（机械制造及其自动化专业论文）自动导引小车（agv）路径跟踪控制策略的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 爨渤姆引小车( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ) 怒一秘无人操纵的囊动能运输 设备，憝够承载一定翡重量在楚发壤警瓣懿逮之瓣熬主驾驶，塞凄运行。a g v 装声、 光、电、计算机技术于一体，练合了当今秘 技领域先进的理论帮应臻技术，麟子 移动式机器人的一个分支。路径熙跺控制技术是臼勘导引小车研究中的一个关键 技术。因而，如何设计出一种跟踪误藏小、动态响_ | 藏快、能适应多种复杂环境且 具有较好静糖性的控制系统是十分黧黉的。 在分秽亍a g v 靛结构李等点及蒸与路经豹档对运动关系静基础上建立冀运动学模 鳖，黉努援了a g v 驱羲系统懿凌、静态梅缝，逶避系绞蒺谖褥弱驱凌系绞豹铸遴 戮数，从而建立了被控系统的状态窑瀚穰登。对羧捌系统静性能分辑表明系统楚 帐界稳定的，但是能控能观，可以通道极点配置使系统闭环稳定。 蓠先和爝经典控制理论中的工稷设计方法，程狡绷系统的前向通道中帛联 拿粉控裁器，并合理豹设计了按镪溅静参鼗。逶避谬续豹镑真分撰表明尽黪遮秘 控带l 器极大的据高了系统熬稳定髓，羧蛰了系统静憋能，然两对于运行耩发较畿 的要求不能很好的满足。针对这种不足，选择现代控制理论中的线性状态反馈控 制方法，采用了线性二次型最优控制器设计方案。通过对闭环系统阶跃响成和零 极点图的分析，合理的确定了系统最优反馈控制增髓矩阵，最终完成了掇制器的 设计。对该捷制嚣的仿真分析结聚淡明线性= 次型最优控剃器在转向角度较小时， 鞭踪毽鼹稳定，英袁夷磐魏稳态耱拣，缝够瀵足a g v 鼹径跟黥整裁麴要袋；瓣瓣 毽存在大镰藏时缎编缓慢，不悲逶旋较大受瘦瓣转囱菠毹等缺点。霞藏对骥嬲控 制器进行了研究，选取将距离偏蓑与角度偏差的线骸函数构成的综合偏麓俸为控 制器的一个输入，将这个偏差的变纯率作为另个输入，设计了双输入革输如的 模糊羧裁嚣。 傍j 褰分辑缝栗表饔模糨整麓嚣巍大镳差辩黥够锼系统浃速缨编，毽怒囊予控 制策略无法覆盖所有情况，在小偏麓情况下控制效粜不如常规控制器理怒。 针对单一控制器在应用中的不足，提出了采用闽值切换法的复合控制的路径 跟踪控制方法，实现了模糊控制和常规控制的优势互补，并合理的确定了切换闽 值的大小。遇过各种复杂环境下的仿豢结果表明，谈复合控制系统使a g v 艇备对 番耱薅经蹑踩熬透痤黪力，具有较好鹩挽臻声干挽筑力和控镬效果。 荚键词：a g v ，工程设计，线靛二次熬最德攘铷，模獭控制，复合控制 一 茎塑堡王查望毽主堂堡黢苎 a b s t r a c t a u t o m a t i cg u i d e dv e h i e l ef a g v ) i s 矗na u t o m a t i ct r a n s p o r t a t i o nv e h i c l ew i t h o u t d r i v e r , a n dw i t hac e r t a i na m o t m to fw e i g h ti tc a nt r a v e lb e t w e e nt h ed e p a r t u r ea n dt h e d e s t i n a t i o n ，i tc o v e r st h et e c h n o l o g i e so f0 p t i c s ，e l e c t r o n i c s ，a c o u s t i c sa n dc o m p u t e r s c i e n c ea n do t h e ra d v a n c e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e si nt h ec u r r e n ts c i e n t i f i ca n d t e c h n i c a lf i e l d s ，a n di ti so n eo ft h eo f f s h o o t so f m o b i l er o b o t t r a c k i n gc o n t r o li st h e k e yt e c h n i q u ea m o n gt h e r e s e a r c h e so f t h ea g v , i ti sv e r y i m p o r t a n tt od e s i g nac o n t r o l s y s t e mt h a th a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：s m a l lt r a c k i n ge r r o r , q u i c kd y n a m i c r e s p o n s e ，a d a p t a b i l i t yt oc o m p l i c a t e dc i r c u m s t a n c e sa n dr o b u s t n e s sa n ds oo n a g vk i n e m a t i c sm o d e li sf o u n d e db a s e do na g v ss t r u c t u r ef e a t u r e sa n dr e l 稚i v e m o t i o nr e t a t i o n sw i t hl a n e b ya n a l ) x i n gt h es t a t i cf e a t u r ea n dd y n a m i cf e a t u r eo f d r i v i n gs y s t e m ，d r i v i n gs y s t e mi d e n t i f yi sf i n i s h e da n dt h et r a n s f e rf u n c t i o ni so b t a i n e d ， f i n a l l yt h es t a t es p a c em o d e li sf o u n d e d 。