（机械电子工程专业论文）实验型agv控制与导引系统研究与开发.pdf

实验型a g v 控制与导引系统的研究与开发 摘要 为了满足物流专业实验教学的需要，研发一种以磁检测为导引方式， 基于红外传感器和压电电缆设计的安全防护系统的实验a g v 控制系统。该 系统具有整体结构简单，磁检测灵敏，障碍物检测准确，碰撞灵敏等特点。 在设计基础下，对a g v 模糊控制理论进行研究，并建立了a g v 模糊p i d 控制模型，设计了a g v 磁导引算法。最后经实验室测试，a g v 自动导引， 安全防护等指标都满足教学实验要求。 论文主要完成以下几项设计研究内容： ( 1 ) 对a g v 整体结构分析，包括a g v 机械本体方案分析，控制系统 外围电路分析与设计，确定基于红外传感器避障和基于压电电缆的防撞综 合防撞系统的设计方案并完成了电路设计开发。 ( 2 ) 完成了a g v 总装调试工作，包括机械部件安装，部分零件j j n x _ ， 电路元件安装与调试以及软件调试等工作。 ( 3 ) 建立a g v 模糊控制模型并对其仿真分析。设计了一种a g v 模糊 控制算法，针对单直排磁检测传感器组导引时不能消除位姿误差提出了解 决方案。同时分析了a g v 转弯方案，提出了减小转弯误差的方法。 ( 4 ) 对a g v 整体性能进行测试，包括自动导引跟踪精度测试和安全防 护系统性能测试。 关键词：实验型a g v 磁导引模糊控制安全防护 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o re x p e r i m e n t a l a g v c o n t r o la n dg u i d a n c es y s t e m s a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h e l o g i s t i c se x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，a l l e x p e r i m e n t a l a g vc o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p e db yu s i n gm a g n e t i c d e t e c t i o n - g u i d e da p p r o a c ha n dt h es e c u r i t yp r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f r a r e d s e n s o ra n dp i e z o e l e c t r i cc a b l es e n s o rd e s i g n e d t h a ts y s t e mh a so v e r a l ls i m p l e s t r u c t u r e ，s e n s i t i v em a g n e t i cd e t e c t i o n ，a c c u r a t eo b s t a c l ed e t e c t i o na n ds e n s i t i v e c o l l i s i o n b a s e do nt h ed e s i g n ，t h ea g v f u z z yc o n t r o lt h e o r yi sr e s e a r c h e d ，a n d a g v f u z z yp i dc o n t r o lm o d e li se s t a b l i s h e da n da g vm a g n e t i cg u i d e d a l g o r i t h mi sd e s i g n e d ，t h er e l e v a n ti s s u e sa r ed i s c u s s e d a n d f i n a l l yb y l a b o r a t o r yt e s t i n g ，a g va u t o m a t e dg u i d e da n ds e c u r i t yp r o t e c t i o ni n d i c a t o r s m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h et e a c h i n ge x p e r i m e n t s t h em a i nw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea g va s s e m b l yd e b u g g i n gi sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gm e c h a n i c a l c o m p o n e n t si n s t a l l a t i o na n dt h ed e s i g nf o rt