3. AGV底盘与运动学基础

AGV能否在工位前停准，底盘构型是第一道物理约束。同样一套激光SLAM定位与对接算法，装在三类底盘上，最终停靠误差可能相差一个数量级。原因在于：不同构型的自由度、约束方向、误差传递路径完全不同。理解这些差异，才能判断“该用哪种底盘”“误差从哪来”“标定该标什么”。

一、三类构型的运动学本质

先统一坐标系约定：以车体几何中心为原点，X轴指向车头前进方向，Y轴指向车体左侧，θ为绕Z轴逆时针转角。所有速度、角速度均在此车体系下定义。

差速驱动是最常见的构型：左右两侧各一组驱动轮，通过两轮速度差实现转向。其运动学约束为：车体只能沿轮轴方向（X轴）瞬时平动，Y方向速度恒为零。设左右轮线速度为v_L、v_R，轮距为B，则：

v = (v_R + v_L) / 2
ω = (v_R - v_L) / B

差速底盘是典型的非完整约束系统——它不能横向平移，必须通过“前进+转向”的组合才能到达侧向目标点。这一约束直接决定了停靠策略：对接时若横向偏差较大，只能靠多次“倒车—修正”逼近，路径规划复杂度高，且每次转向都会引入轮地滑移误差。

舵轮驱动（单舵轮或双舵轮）的每个舵轮模块可独立控制转向角和驱动速度。单舵轮+万向轮构型中，舵轮提供全部驱动与转向，万向轮仅支撑；双舵轮则可实现任意方向平移和原地旋转。舵轮的运动学模型为：

v_x = v · cos(δ)
v_y = v · sin(δ)
ω = v · sin(δ) / L

其中δ为舵轮转角，L为舵轮到车体参考点的纵向距离。舵轮底盘具备完整约束能力，可横向平移，停靠时能直接消除Y向偏差，路径更短、动作更少。但舵轮转角由伺服电机闭环控制，转角回零误差、齿轮间隙会直接映射为停靠角度偏差。

麦克纳姆轮通过四个轮子的辊子斜向受力合成全向运动。其逆运动学为：

v_w1 = (v_x - v_y - (L+W)·ω) / r
v_w2 = (v_x + v_y + (L+W)·ω) / r
v_w3 = (v_x + v_y - (L+W)·ω) / r
v_w4 = (v_x - v_y + (L+W)·ω) / r

其中L、W为轮组纵向、横向半距，r为轮半径。麦克纳姆轮可全向移动，但辊子与地面的接触是间断的，每个辊子交替接地会产生周期性振动，且横向移动时辊子侧向摩擦损耗大，实际停靠中横向定位重复性通常劣于舵轮。

二、构型如何映射为停靠误差

停靠精度最终体现为三个量：纵向偏差Δx、横向偏差Δy、角度偏差Δθ。不同构型对这三个量的敏感度不同。

差速底盘的Δy完全依赖路径规划消除，若对接工位要求横向精度±5mm，差速车往往需要加装侧向导向条或V型槽机械限位来“硬约束”。其Δθ主要来自左右轮径差：假设轮径差0.5mm、轮距500mm，直线行驶10m后角度偏差约0.02rad（约1.15°），在对接末端会放大为明显的横向错位。因此差速AGV的标定重点是轮径补偿系数和轮距实测值。

舵轮底盘的Δy可直接通过横向平移消除，但Δθ取决于舵角控制精度。若舵角回零误差为0.1°，舵轮到车体中心距离L=600mm，则产生的横向偏差约1.05mm，角度偏差约0.1°。舵轮标定的关键是建立“舵角指令—实际转角”的映射表，并补偿齿轮间隙。

麦克纳姆轮的Δy在横向移动时受辊子打滑影响，重复性通常为±10～20mm，明显劣于舵轮。其优势在于路径灵活，适合空间受限但精度要求不苛刻的场景。标定重点是四个轮子的速度系数和安装角度偏差。

三、运动学建模的工程落地

建模不是写公式就结束，而是要落到参数辨识和补偿上。以差速底盘为例，实际工程中常用“直线标定+旋转标定”两步法：

1. 直线标定：让AGV沿直线行驶10m，测量实际横向偏移和角度偏移，反算左右轮等效直径比k = D_R/D_L。将k写入控制器，修正左右轮速度指令。
2. 旋转标定：让AGV原地旋转360°，用外部测量设备记录实际转角，反算有效轮距B_eff。通常B_eff与机械轮距B存在2%～5%的差异，需用B_eff替换理论值。

舵轮底盘则需标定舵角零位和舵角增益：给舵轮发送δ=0°、±30°、±60°指令，用角度传感器读取实际转角，拟合出δ_actual = a·δ_cmd + b，将a、b写入补偿模块。若发现回程间隙超过0.3°，应检查舵轮减速机或更换伺服。

四、选型与停靠策略的对应关系

需要强调的是，表中重复性为典型工程经验范围，实际值取决于标定质量、地面条件和负载变化。若工位对接精度要求优于±5mm，优先选择舵轮构型并配合二次精定位（如视觉或激光测距反馈）；若选用差速构型，则应在工位端设计导向机构，把运动学误差转化为机械约束可吸收的余量。

运动学建模的最终目的，是让控制器知道“发什么速度指令，车体会怎么动”。只有模型参数与实际底盘一致，停靠算法输出的修正量才可信。因此，每台AGV在投入使用前都应完成轮径、轮距、舵角零位等关键参数的标定，并将标定结果写入配置文件，而非依赖出厂默认值。