淺述麥克納姆輪AGV仿真及控制系統設計

許斌

摘 要 由麥克納姆輪驅動的AGV車因其極高的機動性、靈活的運行方式得到廣泛應用。特別在航空裝配領域，對高定位精度、可聯動的AGV車的需求非常強烈。本文首先分析了麥輪AGV車的運動特點，建立了運動學方程，然后基于Simulink對AGV進行了控制系統設計，在仿真環境下得到控制器參數。

關鍵詞 AGV；麥克納姆輪；控制系統；仿真

1 概論

自1973年瑞典工程師發明麥克納姆輪以來，國外學者對麥克納姆輪及麥輪車進行了廣泛的研究。Tlale N等研究了麥輪車的運動學和動力學特性，Malayjerdi E 等研究了基于模糊控制的麥輪車控制算法。國內的相關研究雖然起步較晚，但研究內容基本覆蓋了麥輪車的各個方面，有控制算法、基于視覺的引導等。

本文基于以上研究，首先分析麥輪車的運動學和動力學方程，然后基于Simulink進行了控制系統設計，最后分析了麥輪車的聯動算法。

2 運動學關系

2.1 運動學約束

3 控制系統設計

本文將基于Simulink對控制系統進行設計。在Simulink里新建slx文件，建立如圖 3所示模型，其中AGV模塊代表了麥輪車的運動學模型，輸入是四輪轉速，輸出是車體在慣性系下的速度和角速度，將速度變量積分得到車體在慣性系下的位置和轉角，利用傳感器測出該狀態信息，輸入到控制系統中，控制系統利用狀態信息計算出四輪轉速便形成了閉環。本文的控制系統采用PID控制器。

在Simulink環境下，利用依次點擊菜單欄Analisis→Control Design→Control System Tuner，再在菜單欄點擊TUNING→Select Blocks）選擇需要整定的PID模塊后，便可進入PID整定設計環境。點擊菜單欄New Goal可以看到在時域和頻域下分別有多種整定目標可以設計。此處選擇時域下的Tracking of Step Commands，再選擇輸入和輸出信號，將模型設置為一階，最后設置時間常數。這樣便完成了PID系統的整定的參數設置。類似地，還可以添加其他整定目標。詳細的參數設置可參考MATLAB文檔。

完成整定目標設計后，點擊Tune可以進行整定，最后點擊Update Blocks可將控制器參數寫回Simulink模型。

4 多車聯動

在運輸大型產品時，一臺麥輪車在承載面及承載重量上往往無法滿足要求，這就需要多臺AGV聯動。多臺AGV聯合運動一般有兩種形式：一是剛性連接型，多臺AGV在運動前首先對接起來，接頭處實現機械連接；另一種是柔性連接型，AGV之間沒有相互連接的機械結構。以下詳細介紹多車聯動的控制方法。

4.1 剛性聯動

在剛性連接下，各個AGV車對接起來后，就如同對一臺AGV進行控制，根據不同輪子中心在車體坐標的不同計算不同的輪速，按照上文單臺車的方法進行控制。本文不再贅述。

4.2 柔性聯動

在平移情況下，實現開環柔性與單獨控制各臺AGV是相同的，只要給他們發送相同的位移指令即可（不考慮信號延遲、伺服電機延遲）。但是若要實現旋轉運動，則需要進行進一步解算。

6 結束語

本文建立了AGV車的運動學方程，分析了動力學模型的建模方法，在Simulink環境下設計了控制系統，并對AGV多車聯動的形式及方法進行了深入研究。得益于伺服控制系統的使用，AGV的控制系統設計變得十分直接，工業環境下的使用也會越來越方便。