一种楼梯运输用物流小车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种无人物流小车，尤其是涉及一种楼梯运输用物流小车及其控制方法。

背景技术

目前常见的可实现无人运输的物流车的主要爬楼方式有：“足式”、“轮组式”、“履带式”和“复合式”。虽然现有的物流小车已有可实现自动上下楼，但仍然存在很多缺点和不足，如重心不稳、运输过程中货物会发生倾斜，若运输一些不能倾斜的物品(如含有液体的物品、有汤汁的外卖、奶茶等)，这一问题就会被凸显出来，制约了无人物流小车在现有的物流系统中的大规模应用。

足式设备是通过模仿人类或动物的爬楼过程而设计的，相对于其他类型的设备，其稳定性最高。但是极复杂的结构对于需求量较大的物流系统来说是致命的。以常见的四足爬楼机构来看，机械部分有4条腿，每条腿都有至少3个关节，而每个关节都需要独立的电机提供动力；控制部分需要使用PID控制，实时计算每个电机之间的旋转角度以确保整体不会倾倒，考虑到成本和复杂度，难以普遍推广。

常见的轮组式无人物流运输小车，其重心波动较大、物品会发生倾斜。如果要在轮组式运输小车的基础上解决物品倾斜问题，通常要加装机械结构复杂且价格昂贵的云台保持货仓水平。如此一来虽然解决了运输时的倾斜问题，但也随之带来了价格高昂、结构复杂、不易维护等诸多问题。

履带式设备虽然也一样运行平稳，但由于其在爬楼过程中的重力支点是楼梯边缘部分，势必会对楼梯产生一定的磨损。此外巨大的噪音、较慢的速度也是履带式设备的缺点。

复合式设备集合了上述3种设备的优点，目前有足-履复合、轮-足-履复合。其最显而易见的弊端便是结构变得复杂，对控制有着较高的要求，且面临着诸多不稳定因素。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种楼梯运输用物流小车及其控制方法，在楼梯上运输物品时，货仓安装在中轮组上，货仓的移动轨迹与楼梯的形状相吻合，货仓时刻保持水平，重心移动平稳，能够使得运载的货物不发生倾斜，且结构简单、成本低、可靠性高。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种楼梯运输用物流小车，包括控制器、测距模块和小车本体，测距模块安装在小车本体上，所述小车本体包括水平货仓、前轮组、中轮组和后轮组，所述前轮组、中轮组和后轮组上分别设有用于驱动所述前轮组、中轮组和后轮组运动的驱动舵机；

所述水平货仓固定在中轮组上，所述中轮组分别与前轮组和后轮组通过纵向轴转动连接；所述中轮组上还设有做功舵机，所述做功舵机与纵向轴连接，做功舵机通过上下转动纵向轴改变中轮组与前轮组之间的夹角以及中轮组与后轮组之间的夹角；

所述控制器分别与测距模块、驱动舵机和做功舵机通信连接。

进一步的，所述前轮组、中轮组和后轮组均为两轮车轮组，两轮车轮组包括2个车轮以及连接所述车轮的车轴，所述车轴上固定有C型架，所述纵向轴分别与中轮组的C型架、前轮组的C型架和后轮组的C型架转动连接。

更进一步的，所述驱动舵机安装在C型架上，所述水平货仓和做功舵机安装在中轮组的C型架上。

更进一步的，水平货仓的底部设有与纵向轴的形状相配合的凹槽，纵向轴在凹槽内相对于中轮组的C型架向上或向下转动，纵向轴与水平货仓互不接触。

进一步的，所述测距模块包括动力单元和测距仪，所述测距仪安装在小车本体上，所述动力单元与测距仪连接，用于改变测距仪与水平方向之间的夹角以及测距仪相对于小车本体的高度。

更进一步的，所述动力单元包括第一动力单元和第二动力单元，所述测距仪包括第一测距仪和第二测距仪，所述第一动力单元与第一测距仪连接，用于改变所述第一测距仪与水平方向之间的夹角，所述第二动力单元与第二测距仪连接，第二测距仪与水平方向平行，第二动力单元带动第二测距仪相对于小车本体上升和下降。

