基于磁傳感器的自動導引車導航方案

□ 孫鵬飛

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 沈陽 110168

1 自動導引車導航技術

自動導引車作為一種智能移動機器人,近年來不斷得到發展并應用。自動導引車的典型應用環境為無人化或少人化,要實現無人化或少人化,最基本的要求是實現自動導引車的自動導航技術[1]。

常見的自動導引車導航技術有磁條導航、激光導航、慣性導航等,此外還有電磁導航、色帶導航、輪廓導航等。

2 磁傳感器概述

磁導航技術通過檢測路徑上的磁場信號來獲取自動導引車自身相對于目標跟蹤路徑之間的位置偏差,從而實現自動導引車的控制及導航。磁條鋪設好后,磁導航具有使用壽命長、維護費用低、增設及變更路徑容易等優點。

磁傳感器是主要的導航部件,磁傳感器中設有若干磁阻傳感器。當自動導引車沿預鋪設磁條的路徑行駛時,對應磁場強度高處的磁阻傳感器輸出低電平,對應磁場強度低處的磁阻傳感器輸出高電平,由此可以判斷磁條相對于磁傳感器的偏離位置。若正對磁條的磁傳感器中心處磁阻傳感器輸出低電平,則默認自動導引車相對運行路線沒有偏移,自動導引車保持原行駛軌跡。若系統判斷自動導引車相對運行路線有偏差,則磁傳感器將高電平信號輸出至控制器,自動導引車控制系統根據控制器采集到的信號發出調整指令,通過控制自動導引車各輪組電機的伺服驅動器進行糾偏,最終實現自動導引車沿地面預設的磁條路徑行進。磁傳感器探測原理如圖1所示。

▲圖1 磁傳感器探測原理

3 運動控制分析

基于磁傳感器的自動導引車導航控制實質是將磁傳感器的反饋偏差輸入量轉換為電機轉動量,從而不斷糾正偏差。自動導引車導航糾偏如圖2所示。當自動導引車行進時,磁傳感器檢測自動導引車相對于磁條的偏移量,并將偏移量上傳至控制器,控制器控制伺服電機對自動導引車進行糾偏。

筆者以典型雙輪差速自動導引車為例，建立自動導引車運動控制模型。雙輪差速自動導引車有兩個驅動輪及兩個隨動輪,兩個驅動輪由驅動電機獨立驅動行進,兩個隨動輪負責承載。自動導引車依靠兩個驅動輪的行進速度差來實現轉向。雙輪差速自動導引車可以實現繞兩個驅動輪中心連線中點的零轉彎半徑自旋,因此兩個驅動輪中心連線的中點是雙輪差速自動導引車的運動中心,控制自動導引車的運動中心軌跡,就相當于控制自動導引車的軌跡。雙輪差速自動導引車如圖3所示。

▲圖3 雙輪差速自動導引車

雙輪差速自動導引車運動模型如圖4所示。假設雙輪差速自動導引車左右兩個驅動輪的線速度分別為v1、v2,兩個驅動輪的中心距為2H,轉彎半徑為r,有:

(1)

(2)

v=(v1+v2)/2

(3)

(4)

式中：v為運動中心的速度；ω為運動中心的角速度。

▲圖4 雙輪差速自動導引車運動模型

正確標定自動導引車的初始位置,控制自動導引車左右兩個驅動輪的速度,可以使兩個驅動輪的中心跟蹤任意給定的運動軌跡。在實際控制中,當自動導引車在路徑跟蹤有偏差時,v1v2分別加減一個糾偏速度,即左右驅動輪轉速差Δv來實現糾偏。通過檢測速度偏差值,對兩個電機分別進行速度閉環控制,便可以實現對自動導引車行進路徑的控制。左右驅動輪轉速差不是系統的直接輸入量,系統的直接輸入量是主控制器輸出的控制電壓,因此若能建立以控制電壓為輸入,將自動導引車運動學公式與反映驅動系統動態特性的函數相結合的狀態方程,便可以建立自動導引車的運動控制數學模型,從而實現對自動導引車行進軌跡的控制。然而,自動導引車驅動系統環節多,受電機調速機構中數模轉換、伺服控制器、減速機等各傳遞模塊的影響,各部件的參數難以確定,因此建立準確的自動導引車運動控制數學模型，進而實現對自動導引車的行進控制，不適合在工程實踐中推廣[2]。

算法簡單、穩定性好、不需要建立被控對象精確數學模型的模糊比例積分微分控制在自動導引車工程實踐中得到很好的應用。比例積分微分控制器基于給定值和實際輸出值構成的控制偏差,將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量,對對象進行控制，并對整個控制系統進行偏差調節,從而使被控變量的實際值與要求的預定值一致。比例積分微分控制數學模型可表示為:

(5)

式中：u(t)為控制器輸出,即控制電機轉動的電壓值；Kp為控制器比例因數；e(t)為控制器輸入,即給定值和被控對象輸出值的差；Ti為控制器積分時間；Td為控制器微分時間；Ki為控制器積分因數；Kd為控制器微分因數。

在比例控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系,比例因數可以加快系統的響應速度,一般用于減小測量軌跡的誤差。在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系,積分因數可以消除靜態誤差,用于減小或消除軌跡誤差。在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號的微分,即誤差的變化率成正比關系,微分因數可以改善系統的動態特性,減小最大超調。在實際調試中,各因數可以根據人工經驗試湊法確定[3]。

4 導航方案

基于磁傳感器的自動導引車導航控制流程如圖5所示。

▲圖5 自動導引車導航控制流程

自動導引車導航方案中的車體控制器是導航控制系統中的核心控制器,采用VCU300車體控制器,有多種外部設備接口,應用性強。自動導引車導航方案中的運動控制器同樣是導航控制系統中的核心控制器,采用基于控制器局域網總線通信方式的MCU50分布式運動控制器,理論上可以掛載128個控制器局域網節點設備,通過對伺服驅動器的調節,實現對自動導引車車體行進的精確控制。將MCU50分布式運動控制器的輸出控制信號作為伺服驅動器的設定,由伺服驅動器驅動電機,使電機按照理想形式工作。運動控制器依靠編碼器信號的反饋輸入,完成對伺服驅動器的精確控制。伺服驅動器內部集成一套比例積分微分控制算法,用于快速、平穩地進行速度控制[4-10]。

為精確控制自動導引車的行進軌跡,自動導引車的驅動輪電機控制通常采用雙閉環方案。雙環即速度環和位置環,通過伺服驅動器給定信號與連接在電機軸上的測速機的反饋信號進行調速,完成速度環閉環，通常速度環為內環。運動控制器給出指令要求自動導引車行進一定距離,電機軸上的編碼器將反饋信號返回至運動控制器,完成位置環閉環,通常位置環為外環。雙閉環結構框圖如圖6所示。

▲圖6 雙閉環結構框圖

5 結束語

筆者基于磁傳感器設計了自動導引車導航方案,引入模糊比例積分微分控制，在類似場景中具有可移植性。

實踐證明,所設計的自動導引車導航方案在工程實踐中具有可行性與實用性。