CN107272693B - 基于全向车与装配工位自动对接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全向车与装配工位自动对接系统及方法，属于自动化物流和装配技术领域。本发明具有以下有益效果：1)采用激光位移传感器实时测量车体前端姿态，不断调整车体运动完成自动对接，能够实现高精度自动对接，控制精度左右和偏移值在0.5mm内，相比其他对接方案稳定可靠。2)相比人工手动对接，自动对接时间短，效率高，空载对接小于1分钟，满载对接时间小于2分钟。3)激光位移传感器成本低、体积小，安装方便。4)应用在自动化装配生产中，提高了自动化水平和效率，降低了劳动时间。

Description

基于全向车与装配工位自动对接系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化物流和装配技术领域，具体涉及一种基于全向车与装配工位自动对接系统及方法。

背景技术

国内航天产品车间总装装配生产线处于起步阶段，产品及零部件转运仍以人工为主，如小推车转运、天车转运等，需要多人操作且具有一定危险性，随着自动化装配和物流技术的不断发展，智能物流转运成为自动化装配的重要组成环节，不再需要多人协同转运，产品零部件在不同厂房之间、不同工位之间自主转运。因此发展自动化装配技术是现在智能制造的一个最重要的部分，装配自动化检测技术、装配数字化定位技术和装配自主转运技术是自动化装配的技术关键。

目前AGV自主转运技术比较成熟，但是应用在总装装配生产中并且与工位能够高精度低成本自动对接的技术还没有成熟的案例。AGV车携带托架与工位自动对接目前有几种解决方案，第一种方案是采用机械导向自动对接，AGV车底端安装导向块，地面安装导向孔，并且前端安装两个导向销，通过导航辅助控制使AGV车导向块进入导向孔内，此方案缺点是施工难度大，控制精度依靠机械导向，无法保证车体前端导轨与工位导轨对齐。第二种方案采用高精度测量设备如激光跟踪仪或高速视觉测量进行自动对接，其精度满足对接要求，但是缺点是成本高，测量复杂。

因此，研究自动对接技术不仅精度上要满足技术的要求，而且成本、安装方便等因素也是制约自动化装配技术的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何采用低成本实现高精度全向车与装配工位的自动对接功能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于全向车与装配工位自动对接系统，包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器，车体运动控制系统、上位机中控系统和车体驱动系统，其中第一、第二激光位移传感器分别安装在全向车前端两侧，一侧一个，检测方向为车体前进方向，第三激光位移传感器安装在车体前端中心位置，检测方向为车体横向方向，装配工位下方安装三个挡板，第一、第二、第三激光位移传感器检测到自身到对应挡板的距离分别为d₁、d₂和d₃，其中车体运动控制系统用于接收第一、第二、第三激光位移传感器检测到的距离信息并实时控制四个车轮电机的动作，其中上位机中控系统用于调度全向车自主转运及自动对接，其中车体驱动系统包括四个伺服驱动器和四个伺服电机，车体运动控制系统与四个伺服驱动器连接，伺服驱动器各自与一伺服电机一对一地连接，车体运动控制系统发送运动指令给伺服驱动器，伺服驱动器根据指令按照给定速度和方向驱动伺服电机转动。

优选地，还包括对接过载报警系统，用于实时采集四个伺服电机的电流，并把电流信号传输到车体运动控制器中，当车体运动控制器根据电流信号判断出现对接后过载时，车体运动控制器释放电机使能，自动停止对接运动程序。

优选地，所述车体运动控制系统通过无线通信模块接收第一、第二、第三激光位移传感器检测到的距离信息。

本发明还提供了一种利用所述的系统进行基于全向车与装配工位自动对接的方法，包括以下步骤：

通过上位机中控系统设定全向车起点和终点，全向车携带车架进行自主导航转运，当到达装配工位区域时，全向车开始减速，同时自动对接系统实时监测前方和横向距离，当第一、第二激光位移传感器检测前方距离d₁和d₂分别为100mm时，车体停止运动，开始与装配工位自动对接，车体运动控制系统通过三个激光位移传感器的测量值计算得到Δd＝d₁-d₂，为车体前端左右偏转误差，计算得到Δd₁＝d₃-d₄，为车体前端左右横向偏移误差，其中d₄＝100mm为横向设定值，把Δd和Δd₁作为测量偏差值分别进行PID控制，原理是：首先，车体进行原地调节姿态，以把Δd和Δd₁值同时控制在±2mm内，原地调节分为以前端为中心旋转调节和横向移动调节，二者调节顺序可以互换，所述以前端为中心旋转调节为：当Δd>2mm或Δd<-2mm时，设定以车架前端中心点为转弯原点进行旋转，预设车体绕转弯原点旋转时的车体后端车轮角速度的值，并根据公式(1)计算车体绕转弯原点旋转时的车体前端车轮角速度：

