本發(fā)明屬于自動(dòng)運(yùn)輸引導(dǎo)車(chē)（agv）控制領(lǐng)域，具體涉及一種五軸重載agv的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法及系統(tǒng)，其適于集成原地轉(zhuǎn)向模式與后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式的多軸車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制。

背景技術(shù)：

1、由于滾裝船（roro船）船內(nèi)環(huán)境惡劣，車(chē)輛碼放空間狹小，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛的精度要求高。因此使用自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)輛（agv）代替人工轉(zhuǎn)運(yùn)貨物已逐漸成為主流，對(duì)建設(shè)綠色智能的無(wú)人化港口具有重要意義。

2、當(dāng)前技術(shù)存在以下亟待解決的缺陷：

3、1.結(jié)構(gòu)冗余問(wèn)題“”現(xiàn)有原地轉(zhuǎn)向技術(shù)普遍采用全輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向架構(gòu)，導(dǎo)致每個(gè)輪組均需配置高精度轉(zhuǎn)向電機(jī)，造成系統(tǒng)質(zhì)量增加28%以上且制造成本顯著上升；

4、2.?力學(xué)耦合缺陷：由于滾裝船爬坡工況的特殊需求，后輪需集成大扭矩驅(qū)動(dòng)單元（載荷占比＞60%），當(dāng)采用前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向模式時(shí)，在中低速域（0.5-5m/s）易引發(fā)橫擺力矩失衡，導(dǎo)致軌跡跟蹤誤差超過(guò)15mm；

5、3.智能決策缺失：現(xiàn)有系統(tǒng)缺乏場(chǎng)景自適應(yīng)決策邏輯，在不同轉(zhuǎn)向場(chǎng)景需求中，依賴(lài)人工干預(yù)操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中多輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，橫擺力矩易失衡，軌跡跟蹤誤差大，轉(zhuǎn)向模式切換邏輯粗暴等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種五軸重載agv的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法，通過(guò)阿克曼幾何修正模型、差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、五軸車(chē)輪差速協(xié)同控制及場(chǎng)景決策方法，實(shí)現(xiàn)低速場(chǎng)景的原地轉(zhuǎn)向功能與中高速場(chǎng)景的低滑移運(yùn)動(dòng)控制。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、作為本發(fā)明的第一方面，提供一種五軸重載agv的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法，所述五軸重載agv為五軸十輪結(jié)構(gòu)，所述五軸重載agv的第一、二、三、四軸均為前軸，第一軸至第四軸采用固定方向輪，分別由單獨(dú)的輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；所述五軸重載agv的第五軸為后軸，第五軸配備轉(zhuǎn)向電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)后輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向角調(diào)節(jié)；其特征在于，所述雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法包括以下步驟：

4、s1.獲取五軸重載agv的狀態(tài)信息，包括車(chē)速v、路徑軌跡曲率k、障礙物距離d；

5、s2.根據(jù)步驟s1獲取的狀態(tài)信息，判定場(chǎng)景工況，根據(jù)場(chǎng)景工況決策出五軸重載agv轉(zhuǎn)向模式，并將轉(zhuǎn)向模式切換命令發(fā)送給底層控制器；所述轉(zhuǎn)向模式包括原地轉(zhuǎn)向模式和后輪主動(dòng)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向模式；所述底層控制器用于進(jìn)行輪轂電機(jī)及轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制；

6、s3.底層控制器根據(jù)步驟s2發(fā)送的轉(zhuǎn)向模式切換命令和所述步驟1規(guī)劃路徑的路徑軌跡曲率信息，計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向模式下五軸重載agv各輪所需的線速度和角速度，生成運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

7、s4.將步驟s3生成的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為參考控制量發(fā)送至底層控制器，底層控制器利用imu反饋和pid控制方法實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)五軸重載agv進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制。

8、進(jìn)一步地，所述步驟s2包括：

9、s21.將車(chē)速v與路徑軌跡曲率k進(jìn)行信息融合，判定五軸重載agv的場(chǎng)景工況，所述場(chǎng)景工況包括低速場(chǎng)景工況和中高速場(chǎng)景工況；

10、s22.?進(jìn)行五軸重載agv轉(zhuǎn)向模式?jīng)Q策：

11、如果五軸重載agv處于低速場(chǎng)景工況，則決策出五軸重載agv進(jìn)入原地轉(zhuǎn)向模式，向底層控制器發(fā)出原地轉(zhuǎn)向模式切換命令；

12、如果五軸重載agv處于中高速場(chǎng)景工況，則決策出五軸重載agv進(jìn)入后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式，向底層控制器發(fā)出后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式切換命令；

13、當(dāng)障礙物距離d<安全閾值，則決策出五軸重載agv進(jìn)入后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式，向底層控制器發(fā)出后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式切換命令。

14、進(jìn)一步地，所述步驟s21中的場(chǎng)景工況判定條件為：

15、當(dāng)車(chē)速v<0.5m/s且路徑曲率κ>1.0m-1，則五軸重載agv處于低速場(chǎng)景工況；

16、當(dāng)車(chē)速0.5m/s<v5.6m/s(20km/h)且路徑曲率κ<1.0m-1，則五軸重載agv處于中高速場(chǎng)景。

17、進(jìn)一步地，所述步驟s3中，當(dāng)?shù)讓涌刂破魇盏皆剞D(zhuǎn)向模式切換命令，則運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程為：

