基于模糊控制的重載AGV 控制系統設計

丁承君，胡 博，劉云帆，賈麗臻

（1.河北工業大學機械工程學院，天津 300130；2.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

近年來，隨著城市規模的不斷擴大，地鐵得到了快速的發展，地鐵盾構管片的需求量也越來越大[1]。但是在地鐵盾構管片生產的過程中，管片的搬運多數是通過天車等傳統機械來實現，不僅影響管片生產廠的效率，也增加了生產過程中的成本。根據數據統計，從原材料到產品的成熟再到銷售，在這個過程中，用于產品加工與制造的時間只有5%左右，而用于原材料的存儲、運輸以及半成品的存儲、運輸時間卻高達95%左右[2]。為了降低盾構管片生產廠在管片生產過程中的運輸成本和人力成本，同時考慮盾構管片生產運輸過程中的安全問題，亟需一款可以實現盾構管片自動搬運的系統來取代傳統運輸機械。而AGV（Automated Guided Vehicle）[3-5]，又稱無人導引車，具有運輸快、高效等優點，可以提高企業的生產效率，提升企業的整體經濟效益[6]。

我國從上世紀六十年代開始自主研發AGV，雖然我國AGV的研究起步較晚，但是發展迅速。1976年，國內第一臺自主研發的AGV 小車誕生于北京的起重機械研究所，該AGV 采用了電磁導引技術，是我國第一臺實現了定點通信的AGV[7]。1985 年，北京郵政科學研究規劃院設計出我國第一臺雙向無線通信的AGV[8]。我國的第一臺非電磁導航AGV 由清華大學研制而成，該AGV 引入了路徑定位和路徑跟蹤等算法，具有較高的智能性。此后，越來越多的科研機構和高校加入到了AGV的研究當中，國內的AGV 呈現出了蓬勃發展的趨勢，自動化和智能化水平也越來越高了。

目前，市場上大部分AGV 都是面向輕負載的小型化設備，而在重載AGV 領域，由于所需要的成本較高而少有企業涉足[9]。文中首先介紹了AGV 控制系統的設計方案，然后給出了AGV的硬件選型和控制系統軟件設計方案，并針對AGV的路徑糾偏問題設計了一個二維模糊控制器，最后通過實驗驗證了控制系統的穩定性以及模糊控制器的控制性能可以滿足管片生產廠的實際工作要求。

1 系統硬件設計

AGV 車載控制系統硬件結構如圖1 所示，主要由工控機、磁導航傳感器、激光避障傳感器、RFID 讀卡器、顯示屏、蓄電池、無線通訊模塊、遙控模塊、直流無刷電機、機械防撞條、急停開關、狀態指示燈、語音報警器組成。

圖1 控制系統硬件結構圖

AGV 車載控制系統負責接收并解析來自上位機控制系統的命令，控制AGV 進行相應的運動[10]。由于工控機具有CPU 處理速度快、資源豐富、抗干擾能力強、適用于高濕等惡劣環境的特點，因此選用研華UNO-2484G 工控機。UNO-2484G 配有英特爾i7 處理器和8 GB DDR4 內存，可以提供卓越的計算能力，同時還具備豐富的I/O 端口，包括4 個USB 3.0 端口、4 個以太網口、4 個RS-232/422/485 端口、一個HDMI端口、一個DP 端口。UNO-2484G 支持10～36 V 直流電源輸入，可在-20～60 ℃環境中工作，可以在各種惡劣環境中穩定運行，適用于盾構管片生產廠的工作環境。

AGV 導航模塊選用Mag-1600-A 型號的磁導航傳感器，電壓為DC24V，防護等級為Ip54，可測距離為20～60 mm，最高精度可以達到1 mm，傳感器分辨率為0.1 mm，并配有CAN、RS485和RS232 等多個通信接口。

AGV 驅動模塊負責完成AGV的行走功能，使AGV 可以完成前進、后退和轉彎等相應的動作。驅動電機選擇步科的SMC80S-0075-30MAK-3DSU 伺服電機，其額定電壓為48 V，額定功率為750 W，額定轉矩為2.39 N·m，額定轉速為3 000 rpm/min，額定電流為19 A，軸徑為19 mm，通信接口為CAN，通信波特率為500 000 bps。

RFID 模塊選用廣州聯網科技有限公司的DRFV2-134K2 高速讀卡器，該讀卡器是專門為AGV設計的高速讀卡器，通過讀取RFID 卡片信息，將卡片內部數據信息發送給主控制器。該讀卡器工作頻率為134.2 kHz，識別速度為3 m/s，支持標簽為FDXB，通信接口為RS485，通信波特率為115 200 bps，讀卡距離超過14 cm。

激光避障傳感器選擇SICK的TIM320 激光傳感器，其開啟角度為270°，掃描頻率為15 Hz，工作區域為0.05～4 m，保護距離為2 m。其共包含16 個區域組，每個區域組包含3 個區域，區域組的形狀被分為多邊形、半圓形和長方形，并可以直接在掃描儀上進行配置。

2 系統軟件設計

AGV 車載控制系統的各個功能模塊是通過軟件編程得以最終實現的，包括控制流程、數據邏輯運算與處理、狀態顯示以及參數存儲等[11]。AGV 控制系統軟件流程如圖2 所示。

圖2 AGV控制系統軟件流程

當AGV 上電后，系統會執行一系列初始化指令，系統初始化完成后，AGV 會自動檢測是否滿足啟動條件，當AGV 滿足啟動條件后，可以通過AGV 車身上的啟動按鈕或者上位機啟動AGV，AGV 啟動之后會同時接收來自主控制器和上位機的控制指令。

