二維碼導航AGV控制系統研究

張艷,朱振偉

二維碼導航AGV控制系統研究

張艷,朱振偉

河南機電職業學院 機電工程學院, 河南 新鄭 451191

為了提高自動導引車（AGV）的定位精度，實現多個站點精確?？?，本文利用Data matrix二維碼的顯著特征和預存在二維碼中的位置信息對AGV進行導航和定位。鑒于受地面不平和打滑等因素影響AGV在運行過程容易跑偏的問題，采用二步糾偏法在導航方向上對AGV進行糾偏。具體而言，首先采用純追蹤運動模型實現位置糾偏，然后采用于積分分離PID實現角度糾偏。實驗證明，采用二維碼導航的AGV運行平穩，定位精確。

二維碼導航; 純追蹤算法; PID

作為機器人領域最柔性的自動化裝配及搬運設備，自動導引車(Automated Guided Vehicle，AGV)越來越受到各行各業的青睞，AGV的核心技術之一是導航技術，常見的導航技術有磁導航技術，激光導航技術，慣性導航技術，視覺導航技術，RFID定位導航等。以上各種導航技術都有各自的優缺點，其中利用二維碼技術，將軌跡及位置信息存儲在二維碼標簽中實現AGV的輔助定位和軌跡跟蹤[1]。這種導航方式定位精確，鋪設、改變路徑也較容易，越來越引起人們的關注。

和磁釘導航方式相似[2,3]，在AGV移動路徑上，每隔一段距離或特定位置處，鋪設二維碼。AGV在移動過程中，通過車載工業相機掃描到二維碼，通過識別當前二維碼來確定AGV位置和姿態信息，計算出AGV在航向上的角度誤差和位置誤差，進而修正AGV的運動路線，以更正確的姿態向下一個二維碼行駛。

1 基于DM碼導航的AGV的定位算法

圖 1 DM二維碼定位示意圖

2 AGV的運動控制

其中為兩驅動輪之間的間距。

AGV在運行過程中，只需要控制驅動左、右兩輪直流無刷電機的轉速就可以實現AGV的直行、轉向等動作[8]。但是，由于AGV兩個驅動輪的驅動電機靜態特性、動態特性不會完全相同，同時在運行過程中又受地面的影響，AGV會產生運行偏差，運行偏差不僅有方向偏差也有位置偏差，為了保證能夠停靠到每個站點上，AGV在運行過程中需要糾偏。AGV糾偏算法中常用的PID算法和模糊PID算法[9,10]等控制方法已在有軌AGV控制領域取得了較好的控制效果。但基于二維碼導航AGV系統獲得AGV完整姿態信息只能在掃描到二維碼時瞬時提供，所以上述方法不能完全適用于二維碼定位導航[11]。因此，本文提出了二步糾偏法，第一步采用基于純追蹤運動模型糾偏算法進行位置糾偏，第二步，在實現第一步的基礎上，采用較好實現的PID控制器來進行AGV航向上的角度糾偏控制。

2.1 純追蹤運動模型控制位置糾偏

位置偏差階段采用純追蹤模型算法控制。純追蹤模型控制方法原理是一種幾何方法，它根據AGV的當前位置A點確定AGV到達目標位置B點所需行駛的一個或多個圓弧[12,13]。本文以位置偏差大于0,角度位置偏差小于0為例來說明純追蹤模型糾偏算法。如圖所示,以AGV當前掃描到的二維碼中心為原點建立坐標系，A點是AGV當前的位置，AGV的當前位置信息P(1,1,)可以通過相機掃描二維碼讀出，B點在二維碼之間連線上，表示由A、B兩點確定的直線的傾斜角。

圖 2 純追蹤算法位置糾偏

由幾何關系可知：

求得：

由式子（3）、（8）可得：

調節當前左、右輪的速度滿足式(9)改變當前AGV運行狀態可以實現位置糾偏。

2.2 基于積分分離PID控制角度糾偏

消除位置偏差后，將AGV航向上的角度偏差作為輸入，采用積分分離PID控制算法實現角度糾偏。采用積分分離的目的主要是當實際角度偏差和設定的角度偏差比較大時，取消或減弱積分作用，避免由于積分作用使系統超調量增大，產生振蕩，系統穩定性降低[14]。當偏差值較小時，通過修改開關系數逐漸引人積分控制，以便消除靜差提高控制精度[15]。

積分分離PID控制采用增量式PID，控制算法可以表示為：

式中為積分項的開關系數。

取三個閾值分割點，1.5、0.8、0.2，的取值為：

3 結果及分析

基于二維碼導航的AGV樣機，如圖3所示。該AGV的車體尺寸為0.45 m×0.38 m。兩驅動輪對稱安裝于車體左右兩側，二維碼相機安裝在兩驅動輪中間，為了保證車體平衡，車體后方對稱裝有一對萬向輪。AGV上裝有陀螺儀采集角度信息，車載控制器采用自主設計研發的嵌入式控制系統。

圖 3 二維碼導航AGV樣車

實驗中，二維碼的張貼間距為1000 mm，分別以0.7 m/s、1.0 m/s、1.4 m/s、1.7 m/s、2.0 m/s速度測試，AGV從第一個二維碼啟動后連續經過6個二維碼停止，在運行過程中，車載控制器通過無線Wifi將掃描到的二維碼信息實時發送到上位機上。調試成功后，AGV每經過一個二維碼的位置信息如表1所示。實驗結果表明，AGV運行速度在1~2.5 m/s之間運行平穩，沒有出現漏碼，跑偏現象。

表 1 AGV運行軌跡偏差

4 結論

本文研究了基于DM二維碼AGV的導航方式，提出了將位置信息存儲到DM碼中，利用存儲在DM碼中的位置信息和DM碼顯著特征L邊進行定位和導航的方法。為了解決受地面不平和打滑等因素影響AGV在運行過程容易跑偏的問題，提出了相應的控制算法，實驗證明基于DM二維碼導航的AGV，不僅能夠實現自主導航，也能實現精確定位，鋪設或改變路徑也比較容易，因此這種導航方式的AGV在物流行業有很好的的前景。

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Study on AGV Control System with Two-dimensional Code Navigation

ZHANG Yan, ZHU Zhen-wei

451191,

In order to improve the positioning accuracy of the AGV and achieve accurate docking at multiple sites, in this paper, two-dimension code with Data matrix and prestored position information had been applied in navigation and location.Two step correction method was applied in correcting the directions of AGV in view of uneven ground and skidding during AGV running. Specifically speaking, Firstly, the pure pursuit model is used to correct positional deviation, and then the integral separation PID is used to correct angle deviation. Test showed that the AGV based on two-dimensional code navigation ran smoothly and the positioning was accurate.

Two-dimensional code navigation;algorithm of pure pursuit; PID

V448.133

A

1000-2324(2019)03-0441-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.018

2018-04-03

2018-05-26

張艷(1972-),女,碩士,副教授,研究方向機電一體化技術. E-mail:zy-mwx@126.com