18、將五軸重載agv第五軸車(chē)輪轉(zhuǎn)向角置為0°；

19、將原地轉(zhuǎn)向橫擺角速度ω設(shè)置為0.3rad/s；

20、根據(jù)規(guī)劃路徑的路徑轉(zhuǎn)向方向，將靠近路徑方向的車(chē)輪置為正轉(zhuǎn)，將遠(yuǎn)離路徑轉(zhuǎn)向方向的車(chē)輪置為反轉(zhuǎn)；

21、靠近轉(zhuǎn)向方向的車(chē)輪速度vneari=，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向方向的速度vfari=-，其中，i代表五軸重載agv的第i軸，w代表同軸輪距；

22、計(jì)算各車(chē)輪角速度ωi=2vi/w，再將速度轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速ni，向底層控制器發(fā)出執(zhí)行命令；

23、通過(guò)速度場(chǎng)合成驗(yàn)證五軸重載agv此時(shí)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證公式為：

24、平動(dòng)平衡驗(yàn)證：；

25、轉(zhuǎn)動(dòng)平衡驗(yàn)證：

26、其中，為輪速，指質(zhì)心與運(yùn)動(dòng)點(diǎn)間的位置矢量，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量i=，w代表同軸輪距；當(dāng)某輪失效時(shí)，其同軸輪補(bǔ)償輪速輸出維持總的角動(dòng)量保持不變。

27、進(jìn)一步地，所述步驟s3中，

28、當(dāng)?shù)讓涌刂破魇盏胶筝喼鲃?dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向模式切換命令，則運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程為：

29、根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，由總軸距l(xiāng)、輪距w和當(dāng)前最小轉(zhuǎn)彎半徑r求取后輪轉(zhuǎn)向角δ；用當(dāng)前路徑曲率κ表示最小轉(zhuǎn)彎半徑r，r=1/κ；同時(shí)，忽略輪距w；

30、后輪轉(zhuǎn)向角計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：

31、

32、式中，l為總軸距，κ為當(dāng)前路徑曲率；

33、引入三次項(xiàng)修正公式δ'=δ+kδ3

34、式中，k為滑移抑制系數(shù)；由此得出后輪轉(zhuǎn)角δ'；

35、其他驅(qū)動(dòng)輪車(chē)速根據(jù)其到轉(zhuǎn)向中心o的距離動(dòng)態(tài)分配：

36、對(duì)于外側(cè)輪，=（1+di*κ）；

37、對(duì)于內(nèi)側(cè)輪，=（1-di*κ）

38、其中，為第i輪與轉(zhuǎn)向中心o的橫向偏移量，κ為當(dāng)前路徑的曲率半徑，為輪速，為參考車(chē)速，r為理論轉(zhuǎn)彎半徑。

39、進(jìn)一步地，所述步驟s4中，利用電機(jī)傳感器和imu實(shí)時(shí)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，反饋給底層控制器，底層控制器利用pid控制方法，在產(chǎn)品量產(chǎn)前調(diào)整好p、i參數(shù)，根據(jù)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速差和后輪轉(zhuǎn)角差δδ調(diào)整輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得控制量跟蹤參考控制量。

40、作為本發(fā)明的第二方面，提供一種五軸重載agv的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制系統(tǒng)，其用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法，所述雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制系統(tǒng)包括：

41、狀態(tài)信息檢測(cè)模塊，用于獲取五軸重載agv的狀態(tài)信息，包括車(chē)速v、路徑軌跡曲率k、障礙物距離d；

42、決策模塊，用于根據(jù)五軸重載agv的狀態(tài)信息判定場(chǎng)景工況，根據(jù)場(chǎng)景工況決策出五軸重載agv轉(zhuǎn)向模式，并將轉(zhuǎn)向模式切換命令發(fā)送給底層控制器；

43、底層控制器，用于根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)向模式切換命令和五軸重載agv的狀態(tài)信息，計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向模式下五軸重載agv各輪所需的線速度和角速度，生成運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為參考控制量，調(diào)整轉(zhuǎn)向電機(jī)和輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制。

44、進(jìn)一步地，所述狀態(tài)信息檢測(cè)模塊包括：

45、輪轂電機(jī)編碼器，用于實(shí)時(shí)獲取五軸重載agv車(chē)速；

46、路徑規(guī)劃模塊，用于輸出規(guī)劃路徑并獲取路徑軌跡曲率；

47、障礙物感知模塊，用于檢測(cè)障礙物距離。

48、進(jìn)一步地，所述底層控制器包括運(yùn)動(dòng)計(jì)算模塊，用于計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向模式下五軸重載agv各輪所需的線速度和角速度，生成運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)是：

50、本發(fā)明針對(duì)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制效果與轉(zhuǎn)向功能成本等需求，提供一種五軸重載agv的雙模式轉(zhuǎn)向協(xié)同控制方法，其可根據(jù)車(chē)輛目前所處場(chǎng)景，切換轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制模式，利用不同的運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)在靜止（極低速）場(chǎng)景的原地轉(zhuǎn)向功能和需求，在中低速場(chǎng)景，利用后輪主動(dòng)協(xié)同轉(zhuǎn)向功能實(shí)現(xiàn)小曲率時(shí)的轉(zhuǎn)向，減少橫向誤差。同時(shí)本方法減少了轉(zhuǎn)向電機(jī)數(shù)量，節(jié)省了制造成本和運(yùn)輸成本，符合我國(guó)港口運(yùn)輸綠色智能的要求。