一种可沿目标轨迹运动的运动装置

1.本发明属于智能运输设备技术领域，具体地涉及一种可沿目标轨迹运动的运动装置。


背景技术：

2.随着当前购物模式的云端化与智能技术的不断发展进步，物流小车、分拣机器人等可沿目标轨迹运动的运动装置在现代物流行业中应用广泛。这类运动装置依靠传感器通过循迹方式沿目标轨迹运动，但常规情况下会因为路面不平等原因，产生一定程度偏离，此时需要通过纠偏使其能够回到目标轨迹继续前进。通常，该类运动装置的车轮均以行进方向进行安装，通过差速循迹进行纠偏。这类传统安装结构下的差速纠偏方式，一方面，差速的大小难以确定并控制；另一方面，需要保证电机的pid响应足够快，控制起来较为复杂。
3.此外，当遇到障碍物时，传统机构的运动装置快速绕过障碍物或避开障碍物的算法较为复杂，需倒车重新通过传感器检测并避障，这样一来就需保证传感器不能有死角，不然程序会陷入死循环。不仅如此，即便是极优的控制算法，当传统结构的运动装置某一轮子坏掉时，其自纠偏功能也会丧失，因此，传统的运动装置对于突发情况的适应性较差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明目的在于提供一种可沿目标轨迹运动的运动装置，该运动装置以第一速度匀速运动过程中，通过车轮不同方向的配合设计以及纠偏速度设计，使得运动装置偏离目标轨道时可快速、稳定地进行自动纠偏以回归至目标轨迹继续以所述第一速度匀速运动，当遇到障碍物时能简单快速实现避障后回到目标轨迹。
5.本发明提供了一种可沿目标轨迹运动的运动装置，运动装置具有自适应纠偏功能，所述自适应纠偏是指当所述运动装置以第一速度匀速运动过程中偏离目标轨道时可以自动进行纠偏以回归至所述目标轨迹继续以所述第一速度匀速运动，所述运动装置的底板面向地面一侧的方形安装区域内安装有运动模块、纠偏模块和控制模块；
6.所述运动模块包括第一车轮、第二车轮、第三车轮和第四车轮；所述第一车轮和第四车轮相对于所述第一中心轴线对称安装在所述方形安装区域的前端，所述第四车轮的轴线与所述第一车轮的轴线、所述第一中心轴线垂直；所述第二车轮和第三车轮相对于第一中心轴线对称安装在所述方形安装区域的后端，所述第三车轮与所述第二车轮的轴线、所述第一中心轴线相垂直；
7.所述第一中心轴线为所述方形安装区域的中心轴线；
8.所述运动模块还包括分别用于驱动所述第一车轮、第二车轮、第三车轮和第四车轮的第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机；
9.所述纠偏模块包括设置于所述第一车轮和第四车轮间的循迹传感器组和纠偏传感器组；
10.所述循迹传感器组包括对称于所述第一中心轴线安装的若干个传感器，所述纠偏
传感器组包括对称设置于所述循迹传感器组的两侧的若干个传感器；
11.所述控制模块与所述循迹传感器组和所述纠偏传感器组信号连接，用于当所述纠偏传感器组中的传感器感应到所述目标轨迹时，控制所述运动装置开始纠偏，直至所述循迹传感器组中的传感器全部感应到所述目标轨迹。
12.进一步的，所述第一车轮、第二车轮、第三车轮和第四车轮均为福来轮。
13.进一步的，所述目标轨道为宽度不变的目标轨道。
14.进一步的，所述循迹传感器组的宽度为最左侧传感器与最右侧传感器之间的距离，所述循迹传感器组的宽度等于或略大于所述目标轨道的宽度。
15.进一步的，所述循迹传感器组包括两个循迹传感器。
16.进一步的，所述控制所述运动装置纠偏至所述目标轨迹，包括以下步骤：
17.s1.当所述纠偏传感器组中的传感器感应到所述目标轨迹时，控制所述第一驱动电机赋予所述第一车轮第二速度；所述第二速度的方向与所述第一速度相垂直且指向感应到所述目标轨迹的传感器；
18.所述第二速度的值的范围如下式所示：
[0019][0020]
其中，v1为第一速度，v2为第二速度，θ为所述纠偏传感器组的最外侧传感器与所述方形安装区域中心的连线和所述第一中心轴线的夹角；s为传感器间距；t为传感器的检测间隔时间；