更进一步的，所述第一测距仪和第二测距仪为红外测距仪。

更进一步的，所述第二动力单元为升降台。

进一步的，所述测距模块包括多个高度不同且与水平方向平行的测距仪和多个高度相同且与水平方向成不同夹角的测距仪。

进一步的，所述测距模块安装在水平货仓靠近前轮组的仓壁上。

一种楼梯运输用物流小车的控制方法，包括楼梯模型建立阶段和小车运动阶段，楼梯模型建立阶段如下：

固定小车本体的位置，获取测距仪的测量数据，基于测量数据确定小车的运动方式，所述运动方式包括平地运动、爬楼运动和下楼运动，如果运动方式为爬楼运动和下楼运动，则基于测量数据计算楼梯高度、楼梯深度以及前轮组(2)与楼梯的距离；

小车运动阶段如下：

如果运动方式为平地运动，则控制器控制所述前轮组、中轮组和后轮组向前运动；

如果运动方式为爬楼运动，则小车本体运动，转动中轮组与前轮组之间的纵向轴，前轮组腾空；小车本体运动，前轮组落在楼梯上，分别转动中轮组与前轮组和后轮组之间的纵向轴，中轮组腾空；小车本体运动，中轮组落在楼梯上，转动中轮组与后轮组之间的纵向轴，后轮组腾空；小车本体运动，后轮组落在楼梯上；

如果运动方式为下楼运动，则小车本体运动，前轮组腾空，转动中轮组与前轮组之间的纵向轴，前轮组落在楼梯上；小车本体运动，中轮组腾空，分别转动中轮组与前轮组和后轮组之间的纵向轴，中轮组落在楼梯上；小车本体运动，后轮组腾空，转动中轮组与后轮组之间的纵向轴，后轮组落在楼梯上。

进一步的，所述楼梯模型建立阶段具体过程为：

测距仪的测量方向与水平方向平行，测距仪测量小车本体正前方的障碍物，获取测距仪在不同测量高度上的障碍物距离，如果障碍物距离随测距仪测量高度的增长出现阶梯式增长，则运动方式为爬楼运动，否则，运动方式为平地运动或下楼运动；

测距仪的高度固定，测距仪测量小车本体前方斜向下方向的障碍物，获取测距仪在与水平方向成不同夹角的测量方向上的障碍物距离，如果障碍物距离随夹角的减小出现阶梯式增长，则运动方式为下楼运动，否则，运动方式为平地运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在楼梯上运输物品时，货仓安装在中轮组上，货仓的移动轨迹与楼梯的形状相吻合，货仓时刻保持水平，重心移动平稳，能够使得运载的货物不发生倾斜，且结构简单、成本低、可靠性高。

(2)综合考虑了测量精度、测量时间和成本，设置了第一测距仪和第二测距仪，第一测距仪的高度固定，与水平方向之间的夹角可以调节，第二测距仪与水平方向垂直，相对于小车本体的高度可以调节，实现了小车本体前方的地表形貌的测量。

(3)测距模块安装在水平货仓前方的仓壁上，视野较大，满足测距的高度要求，而且一定程度上保护了测距模块，降低了测距模块受损的可能性。

附图说明

图1为楼梯运输用物流小车的结构示意图；

图2为两轮车轮组的结构示意图；

图3为中轮组的底面视图；

图4为小车本体爬楼的状态示意图；

图5为小车本体下楼的状态示意图；

图6为测距仪的测量示意图；

图7为测距仪的测量示意图；

图8为测距仪的测量示意图；

图9为爬楼运动的流程示意图；

图10为下楼运动的流程示意图；

附图标记：1、水平货仓，2、前轮组，3、中轮组，4、后轮组，5、纵向轴，6、车轮，7、车轴，8、C型架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种楼梯运输用物流小车，包括控制器、测距模块和小车本体，测距模块安装在小车本体上，如图1所示，小车本体包括水平货仓1、前轮组2、中轮组3和后轮组4，前轮组2、中轮组3和后轮组4上分别设有用于驱动前轮组2、中轮组3和后轮组4运动的驱动舵机；本实施例中，控制器选用STM32f103系列的单片机为主体的集成电路板。

水平货仓1固定在中轮组3上，中轮组3分别与前轮组2和后轮组4通过纵向轴5转动连接；中轮组3上还设有做功舵机，做功舵机与纵向轴5连接，做功舵机通过上下转动纵向轴5改变中轮组3与前轮组2之间的夹角以及中轮组3与后轮组4之间的夹角；控制器分别与测距模块、驱动舵机和做功舵机通信连接。

前轮组2、中轮组3和后轮组4均为两轮车轮组，如图2所示，两轮车轮组包括2个车轮6以及连接车轮6的车轴7，车轴7上固定有C型架8，纵向轴5分别与中轮组3的C型架8、前轮组2的C型架8和后轮组4的C型架8转动连接；前轮组2、中轮组3和后轮组4的驱动舵机分别安装在前轮组2、中轮组3和后轮组4的C型架8上，水平货仓1和做功舵机安装在中轮组3的C型架8上。

