如下图所示,本文研究的单舵轮 AGV 的结构包括1个主动轮、2个定向轮和1个万向轮,其中主动轮为舵轮,有驱动和转向的功能。万向轮主要起支撑作用,提高AGV承载能力和稳定性,对运动学模型没有影响。定义AGV前面两个从动轮中心连线的中点O作为 AGV 的参考点,O−X−Y 为小车局部坐标系。

在全局坐标系OXY中,有
⎣⎡x˙y˙θ˙⎦⎤=⎣⎡cosθsinθ0001⎦⎤⋅[vω](1) 式中: v 和 ω(定义逆时针旋转为正)分别为 AGV 在参考点O处的线速度和角速度。
根据图中的几何关系可得:
{l1=L/sinδl2=L/tanδ+d(2) 式中 L 为 AGV 前轮轴心线与后轮轴心线的间距; d 为舵轮横向偏距;δ 为舵轮偏转角,定义逆时针为正。
参考点处的线速度 v 与角速度 ω 表达式分别为:
{v=ω⋅l2ω=vd/l1(3) 式中 vd 为舵轮驱动速度。
将式(2)代入式(3)可得:
{v=vd(cosδ+Ldsinδ)ω=Lvdsinδ(4) 结合式(1)和式(4)可得,单舵轮 AGV 运动学模型为:
⎩⎨⎧x˙=vdcosθ(cosδ+Ldsinδ)y˙=vdsinθ(cosδ+Ldsinδ)θ˙=Lvdsinδ(5) 双舵轮AGV机器人解算,速度瞬心位于O点,L为O1至O2的长度。

输入量
⎣⎡vr0αrvf0αf⎦⎤ 正解待解量
⎣⎡v0ω0α0⎦⎤ 根据三角形△O1OO2的角度关系
∠O1OO2+2π−αr+2π−αf=π 得出
∠O1OO2=αr+αf 根据正弦定理
sin∠O1OO2L=sin(2π−αr)Rf 因此
Rf=sin(αr+αf)L⋅cosαr 根据速度瞬心原理
ω0=Rfvf0=L⋅cosαrvf0⋅sin(αr+αf)=L⋅cosαrvf0⋅(sinαr⋅cosαf+cosαr⋅sinαf) 在三角形△O0OO2中,根据余弦定理
cos(2π−αf)=2⋅Rf⋅2LRf2+4L2−r2 解得
r=Rf2+4L2−Rf⋅L⋅sinαf=L⋅sin2(αr+αf)cos2αr+41−sin(αr+αf)cosαr⋅sinαf=2sin(αr+αf)L4cos2αr+sin2(αr+αf)−4cosαr⋅sinαf⋅sin(αr+αf) 进而
v0=ω0⋅r=L⋅cosαrvf0⋅sin(αr+αf)⋅2sin(αr+αf)L4cos2αr+sin2(αr+αf)−4cosαr⋅sinαf⋅sin(αr+αf)=2cosαrvf0⋅4cos2αr+sin2(αr+αf)−4cosαr⋅sinαf⋅sin(αr+αf) 在三角形△O0OO2中,根据正弦定理
sin(2π−αf)r=sin(2π+α0)Rfcosαfr=cosα0Rf 即
α0=arccos(rRf⋅cosαf)=arccos(2sin(αr+αf)L4cos2αr+sin2(αr+αf)−4cosαr⋅sinαf⋅sin(αr+αf)sin(αr+αf)L⋅cosαr⋅cosαf)=arccos(4cos2αr+sin2(αr+αf)−4cosαr⋅sinαf⋅sin(αr+αf)2cosαr⋅cosαf) 输入量
⎣⎡v0ω0α0⎦⎤ 逆解待解量
⎣⎡vr0αrvf0αf⎦⎤ 由线速度和角速度的关系可知
r=ω0v0 在三角形△O0OO1中,根据余弦定理
cos(2π−α0)=2⋅r⋅2Lr2+4L2−Rr2 则
Rr=r2+4L2−rL⋅sinα0=ω02v02+4L2−ω0v0⋅L⋅sinα0 此时
vr0=ω0⋅Rr=ω0⋅ω02v02+4L2−ω0v0⋅L⋅sinα0=v02+4L2ω02−v0⋅L⋅ω0⋅sinα0 在三角形△O0OO1中,根据正弦定理
sin(2π−αr)r=sin(2π−α0)Rr 则
αr=arccos(Rrr⋅cosα0)=arccos(ω02v02+4L2−ω0v0⋅L⋅sinα0ω0v0⋅cosα0)=arccos(v02+4L2ω02−v0⋅L⋅ω0⋅sinα0v0⋅cosα0) 在三角形△O0OO2中,根据余弦定理
cos(2π+α0)=2⋅r⋅2Lr2+4L2−Rf2 则
Rf=r2+4L2+rL⋅sinα0=ω02v02+4L2+ω0v0⋅L⋅sinα0 此时
vf0=ω0⋅Rf=ω0⋅ω02v02+4L2+ω0v0⋅L⋅sinα0=v02+4L2ω02+v0⋅L⋅ω0⋅sinα0 在三角形△O1OO2中,根据正弦定理
sin(2π−αf)r=sin(2π+α0)Rf 则
αf=arccos(Rfr⋅cosα0)=arccos(ω02v02+4L2+ω0v0⋅L⋅sinα0ω0v0⋅cosα0)=arccos(v02+4L2ω02+v0⋅L⋅ω0⋅sinα0v0⋅cosα0)