h ec o n t r o ls y s t e mp e r i p h e r a lc i r c u i t ， t h e d e s i g n o fs e c u r i t y p r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f r a r e ds e n s o ra n d p i e z o e l e c t r i cc a b l ec o l l i s i o na v o i d a n c es e n s o ro fa g vi sc o n f i r m e da n dt h e c i r c u i t sa r ed e s i g n e da n d d e v e l o p e d ( 2 ) a g vg e n e r a la s s e m b l ya n dd e b u g g i n gh a sb e e n d o n e ，i n c l u d i n g m e c h a n i c a l c o m p o n e n t si n s t a l l e d ，s o m eo ft h e p a r t sp r o c e s s i n g ，c i r c u i t d e b u g g i n ga n ds o 矗n 川玳d e b u g g i n g ( 3 ) t h e 缸珂c o n t r o lm o d e li se s t a b l i s h e d ，s i m u l a t e da n da n a l y z e d a g v f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e d t h es o l u t i o ni sp u tf o r w a r df o rt h ep o s e e r r o rc a n tb ee l i m i n a t e da st h es i n g l es t r a i g h tr o wo ft h em a g n e t i cd e t e c t i o n s e n s o rg r o u pg u i d i n g a n dt h ea g v t u m i n gp r o g r a mi sa n a l y z e d ，m e t h o di sp u t f o r w a r dr e d u c i n gt h et u r n i n ge r r o r ( 4 ) t h ea g v o v e r a l lp e r f o r m a n c ei s t e s t e d ，i n c l u d i n gt h ea u t o m a t i c g u i d a n c et r a c k i n ga c c u r a c yt e s ta n ds e c u r i t yp r o t e c t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e t e s t k e y w o r d s ：e x p e r i m e n t a l a g vm a g n e t i cg u i d a n c ef u z z yc o n t r o l s e c u r i t yp r o t e c t i o n 广西大掌硕士g q 立论文实验型a g v 控制与导弓lj 0 睫的研舅可开发 1 1 研究背景以及意义 第一章绪论 自动导引小车( a u t o m m e d 叫d e dv e h i c l e ，简称a g v ) ，采用自动化智能控制，具 备自动蓄电，自动追寻预设运动路径，工作过程可以进行自身安全检测以及自动完成一 系列工作任务的能力。是柔性生产，自动生产线，现代自动化仓储系统的重要设备以及 重要组成部分，当今自动化生产的核心技术之一【l 。3 】。 目前因多变复杂的国家市场，人们对产品需求的多元化和产品的更新换代速度加 快，混合产品生产方式以及快速产品换代是当代制造业的主旋律。因此柔性化生产在 当代得以广泛的应用，a g v 作为柔性化生产模式下的代表，对于企业产品的流通和储 备，生产线上多样化柔性搭配，都起到了促进生产效率催化剂的作用。目前a g v 多应 用在汽车、钢铁制造业、造纸业和烟厂等物料搬运上或生产线上【4 羽，主要因为在于a g v 可将分散的加工工序和加工设备有机地结合起来，使得整个企业从生产、运输、储备成 为一个柔性集合体。 我国对a g v 的研究发展比较晚，受自身的生产方式的影响，自身工业技术欠发达， 因此a g v 技术发展比较缓慢。国内许多工业场合的生产资料搬运工作仍然选择采用人工 方式，或者使用辅助机械完成，甚至在某些场合仍采用人力进行搬运装卸生产资料【7 】。 现在我国港口运输业目前正在走上世界第一的位置，日均搬运装卸货物量巨大。但是国 内港口搬运大多数采用有人驾驶搬运叉车和大型起重机进行物料搬运，自动化效率不够 高，对我国港口也发展产生了阻碍。