t h ea n a l y s i sr e s u l t so fc o n t r o ls y s t e ms h o w t h a ti ti sc o n t r o l l a b i l i t y , a b s o r b a b i l i t ya n dc r i t i c a ls t e a d y , s oi tc a nb e c o m ec l o s e dl o o p s t e a d yb ym e a n s o f t h ep o l ec o n f i g u r a t i o n w i t ht h et h e o r yo fe n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d ，ap d c o n t r o l l e ri ss e r r i e di nt h e f i r s t - c h a n n e lo f t h ec o n t r o ls y s t e m 。a n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s 疵o b t a i n e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w 镪懿t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rc a l li m p m v et h es t e a d ya n dt h e 馥a r a c t e r i s t i c s o ft h ec o n t r o ls y s t e m ，s u c ha sq u i c kd y n a m i cr e s p o n s e a d a p t a b i l i t yt oc o m p l i c a t e d c i r c u m s t a n c e sa n dr o b u s t n e s sa n ds oo n b u tt h ec o n t r o l l e rc a n n o th a v es m a l lt r a c k i n g e r r o rt om e e tt h eh i g hp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t + i no r d e rt or e s o l v et h es h o r t a g e ，t h et h e s i sc h o o s e st h e 、l i n e a rq u a d r a t i cf o r m o p t i m a lc o n t r o l l e rd e s i g ns c h e m eb ya p p l y i n gl i n e a rs t a t ef e e d b a c kc o n t r o lo ft h e m o d e mo p t i m a lc o n t r o lt h e o r y w i t ht h ea n a l y s i so f t h es t e pr e s p o n s ed i a g r a ma n d p o l e s d i a g r a m ，t h eo p t i m a ls t a t ef e e d b a c ka r r a yi so b t a i n e da n df i n i s hd e s i g n i n go fo p t i m a l c o n t r o l l e ro fa g vs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rc a nr e a l i z e a c c u r a t ea n ds t a b l en a v i g a t i o nc o n t r o la n di th a st h ew e l ls t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n d a d a p t a b i l i t ya n dc a nm e e tr e q u i r e m e n to fa g v st r a c k i n gc o n t r o li ns m a l ld e v i 戳i o n h o w e v e f ，i th a st h es h o r t a g eo fs l o wa d j u s t i n gw h e nt h ev e h i c l ei s 血t h eb i gd e v i m i o n c o n d i t i o n 。