差速轉向農業專用AGV小車的設計與模糊控制研究

趙晨宇，陳息坤

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海　200072)

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差速轉向農業專用AGV小車的設計與模糊控制研究

趙晨宇，陳息坤

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072)

摘要：農業專用自動導引小車(AGV)作為農業作業的通用運載平臺，是針對具體應用環境而設計的特定用途機器人，已成為農業自動化的一個重要發展方向。為此，介紹了一種基于多軸運動控制器的現代農業自動化AGV小車。同時，針對差速轉向驅動型AGV小車路徑跟隨問題，首先對該AGV系統進行了理論分析和運動學建模；然后應用模糊控制理論，設計了以距離偏差和角度偏差為輸入、左右驅動輪速度差為輸出的模糊控制器；最后，在MatLab/Simulink環境中進行仿真驗證。仿真結果表明：設計的模糊控制器在直線和圓周路徑上跟蹤性能明顯優于常規PID控制器，其有效性和可行性得到了驗證。

關鍵詞：農業專用AGV；差速轉向；多軸運動控制器；模糊控制；軌跡跟蹤

0引言

自動導引小車(Automated Guided Vehicle, AGV)，是指配備有自動導引裝置的移載運輸小車，以控制器為核心，以蓄電池為動力，能按預先規劃好的路徑安全、自主行駛，并完成指定運輸動作的無人駕駛自動化搬運車輛[1]。自動導引小車具有環境感知、實時決策和行為控制與執行等功能，是當代柔性生產線、裝配線和倉儲物流自動化系統的關鍵設備之一[2]。隨著各個領域的相互滲透，AGV小車越來越多地應用于農業自動化生產線中[3]。

農業專用AGV小車行駛環境復雜多樣，可裝載不同機械裝置以完成各種作業，因而對控制器的精確性、實時性及魯棒性提出很高要求，其運動控制已成為AGV小車研究的關鍵領域之一，是AGV小車進行定位、自主導引和路徑規劃等的基礎。傳統的運動控制常采用PID控制算法，特點是算法簡單、魯棒性強、可靠性高，但須基于精確的數學模型才能達到良好的控制效果。而AGV小車是非線性復雜系統,運動過程受諸多非線性因素的影響，對其建立精確的數學模型十分困難。因此，傳統的PID控制算法已難以滿足其要求。

為使AGV小車獲得較好的控制性能，本文應用模糊控制方法，根據人的駕駛經驗得到一系列控制規則，經推理得到控制響應表，通過查表得到規劃信息，實現AGV小車局部位姿的有效控制[4]。經過MatLab/Simulink仿真驗證了本文提出方法的有效性和準確性。該方法計算量小，運算速度快，跟蹤性能優越，適用于現代農業專用AGV系統[5]。

1農業專用AGV小車系統結構

本文控制對象為應用于現代農業蔬菜大棚的專用AGV小車，最大負重400kg。該農業自動化系統實際構建主要分為農業專用AGV小車系統、作物生長環境遠程監測系統及作物生長環境專家系統，如圖1所示。

圖1　農業自動化系統結構示意圖

該農業自動化系統利用農業專用AGV小車視覺系統、專用執行機構及多功能末端執行機構對植株生長微環境信息(葉面溫度、光合作用、水分含量、植株生長狀態、電導率和根部溫度等)進行巡視和檢測，獲取植株生長相關數據，為構建植物生長智能專家系統提供支撐。基于知識決策的作物生長專家系統，為實現溫室作物的高產、高品質提供決策輔助基礎。

AGV小車系統是整個系統的運輸載體，利用車體上搭載的智能檢測裝置和輪上安裝的編碼器聯合進行定位，仿人形輕型機械臂安裝在AGV小車上，承載著智能靈巧終端實現三維空間位移，完成作物生長實時數據采集和植株生長狀態檢測。

該系統采用TCP/IP通訊方式，可借助無線路由器與外界進行數據及指令交互，具有可多點傳輸及傳輸數據量大等特點，方便實現網絡化、系統化控制。工業PC機作為中央控制器，管理、協調、調度整個農業自動化系統的工作情況。AGV小車系統由固高8軸運動控制器進行控制，其中，2軸用于行走機構，1軸用于升降機構，5軸用于專用檢測機構。智能AGV系統組成架構如圖2所示。

圖2　智能AGV系統組成架構

本文所研究AGV小車為四輪結構，車體前端左右兩側對稱安裝兩個獨立的驅動輪，分別由兩臺無刷直流電機控制其轉速，確保驅動系統結構簡單、運行可靠、維護方便、能量轉換效率高。后端兩輪以萬向輪形式形成從動輪，依靠驅動輪的差速差實現對小車運動方向的控制[5]。

2差速轉向AGV小車運動學分析

兩輪差速轉向AGV小車運動學結構簡圖(圖中僅畫出兩驅動輪)如圖3所示。

圖3　AGV運動學示意圖

根據運動學的知識有：車體的合成速度VC(即C點的速度)與左、右輪速度V1、V2關系為

(1)

假設圖示時刻，AGV小車通過兩驅動輪差速進行姿態糾偏。顯然，AGV小車左輪速度大于右輪速度即V1>V2，左右輪的軌跡都表現為一段圓弧，AGV發生右轉。根據圓周角定理，左右輪對應的圓心角相等[7]，可得到

(2)

(3)

在Δt時間內，小車的轉彎半徑R、轉過的角度Δθ和角速度ω分別可表示為

(4)