倘若采用a g v 进行港口物料搬运，则可一定程度上 减少船舶在港口停靠时间，提高整体港口搬运效率，促进我国进出口物流走向全球化。 从我国总体上分析，目前只有某些需要高自动化运行的企业或不适合人进行生产作业的 环境，才大量使用a g v ，同时使用a g v 局限在于有较强经济实力企业或者较大的科研 机构。目前我过的a g v 技术及相关管理技术还在依赖国外支持，国内现在发展不够完善， 没有形成一定氛围的科学研究体系。这是由于一方面市场上销售的应用型a g v 在价格比 较昂贵，距离大规模生产推广应用还具有一定距离【8 】，与人工机械相比，工作成本仍显 较高，这也是目前在国内企业仍比较倾向采用较落后传统的物流运输方式主要原因。另 一方面a g v 核心技术仍不完全自主，核心技术仍然为国外技术屏障，国产a g v 必须引 广西大掌司睦奄目立论文实验型a g v 控制与导5 i 系统的研究与开裳 进或是购买他国专利权才可具有市场竞争力，因此也是造成国产a g v 价格维持在一个较 高水平重要原因。在近年，尽管我国在科研技术加大了投入，众多科研机构及高校纷纷 参与对a g v 技术研究。但a g v 技术上的“黑盒”，对开展a g v 教学和实验造成诸多不便。 同时造价成本太高，我国高校构购买力不足，严重地阻碍我国a g v 技术人才的培养发展。 同时由于工业使用的a g v 多针对工厂生产线和一些物流企业的需要开发的，一般都不会 考虑高校的教学和实验的需要，所以对于用来进行教学实验并不实用。开发具有针对教 学实验型的a g v ，制造成本较低，可以满足高校在物流仓储方面的实验需要，同时技术 公开，方便高校进行基础教学，培养人才，为社会提供大量a g v 技术人才。因此对现在 实验型a g v 的开发与研究对我国现在培养专业人才提供了物质保障以及技术基础。 1 2 国内外a g v 研究发展概况 1 2 1 国外a g v 发展状况 世界上第一辆a g v 小车诞生于19 5 3 年的b a s r r e t 公司，当时a g v 是选择改造一辆 拖拉机实验而成，通过布置在空中导引线进行导引运输 9 1 。1 9 5 4 年世界第一辆采用电磁 导引a g v 于英国诞生，由于其采用比先前可靠的导引方式使得到5 0 年代末期到6 0 年 代初期，欧洲广泛采用各种类型a g v 在工厂、仓库大量使用，同时建立多处科研机构 对a g v 技术进行系统研究和新产品研发，促进a g v 研究发展起步，使得a g v 由实验 室走上生产车间。7 0 年代，由于欧洲a g v 蓬勃发展影响，日本开始引进a g v 产品及 相关技术，通过学习国外先进知识，消化并在自身实验基础上研发出具有自身特点，使 日本a g v 技术迅速发展。 到舳年代到9 0 年代，信息时代到来，计算机及互联网开始普及，将a g v 与计算 机联系起来，通过计算机联网控制调度整个a g v 管理，使得a g v 在管理上趋向智能 化。并且因为采用计算机控制，在管理上及维修上投入相应减少，促使企业在产品生产 管理成本大量降低。这些优点被各国看好，各国加大对a g v 研究力度，促使新的a g v 导引方式和新技术应用激光导引、惯性导引，无线通信等投入现实生产中。同时技 术革命的创新，其他技术也融入a g v 技术中，开发出移动式多功能机器人，极大丰富 了a g v 使用空间。与早期的电磁导引相比，现在的导引方式比电磁式灵活，稳定性较 好。可在不改变a g v 行驶轨迹时进行地表改动或者生产线变化，通过计算机无线通信 2 广西大学硕士掌位论文实验型a g v 控制与导引系统的研曼可开发 和改变标识可以达到快速改变运输路径( 激光导引可以改变反射板的位置和计算机控制 中心算法实现路径改变) ，符合企业柔性化生产需求，对企业生产发展起到重要作用。 据有关资料统计：9 0 年代末，a g v 类型超过2 0 种，数量超过2 5 0 0 0 台，其生产厂家达 5 0 家以上，广泛使用在医药、印刷、汽车制造、钢铁、化工、运输业、机械、电子、仓 储和商业上【1 0 - 1 2 1 。 经过a g v 发展一个多世纪，欧美国家工业基本为a g v 自动化生产，欧美国家都 有自己对立的研发机构或者高校进行a g v 技术研究与开发，并形成一个专门的学科进 行管理教学，融入了现代智能化机器人范畴。美国麻省理工学校有自己独立的机器人研 究室，其中有- d , 部分进行a g v 型机器人实验与研究。美国d 髓a l l e rm o t i o n 公司，专 门从事电磁、机械、电子类产品开发研究，2 0 0 2 年为拓展自身技术，收购专门生产a g v 的瑞典n d c 公司，因此成为世界最大a g v 生产研发基地。目前国外a g v 已经由实验 室设计走向工业自动化设计，形成专门针对各种行业需求的生产模式。 1 2 2 国内a g v 发展状况 国内发展现状： 国内第一辆a g v 于1 9 7 6 年在北京的起重机械研究所生产出来，当时导引方式也是 采用当时流行的电磁导引方式。因此我国与其他国家相比，对a g v 研究开始研究的时 间比较晚，研究开发各方面都不成熟。8 0 年代真正开始将a g v 投入实践，向邮政、汽 车、烟草企业进行a g v 应用推广【l3 1 。