ω_i/ω_k＝(H-W-L)/(-(H+W+L)) (1)

其中ω_i为前端两个车轮角速度，ω_k为后端两个车轮角速度，H为车体中心到旋转点的距离，W为车体中心到车轮中心横向距离，L为车体中心到车轮中心纵向距离；所述横向移动调节为：当Δd₁>2mm或Δd₁<-2mm时，令车体前进速度v_y＝0，车体自转角速度ω＝0，根据左右偏移误差值Δd₁进行车体横向速度v_x的调节，调节车体横向位移；以上原地调节保证了左右横移偏差和左右偏转偏差小于2mm；然后，在车体进行向前移动时进行实时姿态的模糊PID调节，以保证Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内，此过程中令车体前进速度v_y＝0.05m/s，根据Δd的值对车体自转角速度ω进行调节，根据Δd₁的值对车体横向速度v_x进行调节，调节过程中实时计算车轮角速度如公式(2)所示：

其中ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为前左、前右、后左、后右车轮的角速度，车轮半径为r，车体中心到车轮中心的前后距离为l_y，车体中心到车轮中心横向距离为l_x，通过实时计算得到的不同的车轮的角速度值来实时调节车体姿态，当调节到Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内时把当前的四个车轮的角速度值发送到车轮驱动系统中，进而控制车体运动；当第一、第二激光位移传感器测量到前方距离变为70mm时，车体减速停止，车架与装配工位接触，完成自动对接任务。

优选地，所述全向车携带的车架为7m车架。

(三)有益效果

本发明具有以下有益效果：

1)采用激光位移传感器实时测量车体前端姿态，不断调整车体运动完成自动对接，能够实现高精度自动对接，控制精度左右和偏移值在0.5mm内，保证产品能够顺利通过，相比其他对接方案稳定可靠。

2)相比人工手动对接，自动对接时间短，效率高，空载对接小于1分钟，满载对接时间小于2分钟。

3)激光位移传感器成本低、体积小，安装方便。

4)应用在自动化装配生产中，提高了自动化水平和效率，降低了劳动时间。

附图说明

图1是本发明的自动对接系统原理图；

图2是本发明的自动对接控制系统原理图；

图3是本发明的控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的基于全向车与装配工位自动对接方案可应用在数字化脉动生产线、数字化柔性装配工作站中，作为智能物流配送的组成部分，能够完成全向车携带7m车架通过导航移动到装配工位对接区域，进行姿态调节，与装配工位进行自动对接。

本发明所述基于全向车与装配工位的自动对接系统是基于麦克纳姆轮全向车平台设计，该平台可以实现全方向自由移动，通过携带7m车架可以运载2.5t产品。当自动对接完成后产品可以通过支撑托架从车架移动到装配工位上；为了保证产品能够顺利移动，车架与装配工位导轨之间的左右偏转误差和横向误差小于±0.5mm。

本发明所述的装配工位用于零部件和产品的装配，装配工位上方安装导轨，支撑产品的多组托架在导轨上能够带动力移动，并且能够实现产品旋转。

本发明所述的自动对接系统包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器，车体运动控制系统、上位机中控系统、车体驱动系统，其中第一、第二激光位移传感器安装在车前端两侧，检测方向为车体前进方向，第三激光位移传感器安装在车体前端中心位置，检测方向为车体横向方向，装配工位下方安装三个挡板，第一、第二、第三激光位移传感器检测到自身到挡板的距离分别为d₁、d₂和d₃，其中车体运动控制系统用于接收第一、第二、第三激光位移传感器的检测到的距离信息并实时控制四个车轮电机的动作，其中上位机中控系统包括主控界面、无线通信模块，用于调度全向车自主转运及自动对接，其中车体驱动系统包括四个伺服驱动器和四个伺服电机，车体运动控制系统与四个伺服驱动器连接，伺服驱动器各自与一伺服电机一对一地连接，车体运动控制系统发送运动指令给伺服驱动器，伺服驱动器根据指令按照给定速度和方向驱动伺服电机转动。