(5)

(6)

在XOY坐標系中，小車在X軸和Y軸的方向上速度分量為

(7)

AGV小車左轉時運動學方式同法可得。

綜上可得，AGV整車運動狀態的輸入為左右輪轉速V1、V2，輸出為AGV中心點的位姿矩陣ξt，則小車每一時刻位姿的運動學方程為

(8)

其中，X0、Y0、θ0為t=0時小車的初始狀態值。

由此，通過AGV小車兩輪不同的速度規劃，可得到AGV相應的運動狀態：

1)當V1=V2時，小車沿著θ0做直線運動；

3模糊控制系統設計

3.1　控制系統設計

圖4　模糊控制系統框圖

3.2　模糊控制器設計

如圖5所示，本文將小車實時位姿與期望位姿比對結果：距離偏差ED和角度偏差Eθ，作為模糊控制器的兩個輸入變量，左右驅動輪速度差ΔV作為輸出變量。該模糊控制器為雙輸入單輸出的模糊控制器。

圖5　模糊控制器結構框圖

考慮到三角形隸屬度函數的靈敏度較高且數學表達式和運算較為簡單[10]，因此對ED、Eθ、ΔV均選取均勻分布的三角形隸屬度函數形式，同時選取兩兩模糊集合重疊時的最大隸屬度?=0.5，如圖6所示。

圖6　隸屬度函數

模糊推理采用Mamdani方法，根據人駕駛汽車的操作經驗總結出49條模糊控制規則，如表1所示。

表1　模糊控制規則表

當小車位于軌道左邊，且行駛方向趨近預定軌道(向右轉彎)時，即ED<0,Eθ<0，如圖7(a)所示。當兩者偏差均為負大時，模糊控制器輸出應為零，因此時小車正逐步往軌道方向靠近。當小車與預定軌道偏差距離不變，偏差角度為負中或負小時，可使模糊控制器輸出正小或正中，對小車姿態作出微調。當小車位于軌道左側，但行駛方向背離預定軌道(向左轉彎)時，即ED<0,Eθ>0，如圖7(b)所示。此時模糊控制器須輸出正大，使小車逐步接近預定軌道。同理，小車位于預定軌道右側時，亦可根據上表1對小車作出調整。當小車沿著軌道行駛，即ED=0,Eθ=0，模糊控制器輸出為零，保持小車左右兩驅動輪速度差不變，繼續延原行駛方向前進[11-12]。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b)

4仿真驗證

本文利用MatLab/Simulink平臺搭建了研究對象的數學模型，左右驅動輪的軸距D=0.5m，小車的平均合成速度VC=0.6m/s。經分析知，AGV的工作路徑由圓弧軌道和直線軌道組合而成。因此，本文分別利用常規PID控制器和模糊控制器對建立好的數學模型進行閉環控制，對小車在直線和圓形兩種路徑下的跟隨效果進行了仿真比較。

4.1　直線路徑

圖8　直線路徑下常規PID控制仿真結果

圖9　直線路徑下模糊控制仿真結果

兩種控制下的距離偏差ED和角度偏差Eθ仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10　距離偏差ED仿真結果

圖11　角度偏差Eθ仿真結果

4.2　圓形路徑

圖12　圓形路徑下常規PID控制仿真結果

圖13　圓形路徑下模糊控制仿真結果

從直線軌跡和圓形軌跡的仿真結果可以看出：模糊控制相比常規PID控制，系統的超調量更小甚至得到消除，調節時間更短，動態特性更好。采用該控制方法可有效地對AGV小車進行偏差糾正和路徑跟隨。

5結論

本文研究了一種基于多軸運動控制器的差速驅動型農業專用AGV小車，在分析該小車運動學模型的基礎上，設計了一種適用于該系統的模糊控制器，并在MatLab/Simulink中進行仿真驗證。

仿真結果表明：與常規PID控制器相比，采用設計的模糊控制器可使AGV系統在直線路徑和圓形路徑下跟蹤性能良好，具有很強的適應性和魯棒性。在常規的生產中，本研究所用方法具有較大的參考價值。

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Study on Fuzzy Control of an Agricultural Dedicated AGV with Differential Steering

Zhao Chenyu, Chen Xikun

(The School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract：As a common platform for agricultural operations, agricultural automatic guided vehicle (AGV) is a kind of robot that is particularly designed for specific application environment. It is becoming more and more important in agricultural automatic.An AGV used in automation of modern agriculture based on multi axis motion controller is proposed.Aiming at AGV path following problem，a kinematic model of the AGV is established and analyzed. Then a fuzzy controller with distance deviation and angle deviation as inputs, difference of left and right wheel’s speed as output is designed, based on fuzzy control theory. Finally, the control system is simulated in the simulink module of the Matlab platform. The results indicated that the system follows in the linear and circular path on a clear advantage than the conventional PID control system. Its effectiveness and feasibility has been verified.

Key words：agricultural dedicated AGV; differential steering; multi axis motion controller; fuzzy control; trajectory tracking

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0123-05

作者簡介：趙晨宇(1990-)，女，河南南陽人，碩士研究生，(E-mail)whisper2013@hotmail.com。通訊作者：陳息坤(1962-)，男，河南信陽人，副教授，博士，(E-mail)chenxk@shu.edu.cn。

基金項目：上海市科委重點項目(14DZ1206302)

收稿日期：2015-10-04