基于磁線導引的雙轉向架驅動AGV應用研究

孟 琦，金亞萍，耿牛牛，史偉偉，許鵬鵬

MENG Qi, JIN Ya-ping, GENG Niu-niu, SHI Wei-wei, XU Peng-peng

（機械科學研究總院，北京 100044）

0 引言

AGV是Automatic Guided Vehicles的簡稱，屬于輪式移動機器人（WMR——Wheeled Mobile Robot）的范疇。根據美國物流協會定義，AGV是指裝備有電磁或光學自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能的運輸小車[1,2]。近年來，AGV產業在中國得到了迅速的發展與推廣應用，尤其是柔性加工裝配生產線中，如汽車，農機，工程車輛，紡織機械等等。

國內對于磁導引AGV的研究有很多，文獻[3]介紹了單舵輪驅動磁導引AGV的一種導航算法，文獻[4]對差速驅動磁導引AGV進行了研究論述，文獻[5]對AGV在汽車保險桿生產線上的應用進行了研究，其驅動方式為前輪轉向后輪驅動。本文為達到平移、車身高度低、載重大等需求，選取雙轉向架驅動AGV進行研究，同時實現AGV全方位行走。

1 數學模型與運動學方程

研究的雙轉向架驅動AGV，其機械結構如圖1所示，每一個轉向架是一個單獨的差速機構，由兩個驅動輪配合控制轉向架前進速度與角度。主要安裝驅動輪計數器，轉向編碼器，磁傳感器與RFID讀寫器等傳感器。

圖1 雙轉向架驅動AGV機械結構示意圖

參考圖1，得出雙轉向架驅動AGV的數學模型。輸出變量為四臺電機的速度，v11、v12、v21、v22。輸入變量為系統需求AGV速度為v，和編碼器測得轉向角θ1、θ2。數學模型的作用就是由輸入變量求出輸出變量。規定速度v 向前為正,值為沿速度方向在前端轉向架的速度，轉向角逆時針為正。其中：v1，v2為轉向架的速度，其方向與轉向架方向垂直。是計算的中間變量。d，L為機械尺寸，L為兩轉向架間距，d為轉向架中心到驅動輪的距離。

車體坐標系，原點定義在車身前橋中心，縱坐標為車體中軸線，如圖2所示其中：

O1(0,0)，O2(0,-L)。R為前后轉向架軸線的交點，L1=O1R，L2=O2R。

通過計算，得出數學模型：

當-90°＜θ1、θ2＜90°時：

圖2 車體坐標系

當xR＜0時：

當xR＞0時

當-270°＜θ1、θ2＜- 90°或者90°＜θ1、θ2＜270°時

當xR＜0時

當xR＞0時

當兩個轉向架角度都在90°左右時，cosθ2和cosθ1都趨于0，此時用公式計算兩轉向架速度會造成很大的誤差。所以當AGV運行在平移模式和差速模式時，認為v1=v2，即cosθ2/cos θ1=1。

研究的雙轉向架驅動AGV是選用磁線導引，所以動力學模型為一維模型，非常簡單。

其中：S為行駛距離，v為AGV速度，t為時間。

文獻[6]介紹了基于激光導引的四輪差速驅動AGV，和本文所述的雙轉向架驅動方式相同，但由于導航方式不同所以數學模型和運動學模型有一些區別。

2 運動控制與糾偏算法

2.1 運動控制結構

設計的雙轉向架驅動AGV控制結構如圖3所示。

圖3 雙轉向架驅動AGV控制結構圖

運動控制模塊接收車載控制系統的速度信號與快速停車信號，以及外部的急停信號作為輸入。計數器提供速度反饋，磁傳感器與編碼器做偏差反饋。輸出為四路電機控制信號傳給伺服驅動器，伺服驅動器控制永磁電機，永磁電機帶動轉向架運轉。

2.2 糾偏算法

采用的糾偏算法為傳統的PID算法。近年來將模糊控制應用于AGV上的研究很多，但對于磁線導航，AGV行進路線簡單固定，又為連續導航，并且本文并沒有設計自動避障功能。所以模糊控制較于PID算法的高實時性在基于磁線導引的應用環境中體現不明顯，PID算法同樣能得到較好的魯棒性，并且可靠性高更適合此環境。文獻[7]中對此問題也有論述。