9 0 年代，沈阳自动化所自行设计9 台a g v 装配 系统，目的是为沈阳金杯汽车公司进行生产装配【l4 1 ，这是当时国内最有实际应用的a g v 生产线。到中后期，上海昆船公司开始引进国外a g v 进技术，以此为基础开发出可以 广泛投入实际应用和具有较高可靠a g v 产品。2 0 0 6 年至2 0 1 0 年，昆船先后在国内进 行了5 3 套a g v 系统建造，自主设计3 0 多种类型a g v 满足国内外市场需要。特别在 2 0 1 0 年，昆船独立自主研发的a g v 控制系统，打破了我国长期被国外技术牵制，核心 部件依赖进口的枷锁。昆船已经将a g v 技术全面推向全国，向世界销售4 0 0 多台a g v 小车，同时为国家承担了多个a g v 系统的设计、安装和研发工作，是目前代表a g v 业内较高的安装设计水平【1 5 】。 国内实验型a g v 发展现状： 国内高校为加快自动化物流发展，培养大量人才，都加大对a g v 科研研究力度。 3 广西大掌q n b 掌位沦文 实验型a g v 招嘴u 与导粤i 勇0 统的研究旨开裳 2 0 0 3 年，t h m r v 【16 1 ，清华制造未来智能汽车，采用大量高科技定位传感器和避障传 感器，能在实际环境用进行车道线自动跟踪，是未来a g v 应用的代表。2 0 0 7 年，哈尔 滨工业大学研制的轮式智能服务机器人，采用了a g v 技术，并融合了人工智能，可实 现自动指引行走，同时可以语音进行人机对话。 同时，国内各类以a g v 技术为基础的机械电子创新大赛广泛开展，比如飞思卡尔 智能车设计大赛，全国机器人设计大赛等，都积极推动国内对a g v 技术的发展，展示 了当前各高校对a g v 技术的研究成果。a g v 不单以具体事物出现，更重要是它以一种 技术，一种思想融入到技术创新中。因此在纵观我国，无论从国家科研机构、社会企业， 还是微小到小团队或个人，a g v 目前在我国正在以一种势不可挡的力量向社会推广， 在潜移默化在高校中推广。但相对国外，我国对a g v 产业仍存在资源投入不足，人才 紧缺，教学设备不完善等一系列问题，严重阻碍国内人才教学发展。 目前实验型a g v 较常用的导引方式有以下几种： ( 1 ) 电磁导引 1 7 】( 图1 1 ) 。在地表下埋入导线，导入一定规律频率电流，此时由于 电磁效应使得导线周围产生具有定变化规律的磁场，a g v 利用电磁传感器进行变化 磁场的检测，从而获得导引方向。该导引方式主要优点有布线隐蔽，抗污染和破损，导 引控制原理简单，对外界的声音，光线，温度敏感较低，生产制造比较低廉。但主要缺 点是布线及更改a g v 行走路径比较不方便，缺乏灵活；对金属干扰比较敏感，应用场 合较低，属于a g v 初期导引方式。 ( 2 ) 磁带导引。类似于电磁导引，但不同在于导引线采用磁性物质。优点布置轨迹 灵活，可以根据生产或者运输需要随时进行路线更改，是现行工业运输a g v 导引方式 主流方式。较适用于a g v 工作路线简单，工作环境比较洁净的场合，特别适合于高校 教学实验条件。 ( 3 ) 光学导引t , 8 1 ( nl 一2 ) 。利用跟磁导引相同的工作原理，不同在于导引介质采用了 颜色识别。根据光线对不同颜色的吸收量不同的原理，采用光学传感器系统识别颜色路 线的导引方式。由于利用光线反射作为信号采集，因此光学系统对灰尘、地面反射等对 光线影响的环境都不适用，目前只是应用较多在高校实验场合。 目前国内智能车大赛中采用的a g v 技术中磁导引，光学导引居多，但是仅限于比 赛需求，应用用教学物流实验开发的a g v 产品较少。 4 广西大学硕士掌位。论- 文 实验型a g v 控制与导引系统的研舅号开发 r _ 一一 l 输出。 。一。+ 一 - 二二= _ l _ 二= _ 一 传盛嚣光源：光鼍；传最嚣 。 _ _ - 一 一 u , = 5 v ，第三极放大电路输出饱和电压： 配2 币r 面1 t u o p 叫2 熹 ( 3 - 5 ) 因为滞回电压比较可使电平交换加快，所以系统响应速度快，提高抵抗电路抗干扰 能力。电路可通过调节u 电压值调节电路的灵敏度，最后放大的电压驱动一个小型 继电器k l ，通过继电器的闭合实现信号高低电平翻转，使得输入a g v 控制系统的信号 物理上进行信号滤波设计。 采用继电器作为最后的信号处理，可以在物理结构上完全消除外界信号干扰，同时 可以通过外接输入电源控制信号输出电压大小，使得当控制器需要更换时，可以方便匹 2 0 广西大掌硕士曹q 立论文实验型a g v 控制与导3i 系统的研究与开发 配更换后新控制器的输入端口电压。 压电电缆与防撞填充材料包裹在a g v 车体的底端，形成封闭的保护圈，这可使得 a g v 外围获得最大范围保护。同时也是对压电电缆，以及a g v 车体进行防护。本文设 计的a g v 填充物为海绵，厚度为6 0 m m 。 3 1 4 磁检测导引设计 如前文所述，导引模块设计主要是a g v 导引方式的选择。根据导引方式去选择导 引所需要的传感器。磁检测可以不受外界电磁干扰，耐污性好，布置磁性物质时较为方 便，同时磁信号稳定可靠。