基于纯滚动转向的采摘机器人轮式AGV系统设计与试验研究

摘要

采摘机器人作为农业机器人的一种，有着广泛的应用，它是一种可以完成果蔬采摘、输运等任务的柔性自动化机械系统。AGV（Automated Guided Vehicle）作为采摘机器人的导引平台,辅助采摘机器人进行田间作业，因此，为了确保采摘机器人平稳运行并能自主导航，对AGV系统进行研究有重大的理论意义和经济价值。
　　本文以果蔬采摘机器人项目为背景，结合国内外农业机器人导航系统和行走系统的发展历史及现状，对AGV研究过程中的关键问题及解决方法进行了讨论。在此理论基础上，设计了一套完整的轮式AGV系统，辅助果蔬采摘机器人完成自主化采摘和运输任务。本论文的主要研究工作如下：
　　首先，本文比较了各种导航方式优缺点，选择轮式AGV的导引方式为磁带导引。在此基础上，分析了不同轮系结构和轮系布局的特点，选择两前轮转向、两后轮差速驱动的布局方式，并针对传统梯形转向机构的轮式AGV在转向过程中存在的横向滑移和轮胎磨损现象，设计了一种纯滚动转向装置，利用电动推杆实时改变前轮转向机构中的横拉杆长度，使行走装置符合阿克曼运动模型，转向轮在地面做纯滚动运动。
　　其次，构建了轮式AGV控制系统，包括电源模块、PLC控制器模块、驱动模块、障碍物距离检测模块和磁导航传感器模块。针对路径跟踪过程中传统单磁导引技术不能测量出AGV角度偏差，从而产生了纠偏方向不确定性的问题，搭建了双磁导航传感器系统。根据建立的纯滚动转向和差速驱动运动学模型以及磁导航传感器工作特性，以PID控制为控制原则，设计了相应的路径跟踪算法，根据反馈的当前位置和角度偏差作为PID控制器的输入，前轮期望转角和车体期望速度作为输出，并对该算法进行仿真分析，验证了双磁导引传感器系统设计的合理性和路径跟踪算法设计的有效性。
　　最后，通过FPWIN Pro软件对轮式AGV系统功能进行程序设计，并进行硬软件联合调试，利用样机设计并进行了纯滚动转向、差速驱动、最小转弯半径和圆曲线路径跟踪试验。试验表明，瞬心点偏距PP′最大误差为5.17mm，该AGV行驶过程中车身无抖动现象，且无横向摩擦引起的噪音，转向过程顺畅；圆曲线路径跟踪过程中，纠偏方向判断准确，实际运行轨迹与预设轨迹的最大误差为0.009m，误差小于1cm，路径跟踪效果良好。