魏o r d e rt or e s o l v et h es h o r t a g e , t h et h e s i sr e s e a r c h e so nf u z z yc o n t r o l l e r l l 垫遇堡：三查堂堡主堂竺造苎 b e l o w i tm a k e st h el i n e a rf u n c t i o no f l a t e r a ld i f f e r e n c ea n do r i e n t a t i o nd i f f e r e n c ea so n e i n p u ta n dm a k e si t sc h a n g er a t i oa sa n o t h e ri n p u tt od e s i g n 泅c o n t r o l l e rw i t ht w o i n p u t sa n do n eo u t p u t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e rc a l lm a k e s y s t e mc o n v e r g i n gq u i c k l yi nb i gd e v i a t i o nc o n d i t i o n sb u tt h ec o n t r o le f f e c ti sw o r s ei n s m a l id e v i a t i o nc o n d i t i o n sb e c a u s et h ec o n t r o lr u l e sc a n n o tc o n s i d e ra l lc o n d i t i o i i s i no r d e rt or e s o l v et h es h o r t a g eo fs i n g e rc o n t r o l l e r , t h et h e w sc h o o s e st h r e s h o l d s w i t c hm e t h o dt oc a r r yo u tt h em u l t i p l ec o n t r o l l e r si nt r a c k i n gc o n t r o l l i n go fa g vt h e f u s i o nm a k e st w oc o n t r o l l e r sn o to n l yw o r k i n gi ng o o dp e r f o r m a n c eb u ta l s oh a v i n gt h e l 浚t es h a k ew h e ns w i t c h i n g k e yw o r d s ： a g v , e n g i n e e r i n gd e s i g n ，o p t i m a lc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，m u l t i p l ec o n t r o l s h l 此嚣若属实，请申请人及导燎签名。 独翎糕声明 本人声明，所里交的论文是捷个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 瓣遮方弗，论文巾攀包案其德人滋簸发表或撰写避憋磺究成聚， 瞧举链含蠹获褥武汉淫薹太攀或冀窀教弯辘拇懿攀链蔽莲书惹健 用溅豁材料。与我一闻王佟鹣隧悫对本研究所敲的任 唾贡献均隈 在论文中柞了赞确滋说聪并表黎了谢意。 耩巍生繁黧；滥罄期趣杰翌： 荚子论文使潮授权的说曦 本人完全了解武汉骥羔太攀蠢荧僚窝、使用学短谂交的攥宠， 潮：学校有投保鼙避突论文黢鬟辩肄，兔许论文装蠢阕辩错黉； 攀羧霹驳公帮论文瓣垒部蠹察，霹麸襞耀影印、靖辩蠛箕缒笈裁 誉毅爨枣论文。 ( 傈蜜的论文在解密藤廒遵守此规定) 研究垒签 注：谚将 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 自动导引小车( a g v ，a u t o m a t i c g u i d e d v e h i c l e ) ，是一种以电池为动力，装 有非接触导向装置的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编 程及系统控制管理功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规 定的路径行驶，到达指定地点，并完成一系列作业任务“3 。 自动导引小车的应用可以极大地提高企业生产自动化程度和生产效率。它最 早是在北欧发展起来的，在国外的发展应用已经有几十年的历史了，由于它具有 机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，除了在柔性制造 系统( f m s ) 和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统外，自动导引小车还 广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、 电子行业的超净车间等诸多行业，尤其适用于人员不宜进入的工作场所。其运行 速度可以达到百米分钟，运输能力可以从几千克到几十吨，是一种非常有发展前 途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统中被认为是最有效的物料运输设备。 自动导引小车是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、 自动化立体仓库而产生并发展起来的，日本人认为1 9 8 1 年是柔性加工系统元年， 这样计算自动导引小车大规模应用的历史也只有2 0 多年。