因此对于本文选择磁检测作为导引方式，不仅从稳定可靠性 考虑，同时对磁轨道布置方便考虑。a g v 磁导引检测原理图见3 - 6 。 磁 霍尔传感器 图3 - 6 磁导引检测原理 f i g u r e3 - 6t h em a g n e t i c - g i l i d e dd e t e c t i o np r i n c i p l e 假设检测磁场的传感器选择霍尔传感器，当磁条位于两霍尔传感器时，两传感器均 检测到同等强度的，则认为a g v 处在磁条中心位置，不需要进行纠正偏差。当磁条偏 离两传感器中心，其中一个霍尔传感器检测到较强的磁场，则认为a g v 偏离磁条，靠 近该传感器附近，根据系统设定的控制算法计算偏差值进行位移纠偏。 根据磁检测原理选择传感器，现适合做a g v 磁检测的传感器种类比较多，如霍尔 传感器，磁敏电阻，磁通电阻等，均可以制作成a g v 磁传感器，而且制作成本不用太 高，电路设计也比较简单。现在霍尔传感器可以用于多种检测用途，如接地故障电路检 测，地下电缆事故检测等磁感应检测【3 4 】【3 5 】。 四日l ! ! 竺兰1 日回 图3 7a g v 霍尔磁检测传感器设计原理 f i g u r e3 - 7t h ea g v h a l lm a g n e t i cd e t e c t i o ns e n s o rd e s i g np r i n c i p l e s 实验型a g v 拄堋m 与导引系统的研曼手开蔓 a g v 的霍尔磁检测传感器设计原理图( 图3 7 ) ，霍尔传感器获得的磁场强度信号 通过a d 转换为数字信号供控制进行识别判断 a g v 导引媒介可以选择磁性的物质，如磁条、磁钉，或者其他磁性物质【圳。采用 磁钉方式，在a g v 工作路线上安装磁钉，安装方式一般是每隔一段距离放置一对磁钉， 通过定时扫描磁钉而获得导引方向的方式。由于磁钉安装简单，这样使得a g v 在布置 轨迹时可以根据工作需要随意进行a g v 路线变更。同时不能实时进行位置修正，需要 间隔时间检测修正。并且该方式存在由于a g v 工作环境障碍物，生产设备使得测量磁 钉位置较困难，对a g v 调试造成不便【y 7 1 。 采用磁条作为媒介，轨迹连续，磁场连续分布在轨迹线上使得a g v 在任意时刻对 自己当前的位置信息进行检测，进行及时修正，同时线路布置比较简单，形象。 a g v 磁导引磁条主要成分为铁氧体，通过铁氧体料粉与合成橡胶复合延压而成， 使得磁条具备柔软性和弹性，表面剩磁要求1 3 5 0 2 7 0 0 t ，一般由专业厂家制造出售。市 面上出售的磁条，表面剩磁一般2 6 0 t - - - - - 5 0 0 不能满足a g v 磁条要求。因此选择磁条 时要注意磁场强度。 3 2 控制系统软件设计 基于5 1 单片机系列控制器可以通过c 语言或者汇编语言进行系统程序编写。本文 对控制系统软件设计选择c 语言作为编译语言，主要c 语言编写比较灵活，数据结构 丰富多样，同时针对于单片机系统，可以直接访问物理地址，与汇编语言功能一致，但 在编写方式以及通读性均优于汇编语言。对于教学实验而言，便于对师生进行指导学习。 c 语言开发软件为k e i lc 5 1 ，集成的开发环境有k e i ls o f t w a r e 和i n c k e i le l e k t r o n i k g m b h 开发的基于8 0 c 5 1 为内核处理器开发平台，内部嵌入多种开发工具，方便用户进 行c 语言工程编译开发。 3 2 1 软件设计总体结构 总体软件结构包括三个部分：1 、自动导引；2 、手动导引；3 、人工设参。软件总 体设计结构见图3 - 8 。 广西大掌硕士尊啊盘论文实验型a g v 控制与导5 i 系统的研究与开 屯 图3 8 软件设计总体结构 f i g u r e3 - 8t h eo v e r a l ls o 脚a 他d 懿i 弘s 仇l c t u r c 自动导引通过进行跟踪现场铺设好的磁轨迹进行自导导引。 手动导引一葱过操作手柄进行a g v 控制，同时在l e d 显示屏中显示a g v 的工 作状态，包括当前行驶速度，行走距离等。 人工设参一由人工进行a g v 路径规划，脱离磁导引，根据虚拟路径进行作业。 3 2 2 自动导引程序设计 当系统选择工作方式为自动导引时，则a g v 启动安全防护系统，事先对周围进行 障碍物检测，判断是否可以进行自动导引。若发现障碍物，则由安全防护系统进行报警 处理。软件流程图如下图3 - 9 。 广西大曾粕嚣士掣啦魂吁 实验型a g v 控制与导5 i 秉筑的研舅可开裳 图3 - 9 自动导引程序流程 f i g u r e3 - 9a u t o m a t i cg u i d e dp r o g r a mf l o w 3 2 3 手动导引程序设计 图3 1 0 手动导引程序流程 f i g u r e3 1 0m a n u a l l yg u i d e dp r o g r a mf l o w 手动导引程序流程图见图3 - 1 0 。启动手动导引，则不需要进行磁导引功能，因此关 闭磁检测传感器，但需要安全防护开启。