專利名稱：工業(yè)型激光導(dǎo)引agv的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機(jī)器人技術(shù)和自動化領(lǐng)域，特別涉及一種作業(yè)于自動化車間的自動導(dǎo)航運(yùn)輸車的工業(yè)型激光導(dǎo)引AGV的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光導(dǎo)引AGV(AGV,Automatic Guided Vehicle)是一種以激光作為導(dǎo)引方式的自動導(dǎo)航運(yùn)輸車，由于定位精度高，能適合多種環(huán)境的復(fù)雜路徑，可快速變更行駛路徑，目前得到廣泛應(yīng)用。控制系統(tǒng)是AGV的核心內(nèi)容，而路徑跟蹤控制方法是保證AGV控制精度的關(guān)鍵所在。目前大部分激光導(dǎo)引AGV生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)都是從瑞典的NDC公司引進(jìn)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(qū)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(jī)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(dǎo)引AGV時勢必存在有動態(tài)響應(yīng)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(diǎn)，適用于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制，很多學(xué)者通過對AGV進(jìn)行建模仿真或通過實驗型AGV對算法進(jìn)行驗證，結(jié)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(yīng)用于工業(yè)型激光導(dǎo)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(dāng)AGV在高速狀態(tài)下行走時，延時效應(yīng)和系統(tǒng)響應(yīng)慢表現(xiàn)的更為明顯。這是由于工業(yè)實用型AGV系統(tǒng)復(fù)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(dá)到應(yīng)有的精度。另外由于伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)的時滯性影響了系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，使之未能快速調(diào)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(yīng)會使精確跟蹤預(yù)定路徑變的更難。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種工業(yè)型激光導(dǎo)引 AGV的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以期更好地實現(xiàn)工業(yè)型激光導(dǎo)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。本實用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本實用新型工業(yè)型激光導(dǎo)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述檢測模塊是由作為電機(jī)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(gòu)成；所述控制模塊由伺服驅(qū)動器和工控機(jī)構(gòu)成，設(shè)置所述控制模塊是由內(nèi)位置環(huán)和外位置環(huán)構(gòu)成的雙位置閉環(huán)控制模塊；所述內(nèi)位置環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)角位置環(huán)，由編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號，將所述電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號反饋到伺服驅(qū)動器，以伺服驅(qū)動器為電機(jī)驅(qū)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(jī)，工控機(jī)輸出信號至伺服驅(qū)動器信號輸入端，電機(jī)轉(zhuǎn)動輸出通過減速器驅(qū)動AGV行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當(dāng)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。與已有技術(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在1、本實用新型控制模塊設(shè)置為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，與已公開的實驗型AGV的單位置閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，具有誤差調(diào)節(jié)速度快，AGV行走平穩(wěn)的特點(diǎn)，且可應(yīng)用于工業(yè)型產(chǎn)品。2本實用新型控制模塊中內(nèi)環(huán)為半閉環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)角位置環(huán)，由于其電氣部分與機(jī)械部分相對獨(dú)立，可以采用較高的位置增益，使系統(tǒng)易整定，動態(tài)響應(yīng)快；外環(huán)通過激光掃描儀直接獲取AGV的實際位姿信號，可通過路徑跟蹤方法保證較高的AGV的控制精度和跟隨速度；3、本實用新型AGV路徑跟蹤控制方法是在AGV常規(guī)模糊控制算法基礎(chǔ)上，利用AGV 控制系統(tǒng)采用的計算機(jī)采樣控制以及微分算法具有減小時滯性和預(yù)測功效的特點(diǎn)，給出一種新的模糊預(yù)測控制算法，較好地解決了系統(tǒng)延時問題，提高了路徑跟蹤的快速性。4、本實用新型根據(jù)AGV在實際工作時的特點(diǎn)，對模糊控制的路徑跟蹤控制方法做了改進(jìn)，提出根據(jù)AGV行走速度實時調(diào)整模糊比例因子ke，速度高時比例因子小，速度低時比例因子大，能有效保證AGV行走平穩(wěn)，在較短的時間內(nèi)調(diào)整路徑誤差，提高了 AGV的路徑足艮。5、本實用新型為一種工業(yè)型激光導(dǎo)引AGV的控制系統(tǒng)，相對于價格昂貴的NDC控制系統(tǒng)來說具有經(jīng)濟(jì)、實用的特點(diǎn)，且可獲得很好的控制效果；

圖1為本實用新型實施例中所應(yīng)用的激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)示意圖；圖2為本實用新型激光導(dǎo)引AGV雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)圖；圖3為本實用新型AGV路徑誤差示意圖；圖4為本實用新型激光導(dǎo)引AGV模糊預(yù)測控制算法圖；圖5為本實用新型實施例中所應(yīng)用的模糊量化因子的隸屬度函數(shù)圖；圖6本實用新型方法獲得的ν = 60m/min, kdp = 480，kda = 720時激光導(dǎo)引AGV的誤差控制效果圖；表1為本實用新型實施例所應(yīng)用的模糊控制規(guī)則表；表2為本實用新型實施例所應(yīng)用的部分行駛速度下的ke、kdp、kda值；表3為本實用新型實施例所應(yīng)用的實驗方案表。