但是，其发展速度是非 常快的。例如：美国通用公司1 9 8 1 年开始使用自动导引小车：1 9 8 5 年自动导引小 车保有量5 0 0 台，1 9 8 7 年自动导引小车保有量达到了3 0 0 0 台。资料表明”3 欧洲4 0 的自动导引小车用于汽车工业，同本1 5 的自动导引小车用于汽车工业，也就是 说自动导引小车在其他行业也有广泛的应用。目前国内总体上看自动导引小车的 应用刚刚开始，相当于国外8 0 年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常 广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、 邮电部门等，这说明自动导引小车有一个潜在的广阔市场。从前面分析的美国自 动导引小车保有量的增长速度看，中国的自动导引小车市场很快会有一个大的变 化。 目前在工业上应用的9 0 9 6 以上的自动导引小车，都不能称为具有智能。随着工 业数量的快速增长和工业生产的发展，对自动导引小车的工作能力也提出了更高 的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的自动导引小车：这些自动导引小车， 武汉理工火学硕士学位论文 可在凹凸不平的地面上行走移动：具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自 动装配和产品检验；自动导引小车可以集成如视觉和触觉技术、自主控制和决策 技术、临场感技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、 多传感器集成技术和融合技术等许多最新的智能技术，可以完成很多高智能工作， 使用范围很广。我国已经将自动导引小车列入国家高技术计划，足以证明政府有 关部门对发展自动导引小车的高度重视。 1 1 2 研究意义 与一般连续运输设备相比，生产线连续运输设备对噪音、人身安全保护、人 机学以及可靠性要求更高。因为一个连续生产线一旦因技术故障停止生产，其经 济损失是十分巨大的。要想在生产过程中保持稳定的高质量水平，没有自动化是 很难办到的。 作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，自动导引小车今后必 将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是自 动导引小车本身所独其的优越性所决定的。资料显示。”1 在产品生产的整个过程 中，仅仅有5 的时间是用于加工和制造，剩余的9 5 都用于储存、装卸、等待加 工和输送；在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的1 0 ，且这一比例还在 不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的4 0 。因此，目前世界各工业 强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为 适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。自动导引小车适应性好、 柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许 多行业都得到广泛的应用。 当自动导引小车运行时，由于一些系统固有的误差，如两驱动电机同步性不 好、两驱动轮直径差异、减速器传动效果的差异及些非系统误差，如车轮与地 面发生的滑动、装载货物重心偏移产生的惯性负载等情况的存在，即使小车最初 运行时没有偏移，这些误差也会随着运行时间的增加而累积，导致小车发生偏移。 自动导引小车运动控制系统对导引路径跟踪的准确性、平稳性和对偏差纠正 的快速性是体现它的性能的重要指标。a g v 导引控制器的设计水平是保证这一指标 的关键。实践证明”3 ，采用单一控制器对车辆进行控制往往在某种条件下、某种工 况下特别有效，而无法保证在各种工况下都实现对车辆的良好控制。其核心问题 是任何一种单一的控制器都难以解决大偏差状态下提高系统的反应快速性与小偏 差状态下减少系统超调量之间的矛盾。解决办法之一是寻求一种方法能将多种控 2 武汉理工大学硕士学位论文 制器复合起来对a g v 进行控制，发挥各控制器的优点，解决单一控制器控制存在 的不足。 1 2 国内外自动导引小车发展的历史与现状 1 2 1 国外自动导引小车发展的历史与现状 世界上第一台自动导引小车是美国b a s r r e t t 电子公司于2 0 世纪5 0 年代开发 成功的，它是一种牵引式小车系统。小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具 有一个以真空管为基础的控制器。到了6 0 年代和7 0 年代初，除b a s r r e t t 公司以 外，w e b b 和c l a r k 公司在自动导引小车市场也占有相当的份额。 在这个时期，欧洲的自动导引小车技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托 盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了自动导引小车的发展。 7 0 年代中期，欧洲约装备了5 2 0 个自动导引小车系统，共有4 8 0 0 台小车，到1 9 8 5 年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布主要是汽车工业( 5 7 ) ， 柔性制造系统f m s ( 8 ) 和柔性装配系统f a s ( 3 5 ) “3 。 