專利名稱：工業(yè)型激光導引agv的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術和自動化領域，特別涉及一種作業(yè)于自動化車間的自動導 航運輸車的工業(yè)型激光導引AGV的控制系統(tǒng)及其路徑跟蹤控制方法。
背景技術：
激光導引AGV(AGV,Automatic Guided Vehicle)是一種以激光作為導引方式的自 動導航運輸車，由于定位精度高，能適合多種環(huán)境的復雜路徑，可快速變更行駛路徑，目前 得到廣泛應用?？刂葡到y(tǒng)是AGV的核心內容，而路徑跟蹤控制方法是保證AGV控制精度的 關鍵所在。目前大部分激光導引AGV生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)都是從瑞典的NDC公司引進的，其 成套控制系統(tǒng)價格昂貴。已有公開的實驗型AGV系統(tǒng)為單閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于工業(yè)型AGV驅動裝置中使用 了減速器等傳動系統(tǒng)，這些傳動系統(tǒng)都存在由間隙引起的誤差問題，又加上AGV是輪式移 動機器人，車輪以及地面之間存在著非完整約束，故實驗型AGV系統(tǒng)的單位置閉環(huán)控制系 統(tǒng)在用于工業(yè)型激光導引AGV時勢必存在有動態(tài)響應差等問題，產(chǎn)生很大的路徑跟隨誤差。在路徑跟蹤控制方法方面，目前最常用的是模糊控制方法。模糊控制具有魯棒性 和穩(wěn)定性好的特點，適用于復雜的非線性系統(tǒng)的控制，很多學者通過對AGV進行建模仿真 或通過實驗型AGV對算法進行驗證，結果表明該方法是路徑跟蹤控制方法中控制效果最好 的方法之一。但是在將常規(guī)模糊控制算法應用于工業(yè)型激光導引AGV路徑跟蹤控制時出 現(xiàn)了路徑跟蹤速度慢的現(xiàn)象，尤其是當AGV在高速狀態(tài)下行走時，延時效應和系統(tǒng)響應慢 表現(xiàn)的更為明顯。這是由于工業(yè)實用型AGV系統(tǒng)復雜、重量大、慣性大，故與一般的實驗型 AGV相比，控制難度要大很多，且很難達到應有的精度。另外由于伺服電機驅動系統(tǒng)響應的 時滯性影響了系統(tǒng)調節(jié)速度，使之未能快速調節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。在速度較高時，由于AGV行走 較快，延時效應會使精確跟蹤預定路徑變的更難。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種工業(yè)型激光導引AGV 的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)及其路徑跟蹤控制方法，以期更好地實現(xiàn)工業(yè)型激光導引AGV的自主行 走功能并提高AGV路徑跟蹤的快速性和穩(wěn)定性。本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案本發(fā)明工業(yè)型激光導引AGV的雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)是由檢測模塊和控制模塊組 成，其結構特點是所述檢測模塊是由作為電機位置傳感器的編碼器和作為AGV位姿傳感器的激光 掃描儀構成；所述控制模塊由伺服驅動器和工控機構成，設置所述控制模塊是由內位置環(huán)和外
5位置環(huán)構成的雙位置閉環(huán)控制模塊；所述內位置環(huán)為電機轉角位置環(huán)，由編碼器檢測電機轉角位置信號，將所述電機 轉角位置信號反饋到伺服驅動器，以伺服驅動器為電機驅動單元；所述外位置環(huán)是以激光掃描儀讀取AGV位姿信號，所述AGV位姿信號反饋到工控 機，工控機輸出信號至伺服驅動器信號輸入端，電機轉動輸出通過減速器驅動AGV行走轉 向機構；以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當前位置的路徑跟蹤誤差，將所述路徑 跟蹤誤差作為控制系統(tǒng)的輸入量。本發(fā)明工業(yè)型激光導引AGV控制系統(tǒng)的路徑跟蹤控制方法的特點是采用模糊預 測控制算法，在AGV運動所在平面的直角坐標系中，將AGV的位姿表示為(X，y，α)，其中 (x，y)為AGV在所述直角坐標系中的位置坐標，α為所述AGV的方位角，所述方位角為AGV 的中心軸線與χ軸正向的夾角；設置所述AGV的目標位姿為(χ'，y'，α')，由激光掃描儀檢測得到AGV的起點 位姿為(Xo，y。，α θ)；根據(jù)相關路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出從所述起點位姿(Xo，y。，α θ)到目標位 姿(χ'，y'，α ‘)的理論路徑L ；定義實際位姿和目標位姿之間的誤差為位姿誤差，所述位姿誤差包括法向位置誤 差epn和方位角誤差ea ；所述路徑跟蹤方法通過以下步驟完成a、由激光掃描儀檢測到AGV的實際位姿為(xA，yA, α Α)，則AGV的方位角誤差ea 和法向位置誤差epn分別為
權利要求