在执行手动命令时，如果出现意外，则由安全 防护系统进行处理，也可以通过急停按钮进行紧急停车，等候专业人员进行事故排除。 2 4 广西大掌硕士砻q 立论文实验型a g v 拄测与导引系藏的研囊可开发 图3 1 1 人工设参程序流程 f i g u r e3 llm a n u a l l ys e t t i n gp a r a m e t e r sp r o g r a mf l o w 3 2 4 人工设参程序设计 通过进行手动规划路径，使得a g v 可以在无磁检测条件下进行自动导引。执行过 程中若发生意外，则系统保存原运动状态信息，等待意外排除后恢复原运动状态进行进 行工作，程序设计流程图3 1 1 。 实验型a g v 控制与导3i 系统的研究与开发 3 2 5 安全防护系统程序设计 a g v 进行上述功能时都需要防止意外发生，则a g v 的安全防护程序设计就起到关 键作用。a g v 的安全防护程序作用在于对检测到障碍物或者发生碰撞时，立即进行保 护措旋。当障碍物移除时，a g v 再次恢复原来工作状态将未完成的工作完成。避障程 序设计 a g v 避障程序设计目的起到防性作用，通过红外传感器，超声波传感器等非接触 式传感器预先检测前方是否有障碍物，提前做好避障准备。程序设计流程如下图3 1 2 。 图3 1 2a g v 避障程序流程图 f i g u r e3 1 2t h e a g vo b s t a c l ea v o i d a n c ep r o g r a mf l o wc h a r a g v 启动时预先进行前方障碍物检测，当确定无障碍物方可a g v 启动开始作业。 在作业过程若遇到障碍物，需要立即停车，将当前工作状态，包括行驶位置，速度以及 广西大掌硕士学位论文 实验型a g v 拄侧与导引系兢的研究与开发 当前工作任务情况保存于控制器记忆存储区。如果当前障碍物没有及时移除，则a g v 鸣笛进行绕行当完成绕行时，再将原工作状态恢复，继续作业。 a g v 在前行过程，选择前避障传感器工作，当进行倒车时则采取后避障传感器， 这样使得a g v 资源消耗减少，同时减轻控制器的负担，同时这样进行设计a g v 较人 性化，可以避免不必要的干扰。 防撞程序设计 当发生碰撞时，表明a g v 已经与障碍物接触，则不能延续采用类似避障策略，因 为避障策略已经失效，防撞是作为a g v 最后的安全底线，程序设计流程图3 1 3 图3 1 3a g v 防撞程序流程图 f i g u r e3 1 3t h ea g v c o l l i s i o na v o i d a n c ep r o g r a mf l o wc h a r t a g v 发生碰撞时，障碍物处在红外传感器或者超声传感器盲区，障碍物需要人工 移除方可继续作业。如果当时没有及时移除，a g v 不能采取白行绕行，因为无法确定 前方区域的障碍物存在情况。同时发生碰撞时，a g v 停车，a g v 与被碰撞障碍物之间 处在压紧状态，时间过久将对a g v 和被撞物体都会产生不同程度的伤害。因此这是需 要辅助于倒车传感器，确定a g v 后方无人或者障碍物，则进行倒车一段距离，等待工 2 7 实验型a g v 控制与导引系统的研究与开鬟 作人员移除。 a g v 安全防护系统还设置急停装置，当突发情况发生时，现场工作人员也可以直 接按下a g v 急停按钮，使得a g v 在系统软件上进行急停，同时在控制电路中，切断 a g v 步进电机驱动器电源，使得a g v 在软件以及硬件上获得双重急停，更能有效保护 a g v 和现场人身财产安全。 3 3a g v 总装调试 根据a g v 整体设计方案选定安装所需的机械零件和电气元件，并进行采购安装， 若需要特殊的部件，则选择自行加工匹配。对a g v 整体进行总装，包括机械本体安装， 电气控制系统外围电路板制作，电气元件安装三个部分。按照设计方案进行整体安装， 安装完成后进行各个模块调试检测。 3 3 1 机械本体装配 a g v 车架采用# 4 5 方钢进行焊接而成。为了可以将步进电机安装牢固，内舱电机座 选择厚度5 m m 的钢板与基座焊接而成。由于在焊接加工过程，材料会因为变形使得， 在安装电机时的同轴度出现偏差，故在安装时适当在某些地方加入垫片来保证电机安装 尽量在同轴。在设计上为保证a g v 整体重心平衡，电池槽几何中心分布。由于a g v 承载货物主要承载体是车架，在考虑工艺以及整体设计强度，在a g v 车架侧面增加了 强化梁，保证a g v 整体承重能力可以达到设计要求并具有较好的刚度。车体外部用2 m m 的钢板焊接铺盖，用工业防锈漆进行防锈处理。步进电机与主动轮的联轴器采用工程塑 料制作而成的联轴器，因为在一般情况工程塑料其强度可以胜任成为某些机械场合，如 齿轮啮合，链轮传递等。见机械本体图3 1 4 。 广西大掌硕士掌位。论文 实验型a g v 控制与导引系统的研舞亨开发 3 3 2a g 电路安装调试 图3 1 4 a g v 机械本体 f i g u r e3 - 1 4n e a g vm e c h a n j c a lb o d y a g v 各个功能模块通过连接外围电路板就构成整个a g v 电气控制电路，由图2 - 6 结构进行外围电路元件安装( 图3 1 6 ) 。