欧洲的自动导引小车技术于8 0 年代初通过在美国的欧洲公司以许可证与合资 经营的方式转移到美国。芝加哥的k e e b l e r 分发中心从欧洲引进直接幽计算机控 制的自动导引小车系统( a g v s ) ，1 9 8 1 年j o h n 公司将自动导引小车连接到a s r 8 以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1 9 8 4 年，通用汽车公司便成为自动导 引小车的最大用户，1 9 8 6 年已达1 4 0 7 台( 包括牵引式小车、，叉式小车和单元装载 小车) ，1 9 8 7 年又新增加1 6 6 2 台。美国各公司在欧洲技术的基础上将自动导引小 车发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统( 可联网f m s 或 c i m s ) ，运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以便2 4 小时运行，小 车和控制器可靠性更高。此时美国的自动导引小车生产厂商从1 9 8 3 年的2 3 家骤 增至1 9 8 5 年的7 4 家”“”1 。 1 9 6 4 年日本开始引进自动导引小车，当时自动导引小车是如同牵引车那样的 机车，在机车的前端，有一根如同长3 个角的白色弯杆，弯杆上有手动操作杆。 将杆一倒向前方，作业人员就能像牛那样，牵引着自动导引小车向前行走。日本 的第一家自动导引小车工厂于1 9 6 6 年由一家运输设备供应厂与美国的w e b b 公司 合资开设。到1 9 8 8 年，日本的自动导引小车制造厂家已经达到2 0 多家，如f a n u c 公司、m u r a t a ( 村田) 公司等。到1 9 8 6 年，日本累计安装了2 3 1 2 个自动导引小 车系统( a g v s ) ，拥有5 0 3 2 台自动导引小车。时至今日，自动导引小车技术r 趋 成熟，生产自动导引小车的公司也越来越多，其应用也越来越普及”3 。 武汉理工大学硕士学何论文 目前，由于传统的自动导引小车技术在日、美、德等国家已经比较成熟。所 以，目前国外对自动导引小车技术的研究主要集中在以下方面。“： 1 ) 自主导向车( f r e e r a n g i n go ra u t o n o m o u sv e h i c l e s ) 这种车不需要预定义路线，而是采用特殊的导向技术，使小车能够根掘实际 环境信息自主移动。 2 ) 移动机器人( m o b il er o b o t ) 把自动导引小车便于自由移动和机器人能够进行灵活操作的优点结合起来， 使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用，美国研制的“火星探路者” ( m a r s r o v e r ) 即是典型的代表。 3 ) a g v a g v s 模块化设计研究 由于不同的a g v a g v s 之间有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应 不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采用模块化设计方法，将自动 导引小车的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。 4 ) a g v s 调度研究 在f m 8 中应用自动导引小车系统( a g v s ) 具有提高系统的柔性、设备的利用 率与产品的质量等优点。但是这些优势的发挥，很大程度上取决自动导引小车系 统调度系统的优劣。所以，目前对此方面的研究工作如面向对象技术建立调度模 型、启发式调度、遗传算法以及地理信息系统等的研究十分瞩目。 1 2 2 国内自动导引小车发展的历史与现状 我国自动导弓 小车发展历史较短。北京起重运输机械研究所、清华大学、中 国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研 究所、国防科技大学和南京理工学院都在进行不同类型的自动导引小车的研制并 小批量投入生产。 1 9 7 5 年北京超重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的自动导 引小车。“。1 9 8 9 年北京邮政科学研究规划院完成我国第台双向无线通信的自动 导引小车，该院己能进行自动导引小车的批量生产，截至1 9 9 6 年己生产和正在制 造的自动导引小车达2 3 台“”。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6 台自动导 引小车，用于装配线上，可以说是汽车工业中用得较成功的自动导引小车，成都 卷烟厂采取自动导引小车用于仓库运输，沈阳新松公司研制的自动导引小车己经 通过了1 8 0 9 0 0 1 国际质量认证，安徽合力股份有限公司制造的自动导引小车在市 场上占有很大份额n 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 以上的自动导引小车均为固定路径导引方式。清华大学独立研制的“自由路径 自动导向自动导引小车”属于无固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方向具有 较高的水平。我国越来越多的工厂、科研机构采用自动导引小车为汽车装配、邮 政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如上海金山化工厂、华 宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的自动导引小 车国外引进和国产的均有“”“。 