[0021]
s2.当循迹传感器组中的传感器全部感应到所述目标轨迹时，控制第一驱动电机使第一车轮停止转动。
[0022]
进一步的，所述运动装置还包括避障模块，所述避障模块设置于所述运动装置的前端，用于感应所述运动装置前方是否存在障碍物；
[0023]
所述控制装置与所述避障模块信号连接，用于当避障模块感应到前方存在障碍物时控制所述运动装置实现避障。
[0024]
进一步的，所述当避障模块感应到前方存在障碍物时控制所述运动装置实现避障，包括以下步骤：
[0025]
s1.当所述避障模块感应到前方存在障碍物时，控制所述第三驱动电机和所述第四驱动电机使第三车轮和第四车轮停止转动；
[0026]
s2.控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机使所述第一车轮和所述第二车轮转动使所述运动装置沿垂直于所属目标轨迹的预设方向以第三速度运动；
[0027]
s3.当避障模块感应不到前方存在障碍物时，控制第一驱动电机和第二驱动电机使第一车轮和第二车轮停止转动，等待预设时间后，再控制第一驱动电机和第二驱动电机使第一车轮和第二车轮转动使运动装置以第三速度向与所述预设方向相反的方向运动直至运动装置回到目标轨迹上；
[0028]
s4.控制第一驱动电机和第二驱动电机使第一车轮和第二车轮停止转动，然后控制第三驱动电机和第四驱动电机使第三车轮和第四车轮转动，使运动装置以第一速度继续沿目标轨迹向前运动。
[0029]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0030]
1)本发明提供的运动装置在二维平面上实现从一位置向任意方向运动，且不需要改变车体姿态，提高空间利用率和智能性。
[0031]
2)本发明提供的运动装置可以在更多复杂路况下给出更优的路径规划方案。例如，在通过直角弯或直接撞上障碍物时，无需采用复杂的差速算法来实现小车的转弯，只需将所述第一车轮和所述第二车轮用于驱动，将所述第三车轮和所述第四车轮用于修正，小车便会沿着垂直于所述第一中心轴线的方向行驶。
[0032]
3)本发明提供的运动装置也可以使在小车某一轮子损坏时，仅利用剩余的三个轮子进行互补修正以达原来的行进目标，适应能力较强。
[0033]
4)本发明提供的运动装置只需给予第一车轮一个第二速度(在限定的范围内)即可实现稳定纠偏，无需考虑并计算两轮之间的差速多少以实现纠偏，控制相对简单。
[0034]
5)本发明提供的可沿目标轨迹运动的自适应纠偏运动装置在遇到前方有障碍物时能够直接沿垂直于第一中轴线的方向运动，在保证车体姿态不改变的情况下有效避开障碍物。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例提供的运动装置底板方形安装区域结构示意图；
[0036]
图2为本发明实施例提供的运动装置沿目标轨迹运行时的底板方形安装区域示意简图；
[0037]
图3为本发明实施例提供的运动装置偏离目标轨迹时的底板方形安装区域示意简图；
[0038]
图4为本发明实施例提供的运动装置偏离目标轨迹且无法纠偏回目标轨迹时的速度分析图；
[0039]
图5为本发明实施例提供的运动装置偏离目标轨迹且可以纠偏回目标轨迹时的速度分析图；
[0040]
图6为本发明实施例提供的运动装置偏离目标轨迹角度较小时的速度分析图；
[0041]
图7为本发明实施例提供的运动装置的传感器e、f在目标轨迹上方时底板方形安装区域示意图；
[0042]
附图标记：101、第一车轮；102、第二车轮；103、第三车轮；104、第四车轮；2、方形安装区域；3、循迹传感器组；4、纠偏传感器组。
具体实施方式
[0043]
结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。
[0044]
