基于模糊控制技術(shù)的AGV運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

程 遠(yuǎn)

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

基于模糊控制技術(shù)的AGV運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

程 遠(yuǎn)

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

針對(duì)AGV的控制要求，提出了一種模糊運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案，闡述了模糊控制器的原理，制定了模糊控制規(guī)則，并在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到了解模糊結(jié)果。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，該AGV模糊控制器的穩(wěn)態(tài)精度較高，糾偏速度較快，對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：AGV；模糊控制；解模糊結(jié)果

一種正大規(guī)模用于CIM的高級(jí)制造技術(shù)是自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）。隨著制造領(lǐng)域不斷向完全自動(dòng)化的工廠發(fā)展，AGV會(huì)起到越來越重要的作用。自動(dòng)導(dǎo)引小車（auto－guided vehicle，AGV）是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策和運(yùn)動(dòng)控制于一體的綜合系統(tǒng)［1］，現(xiàn)在已廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化工廠、物料輸送等工業(yè)領(lǐng)域。

近期我校自行開發(fā)一套小型FMS系統(tǒng)，需配備一臺(tái)AGV，要求工作負(fù)荷為30kg，最大行駛速度不小于25m／min，站點(diǎn)定位偏差在±10mm以內(nèi)。要達(dá)到此設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵在于AGV的尋線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文根據(jù)以往參賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用模糊運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)AGV的尋線控制系統(tǒng)。圖1為工作現(xiàn)場(chǎng)的AGV。

1 AGV的模糊運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

AGV對(duì)控制器的實(shí)時(shí)性、精確性和魯棒性（Robust，即健壯性）要求很高，是一種非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)AGV運(yùn)行時(shí)，由于存在系統(tǒng)固有的誤差，如兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)特性差異、驅(qū)動(dòng)輪直徑差異等，以及其他非系統(tǒng)誤差如車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)、重心偏移產(chǎn)生的慣性負(fù)載等，即使AGV初始運(yùn)行時(shí)沒有偏移，這些誤差也會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而累積，導(dǎo)致AGV發(fā)生偏移［2］。因此，要對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型很困難，而基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模糊邏輯控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型且控制的魯棒性較好，所以采用模糊控制器具有一定的優(yōu)越性［3］。

圖1 工作現(xiàn)場(chǎng)的AGVFig.1 AGV in Worksite

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。由于模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，提高了AGV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)然，由于模糊控制表的量化等級(jí)有限而使得其控制相對(duì)來講精度不太高，通過增加量化等級(jí)數(shù)目可提高控制精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運(yùn)算時(shí)間增加。本AGV控制系統(tǒng)中尋線傳感器信號(hào)最初為前后各8路尋線傳感信號(hào)，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，AGV在尋線行走時(shí)穩(wěn)定性不好，主要因?yàn)閭鞲衅鲾?shù)量較少，間距偏大引起的。后改為前后各16路傳感信號(hào)，既能實(shí)現(xiàn)正反向?qū)ぞ€行駛，又可通過前后兩組傳感信號(hào)計(jì)算出AGV的角度偏差。

2 AGV運(yùn)動(dòng)控制分析

AGV尋線控制的目標(biāo)是當(dāng)AGV相對(duì)于導(dǎo)引線發(fā)生偏移時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整左右兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差，使AGV糾正偏移回到正確的位置。自動(dòng)導(dǎo)引小車路徑跟蹤控制過程中影響控制行為的是AGV的位置偏差和角度偏差，因此選擇的兩個(gè)輸入變量分別是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的連線中點(diǎn)到導(dǎo)引線的中心線的垂直距離Ed和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線中垂線與導(dǎo)引線之間的夾角Eθ；選擇左右兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差作為模糊控制系統(tǒng)的輸出變量。如圖2所示。

模糊控制器的輸入／輸出變量的實(shí)際范圍稱為這些變量的論域。本課題研制的AGV相對(duì)于導(dǎo)引線3的位置偏差Ed和角度偏差Eθ都是通過前尋線傳感器1和后尋線傳感器2的檢測(cè)值來求解的，圖中D為前、后尋線傳感器之間的中心距，t為尋線傳感器相鄰檢測(cè)頭的間距。由于前、后尋線傳感器分別由16路開關(guān)量傳感信號(hào)組成，理論上輸入信號(hào)為兩組16位二進(jìn)制數(shù)。本課題中導(dǎo)引線的寬度是20mm，而尋線傳感器相鄰檢測(cè)探頭之間間隔是8mm，因此，在這兩組輸入信號(hào)數(shù)值中只可能出現(xiàn)連續(xù)2位或3位為1的情況，這樣就去掉了很多不可能的輸入信號(hào)。