国家“8 6 3 ”计划智能机器人主题在“九五”计划中把自动导引小车系列产品 开发列为重大项目，相继完成了一汽、柳州微型汽车厂、上海卷烟厂等单位的自 动导引小车应用工程。九十年代以后，随着国内的工厂的自动化程度的提高和科 研单位技术力量的提高，自动导引小车的技术水平不断发展，并逐步走向商品化、 系列化、模块化。随着经济的发展，自动导引小车在我国的应用领域必将越来越 大。 1 3 自动导引小车运动控制的研究历史与现状 虽然自动导引小车的出现只有几十年的历史，但是它的发展却十分迅速。无 论是自动导引小车的驱动形式、车体模型、控制算法还是导引介质，都经历了一 个逐步的发展过程。从技术的发展看，主要是从固定线路向可调整线路、从简单 车载单元控制向复杂系统计算机控制、从原始的段、点定期通讯到先进的实时通 讯、从落后的现场控制到先进的远程图形监控等方向发展：从应用领域的发展看， 主要是从较为集中的机械制造、加工、装配生产线向自动化生产、物料搬运、物 品仓储、商品配送等行业发展。 1 1 3 1 驱动形式的发展 在车体结构上，主要有三轮式、四轮式和六轮式，轮数越多，自动导引小车 的承载能力越大，稳定性越好。其中三轮移动机构是目前应用最多的基本移动机 构，主要包括以下三种方式“”“： 辅助轮 汐 f v 1 v 2 i n ：由、 操舵驱动轮 图1 - 1 三轮槐构结构示意匿 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 如图卜l ( a ) 后轮用两轮独立驱动，通过两轮的速度差实现转弯，前轮 为辅助轮。这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从0 到无限大任意 设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即使是0 ，旋 转中心也与车体的中心不一致，因此不利于狭窄通道处的转弯运动。 ( 2 ) 如图卜1 ( b ) 前轮由操舵机构和驱动机构合并而成。与图卜l ( a ) 相比， 操舵和驱动的驱动器都集中在前轮部分，所以结构复杂。在这种场合，旋转半径 可以从0 到无限大连续变化。 ( 3 ) 如图卜1 ( c ) 为避免图卜1 ( b ) 机构的缺点，通过差动齿轮进行驱动的方 式。近来不再用差动齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。 四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车相同。图卜2 ( a ) 是两轮独立驱动， 前后带有辅助轮的方式。与图卜1 ( a ) 相比，当旋转半径为0 的时候，由于能绕车 体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。图卜2 ( b ) 是所谓的汽车方式，适 合于高速行走，但用于低速的运输或搬运时，由于费用不合算，所以小型自动导 引小车不常采用。 辅 图1 - 2 四轮机构结构示意图 还有依据使用目的，使用6 轮驱动车和车轮直径不同的轮胎的自动导引小车。 与四轮车相比，六轮车结构相似，只不过具有更大的承载能力和稳定性。 自动导引小车在转向方式上，主要有铰轴转向式与差速转向式两种。铰轴转 向式是将方向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制转向 铰轴，从而控制方向轮的方向；差速转向通过控制左右两个独立驱动轮的转速差 实现自动导引小车的转向，控制两轮的转速，其优点之一是可以使自动导引小车 的中心跟踪任何给定的曲线，因此应用比较广泛“。 自动导引小车在行走方位上，有单向、双向和全方位三种。单向自动导引 小车只能向一个方向运行( 如只能向前运行) ，而双向自动导引小车既能向前又能 向后。近几年人们对全方位行走的自动导引小车作了深入细致的研究，全方位行 走的自动导引小车能保证在车体方位不变的情况下，沿平面上任意方向移动。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 2 车体模型的发展 由于自动导引小车在有严格地面要求的环境中运动，而且车速较低，限定了 小车的加速度不会发生明显的车体“上跳”运动，因此其车体模型可以在二维空 间来研究。车体模型依据自动导引小车驱动形式的不同而不同，但是总的来说主 要有运动学模型和动力学模型两种“。 运动学模型主要根据运动学方面的理论直接求得伺服电机端电压与车速的关 系，在这种模型中，自动导引小车的速度只与电机端电压及电机电枢回路的时间 常数有关，而忽略了车体质量、摩擦阻力对车速的影响，因而基于自动导引小车 的运动学模型做出的控制系统，其控制品质不尽如人意。当然，在低速、小加速 度且质量较小的条件下，用运动学研究是有实际意义的。 相反，动力学模型是在车体动力学的基础上，综合考虑了电机端电压、车体质 量分布以及各种阻力对车速的影响，即将力与速度的关系引入到自动导引小车的 导引方程中，因而基于自动导引小车动力学模型做出的控制系统，在动态特性和 稳态精度上都比基于运动学模型的要好。在对自动导引小车的动态特性和稳态精 度要求比较高时，应首选动力学模型。 1 3 _ 3 控制算法的发展 从自动导引小车所经过的路径或者说是轨迹来说，应用不同的算法会使自动 导引小车走不同的路线，这样，自动导引小车到达目标所经过的时间是不同的， 其路径跟踪的精度也有差别。从经济上来说，在满足控制精度要求的条件下，花 时间更少和用能源更少是比较合算的。 