本发明提供了一种可沿目标轨迹运动的运动装置，目标轨迹的宽度不变，运动装置具有自适应纠偏功能，自适应纠偏是指当运动装置以第一速度匀速运动过程中偏离目标轨道时可以自动进行纠偏以回归至目标轨迹继续以第一速度匀速运动。如图1所示，运动装置的底板面向地面一侧的方形安装区域2内安装有运动模块、纠偏模块和控制模块。第一中心轴线为方形安装区域的中心轴线aa’。运动模块包括第一车轮101、第二车轮102、第三车轮103和第四车轮104。运动模块还包括分别用于驱动第一车轮101、第二车轮102、第三车轮103和第四车轮104的第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机。第三车
轮103和第四车轮104平行于第一中心轴线分别安装在方形安装区域的右下角位置和左上角位置，用于在第三驱动电机和第四驱动电机的驱动作用下，赋予运动装置行进(向前运动)的速度。第一车轮101和第二车轮102垂直于第一中心轴线安装在方形安装区域的右上角位置和左下角位置，第一车轮101用于在第一驱动电机的驱动作用下赋予运动装置向右或向左运动的速度。第一车轮101和第四车轮104相对于所述第一中心轴线对称安装在安装区域的前端，第四车轮104的轴线与第一车轮101的轴线、第一中心轴线垂直；第二车轮102和第三车轮103相对于第一中心轴线对称安装在方形安装区域的后端，第三车轮103与第二车轮102的轴线、第一中心轴线相垂直。
[0045]
第一车轮101、第二车轮102、第三车轮103和第四车轮104均为福来轮，福来轮包括主动轮和多个从动轮，从动轮周向间隔设置在主动轮上，以减少运动时的阻力。本发明福来轮又称为全向轮，购自聚芯智创科技有限公司。
[0046]
纠偏模块包括设置于第一车轮101和第四车轮104间的循迹传感器组3和纠偏传感器组4；循迹传感器组3包括对称于所述第一中心轴线安装的若干个传感器，循迹传感器组3最左侧的传感器的左侧边缘与最右侧的传感器的右侧边缘之间的距离为循迹传感器组3的宽度。纠偏传感器组4包括对称设置于循迹传感器组3的两侧的若干个传感器。循迹传感器组3用于判断所述运动装置是否沿目标轨迹正确行驶，具体的，当循迹传感器组3中的所有传感器均感应到目标轨迹时，说明运动装置沿目标轨迹运动；纠偏传感器组4用于判断所述运动装置是否偏离目标轨迹，具体的，当纠偏传感器组4中的传感器感应到目标轨迹时，说明运动装置已偏离目标轨迹。控制模块与循迹传感器组3和纠偏传感器组4信号连接，用于当纠偏传感器组4中的传感器感应到目标轨迹时，控制运动装置开始纠偏，直至循迹传感器组3中的所有传感器均感应到目标轨迹，控制运动装置停止纠偏。
[0047]
在本发明的一个实施例中，如图2所示，目标轨迹在较短距离内近似认为是直道，循迹传感器组3包括两个传感器，传感器d和传感器e。传感器d最左侧边缘与传感器e的最右侧边缘之间的距离为循迹传感器组3的宽度，当运动装置沿目标轨迹以第一速度匀速运动时，传感器d和传感器e分别位于目标轨迹的两侧边缘线的正上方位置，且处于对目标轨迹的感应状态，即亮灯。传感器d位于目标轨迹左侧边缘线上方位置，传感器e位于目标轨迹右侧边缘线上方位置，且处于对目标轨迹的感应状态。纠偏传感器组4包括六个传感器，传感器a-c和传感器f-h。传感器a-c设置在传感器d的左侧，传感器f-h设置在传感器e的右侧。循迹传感器组3和纠偏传感器组4中的传感器均采用同样的传感器，且传感器间距为s，即传感器a-h的间距为s。
[0048]
当运动装置偏离目标轨迹时，传感器a-c和传感器f-h中会有部分传感器感应到目标轨迹，处于感应状态，譬如，在如图3所示的方形安装区域示意图中，传感器g和h位于目标轨迹上方位置，且处于感应状态，说明运动装置已偏离目标轨道。此时，控制模块开始控制运动装置进行纠偏。具体的，控制所述第一驱动电机赋予所述第一车轮101第二速度；第二速度的方向与第一速度相垂直且指向感应到所述目标轨迹的传感器，即指向传感器h的方向，如图5所示。
[0049]
