AGV系统结构设计以及动力学建模型

2.AGV系统结构设计以及动力学建模型

内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现

动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。

2.1 AGV系统结构设置

所设计的AGV小车的模型如图2.1所示。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横

轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。

1.蓄电池组

2. 伺服交流电动机

3. 激光扫描仪

4. 车载控制器

5. 无线通讯装置

6. 伺服交流电动机

7. 减速器

8. 驱动车轮

图2.1 AGV小车的模型图

由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。

2.2 AGV小车的动力学建模

自从 A G V问世以来，人们在自动导引车的控制过程中一般满足于基于运动学的控制模型，而很少有人进行基于动力学的控制设计等方面的内容。事实表明，根据AGV车体动力学模型，可以得到直接的电机输入与行走、导向车轮转速的非线性的耦合关系，将对指导车体机械结构设计、路径规划以及合理的路径跟踪控制规律设计有重要而且深远的意义。

由于 A G V在实际问题中有较严格地面要求的环境中运动，车速较低，限定了加速度的问题，而不会发生明显的车体“上跳”运动的现象出现，故可以在二维空间来研究其动力学模型。现以我以后轮为电机带动齿轮来实现动力驱动的方式传达力矩，前轮则为由电机直接带动轴的转动从而达到转动的方式来实现转向的AGV为例建立动力学模型。

AGV由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、超声探障保护子系统、移载装置和车体方位计算子系统等等组成。

“智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常监控器可完成以下监控:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些

AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后路原道返问到导引路径上来

根据上述的介绍，我们可以不难看出同步行进的四轮 AG V机械结构分为以下几个部分:

车体部分：包括车架、蓄电池、驱动电机、转向电机和齿轮减速机构等，车体受到由后轮传动来的驱动力和前轮的反作用力的作用。

驱动后轮：所受的外力可能有两部分组成。一部分是地面的作用力：另一部分是来自车体给于的外力。其中这部分力包括自身的支撑反力和电机产生的等效驱动力矩等。通过齿轮改变转速来调节速率可以得到不用的转速，从而改变AGV的的运动行进方向，已经更好的做到预定的线路跟踪。

前轴和连轴：起到支撑作用，同时车轮和竖轴是同轴的，前轮的转动有地面给于的摩擦力也有电机传递的力矩。

2.2.1 车体运动建模

车体受力的示意图见图2.2。图中L 、A 为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的R 、B 为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体在L 、R 、A 、和B 处分别是受到图示沿X 、Y 方向的阻力和沿Z 方向的扭矩。C 则为车体的重心，通过C 建立起瞬时惯性坐标系O-XYZ,X 轴则平行于L=R 的连线，Z 轴垂直于车体的平面。212121c c a a b b 、、、、、为车体集合参数，x v w y 、v 和分别表示的是车体质心的X 向、Y 向的速度和Z 向的角速度。

在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下： c x AX BX LX RX m v F F F F =+++ (2.1) c y AY BY LY RY m v F F F F =+++ (2.2)

11c AZ BZ RZ AX AY j w M M M F b F c =----- 122122BX BY LX LY RX RY F b F c F b F a F b F a -++-++ (2.3)

上面式子中c c m j 和分别为车体质心的质量和转动惯量。车体的前轮A 、B 处的运动方程为

1AX x v v b w =-

（2.4）

1AY y v v c w =-

（2.5）

1BX x v v c w =-

（2.6）

2BY y v v c w =+

（2.7）

211AX x v v b w c w =-+

（2.8）

211AY y v v c w b w =--

（2.9）

212BX x v v b w c w =--

（2.10）

221BY y v v c w b w =+-

（2.11）

车体L 和R 处运动的方程为：

2LX x v v b w =+

（2.12）

1LY y v v a w =-

（2.13）

221LX x v v b w a w =++

（2.14）

212LY y v v a w b w =-+

（2.15）

2RY x v v b w =+

（2.16）

2RY x v v a w =+

（2.17）

222RX x v v b w a w =+-

（2.18）

222RY y v v a w b w =++

(2.19)

2.2.2 驱动后轮的运动建模

左后轮受力图见图2.3所示，图中瞬时惯性坐标系L-L L L Z Y X 与图2.2的方向是一致的，可以认为是由O-XYZ 平移到L 点从而形成的坐标系，2.2Lx Ly Lz LX LY LZ F M F F M 、F 、与图中的、、相对应，他们是车体与左轮之间大小

相等方向相反的作用力（力矩）和反作用力（力矩）。L M 是驱动电机经过齿