电路安装板采用绝缘材料，在上面进行固定元 件的安装槽和插座，根据电气布线原理，采用导线盒作为导线布线。接线盒材料选择防 火材料，防止当电路短路时引起火灾。强电线路选择走上游，且导线选择为粗导线，所 以线盒选择较大点；弱电走下游，导线较细，线盒现在较小，电流走向由左往右，从上 往下走，严格遵守布线守则。控制器内嵌在用户操作面板上( 图3 1 5 ) ，方便用户操作 和观察a g v 运行状态。 图3 1 5 控制器安装位置、操作面板设置 h g u r e 3 15c o n g o l l c ri i l s t a l l a d o nl o c a f i o n ，t h eo p e r a t o rp a n ds e n i n g s 广西大学硕士掌位论文 实验型a g v 控制与导3i 系统的研舅巴与开发 图3 - 1 6 电控系统安装 f i g u r e3 16t h ee l e c t r i cc o n 旬r o ls y s t e mm s m l l a t i o n 红外传感器必须安装在车体上，在车头和车尾进行开孔，进行安装( 见图3 1 7 ) 。 磁检测传感器安装与两步进电机中间，位于整个a g v 回转中心位置( 见图3 1 3 ) 。压电 电缆包裹在海绵中，外表包覆人造革，使得a g v 防撞系统整洁美观，缓冲效果好。见 图3 1 7 。 图3 1 7 红外传感器与压电电缆安装 f i g u r e3 - 17 i n f r a r e ds e n s o l l sa n dp i e z o d c c t r i cc a b l ei i l s t a l l a t i o n 将整体装配完毕后，在室内进行a g v 初步行驶调试图3 1 8 ，a g v 各项功能模块工 作正常，电池续航能力可以维持在1 6 小时左右。 广西大掌硕士掣啦论文实验型a g v 控制与导引系葳的研曩坷开发 图3 1 8 a g v 现场调试 f i g u r e3 18t h es c e n ed e b u g g i n go ft h ea g v 3 1 实验型a g v 控制与导引胃统的研臻可开j k 第四章自动导引控制研究 a g v 运动系统属于非完整约束系统。所谓非完整约束系统，则是相对完整约束系 统而言。简单解释完整约束系统只包含有限约束( 包括几何约束和含时几何约束) 的动力 系统称完整系统指只与位置和时问有关，不与速度有判3 引，因此当系统与速度有关，或 在滚动运动，我们可以称之为非完整系统。 a g v 控制系统由于属于非完整约束系统，因此不能通过连续不变的控制方式进行 系统镇定，不能通过微分方程去构建其控制数学模型。因此只能通过轨迹跟踪进行系统 控制。所以目前针对该类问题人们提出了多种控制方法，如反演控制【3 9 1 ，自适应控制h o 】 以及神经网络 4 l 】等方法。但上述方法对于参数整定，需要花费大量时间去进行计算整理。 同时当遇到某些运动模型，数学模型建立比较困难时，上述方法处理起来比较繁琐和耗 费人力【4 2 1 。 模糊控制的提出，避开了构建系统数学模型的繁琐过程，简化了系统模型。非完整 约束系统，约束条件不完整，对于系统模型构建比较困难，或构建获得系统相当复杂， 参数整定难度较大。若采用模糊控制，则有可避开复杂的系统模型进行系统研究。 模糊p i d 控制则是针对非完整约束系统中提出的，具有模糊控制的特点，同时具备 p i d 的优点，使得系统模型构建简单化，系统参数容易确定。当前对a g v 或者移动式 机器人和其他复杂运动控制研究越来越多人采用模糊控制进行研究，都取得较好的控制 效果 4 3 - 4 5 】。 4 1 模糊控制基本原理 图4 - 1 为模糊控制基本结构： 图4 1 模糊控制基本结构 f i g u r e4 - 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo ff u z z yc o n t r o l 广西大学硕士掌位论文 实验型a g v 控制与导引系统的研囊，搴开发 模糊化系统将输入值进行模糊化，将精确值根据规定的数据库规则进行转换到 某个值域中的过程。 模糊控制的模糊化算法过程( f u z z i f i c a t i o n ) 4 6 - 4 8 】 假设输入量j c 0 ，基本论域( 范围域) x 0e x , m ， ，要求输出论域范围 宰 木，k 木】，经过线性变换： 输出值幸= 玉虹笔墨+ 七( x m i n + 2 x m a x ) ，比例因子后= 鲁。 若选择的域的空间为离散型，则进行离散化。例如连续论域 5 ，5 】，则进行离散化 后为： 表4 1 论域 5 ，5 】离散区间 t a b l e4 - 1d i s c r e t ei n t e r v a l so ft h ed o m a i n 一5 ，5 】 模糊推理模糊推理算法，进行值域模糊进行推理。模糊控制中，模糊系统推理 行为按专家知识，以语言规则描述。 