驱动舵机是小车本体的动力来源，驱动小车本体向前运动；做功舵机的数量为2个，独立工作，一个用于转动中轮组3与前轮组2之间的纵向轴5，从而抬起或放下前轮组2，一个用于转动中轮组3与后轮组4之间的纵向轴，从而抬起或放下后轮组4，2个做功舵机相互配合，同时改变中轮组3与前轮组2和后轮组4之间的纵向轴，从而抬起或放下中轮组3。

中轮组3的底面视图如图3所示，水平货仓1的底部设有与纵向轴5的形状相配合的凹槽，纵向轴5在凹槽内相对于中轮组3的C型架8向上或向下转动，纵向轴5与水平货仓1互不接触，这样可以防止纵向轴5转动时影响水平货仓1，导致水平货仓1损伤或震动，保证了水平货仓1内货物的稳定性。

本实施例中，考虑到旋转和平移会影响测距仪自身的定位，带来误差，结合了测距仪的成本与测量时间需求，设置了第一测距仪和第二测距仪，第一测距仪的高度固定，与水平方向之间的夹角可以通过第一动力单元调节，第二测距仪与水平方向垂直，相对于小车本体的高度可以通过第二动力单元调节，这样，通过第一测距仪和第二测距仪可以测量小车本体前方的地表形貌(平地、上升楼梯和下降楼梯)。第一动力单元可以为电驱传动旋转单元，或其他转动方式，第二动力单元可以为电驱传动升降单元，或其他升降方式。第一测距仪和第二测距仪可以使用红外测距仪，精度高，成本低。

在其他实施方式中，如果只考虑成本，不关注测量误差和时间，也可以只使用一个测距仪，通过升降和转动该测距仪进行测量。

在其他实施方式中，为了进一步减小误差，缩短测量时间，可以设置多个高度不同的测距仪、多个与水平方向成不同夹角的测距仪，通过这些测距仪的测量数据得到小车本体前方的地表形貌。

本实施例中，考虑到小车本体运动时的震动以及测距模块的安装高度要求，在水平货仓1的前方仓壁上预留有测距模块的安装平台，测距模块安装在水平货仓1靠近前轮组2的仓壁上，这样也最大程度上避免了使用时测距模块受到损伤。在其他实施方式中，测距模块也可以安装在其他位置。

一种楼梯运输用物流小车的控制方法，包括楼梯模型建立阶段和小车运动阶段，楼梯模型建立阶段如下：

固定小车本体的位置，改变测距仪与水平方向的夹角以及测距仪相对于小车本体的高度，获取测距仪的测量数据，基于测量数据确定小车的运动方式，运动方式包括平地运动、爬楼运动和下楼运动，如果运动方式为爬楼运动和下楼运动，则基于测量数据计算楼梯高度、楼梯深度以及前轮组2与楼梯的距离；

小车运动阶段如下：

如果运动方式为平地运动，则控制器控制前轮组2、中轮组3和后轮组4向前运动；

如果运动方式为爬楼运动，小车本体的状态变化如图4所示，流程如图9所示，则小车本体运动，前轮组2接触到楼梯的垂直面，转动中轮组3与前轮组2之间的纵向轴5，前轮组2腾空；小车本体运动，前轮组2落在楼梯的水平面上；分别转动中轮组3与前轮组2和后轮组4之间的纵向轴5，中轮组3腾空；小车本体运动，中轮组3落在楼梯的水平面上；转动中轮组3与后轮组4之间的纵向轴5，后轮组4腾空；小车本体运动，后轮组4落在楼梯的水平面上；

如果运动方式为下楼运动，小车本体的状态变化如图5所示，流程如图10所示，则小车本体运动，前轮组2腾空，中轮组3靠近楼梯的边缘；转动中轮组3与前轮组2之间的纵向轴5，前轮组2落在楼梯的水平面上；小车本体运动，中轮组3腾空；小车本体继续运动，直至后轮组4靠近楼梯的边缘，分别转动中轮组3与前轮组2和后轮组4之间的纵向轴5，中轮组3落在楼梯的水平面上；小车本体运动，后轮组4腾空；转动中轮组3与后轮组4之间的纵向轴5，后轮组4落在楼梯的水平面上。