圖2 AGV輸入變量示意圖Fig.2 Diagram of input variables of AGV

假設(shè)前、后尋線傳感器相對(duì)于導(dǎo)引線的位置偏差分別為k1t，k2t，則

實(shí)現(xiàn)此算法時(shí)，為了避免大量的計(jì)算工作，提高計(jì)算機(jī)執(zhí)行效率，采用PIC單片機(jī)的位判功能循環(huán)判斷來實(shí)現(xiàn)。

3 輸入／輸出變量的模糊化

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的輸入／輸出信號(hào)都是精確量，而進(jìn)行模糊推理需要模糊量，這就需要在模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)過程中進(jìn)行精確量與模糊量之間的相互轉(zhuǎn)換。

將尋線傳感器T1和T2各16個(gè)開關(guān)量信號(hào)一分為二，即正偏（低8位，車身右偏）和負(fù)偏（高8位，車身左偏）。正、負(fù)方向又分別標(biāo)記為8個(gè)從小到大的等級(jí)（0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)、6級(jí)、7級(jí)），這樣可組成16個(gè)模糊標(biāo)記，即：

［負(fù)7級(jí)，負(fù)6級(jí)，負(fù)5級(jí)，負(fù)4級(jí)，負(fù)3級(jí)，負(fù)2級(jí)，負(fù)1級(jí)，負(fù)0級(jí)，正0級(jí)，正1級(jí)，正2級(jí)，正3級(jí)，正4級(jí)，正5級(jí)，正6級(jí)，正7級(jí)］。

用英文字母加數(shù)字對(duì)應(yīng)表達(dá)為：

尋線傳感器各開關(guān)量信號(hào)位置如圖3所示。

圖3 尋線傳感器各開關(guān)量信號(hào)位置圖Fig.3 Location Plan of switching value signal in line tracing sensor

對(duì)于輸出量（左右兩驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差），我們假設(shè)左輪轉(zhuǎn)速高于右輪轉(zhuǎn)速時(shí)，即左輪轉(zhuǎn)速與右輪轉(zhuǎn)速的差值大于零時(shí)為正；反之，左輪轉(zhuǎn)速與右輪轉(zhuǎn)速的差值小于零時(shí)為負(fù)。則對(duì)輸出量可用如下18個(gè)模糊標(biāo)記來表達(dá)，即：

其中ON0，OP0表示左右兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差為零。

4 制定模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的制定是模糊控制的核心，一般情況下，模糊規(guī)則是通過以下幾種方式來獲得的：

1）基于專家的經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí)；

2）基于操作人員的實(shí)際控制過程；

3）通過建立被控對(duì)象的模糊模型。

前兩種方法都是通過建立專家的模型，以此模型作為推理規(guī)則來實(shí)現(xiàn)模糊控制器。第三種方法是通過建立被控對(duì)象的模糊模型來實(shí)現(xiàn)模糊控制。

建立被控對(duì)象的模糊模型就是用“如果—那么”的形式來描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征。一條“如果—那么”表達(dá)式就是一條控制規(guī)則，因此被控對(duì)象的模型是由多條控制規(guī)則組成的，這樣通過該模型就可以從輸入推理得出輸出。由于自動(dòng)導(dǎo)引小車路徑跟蹤模糊控制器采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)形式，因此，模糊控制規(guī)則描述語句的基本形式［4］為：

本文通過大量的實(shí)驗(yàn)和本課題成員們以前開發(fā)教學(xué)機(jī)器人和指導(dǎo)CCTV全國大學(xué)生機(jī)器人電視大賽參賽機(jī)器人制作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則，獲得初始算法參數(shù)，最后得到256條模糊控制規(guī)則，如表1所示。

在AGV實(shí)際運(yùn)行過程中，需要考慮到可能出現(xiàn)前、后尋線傳感器掉線的情況，此時(shí)模糊規(guī)則按照傳感器掉線前最后一次的檢測(cè)值進(jìn)行處理。例如，當(dāng)前尋線傳感器T1掉線，而此前T1最后一次的檢測(cè)值為IN7，則將T1的檢測(cè)值仍當(dāng)做IN7處理，直到T1再次上線為止。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Rule table of fuzzy control