为确保偏离目标轨迹的运动装置能够通过纠偏回到目标轨迹，且纠偏过程不会左右大幅摆动，第二速度应当限制在一定的范围内，具体分析过程如下：
[0050]
初始状态下，运动装置沿目标轨迹以第一速度v1匀速向前运动，当出现如图3所示
情况，即传感器h能够感应到目标轨迹，此时偏离角度为θ，对应于图3的情况，θ的值恰巧等于传感器h与方形安装区域2中心的连线和第一中心轴线的夹角，这属于运动装置的最大偏离程度，对第二速度v2进行分析。
[0051]
一方面，第二速度v2不能太小，否则无法实现纠偏。
[0052]
如图4所示，传感器h与方形安装区域2中心的连线和第一中心轴线的夹角为θ，运动装置沿目标轨迹向前行驶的速度为v1,垂直于第一中心轴线aa’纠偏的速度为v2，v1与v2的合成速度为v，设合成速度v与v1的夹角为
ɑ
，由图4可以看出，当α《θ时，合成速度v是无法使运动装置回到目标轨迹的。由图5可以看出，只有当α》θ时，运动装置才能够向右前方修正，从而逐渐纠偏回到目标轨迹上。由α》θ可得，即v2》v1tanθ。
[0053]
当运动装置偏离目标轨迹角度较小时，如图6所示时，即目标轨迹与第一中心轴线aa’的夹角β《θ时，由于合成速度v与v1的夹角为
ɑ
，而α》θ，
ɑ
一定大于β，所以当v2》v1tanθ时，合成速度v是能够使运动装置回到目标轨迹的。
[0054]
另一方面，第二速度v2不能太大，否则摆动幅度较大。
[0055]
如图7所示，设传感器d、传感器e和传感器f分别相邻，开始纠偏时，目标轨迹在传感器e、f下方，无摆动的理想状况下，传感器再次检测时，目标轨迹会在传感器d、e下方，即在纠偏模块检测间隔时间t内，运动装置修正的路程s为两相邻传感器之间的距离，即纠偏至如图2所示位置。
[0056]
故，第二速度v2不能超过若超过该值，运动装置在纠偏时会处于一直左右大幅摆动而不稳定的状态。
[0057]
根据以上分析可知，第二速度的值的范围如下式所示：
[0058][0059]
其中，v1为第一速度，v2为第二速度，θ为所述纠偏传感器组4的最外侧纠偏传感器与所述方形安装区域2中心的连线和所述第一中心轴线的夹角；s为传感器间距；t为传感器的检测间隔时间。
[0060]
当循迹传感器组3中的所有传感器均再次检测到目标轨迹时，第一驱动电机控制第一车轮101停止转动，运动装置纠偏完成。
[0061]
当运动装置无需纠偏时，第一车轮和第二车轮的速度为0，福来轮具有多个周向间隔设置在主动轮上的从动轮，因此，其从动轮可在主动轮停止转动的情况下沿第一中轴线的方向的运动，大大减小了智能循迹运动装置无需纠偏时的阻力。
[0062]
在本发明的一个实施例中，运动装置还包括避障模块，避障模块设置于运动装置的前端，用于感应所述运动装置前方是否存在障碍物；控制装置与避障模块信号连接，用于当避障模块感应到前方存在障碍物时控制运动装置实现避障。该障碍物为沿目标轨迹与运动装置进行相对运动的障碍物。
[0063]
具体的，包括以下步骤：
[0064]
s1.当避障模块感应到前方存在障碍物时，控制第三驱动电机和第四驱动电机使第三车轮103和第四车轮104停止转动；
[0065]
s2.控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机使所述第一车轮101和所述第二
车轮102转动使所述运动装置沿垂直于所属目标轨迹的预设方向以第三速度运动；
[0066]
s3.当避障模块感应不到前方存在障碍物时，控制第一驱动电机和第二驱动电机使第一车轮101和第二车轮102停止转动，等待预设时间后，再控制第一驱动电机和第二驱动电机使第一车轮101和第二车轮102转动使运动装置以第三速度向与所述预设方向相反的方向运动直至运动装置回到目标轨迹上；
[0067]
s4.控制第三驱动电机和第四驱动电机使第三车轮103和第四车轮104转动，使运动装置以第一速度继续沿目标轨迹向前运动。
[0068]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。