在控制算法上，应用最多的是p i d 控制，它只需调节比例( p r o p o r t i o n a l ) 系 数、积分( i n t e g r a l ) 时间常数和微分( d i f f e r e n t i a l ) 时间常数三种参数就可以使 系统控制指标满足控制的要求。当控制对象模型比较清楚时，针对系统特性，采 用p i d 控制算法并合理选择p i d 参数，可以获得比较理想的控制效果。随着现代 控制理论的发展，将p i d 控制与输出反馈或状态反馈控制等控制技术相结合，往 往也能够得到更好的控制效果。“。 由于模糊控制技术和神经网络控制技术的发展，近年又有许多学者将模糊控 制应用在自动导引小车运动控制上“。”“。伴随着智能控制技术的发展，人们开始 研究将神经网络、专家系统、学习算法及遗传算法等控制技术应用于自动导引小 车运动控制之中，但是一般仅限于研究和试验的水平，真正在工业中实际应用的 不多。 武汉理工大学硕士学位论文 目前，国内外文献中研究基于数学模型的传统的经典控制和现代控制较多， 研究基于智能控制的模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制等少见，尤其是研 究传统控制与智能控制有机结合的控制方法相对少见。任何一种控制方法都有其 特定的应用条件和环境，在还没有建立一种统一的控制论及控制方法之前，探讨 若干种控制方法的复合控制，对工程实际应用更有现实意义“7 “”1 。 1 3 4 导引介质的发展 随着电子技术的发展，以及自动导引小车导引技术的多样化和导引方式的多 元化，使自动导引小车的性能进一步提高并能适应更复杂的工作环境，应用也更 为广泛。目前，自动导引小车通常采用的导引方式如表卜1 所示“7 “例“。 表l 一1 自动导引小车的导引方式 分类按信息的来源按线路的形式 方式外导式内导式有线式“无线式 电磁导向 坐标导向电磁线路超声导向 超卢导向惯性导向磁带线路激光导向 方法 激光导向自主导向色带线路坐标导向 光学导向网格线路 惯性导向 标线导向 标线线路自主导向 在上述各种导引方式中，所采用的导引技术主要有电磁感应技术、激光检测 技术、超声检测技术、光反射检测技术、惯性导航技术、图像识别技术、和坐标 识别技术“”1 “。“。 1 ) 电磁感应技术 这是一种传统的导引技术，1 9 5 3 年出现在美国的第一台a g v 采用的就是电磁感 应导引。这种技术已十分成熟，是目前a g v 自动导引系统中采用最多的一种。其 引导电缆 图$ - s 电磁导引原理图 工作原理如图卜3 所示。 沿a g v 预定的运行线路 敷设导引电缆，并在其中通以 低频正弦波信号，于是在导引 电缆周围就产生了交变的电 磁场，安装在小车上的一对探 头( 即感应线圈) 可以感应出 与小车运行偏差成比例的误 武汉理工大学硕士学位论文 差信号e ，经处理放大后驱动导引电机，导引电机带动小车的转向机构就可使a g v 车体沿预定的线路运行。国内上海金山石化总厂涤纶车间、秦山核电站核废料仓 库等场所使用的a g v ，以及中科院沈阳自动化研究所为沈阳金杯汽车制造厂研制的 a g v 、上海交通大学机械工程系与合肥叉车总厂合作开发的a g v 等都采用了这种电 磁感应导引技术。 2 ) 激光红外检测技术 激光红外测距与测角技术很早就应用于工业领域，但是用在a g v 的导引控制 上还是最近的事情。这种技术的主要特点是在a g v 行走空间的特定位置处，布置 一批激光红外光束的反射镜面，利用入射光束与反射光束的时间差信息等，根据 数学模型来计算a g v 的位置，实现导引。激光红外检测技术的导引与定位精度较 高，且提供了任意路径规划的可能性。但成本高，传感器和发射或反射装嚣的安 装复杂，位置计算也复杂。 3 ) 超声检测技术 超声检测技术类似于激光红外检测技术，不同之处是不需要设置专门的反射 镜面，而是利用墙面或类似物体对超声波的反射信号进行定位导引，因而在特定 的环境下可以提高路径的柔性，同时由于不需要设置反射镜面，也降低了导引成 本。但是由于反射面比较大，当运行环境的反射情况比较复杂时，如制造车间等 环境下应用还十分困难。 4 ) 光学检测技术 采用涂漆的条带来确定行驶路径的导引方法称为光学导弓l ( o p t i c a lg u i d e d ) 。 a g v 上有一个光学检测系统用以跟踪涂漆的条带，具体来说有两种导引方法： 其一是利用地面颜色与漆带颜色的反差进行导引控制，漆带在明亮的地面上为 黑色，在黑暗的地面上则为白色。小车上通常使用紫外光源，用以照射漆带。a g v 上的光学检测器上一般装有两套光敏元件，分别处于漆带的两侧。当a g v 偏离导 图3 - 4 光学导引原理图 引路径时，光敏元件检测到的亮度将不等， 由此形成信号差值，用来控制a g v 的运动， 使其回到导引路径上来。由于周围环境的光 线可能影响光电元件的检测效果，通常在此 种反射光检测系统上加上滤光镜以提高 a g v 的检测精度。 其二是采用含荧光粒子的漆带来代替 涂漆的色带，来自a g v 上检测系统的紫外 武汉理工大学硕士学位论文 光线激励着这些荧光粒子，使其发射出受激光线，而这种受激光线的光谱在周围 环境中是不存在的，所以不会受到干扰。a g v 上的一个旋转镜子对导引路径进行 扫描并把受激光反射到光感受器( p h o t o r e c e p t o r ) ，从而将信号转发给控制系统。根 据漆带中心光强最大，而两侧边光强最小的原理很容易找出a g v 偏离的方向从而 修下方向保证跟踪导引路径。 5 ) 惯性导航技术 采用陀螺仪检测a g v 的方位角并根据从某一参考点出发所测定的行驶距离来 确定当前位置，通过与己知的地图路线进行比较来控制a g v 的运动方向和距离， 从而实现自动导引。 