一種差速驅(qū)動(dòng)小車曲線行走方法

摘要：為了讓電磁屏蔽效能自動(dòng)測試裝置能夠在屏蔽室中按照已給定的路徑運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種開環(huán)控制的兩輪差速驅(qū)動(dòng)小車，對其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，并采用雙圓弧擬合曲線方法使小車實(shí)現(xiàn)按照給定曲線行走。通過大量運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用該方法控制小車能保證小車在行進(jìn)3 m范圍內(nèi)橫向和縱向的偏差小于30 mm，可以滿足系統(tǒng)的需要。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了該方法的適用范圍，以及進(jìn)一步減少誤差的思路。
關(guān)鍵詞：差速驅(qū)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)控制；固定路徑；曲線行走

0 引言
自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle，AGV)是一種可以移動(dòng)的具有一定智能的自主或半自主工作的機(jī)器人，在現(xiàn)代物流倉儲(chǔ)、柔性制造、軍事領(lǐng)域和危險(xiǎn)環(huán)境下的作業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
有很多學(xué)者對自動(dòng)導(dǎo)引車的導(dǎo)引及控制方式進(jìn)行了研究，大多數(shù)采用編碼器、陀螺儀、測距傳感器等對機(jī)器人進(jìn)行位姿檢測、路徑跟蹤，進(jìn)而對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)控制，然而在一些對電磁干擾要求較高或者周圍環(huán)境復(fù)雜的特殊場合有一定的局限性。
本文設(shè)計(jì)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)小車作為電磁屏蔽效能自動(dòng)測試裝置的移動(dòng)平臺來使用。由于系統(tǒng)對測試裝置電磁兼容要求較高，并且由于屏蔽室內(nèi)存在大量錐形吸波材料、波導(dǎo)窗、波導(dǎo)管等造成測試環(huán)境相對復(fù)雜，因而提出一種車身不裝傳感器的差速驅(qū)動(dòng)輪式小車結(jié)構(gòu)，并且能在一定精度范圍內(nèi)進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)，在低成本、電磁兼容要求高及復(fù)雜環(huán)境中具有較大的應(yīng)用空間。

1 小車驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)
兩輪差速驅(qū)動(dòng)小車常采用的幾種驅(qū)動(dòng)方式示意圖如圖1所示，圖中有剖面線的長方形表示由電機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)輪，小圓圈表示全向自由輪或球形輪，主要起輔助支撐作用。其中圖1(a)為三輪式差速驅(qū)動(dòng)，圖1(b)，圖1(c)為帶有附加接觸點(diǎn)的四輪式差速驅(qū)動(dòng)。圖1(d)為六輪式差速驅(qū)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)選用方案(c)，這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是小車旋轉(zhuǎn)半徑理論上可以從0到無限大，可以原地回轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)靈活性好，同時(shí)四輪結(jié)構(gòu)相對三輪結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力和較好的平穩(wěn)性。缺點(diǎn)是由于四點(diǎn)著地，如果地面不夠平整，有可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪被架空的情況，導(dǎo)致小車無法正常運(yùn)動(dòng)。為了保證四個(gè)輪子與地面的可靠接觸，在前后支撐輪增加了緩沖機(jī)構(gòu)。
差速驅(qū)動(dòng)小車作為電磁屏蔽效能自動(dòng)測試裝置的移動(dòng)平臺，測試裝置對小車定位精度要求較高，而對于運(yùn)動(dòng)速度要求不高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，能迅速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)，停止時(shí)能鎖死。因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的輸出經(jīng)過減速器傳遞，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器連接到小車的驅(qū)動(dòng)輪上，小車平臺與驅(qū)動(dòng)輪通過滾珠軸承連接。步進(jìn)電機(jī)選用42BY250C二相混合式步進(jìn)電機(jī)，額定靜轉(zhuǎn)矩為0．54 N·m，配套驅(qū)動(dòng)器為SH-20403型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，減速器選用減速比為9的PS40003型行星齒輪減速器。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及建模
圖2是兩輪差速轉(zhuǎn)向AGV的結(jié)構(gòu)示意圖(圖中僅畫出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪)。O1，O2分別是左、右驅(qū)動(dòng)輪的輪心，輪間距O1O2為l，C為O1O2的中心。xOy為大地坐標(biāo)系，V1，V2及VC分別為左、右驅(qū)動(dòng)輪及車體中心C點(diǎn)的速度。假設(shè)C在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x，y)，則AGV的姿態(tài)角用VC與x軸的夾角θ(規(guī)定逆時(shí)針時(shí)為正)表示，則向量(x，y，θ)表示AGV在大地坐標(biāo)系xOy中的位姿。