5 解模糊結(jié)果

本文在解模糊時(shí)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，并通過大量的實(shí)驗(yàn)制定了適合于某一特定基準(zhǔn)速度的AGV導(dǎo)引控制的變化規(guī)律曲線的查圖法。曲線如圖4所示。根據(jù)此圖查出相應(yīng)兩輪速差等級(jí)的速差百分比，再根據(jù)基準(zhǔn)速度算出速差值，這樣即可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)（步數(shù)／轉(zhuǎn)）來計(jì)算出相應(yīng)控制脈沖的頻率差值fd。這里，我們將此頻率差值fd均分到左右兩個(gè)電機(jī)，即若左電機(jī)在基準(zhǔn)頻率上加fd／2，則右電機(jī)在基準(zhǔn)頻率上減fd／2。經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化將輸出模糊量轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確量。

圖4 AGV糾偏等級(jí)—兩驅(qū)動(dòng)輪速差曲線圖Fig.4 Curve graph between adjusting grades of AGV and speed difference of two driving wheels

本文AGV的基準(zhǔn)速度為30m／min，則電機(jī)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為：

若速差等級(jí)為1級(jí)，查圖8可得，兩輪差速百分比為3%，即兩輪速差為：

理論直線距離補(bǔ)償速率為：

兩驅(qū)動(dòng)輪距為A＝340mm，由此可得理論補(bǔ)償角速率為（近似計(jì)算）：

若速差等級(jí)為7級(jí)，查圖8可得，兩輪差速百分比為37%，即兩輪速差為：

理論直線距離補(bǔ)償速率為：

兩驅(qū)動(dòng)輪距為A＝340mm，由此可得理論補(bǔ)償角速率為（近似計(jì)算）：

在AGV控制系統(tǒng)中，為了消除由于車輪直徑差異引起的系統(tǒng)固有誤差，通過在平板上測(cè)試AGV不尋線時(shí)，直線前進(jìn)來觀測(cè)AGV左右輪的差異，然后通過增加預(yù)偏量的方法來消除此系統(tǒng)固有誤差。

AGV在運(yùn)行過程中，模糊運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)方向偏差比較敏感，糾偏迅速，而對(duì)距離偏差的敏感度相對(duì)較低，糾偏相對(duì)較慢。在路徑跟蹤控制中，距離偏差糾偏較慢不僅不會(huì)導(dǎo)致AGV掉線，反而有利于AGV的平穩(wěn)控制［5］。

6 結(jié) 論

本文的AGV尋線控制系統(tǒng)是一種模糊運(yùn)動(dòng)控制器。本文在制定模糊控制規(guī)則的基礎(chǔ)上，通過大量實(shí)驗(yàn)制定了適合于某一特定基準(zhǔn)速度的AGV導(dǎo)引控制的變化規(guī)律曲線，并得到解模糊結(jié)果。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，AGV在正常工作狀態(tài)下，在各個(gè)站點(diǎn)的重復(fù)定位精度達(dá)到了±8mm，滿足了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成本低，適應(yīng)性強(qiáng)。

本系統(tǒng)不足之處在于采用離散方式布置傳感器，對(duì)導(dǎo)引線位置的判斷是離散的，在算法不是很復(fù)雜的情況下，控制精度只能達(dá)到±8mm左右，而AGV在前進(jìn)過程中也很難達(dá)到較高的速度。如果采用連續(xù)式傳感器則可以大大地提高路徑探測(cè)精度，為提高AGV的控制精度提供了條件［6］。

［1］ 關(guān)宏.AGV整體集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.物流技術(shù)，2004（4）：37－38.

［2］ 葉菁.磁導(dǎo)式AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)圖書館，2006.

［3］ 唐秀東，劉麗婧，王虹飛.智能自動(dòng)引導(dǎo)小車模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007（9）：77－79.

［4］ 馮鋒，鄧志良，趙旭.自動(dòng)導(dǎo)航小車自組織模糊控制器研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（4）：78－80.

［5］ 柯常忠.自動(dòng)導(dǎo)引小車模糊控制器的研究［J］.武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：704－707.

［6］ 倪蕾，李小民，鄭宗貴，等.基于MC9S12DG128B的軌線導(dǎo)航AGV設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)，2008（10）：57－59.

Design of AGV Motion Controller Based on Fuzzy Control Technology

CHENG Yuan
（Wuxi Institute of Technology，Wuxi 214121，China）

To meet the design requirements of AGV，this paper presents a design scheme of fuzzy motion controller，describes the principle of the fuzzy controller，establishes a fuzzy control rule table，achieves the solution of fuzzy results based on mass experiments.Testified by actual practice，the fuzzy motion controller for AGV possesses high accuracies，fast rectification for deviation，applicability，reliability，and can be applied for actual work.

AGV；fuzzy controller；solution of fuzzyresults

TP 24

A

1671－7880（2012）05－0041－04

2012－04－16

程遠(yuǎn)（1973— ），男，江蘇無錫人，講師，工程碩士，研究方向：機(jī)械電子工程。