6 ) 图像识别技术 采用图像识别技术有两种方法，其一就是利用c c d 系统动态摄取运行路径周围 环境图像信息，并与拟定的运行路径周围环境图像数据库中的信息进行比较，从 而确定当前位置及对继续运行路线做出决策。这种方法不要求设置任何物理路径， 因此，在理论上是最佳的柔性导引。但实际应用还存在问题，主要是实时性差和 运行路径周围环境信息库的建立困难。其二就是标识线图像识别方法，它是在a g v 运行所经过的地面上画l 条标识明显的导引标线。利用c c d 系统动态摄取标线图 像并识别出a g v 相对于标线的方向和距离偏差，以控制车辆沿着设定的标线运行。 7 ) 位姿积算 这种技术源自航海中的推测航行法。a g v 导引系统通过由安装于车轮上的光电 编码器组成的差动计程仪，澳4 量出每一微小时间段内小车转过的角度以及沿某一 方向行驶过的距离，由此推算出不同时刻小车与某一已知点之间的位置关系，进 而就可以根据小车当前的物料搬运任务决定其下一步运行的方向和速度。这种方 法不需在地面设置任何具体形式的导引线路，但是它有一个固有的缺点，那就是 控制系统估算的小车位姿信息量将随小车运行距离的增加而不断增大，必须每隔 一定距离就用绝对定位的方法更新其位姿信息。 其中电磁导引方式是应用时间最早、应用范围最广的一种导引方式，其技术 发展也非常成熟，它具有实用、价廉、可靠性高等特点，相 e 之下激光导引等自 由路径导引方式虽然对地面要求不高，但是它们存在着价格昂贵、技术尚不成熟 等缺点。几种导引方式结合也可作为一种比较好的导引方式，如电磁导引解决路 径问题，而数据传输则由红外线通信来实现。 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 1 4 本文的课题来源及研究的主要内容 本论文由“中国科学院机器人重点实验室基金( r l 2 0 0 2 0 i ) ”项目支撑。 为使自动导引小车成功地完成一系列任务，最主要的是如何使小车在复杂的 环境中以较小的代价到达目的地。这就涉及到如下几个问题的解决，即： ( 1 ) 如何从环境中得到自动导引小车周围的障碍物信息及其它相关信息： ( 2 ) 如何根据内部及外部传感器来回答小车当前处于环境中的什么位景： ( 3 】如何根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略； f 4 ) 如何产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。 这四个问题的解决对于在实时环境中运动的小车来说是缺一不可的，与此相 对应的技术即为传感器技术、自定位技术、规划决策技术和运动控制技术。 本论文的主要内容为： ( 1 ) a g v 运动学模型及控制系统数学模型的建立： ( 2 ) a g v 运动控制常规控制器的设计； ( 3 ) a g v 运动控制模糊控制器的设计； ( 4 ) 对常规控制器和模糊控制器进行融合； ( 5 ) 对设计的控制器进行仿真验证与分析。 1 5 本章小结 本章介绍了本论文研究的背景与意义，介绍了自动导引小车的基本概念、组 成及自动导引小车的发展和应用现状和前景，综述了自动导引小车的运动控制研 究的历史与现状，并分析了目前自动导引小车的主要导引方式和关键技术，在此 基础上介绍了本论文的研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章自动导引小车运动学模型 2 1 自动导引小车的结构特点 自动导引小车的研究涉及多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学 科的集成系统”1 ，其机构示意图如图2 1 。 图2 - 1a g v 结构示意图 自动导引小车的机械机构部分主要包括如下几个方面。“： ( 1 ) 车体车体由车架、相应的机械电气机构、外观件等部分组成，它是自 动导引小车的基础部分。车架的设计需要考虑刚性强度、整车的平稳性等重要的 机械性能，重心的位置是又一关键因素，重心越低越有利于抗倾翻。在满足车载 机械电气机构、外观件以及其它装置装配空间，和整车刚性要求的条件下，尽量 考虑整车的外形造型美观和轻便小巧。 ( 2 ) 驱动装置驱动装置是自动导引小车行走的执行机构，它主要由车轮、 减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。通常情况下，驱动装置和转向 装置集成在一起使用。 ( 3 ) 蓄电池和充电装置蓄电池和充电装置是自动导引小车的动力源。自动 导引小车一般采用2 4 v 或4 8 v 直流工业蓄电池电能为动力，对于传统的铅酸蓄电 池，一般需保证8 小时以上的安培小时值。随着电池科技的发展，快速充电蓄电 池问世，这类蓄电池的安培小时值根据实际生产需求而定，而且与之配套的采用 一种先进智能快速充电技术，充五分钟电可以使用一个多小时。从而提高自动导 引小车的有效使用率。充电装置有多种，目前最常用有地靴式和测挂式等。一般 地，充电装罱需要安全保护。 ( 4 ) 位姿传感装置位姿传感装置主要是为了从自动导引小车的当前环境 中，获得小车的位姿( 位置与转角) 和其它相关的信息，如运行前方有无障碍等。 武汉理工大学硕士学位论文 位姿传感装置会因为采用的导引技术的不同而不同，如采用电磁感应技术的位姿 传感装置主要是安装在小车上的一对探头( 即感应线圈) 和比较放大电路等，而采 用光学检测技术的位姿传感装置则主要是光学检测器和辅助装置等。 ( 5 ) 导向控制装置导向控制装置是整个导引小车运动控制的核心，主要包 含有硬件部分和软件部分。一般来说，尽管采用的导引技