可以看到，在小车本体的每一种运动状态下，中轮组3都是落在楼梯上或者是由做功舵机做功保持腾空的，从而，中轮组3上的水平货仓1一直能够保持水平状态，不会发生倾斜。

本实施例中，使用第一测距仪和第二测距仪测量数据，楼梯模型建立阶段具体过程为：

如图6所示，第二测距仪与水平方向保持平行，相对于小车本体上升，如果第二测距仪测量获得的障碍物距离随第二测距仪高度的上升出现阶梯式增长，则运动方式为爬楼运动，否则，运动方式为平地运动或下楼运动；

运动方式如果为爬楼运动，则计算楼梯高度H、楼梯深度M以及前轮组2与楼梯的距离X：

H＝h+x

M＝D-d

X＝D-l

初始状态下，第二测距仪相对于前轮组2的车轴7的水平距离为l，第二测距仪的离地高度为h，第二测距仪发现前方有障碍物且障碍物距离为d，则小车本体停止运动，第二测距仪向上运动，当障碍物距离突然增大至D时，第二测距仪停止运动，此时，第二测距仪向上运动了x，则根据上式得到楼梯的高度H、楼梯的深度M以及前轮组2的车轴7与楼梯的距离X。

如图7所示，第一测距仪相对于小车本体的高度保持不变，第一测距仪的测量方向为相对于水平方向斜向下，减小第一测距仪与水平方向的夹角，如果测量获得的障碍物距离随夹角的减小出现阶梯式增长，则运动方式为下楼运动，否则，运动方式为平地运动。

如果小车本体前方为水平面，第一测距仪与水平方向之间成锐角α，则第一测距仪测量得到的障碍物距离d与α之间满足关系式：d×sinα＝h，h为第一测距仪的离地高度；

在实际测量时，如图8所示，第一测距仪的测量方向可以先垂直地面，此时测得的是第一测距仪的离地高度h，之后转动第一测距仪，减小第一测距仪与水平方向之间的夹角，障碍物距离满足d×sinα＝h，当d突然增大时，记录此时第一测距仪与水平方向之间的夹角β

如图4所示，前轮组2的车轮6的半径为r，纵向轴的长度为a，在小车本体进行爬楼运动时，当前轮组的车轴7与楼梯的距离为r时，做功舵机工作，抬升前轮组2，纵向轴5向上旋转角度θ，a×sinθ＝H，前轮组2的车轴7与楼梯的距离为r+a-(H/tanθ)，小车本体继续向前运动s，r+a-(H/tanθ)

前轮组2的车轮6放置在楼梯上后，分别转动中轮组3与前轮组2和后轮组4之间的纵向轴5，中轮组3腾空，继续向前移动小车本体，考虑后轮组4的车轴7与楼梯的距离，抬升后轮组4，继续向前移动小车本体，后轮组4落在台阶上，在此期间，如果前轮组2的车轴7与楼梯的距离再次为r，同样抬升前轮组2。

如图5所示，下楼运动时，考虑中轮组3的车轴7与楼梯的距离，向下放前轮组2的车轮6时，中轮组3靠近楼梯的边缘，中轮组3与前轮组2之间的纵向轴5向下旋转角度θ，a×sinθ＝H，使得前轮组2放置在台阶上，且为了使得纵向轴5不与台阶触碰，中轮组3的车轴7与台阶边缘的距离小于r/tanθ。

同理，中轮组3腾空，小车本体向前移动，当后轮组4靠近楼梯边缘时，分别转动中轮组3与前轮组2和后轮组4之间的纵向轴5，中轮组3落地；小车本体继续向前运动，后轮组4腾空，再转动纵向轴5，使得后轮组4放置在台阶上。

现有技术中，货仓的理想移动轨迹是一根倾斜角度与楼梯上升角度相同的线段，若不进行特殊处理，货仓势必也会随小车一同发生倾斜。而本发明参考了毛毛虫的运动方式，货仓的运动在一定范围内贴合楼梯的轨迹，货仓理想移动轨迹和楼梯的形状相吻合，且离开楼梯的距离为车轮的半径。如此一来，货仓就很自然地随着楼梯的外边缘一起直上直下，在实现了货仓不倾斜、重心稳定的前提下还兼顾了价格便宜、结构简单、系统稳定，且可靠性较高。

现有的无人物流小车如果想保持货仓水平，常采用结构相当复杂、价格也相对高昂的云台，虽然安装了云台后的小车提升了货仓的水平性，但成本高昂，对于运输普通的不可倾斜的物品有些大材小用，而且不易推广。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。