本发明的基于全向车与装配工位自动对接的方法，包括以下步骤：通过上位机中控系统的主控界面设定全向车起点和终点，全向车携带7m车架进行自主导航转运，当到达装配工位区域时，全向车开始减速，同时自动对接系统实时监测前方和横向距离，当第一、第二激光位移传感器检测前方距离d₁和d₂为100mm时，车体停止运动，开始与装配工位自动对接，根据要求车体上端导轨与装配工位导轨左右横向精度为±0.5mm，左右偏转精度±0.5mm，车体运动控制系统通过测量值计算得到Δd＝d₁-d₂为车体前端左右偏转误差，Δd₁＝d₃-d₄为车体前端左右横向偏移误差，其中d₄＝100mm为横向设定值，把Δd和Δd₁作为测量偏差值分别进行PID控制，自动对接控制的原理是：首先，车体进行原地调节姿态，以把Δd和Δd₁值同时控制在±2mm内，原地调节分为以前端为中心旋转调节和横向移动调节，这两种调节动作执行顺序可以互换。以前端为中心旋转调节：当Δd>2mm或Δd<-2mm时，设定以车架前端中心点为转弯原点进行旋转，预设车体绕转弯原点旋转时的车体后端车轮角速度的值，并根据公式(1)计算车体绕转弯原点旋转时的车体前端车轮角速度：

ω_i/ω_k＝(H-W-L)/(-(H+W+L)) (1)

其中ω_i为前端两个车轮角速度，ω_k为后端两个车轮角速度，H为车体中心到旋转点的距离，W为车体中心到轮子中心横向距离，L为车体中心到轮子中心纵向距离。通过计算得出前后轮角速度之比为0.374，此时车体前端车轮角速度小于后端车轮角速度，这样可以保证车体前端摆动幅度小，易于偏转精度控制；横向移动调节：当Δd₁>2mm或Δd₁<-2mm时，令车体前进速度v_y＝0，车体自转角速度ω＝0，根据左右偏移误差值Δd₁进行车体横向速度v_x的调节，调节车体横向位移；以上原地调节最终保证左右横移偏差和左右偏转偏差小于2mm；其次，车体进行缓慢向前移动同时进行实时姿态的模糊PID调节，以保证Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内，此过程中令车体前进速度v_y＝0.05m/s，根据Δd的值对车体自转角速度ω进行调节，根据Δd₁的值对车体横向速度v_x进行调节，调节过程中实时计算(每隔预设时间计算一次)车轮角速度如公式(2)所示：

其中ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为前左、前右、后左、后右车轮的角速度，车轮半径为r，车体中心到车轮中心的前后距离为l_y，车体中心到车轮中心横向距离为l_x，通过实时计算得到的不同的车轮的角速度值来实时调节车体姿态，当调节到Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内时把当前的四个车轮的角速度值发送到车轮驱动系统中，进而控制车体运动；当第一、第二激光位移传感器测量到前方距离变为70mm时，车体减速停止，车架上的导轨与装配工位接触，完成自动对接任务。

本发明所述图1为对接系统总体结构图，包括第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、第三激光位移传感器3，其中4为挡板，5为(全向车)车架、6为装配工位、7为对接导轨。其中，第一、第二、第三激光位移传感器1、2、3用于测量前方和横向距离，通过测量值进行姿态调节；挡板4包括前方测量挡板和横向测量挡板，位置可以自由微动调节；车架5上方安装导轨用于支撑产品托架移动，车架长度为7m。

图2为自动对接控制系统原理图，上位机中控系统发送自动对接命令，三个激光位移传感器通过无线通信模块把距离值输入到车体运动控制器中，车体运动控制器的磁条根据反馈值进行模糊PID控制算法，计算出四组车轮移动的角速度，并把控制信息发送到车轮驱动系统中，进而控制车体运动；同时，对接过载报警系统实时采集电机电流，并把信号传输到车体运动控制器中，当出现对接后过载时，车体运动控制器释放电机使能，自动停止对接运动程序。

图3为自动对接系统控制流程图，自动对接控制环节分为原地低精度调节和前进中高精度调节，原地调节分为横向移动调节和以前端为中心旋转调节，前进中调节的控制算法采用模糊PID调节，可以同时调节车体左右偏转角度和左右横向偏移。操作过程为：