1.一種工業(yè)型激光導引AGV的雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，由檢測模塊和控制模塊組成，其 特征是所述檢測模塊是由作為電機位置傳感器的編碼器和作為AGV位姿傳感器的激光掃描 儀構成；所述控制模塊由伺服驅動器和工控機構成，設置所述控制模塊是由內位置環(huán)和外位置 環(huán)構成的雙位置閉環(huán)控制模塊；所述內位置環(huán)為電機轉角位置環(huán)，由編碼器檢測電機轉角位置信號，將所述電機轉角 位置信號反饋到伺服驅動器，以伺服驅動器為電機驅動單元；所述外位置環(huán)是以激光掃描儀讀取AGV位姿信號，所述AGV位姿信號反饋到工控機， 工控機輸出信號至伺服驅動器信號輸入端，電機轉動輸出通過減速器驅動AGV行走轉向機 構；以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當前位置的路徑跟蹤誤差，將所述路徑跟蹤 誤差作為控制系統(tǒng)的輸入量。
2.—種權利要求1所述工業(yè)型激光導引AGV控制系統(tǒng)的路徑跟蹤控制方法，其特征是 采用模糊預測控制算法，在AGV運動所在平面的直角坐標系中，將AGV的位姿表示為(x，y， α)，其中(X，y)為AGV在所述直角坐標系中的位置坐標，α為所述AGV的方位角，所述方 位角為AGV的中心軸線與χ軸正向的夾角；設置所述AGV的目標位姿為(χ' , y' , α ‘)，由激光掃描儀檢測得到AGV的起點位 姿為(Χ(1，％，α0)；根據(jù)相關路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出從所述起點位姿(Χ(ι，％，α0)到目標位姿 (x' ,1' , α ‘)的理論路徑L ；定義實際位姿和目標位姿之間的誤差為位姿誤差，所述位姿誤差包括法向位置誤差epn 和方位角誤差ea ；所述路徑跟蹤方法通過以下步驟完成a、由激光掃描儀檢測到AGV的實際位姿為(xA，yA,α A)，則AGV的方位角誤差e α和法 向位置誤差epn分別為
3.根據(jù)權利要求2所述路徑跟蹤控制方法，其特征是所述模糊比例因子ke、預測參數(shù) kdp和kda是根據(jù)AGV行走速度的變化實時調整；法向位置誤差模糊量化因子kP和方位角誤 差模糊量化因子1在AGV任意行走速度下為固定值，按如下方法確定 a、令 kdp = 0，kda = 0，確定 kP、ka 和1^ 的值模糊控制器的法向位置誤差輸入量e' pn的基本論域為[-0.05，0.05]，計量單位為 m，其模糊集論域為[_6，6]；模糊控制器的方位角誤差輸入量e' a的基本論域為[-0. 1， 0. 1]、計量單位為rad，模糊集論域為[-6,6]；實際控制量β的基本論域為[-10，10]、計量 單位為度，模糊集論域為[_1，1]； 則kp、ka和ke的初始值分別為kv0= — = 120 ;ka0 = — = 60 ;keo = — = 10； p0 0.050.1 β 1以所述初始值kro、ka(1和ke(1為基礎，根據(jù)實驗效果確定kP、ka、k0的值 首先使AGV以速度ν = lOm/min低速行走，設置kP = kp(1、ka = ka(1保持不變，將ke值 在Dceci-IO, ke(l+5]的論域范圍內變化，找到使AGV路徑跟蹤誤差最小且調整速度最快的一 個值為；然后使ke = a0保持不變，kP和ka其中一個保持初始值不變，另外一個在其論 域范圍內變化，找出使AGV路徑跟蹤誤差最小且調整速度最快的一組值分別為kp = b0 ;ka =C0 ；得到AGV在低速狀態(tài)下控制效果最好的一組模糊因子為kp = b0 ;ka = C0 ；k0 = a0 ；其中所述kp的論域范圍為[^，5^0],ka的論域范圍為[^，5ka0]；保持kp = BO和ka = CO不變，改變AGV的行走速度，使AGV分別以20、30、40、50、60m/min的速度行走，設置ke值在[ao-10,ao+5]的論域范圍內變化，根據(jù)Kβω-V1的關系，找出在各個速度下使路徑跟蹤誤差最小且調整速度最快的ke值； b、確定預測參數(shù)kdp和kda 使AGV分別以10、20、30、40、50、60m/min的速度行走，各個速度下的模糊因子的值分別保持不變，令kdp = kp · d0 ；kda = ka · dQ，并分別依次設置dQ = 1,2,3,4……，對比d0取不 同的值時AGV的控制效果，找到一組使AGV路徑跟蹤誤差最小且調整速度最快的預測數(shù)kdp=b2； kda=C2 ；通過插值法求得AGV其它行走速度下的ke、kdp、kda值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工業(yè)型激光導引AGV的雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及控制方法，由檢測模塊和控制模塊組成，其特征是檢測模塊是由作為電機位置傳感器的編碼器和作為AGV位姿傳感器的激光掃描儀構成；控制模塊由伺服驅動器和工控機構成，設置控制模塊是由內位置環(huán)和外位置環(huán)構成的雙位置閉環(huán)控制模塊；內位置環(huán)為電機轉角位置環(huán)，外位置環(huán)是以激光掃描儀讀取AGV位姿信號，以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當前位置的路徑跟蹤誤差，將路徑跟蹤誤差作為控制系統(tǒng)的輸入量。本發(fā)明可以很好地實現(xiàn)工業(yè)型激光導引AGV的自主行走功能并保證AGV路徑跟蹤的快速性和平穩(wěn)性。
文檔編號B65G43/00GK102145808SQ20111002930
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權日2011年1月27日
發(fā)明者吳焱明, 尹曉紅, 王軍, 王秋杰, 趙韓 申請人:合肥工業(yè)大學