具體實施方式
本實施例采用的激光導(dǎo)引AGV是一臺由叉車改造而成的單輪驅(qū)動型后叉式AGV， 軸距1300mm，自重1噸，額定起重質(zhì)量可達(dá)800kg，其前輪既是驅(qū)動輪又是轉(zhuǎn)向輪，各由一個交流伺服電機(jī)控制。如圖1所示，AGV由車體、安全防撞系統(tǒng)、行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。其中安全防撞系統(tǒng)采用德國SICK公司的S3000激光掃描安全裝置，該裝置固定在AGV車體的前端，通過通訊線與工控機(jī)相連。行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速器、行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成。通訊系統(tǒng)是由無線網(wǎng)卡和無線路由器組成的無線局域網(wǎng)，可順利實現(xiàn)AGV和上位機(jī)之間的通訊。如圖2所示，本實施例中的雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，由檢測模塊和控制模塊組成；檢測模塊是由作為電機(jī)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(gòu)成；控制模塊由伺服驅(qū)動器和工控機(jī)構(gòu)成，設(shè)置控制模塊是由內(nèi)位置環(huán)和外位置環(huán)構(gòu)成的雙位置閉環(huán)控制系統(tǒng)；其中，內(nèi)位置環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)角位置環(huán)，由編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號，并將電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號反饋到伺服驅(qū)動器，以伺服驅(qū)動器為電機(jī)驅(qū)動單元；外位置環(huán)是以激光掃描儀讀取AGV位姿信號，AGV位姿信號反饋到工控機(jī)，工控機(jī)輸出信號至伺服驅(qū)動器信號輸入端，電機(jī)轉(zhuǎn)動輸出通過減速器驅(qū)動AGV行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；內(nèi)位置環(huán)用來控制電機(jī)的精確運(yùn)行，由于其電氣自動控制部分與AGV執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對獨(dú)立，可以采用較高的位置增益，使系統(tǒng)易整定，響應(yīng)快，保證系統(tǒng)的動態(tài)特性；可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的各個增益參數(shù)，使電機(jī)性能達(dá)到最佳。在外位置環(huán)中，檢測系統(tǒng)采用德國SICK公司的NAV200激光定位系統(tǒng)，將激光掃描儀安裝在AGV車體上，通過不斷的掃描周圍環(huán)境中的激光反射板，可以直接計算出AGV的實際位姿信號。外位置環(huán)主要用于穩(wěn)態(tài)誤差方面的控制，保證系統(tǒng)的跟隨性。由于其包含了一些非線性因素如減速器等傳動機(jī)構(gòu)，故控制精度主要靠路徑跟蹤控制方法保證。以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當(dāng)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。在AGV運(yùn)動所在平面的直角坐標(biāo)系中，將AGV的位姿表示為(x，y，α)，其中(χ， y)為AGV在直角坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，α為AGV的方位角，方位角為AGV的中心軸線與χ 軸正向的夾角；如圖3所示，設(shè)置AGV的目標(biāo)位姿為(χ'，y'，α')，由激光掃描儀檢測得到AGV 的起點(diǎn)位姿為(X(l，y。，α θ)；根據(jù)相關(guān)路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出從起點(diǎn)位姿(Xo，y。，α θ)到目標(biāo)位姿(χ'，y'，α ‘)的理論路徑L ；定義實際位姿和目標(biāo)位姿之間的誤差為位姿誤差，位姿誤差包括法向位置誤差epn 和方位角誤差ea，根據(jù)經(jīng)驗，可通過調(diào)整AGV前輪的轉(zhuǎn)向角β來消除這兩項誤差。本實施例采用了模糊預(yù)測控制算法作為AGV路徑跟蹤控制方法，該算法是在常規(guī)模糊控制算法的基礎(chǔ)上融合微分算法，并根據(jù)AGV行走速度自動調(diào)整模糊比例因子。圖4 顯示了 AGV的模糊預(yù)測控制算法圖，具體實現(xiàn)步驟如下所示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(quán)利要求1. 一種工業(yè)型激光導(dǎo)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(jī)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(gòu)成；所述控制模塊由伺服驅(qū)動器和工控機(jī)構(gòu)成，設(shè)置所述控制模塊是由內(nèi)位置環(huán)和外位置環(huán)構(gòu)成的雙位置閉環(huán)控制模塊；所述內(nèi)位置環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)角位置環(huán)，由編碼器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號，將所述電機(jī)轉(zhuǎn)角位置信號反饋到伺服驅(qū)動器，以伺服驅(qū)動器為電機(jī)驅(qū)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(jī)， 工控機(jī)輸出信號至伺服驅(qū)動器信號輸入端，電機(jī)轉(zhuǎn)動輸出通過減速器驅(qū)動AGV行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；以外位置環(huán)中反饋的AGV位姿信號計算AGV當(dāng)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。
專利摘要本實用新型公開了一種工業(yè)型激光導(dǎo)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，其特征是檢測模塊是由作為電機(jī)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(gòu)成；控制模塊由伺服驅(qū)動器和工控機(jī)構(gòu)成，設(shè)置控制模塊是由內(nèi)位置環(huán)和外位置環(huán)構(gòu)成的雙位置閉環(huán)控制模塊；內(nèi)位置環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)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。本實用新型可以很好地實現(xiàn)工業(yè)型激光導(dǎo)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G05D1/02GK201993646SQ20112002762
公開日2011年9月28日 申請日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)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(xué)