第一步：启动全向车转运系统主控界面，主控界面与全向车通信；通信成功后，设定对接工位站点号，启动“开始导航”按钮。

第二步：全向车按照设定路线自主导航转运，当到达对接区域时，全向车开始减速，直到三个激光位移传感器有测量距离值后，进行自动对接。

第三步：首先原地调节车体姿态，使车体前端角度偏差值和左右值在2mm范围内，其次开始前进中全向调节，调节步骤如图3所示。

第四步：当检测距离d1和d2小于设定值70mm时，全向车停止对接，此时车体导轨与工位导轨对齐。

第五步：启动产品转运到工位命令，托架携带产品从车架自动转运的工位上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用基于全向车与装配工位自动对接系统进行基于全向车与装配工位自动对接的方法，其特征在于，该基于全向车与装配工位自动对接系统包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器，车体运动控制系统、上位机中控系统和车体驱动系统，其中第一、第二激光位移传感器分别安装在全向车前端两侧，一侧一个，检测方向为车体前进方向，第三激光位移传感器安装在车体前端中心位置，检测方向为车体横向方向，装配工位下方安装三个挡板，第一、第二、第三激光位移传感器检测到自身到对应挡板的距离分别为d₁、d₂和d₃，其中车体运动控制系统用于接收第一、第二、第三激光位移传感器检测到的距离信息并实时控制四个车轮电机的动作，其中上位机中控系统用于调度全向车自主转运及自动对接，其中车体驱动系统包括四个伺服驱动器和四个伺服电机，车体运动控制系统与四个伺服驱动器连接，伺服驱动器各自与一伺服电机一对一地连接，车体运动控制系统发送运动指令给伺服驱动器，伺服驱动器根据指令按照给定速度和方向驱动伺服电机转动；

基于全向车与装配工位自动对接的方法包括以下步骤：

通过上位机中控系统设定全向车起点和终点，全向车携带车架进行自主导航转运，当到达装配工位区域时，全向车开始减速，同时自动对接系统实时监测前方和横向距离，当第一、第二激光位移传感器检测前方距离d₁和d₂分别为100mm时，车体停止运动，开始与装配工位自动对接，车体运动控制系统通过三个激光位移传感器的测量值计算得到Δd＝d₁-d₂，为车体前端左右偏转误差，计算得到Δd₁＝d₃-d₄，为车体前端左右横向偏移误差，其中d₄＝100mm为横向设定值，把Δd和Δd₁作为测量偏差值分别进行PID控制，原理是：首先，车体进行原地调节姿态，以把Δd和Δd₁值同时控制在±2mm内，原地调节分为以前端为中心旋转调节和横向移动调节，二者调节顺序可以互换，所述以前端为中心旋转调节为：当Δd>2mm或Δd<-2mm时，设定以车架前端中心点为转弯原点进行旋转，预设车体绕转弯原点旋转时的车体后端车轮角速度的值，并根据公式(1)计算车体绕转弯原点旋转时的车体前端车轮角速度：

ω_i/ω_k＝(H-W-L)/(-(H+W+L)) (1)

其中ω_i为前端两个车轮角速度，ω_k为后端两个车轮角速度，H为车体中心到旋转点的距离，W为车体中心到车轮中心横向距离，L为车体中心到车轮中心纵向距离；所述横向移动调节为：当Δd₁>2mm或Δd₁<-2mm时，令车体前进速度v_y＝0，车体自转角速度ω＝0，根据左右横向 偏移误差Δd₁进行车体横向速度v_x的调节，调节车体横向位移；以上原地调节保证了左右横向偏移误差和左右偏转误差小于2mm；然后，在车体进行向前移动时进行实时姿态的模糊PID调节，以保证Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内，此过程中令车体前进速度v_y＝0.05m/s，根据Δd的值对车体自转角速度ω进行调节，根据Δd₁的值对车体横向速度v_x进行调节，调节过程中实时计算车轮角速度如公式(2)所示：

其中ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为前左、前右、后左、后右车轮的角速度，车轮半径为r，车体中心到车轮中心的前后距离为l_y，车体中心到车轮中心横向距离为l_x，通过实时计算得到的不同的车轮的角速度值来实时调节车体姿态，当调节到Δd和Δd₁的误差在±0.5mm内时把当前的四个车轮的角速度值发送到车轮驱动系统中，进而控制车体运动；当第一、第二激光位移传感器测量到前方距离变为70mm时，车体减速停止，车架与装配工位接触，完成自动对接任务。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括对接过载报警系统，用于实时采集四个伺服电机的电流，并把电流信号传输到车体运动控制器中，当车体运动控制器根据电流信号判断出现对接后过载时，车体运动控制器释放电机使能，自动停止对接运动程序。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述车体运动控制系统通过无线通信模块接收第一、第二、第三激光位移传感器检测到的距离信息。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全向车携带的车架为7m车架。

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