AGV小車的控制系統(tǒng)的設(shè)計探討

張瑜潔 劉懿鋒

摘要：本文所設(shè)計的自動導(dǎo)引小車運(yùn)用了時下比較先進(jìn)且普遍采用的PIC控制器，另外還搭配運(yùn)用了成本不高的紅外導(dǎo)引裝置，此外，還運(yùn)用了高傳輸速率的CAN-BUS來實(shí)現(xiàn)各模塊的通信，這便能夠使小車在維持成本不變的前提下，進(jìn)行高速率行駛，因而可以大幅提升無人操作車間的整體效率。本文就自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)各個功能模塊的總體設(shè)計思路作一探討。

關(guān)鍵詞：AGV；控制系統(tǒng)；設(shè)計

自動導(dǎo)引運(yùn)輸車簡稱為AGV，實(shí)際是指配置有自動導(dǎo)引裝置（如電磁或光學(xué)等），可以沿著事先設(shè)定好的導(dǎo)引路徑來維持行駛狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種移載功能，且能可以提供安全保護(hù)的運(yùn)輸小車。從本質(zhì)層面來講，AGV乃是輪式移動機(jī)器人的一種比較特殊的應(yīng)用形式。對于AGV而言，其實(shí)為一種無人駕駛自動化車輛，其將電池作為其動力源泉，并配有非接觸導(dǎo)向裝置，能夠在計算機(jī)的實(shí)時監(jiān)控下，依據(jù)既定路線與路徑，使小車比較行駛至指定位置或地點(diǎn)，最終完成諸多作業(yè)功能。

1.AGV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

針對AGV而言，其主要由如下部分構(gòu)成：（1）電源管理。在處于工作過程中，向其提供兩種類型的電源，即24V與5V，另外還能進(jìn)行電源檢測。（2）主機(jī)模塊。協(xié)調(diào)系統(tǒng)各項功能，并能進(jìn)行集中處理。（3）光電檢測。檢測并引導(dǎo)小車的運(yùn)動方向。（4）電機(jī)控制。依據(jù)光電檢測信息，對電機(jī)動作進(jìn)行相應(yīng)控制。（5）障礙檢測。檢測小車運(yùn)動方向區(qū)域內(nèi)的障礙物。（6）故障判斷。集中處理系統(tǒng)故障，并進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，提供各項故障信息。（7）聲光報警。依據(jù)故障判斷功能所提供的故障信息，及時發(fā)出聲光報警信息。針對各模塊而言，利用CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時性、不間斷性通信；在整個系統(tǒng)當(dāng)中，主機(jī)模塊為其決策中心，各模塊均能完成自身的基本功能。

2.AGV控制系統(tǒng)導(dǎo)引方法分析

借助于光學(xué)檢測技術(shù)，對AGV相應(yīng)運(yùn)動方向進(jìn)行引導(dǎo)，將一條反光率比較穩(wěn)定的色帶鋪設(shè)于運(yùn)行路徑上，另外，車上還配置有可以接收反射光以及發(fā)射光源的信號，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)比較，因本文所模擬的是車間標(biāo)準(zhǔn)的水泥路面，因而其在反射效果方面接近于黑帶，在對比效果上并不突出，因此，本實(shí)驗運(yùn)用了與水泥地面相比，在反射差方面較大的白帶，如此一來，便能比較方便的獲得光電傳感器的各項數(shù)值，所以，可借此對車輛運(yùn)行方向加以判斷。

針對AGV而言，對導(dǎo)向路徑識別的相應(yīng)實(shí)時性決定著其運(yùn)行速度，為了能夠最大程度簡化識別算法，可選用光電傳感器5只，對行駛路線進(jìn)行判斷。當(dāng)處于常規(guī)狀態(tài)下，4#、2#、3#光電傳感器可以檢測到系統(tǒng)當(dāng)中的強(qiáng)反射，而對于5#、1#而言，其放射光相比于閥值偏低。如若4#或2#與事先設(shè)定好的路線存在偏離的情況，那么此時與之同側(cè)的轉(zhuǎn)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速，便會持續(xù)向增量方向調(diào)節(jié)，直至光電傳感器再次檢測出強(qiáng)反射，對于此時的電機(jī)來講，其轉(zhuǎn)速便會回至初始值。針對5#、1#傳感器而言，主要用作判斷轉(zhuǎn)向，如若其輸出大于閥值，表明已經(jīng)進(jìn)入到轉(zhuǎn)向路口，那么位于同側(cè)的電機(jī)便會減速，指導(dǎo)傳感器輸出偏小，且小于閥值。對于此方法而言，不僅簡單易行，而且操作簡便，而為了能夠得到比較準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，選用直流無刷電機(jī)為佳。