由于AGV小車本身的慣性起到了PID控制中積分I控制的作用，所以本文采取PD控制，D取值不當容易造成系統震蕩，所以根據實際情況有選擇使用。

PID控制器的控制表達式為：

式中，u(t)為控制量輸出，e(t)為偏差輸入。

為了實現控制AGV全向行走，設計了三種模式：尋線模式、平移模式、差速模式。尋線模式用于常規行進與轉彎，平移模式用于平移運動與蟹形前進，差速模式用于停靠站臺。三種模式實際應用在第三節——運行實驗中有所展示。三種模式的控制流程相同，都采取PID控制器，但輸入e(t)不同。

所研究的AGV系統除了要糾正沿磁條行走時產生的姿態偏差e(t)，還要對AGV小車當前位置信息進行修正。位置計算由永磁電機計數器反饋值進行速度換算，積分后得到位置信息。位置誤差主要有計數器的累積誤差產生，本文采用RFID傳感器來修正位置誤差。在AGV行駛路徑上，固定位置放置RFID碼片，當AGV經過時，RFID讀寫器讀取碼片信息，修正當前位置。編寫控制程序，當AGV知道自己位置后，通過比對預先存入控制系統中的地圖信息，根據運行需求切換動作模式。

通過研究，采取基于PID控制的糾偏算法，結合RFID的位置糾偏與設計的運動流程，保證AGV小車精確可靠的沿磁條前進，并設計了三種運行模式來實現自動全方位行走。

3 運行實驗

設計的運行實驗示意圖如圖4所示。圖中線段表示運行線路，箭頭及數字表示線段方向及端點號，圓點與數字代表RFID碼片位置，空心圓為站臺位置，表示AGV小車尖頭代表方向。在本文所設計的實驗中：AGV小車自動從站臺2運行到站臺1，再從站臺1運行到站臺2，如此反復運行。在7→1、1→2、2→3為尋線模式，2→8、8→2為差速模式，3→4平移模式，4→5、5→6、6→7同樣為尋線模式，單在5和6的位置完成原地旋轉90°。

實驗內容：運行20圈，在站臺1與站臺2分別停靠20次，測量左右姿態偏差與前后位置誤差。

圖4 運行實驗示意圖

通過實驗，在停位點，其左右姿態偏差與前后位置偏差均在±10mm以內，完全滿足實際工業需求。在實驗中，AGV能自如的切換三種運行模式，在設計的實驗路線上，完成前進、圓弧轉彎、平移進站/出站、蟹型運動、原地轉向，基本完成了全方位行走的測試。并在出彎入彎與切換姿態等易造成較大誤差的位置，運行并無明顯晃動，說明模型與控制算法可行。

4 結論

參考AGV技術在實際應用情況以及對未來發展的分析，設計選取了新型的雙轉向架驅動AGV應用進行研究，來解決工業實際中出現的一些需求。對于新應用環境與新的AGV驅動方式，通過合理的設計，采取傳統的PID控制算法依然可以達到高精度、高魯棒性。對于磁線導引的雙轉向架驅動AGV車型，采用研究得出的控制糾偏方式，可以實現全方位行走，應用于實際。

[1]Safety Manager.中文參考手冊[K].霍尼韋爾公司,2009.

[2]周馳東,樓佩煌,王輝,張烔.移載式磁導航AGV關鍵技術研究[J].工業控制計算機,2012.

[3]朱從民,黃玉美,上官望義,馬斌良.AGV多傳感器導航系統研究[J].儀器科學學報,2008.

[4]馮峰.AGV自動導引小車控制系統研究[D].江蘇:江蘇科技大學,2008.

[5]宋學賢.AGV技術在汽車保險杠生產線的應用研究[D].武漢:武漢工程大學,2013.

[6]倪振.激光導引四輪差動全方位移動AGV關鍵技術研究[D].重慶:重慶大學,2013.

[7]盧杉.基于單片機的差速驅動導引小車運動控制[D].西安:西安理工大學,2010.