如多输入多输出( m i m o ) 转化为多输入单输出( m i s o ) 4 6 - 4 8 般规则表示如下： 月1 ：j ，x l 是a 1 ，x 2 是彳j ，石力是a x ，t h e ny 是f 1 吃：i fx 1 是彳孑，x 2 是奄，x 月是月詈，t h e ny 是q r n ：j ，石1 是彳，石2 是簟，- - - ，是露，t h e ny 是“ a 和c 都为论域上的子集合，将上述推理综合后获得最终结果。 解释模糊经过推理后需要获得确定数值的过程。 解模糊运算( d e f u z z i f i c a t i o n ) ： 若知的论域范围为【z m i n ，z m a x ，实际的控制量的变化范围为阻m i l l ，”一】，采用线性 变换，则： 甜= 毕+ k ( z o 一学) ，比例因子后= u 麟一un f i n x 础一x m i n 知识库数据库和规则库组成，负责模糊数据的相关定义，包含模糊推理所需要 广西大掌目k b 掌位论文实验型a g v 控制与导5i 膏：统的研奠弘可井j 生 的推理策略等。 数据库：主要存放模糊推理过程所需的模糊化、解模糊和模糊推理的算法和所相关 的论域定义等信息。其中关键前提是将输入和输出值构造成相互映射的模糊集关系，形 成一个模糊空间，同时定义它们的隶属函数。 常用的模糊集定义为： 正大( p b 或p l ) ，正中( p m ) ，正小( p s ) ，正零( p o 或p z ) ，零( 0 或z ) ，负 零( n o 或n z ) ，负小( n s ) ，负中( n m ) ，负大( n b 或n l ) 4 7 】。 因此模糊控制中的隶属函数形式( 图4 2 ) 为： 图4 - 2 模糊控制中的隶属函数( 输入输出) h g u r e 4 - 2t h em 崩n 1 ) e r s 螂f u n c t i o ni i lt h e 如固可c o n 打0 l ( i n p u t o u t p u t ) 图4 2 中隶属函数有以下特点： “对称”：正负论域中的取值图形都为对称； “均匀分布：三角形曲线图形的中心点所在的论域取值均匀分布； “全交叠”：每个三角形曲线图形的底边端点恰好是相邻两个三角形的中心点。 规则库：存放推理规则和模糊化，解模糊以及专家知识和经验等数据规则，存储一 系列的“巧t h e n ”型模糊条件语句。 4 2a g v 自动导引控制研究 4 2 1a g v 模糊p i d 控制系统模型 由第三章中磁检测传感器结构设计，磁传感器在空间中排成“一”字型，图4 3 。 实验型a g v 控制与导5 i 系统的研舅巴与开发 卜三h 圆田圉臣田 等距霍尔传感器组 图4 3 磁导引传感器空间排列结构 f i g u r e4 - 3s p a c ea l i g n m e n ts t r u c t u r eo f t h e8 8 1 s 0 1 m a g n e t i cg u i d a n c e 磁传感器1 ，2 ，3 ，4 作为跟踪磁条位置的主探测传感器，h n 与h s 作为转弯控制 的标志位( 介绍a g v 转弯控制方案时将详细介绍) 。a g v 对磁条检测可以分成了两种 方式：窄磁条检测方式和宽磁条检测方式。选择窄磁条检测，传感器排列选择为双排列， 双输入确定a g v 偏差位移。因此在设计传感器组时两个传感器间隔宽度为磁条宽度， 这种方式可最多使两个传感器同时探测到磁条，该方式通常采用较多传感器探头组合成 传感器阵列。因此一般的设计占用较多的i o 接口，对于i o 资源不足的控制器常规设计 不适用。 采用宽磁条检测方式，则可以不必采用双排传感器检测，采用单排列也可获得较好 的效果这是因为宽磁条可使多个传感器同时检测到磁信号，可以采用较少的传感器获得 较宽的误差纠正范围。同时可以为控制器节省i o 资源，减小控制器资源消耗。 下表4 2 宽磁条方式磁传感器判断逻辑情况分类分析( 以图4 3 中的排列方式为例， “1 ”为检测到磁信号，“o ”无检测磁信号) 。 表4 2 宽磁条方式磁传感器逻辑分析 t a b l e4 - 2t h e l o g i c a la n a l y s i st ot h em a g n e t i cs e n s o r so fw i d em a g n e t i cs t r i p em o d e 传感器空间位置感应情况偏差情况 3 5 广西大学司n b 掌位论文实验型a g v 控制与导引系统的研曼0 与开生 根据传感器各个位置对磁信号的感应，获得相应的位置区间，大致上可以判断a g v 相对磁条的位置。上表4 2 中，四个传感器排列可以获得7 种偏差情况，偏差情况分布 情况较为连续，结构上可以减少传感器的数量而获得较精细的调节处理效果。 由上一节模糊控制的基本原理，本文设计a g v 的磁条传感器为单排检测输入，即 输入信号唯一，因此根据表4 2 可确定宽磁条输入值论域为 4 ，4 ，属于离散型，设定 输入偏差参量e ，且根据偏差情况可分为f 左大( 1 b ) ，左中( 1 1 1 1 ) ，左小( 1 s ) ，零( z o ) ， 右小( f s ) ，右中( m ) ，右大( r b ) 1 进行模糊化，所获得隶属函数分布如图4 4 ( a ) ， 因此由传感器整列分布确