在AGV 按自由路徑或預設路徑行駛的過程中，AGV的磁導航傳感器會不斷采集當前的磁感應信號，判斷當前AGV的行駛路徑是否偏離了磁條。若沒有發生偏離，則AGV 會繼續沿著磁條行駛，若發生了偏離，AGV 主控制器則會通過設計的模糊控制算法來進行糾偏，糾偏后的AGV會繼續沿著磁條行駛。

AGV 在行駛過程中還會通過激光避障傳感器不斷檢測行駛路徑上是否有障礙物，當檢測到障礙物后，AGV 會停止運行并進行語音報警提示，當障礙物移除后，AGV 后自動重啟。AGV 在運行過程中，當檢測到定位信號后，主控制器會控制AGV 小車完成相應的功能，AGV 完成相應的功能后會繼續沿著磁條行駛。

3 模糊控制算法

傳統的PID 控制在AGV 運動控制應用中很難到達理想的控制效果[12]，隨著現代控制理論的不斷發展，模糊控制以其不需要精確控制模型的優勢逐漸被應用到AGV的控制系統中[13]。

3.1 模糊控制原理

模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法[14]，其工作原理是將來自傳感器的實時信號通過計算機轉為模糊信號，將模糊化后的信號作為模糊規則的輸入，根據制定的模糊規則對模糊信息進行推理，最后將推理后的輸出量加到被控對象上。

模糊控制器通常由以下4 部分組成：

1）輸入量模糊化：將模糊控制器輸入量的確定值轉換為相應的模糊集合的過程。

2）模糊控制規則：根據專家經驗或者經驗總結制定出的模糊條件語句。

3）模糊邏輯推理：利用模糊控制規則求出輸入的模糊信息在輸出變量論域上的模糊集合。

4）去模糊化：將模糊值轉換為明確的輸出量，并作為系統的輸入值[15]。

3.2 模糊控制器的設計

AGV 系統通過安裝在車體上的磁導航傳感器進行AGV的路徑導航。文中采用AGV 運行過程中，車體中心與磁條中心的位置偏差Δs和方向偏差角α作為控制器的輸入變量，將車體的重心角速度ω作為控制器的輸出變量，并設計一個具有兩個輸入變量、一個輸出變量的二維模糊控制器。

由AGV 車體的長度為5 600 mm，磁導航傳感器的長度170 mm，可以得到車體的最大偏轉角度α為1.739°。因此，位置偏差Δs的基本論域取值范圍為[-85,85]，單位為mm；方向偏差角α的基本論域取值范圍為[-1.739°,1.739°]；AGV 車體重心角速度的基本論域取值范圍為[-0.015 2，0.015 2]，單位為RPM。

確定了輸入和輸出變量的論域后，還需要確定輸入和輸出變量的模糊集。將輸入和輸出變量的論域平均分為7 個模糊集，分別為NL、NM、NS、ZO、PS、PM和PL，對應為負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。模糊子集{ NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL} 與控制系統中的3 個變量的集合對應，從而得到輸入和輸出變量的模糊子集。

考慮到AGV 小車在進行誤差修復時需要較快的響應速度，同時對控制的穩定性和靈敏度都有較高的要求，因此選用靈敏度較高的三角形作為輸入和輸出的隸屬度函數[16]。圖3～5為3個變量的隸屬度函數圖。

圖3 位置偏差Δs 隸屬度函數圖

圖4 方向偏差角α 隸屬度函數圖

圖5 重心角速度ω 隸屬度函數圖

模糊規則庫的建立主要是找出AGV 在運行時刻位置偏差Δs和方向偏差角α與重心角速度ω之間的模糊關系，結合模糊控制專家經驗和現場的實際調試經驗，建立了49 條模糊規則，并將這些模糊規則生成了如表1 所示的模糊控制規則表[17]。

表1 模糊控制規則表

4 系統整體測試

4.1 AGV控制系統測試

為了驗證所設計的重載AGV 控制系統的穩定性，在某盾構管片生產廠進行AGV 實車測試，如圖6所示。AGV 與上位機控制軟件成功建立連接，軟件界面可以實時顯示AGV的任務狀態、速度方向、速度等級、當前的卡點號、電池的電量等，還可以進行任務管理、查看蒸養窯狀態、查看生產數據和查看操作日志等。

圖6 AGV控制系統軟件界面

4.2 AGV糾偏性能測試

AGV的糾偏能力決定了AGV 行駛的精確性，也是AGV 穩定性和安全性的重要保障。圖7和圖8 分別為空載和負載情況下的AGV 磁導航測試圖。

圖7 空載下AGV磁導航測試圖

圖8 負載下AGV磁導航測試圖

由圖7和圖8的實際測試結果可知，無論是空載還是負載的情況下，AGV 均能沿著預先鋪設的磁條正常運行。當AGV 在運行過程中出現一定的偏差后，AGV 可以在短時間內完成路徑糾偏。圖9和圖10分別為AGV 在路徑偏差Δs為25 mm和60 mm 時，完成路徑糾偏時的仿真圖。由仿真圖可知，在AGV 運行過程中，無論路徑偏差Δs是25 mm 還是60 mm，AGV 均能在2 s 內完成路徑糾偏，滿足盾構管片生產廠的實際工作要求。

圖9 Δs 為25 mm時路徑糾偏仿真圖

圖10 Δs 為60 mm時路徑糾偏仿真圖

5 結論

文中設計了盾構管片運輸AGV的控制系統，首先制定了AGV 控制系統的總體方案，給出了控制系統硬件和軟件的設計方案，然后針對AGV 在行駛過程中的糾偏問題，設計了一個具有兩個輸入變量，一個輸出變量的二維模糊控制器。最后在盾構管片廠進行AGV 控制系統測試，測試結果表明，所設計的AGV 控制系統穩定可靠，模糊控制器的控制性能滿足管片生產廠的實際工作要求。