3. AGV控制系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型

對于AGV控制系統(tǒng)而言，其主要有兩種數(shù)學(xué)模型，其一為運(yùn)動學(xué)模型，其二是動力學(xué)模型。針對運(yùn)動學(xué)模型來講，多依據(jù)運(yùn)動學(xué)基本理論，將車速與伺服電機(jī)端電壓之間的關(guān)系求出來，在此模型當(dāng)中，自動導(dǎo)引小車的速度除了與電機(jī)電樞回路的相應(yīng)時間常數(shù)之間相關(guān)之外，還與電機(jī)端電壓相關(guān)，忽略了摩擦阻力、車體質(zhì)量等對車速可能產(chǎn)生的影響，所以，以自動導(dǎo)引小車為基礎(chǔ)的運(yùn)動學(xué)模型，將其作為控制系統(tǒng)，在控制效能上并不佳。而針對動力學(xué)模型而言，其基于車體動力學(xué)，將車體質(zhì)量、電機(jī)端電壓以及多種阻力對車速所造成的影響考慮在內(nèi)，也就是把速度與力之間的關(guān)系，劃歸至自動導(dǎo)引小車所對應(yīng)的導(dǎo)引方程當(dāng)中，因此，以自動導(dǎo)引小車動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，所作出的控制系統(tǒng)，在靜態(tài)精度與動態(tài)特性方面，相比于以運(yùn)動學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，要好一些。如果對自動導(dǎo)引小車的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)特性有較高要求時，可將動力學(xué)模型作為首選。

4.以DSPACE為基礎(chǔ)的模糊控制器設(shè)計

設(shè)定控制系統(tǒng)的輸出為y，輸入為單位階躍信號r，誤差導(dǎo)數(shù)de，誤差e，被控對象的輸入u；對于模糊控制器而言，其與e對應(yīng)的輸出為e1、de1，而與de對應(yīng)的輸出為u1、e1、de1、e2、de2、u1，而論域的取值范圍是[-6+6]，取5個語言值，即正大PB、正小PS、零ZR、負(fù)小NS、負(fù)大NB。ZR取三角形隸屬度函，而PB、NS、NB、PS取梯形隸屬度函數(shù)。因系統(tǒng)實(shí)為兩輸出、單輸入，那么可以選用的模糊控制規(guī)則：IF< E is PB > THEN< de1 is PB and de2 is NS>。基于相關(guān)控制規(guī)則與隸屬度函數(shù)，借助于模糊推理系統(tǒng)編輯器，便能構(gòu)建一個FIS文件，名mhkz.fis。設(shè)定系統(tǒng)開始輸入非0，也就是在導(dǎo)引線上啟動。且依據(jù)所得各類試驗數(shù)據(jù)，為保障AGV小車有著比較穩(wěn)定的啟動功率，PWM值不能過小，對此，選取兩個值0.75與1，即NB時PWM值為1，NS、PS為0.75。

因運(yùn)用的是光電導(dǎo)引的方式，在得到小車運(yùn)動狀態(tài)的相關(guān)試驗時，邏輯運(yùn)算變?yōu)樽罴逊绞剑柚贒SPACE仿真控制，本文選用了模糊控制算法。

5.結(jié)語

綜上，本文針對AGV小車，構(gòu)建了AGV控制系統(tǒng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與相關(guān)控制方法，且分別從應(yīng)用與理論方面，對AGV控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。最終得知，AGV地面系統(tǒng)設(shè)計思路乃是可靠與正確的，其有著廣泛的應(yīng)用前景與價值。

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