———
、
前 后轮轴距
W———
轮距
式中
0
引言
———
———
右前轮转角
φ
左前轮转角
φ
L
R
( Automated guided vehicle，
AGV ，
直线前进方向为计量基准 左
轮式 自 动 导 引 车
φ 和 φ 以
L R
AGV)
，
属于移动机器人的范畴 目前已广泛应用于
， 。
转时取正值 右转时取负值
、 。
车间物料运输 仓储物流等领域 农用轮式
AGV
主
、 、 、 、
要作为果实套袋 采摘 搬运 施药 田间信息探测的
， 、
移动式搭载平台 为减少劳动力 提高生产效率提
。
供有效的解决方案 而轮式
AGV
转向系统设计与
AGV
，
行驶性能 如何实现纯滚动
控制水平直接决定
、 、 、
转向 消除车轮侧滑 降低车轮磨损 精准完成预定
， ，
路径跟踪与导航任务 适应作业场地行驶要求 成为
［1 － 8］
。
国内外众多学者的研究重点
［9］
MITCHELL
等
运用数学方法对传统转向梯形
进行分析 指出转向梯形机构只能在较小转向角度
Ackermann
，
。
范 围 内 近 似 符 合
转 向 定 理
将差分机构
，
［10］
［11］
CARCATERRA
PRAMANIK
及
等
1
AGV
纯滚动转向几何机构图
图
轮式
或曲柄摇杆机构运用到转向六杆机构中 改善了转
Fig． 1 Pure rolling steering geometry structure of
wheeled AGV
，
向机构操控能力 在小转向角范围内转向误差较小
，
。
但伴随转向角增大转向误差也随之上升 刘宏新
［12］
AGV
W/L = 0. 4
，
时 由式
( 1)
可
本设计的
底盘
，
设计了一种无侧滑转向传动装置 该装置可以
等
［13］
AGV
、 ，
转向时左 右前轮的理想转角关系曲线 如
得
。
在行驶过程中自动校正转向轮 冯永伟等 设计
2
。
所示
图
，
了一种五杆转向机构 使车轮在转向过程中近视符
［14］
，
。
合纯滚动条件 但未见应用报道 张京等 针对田
间作业环境设计了一种农用轮式机器人四轮独立转
AGV
，
向驱动控制系统 但未考虑轮式
在田间的转向
。
载荷问题
，
本文面向温室道路和果园草地行驶应用需求
AGV
，
针对前轮导向
存在车轮侧滑问题 设计一种基
AGV
纯滚动转向系
Ackermann
于
转向原理的轮式
。
，
通过建立转向动力学模型 提出考虑转向阻力
统
，
矩的无侧滑转向控制模型 结合控制算法仿真与转
2
AGV
、
图
左 右前轮的理想转角关系曲线
Fig． 2 Ideal rotation angle relationship curve between
left and right front wheels of AGV
，
AGV
向试验 验证
方法的正确性和有效性 以期为轮式
果园应用和轮式拖拉机等前轮导向车辆的转向系统
纯滚动转向系统设计和转向控制
，
AGV
在温室或
2 ，
由图 可知 在 φ
=［－ 60°，60°］，AGV
转向
L
。
设计提供参考
(
机构外侧车轮转角始终小于内侧车轮转角 内外侧
1
AGV
纯滚动转向系统设计
轮式
) ，
以瞬心相对位置进行度量 才能满足式
( 1)
约束的
， 、
几何关系 左 右前轮转角关系曲线关于直线 φ
=
L
1. 1
转向几何分析
［16］
－
。
，2
随着内侧车轮旋转角的增大 个转
φ 对称
R
1 ，
如图 所示 轮式
AGV
的转向机构为双曲柄机
，BC
， 。
向轮的转角差异也越大 呈非线性变化 若要保证
，AB、CD
。
为受控变长连杆
构
为等长转向曲柄
( 1)
， ，
成立 转向过程的任意时刻 必须精准改变连
式
O ，
为了实现各车轮绕 点作纯滚动而不发生侧滑 则
。
杆长度来满足转向轮的转角约束
1. 2
转向机构设计
2
个转向轮的瞬时旋转中心必须要汇聚在后轮轴线
［15］
。
Ackermann
，
φ 与 φ 的转角
R
上
根据
转向定理
L
3 ，
如图 所示 设计的纯滚动转向系统主要由转
关系为
、
向双曲柄机构 左前轮转向伺服电机
、NMRV
减速
W
cot － cot
φ
L
=
φ
R
( 1)
、 ，
机 转向轮竖轴编码器和车架组成 其中转向双曲柄
L'
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