基于麥克納姆輪的AGV 小車設計＊

辛強 趙琛 李思穎 張星晨 趙澤陽

1.國核電站運行服務技術有限公司山東分公司；2.國核電站運行服務技術有限公司

AGV 作為自動化行業的智能設備，是連接生產和物流的關鍵環節，可實現工作效率最大化的目的。本文以基于麥克納姆輪為運動單元的AGV 小車為研究對象，針對常見的AGV 工業應用場合，探索激光導航定位下的AGV 控制系統和伺服驅動結構的一般性問題，并提出以模糊PID 為運動控制策略對AGV 小車動態調節的影響。

近年來，自動化水平要求的不斷提高促使了生產效率的大幅提高，工業生產應用也逐步形成了自動化機器替代人工的趨勢[1,2]。AGV（Automated Guided Vehicle），也叫作自動導航車，依靠設備內的控制系統實現自動運輸、自主移動的功能[3,4]。為了讓智能車按照預設軌跡到達目標位置，定位和導航就成為了AGV 小車研究的最基本內容，并且可靠的定位和地圖構建技術也成為近年來無人駕駛領域的研究熱點[5]。

1 AGV 小車方案設計

1.1 AGV 小車整體需求分析

本文針對AGV 小車的一般性問題，設計主要針對機器人的移動運載底座及運輸小車為主要功能的全自由度AGV，在功能上具有以下要求：

（1）能夠適應多種地形，并且在狹小復雜的空間中可以自由運動和啟停；

（2）能夠精確定位，重復定位精度高；

（3）可自主避障，運動路徑最優；

（4）運動平穩可靠，轉彎半徑小，控制靈敏；

（5）可自行供電，具有一定的承載能力。

1.2 AGV 小車方案設計

小車的整體設計方案根據整體需求進行確定，主要包括控制系統、驅動系統、動力系統、專項/避障系統和車身等，如圖1 所示。AGV 小車的整體由上下兩個部分組成，上部留有安裝孔和卡槽，作為負重面承擔物體的運輸、機器人裝置的位置控制等；下部為車體，包括4個麥克納姆（Mecanum）輪系、4 個無刷電機、4 個驅動控制器、DSP 控制主板、各類傳感器和提供動力的蓄電池。

圖1 AGV 系統組成Fig.1 AGV system composition

AGV 小車的驅動通過4 組Mecanum 輪系+驅動控制模塊的組合實現轉向、前進、后退和原地正反轉運動等操作[6]。控制系統以基于DSP 的控制主板作為AGV小車的核心部分，控制主板通過產生四路脈沖寬度調制(PWM)調整驅動控制模塊信號來控制無刷電機轉速和方向，相應的光電編碼器讀取的無刷電機數值也會反饋給DSP 微處理器，精確控制Mecanum 輪系的速度和運動方向。WiFi 模塊的加入可建立局域網，讓上位機與本地AGV 裝飾形成一個ROS 分布式系統，接收DSP 單片機上傳的包括位置傳感器、激光導航儀、IMU 單元等模塊讀取的數據，從而實時調整AGV 小車位置。在確定AGV 小車方案設計前需要對運行環境、功能應用、各零部件具體尺寸等進行全面了解，保證滿足實際應用的同時還能縮小AGV 小車整體結構，使車體的運動輕巧靈便。AGV 小車的系統結構圖如圖2 所示。

圖2 AGV 系統結構圖Fig.2 AGV system structure diagram

1.3 AGV 定位與路徑跟隨方案

對AGV 來說，定位導航技術的應用是路徑跟隨的基礎，其好壞直接決定了AGV 的精確性和性能穩定性，同時也決定AGV 功能性、應用實用性、自動化程度等關鍵因素[7]。本文所設計的AGV 采用4 組麥克納姆輪的驅動機構，通過編碼器獲取每個車輪的里程增量，進而根據麥克納姆輪運動學公式進行航跡推算AGV 運動的實時位置（AGV 的自身位置參考所建立環境的電子地圖），通過對目標點的設置即可實現路徑跟隨。與此同時，在車體的前后均安裝有激光掃描儀，實現自主行駛過程中的避障功能，其跟隨工作流程如圖3 所示。

圖3 AGV 路徑跟隨工作流程Fig.3 AGV path following workflow

在AGV 運行前，先建立電子地圖和設置目標點數據，上位機程序通過讀取目標點位置數據，再將四個編碼器讀取的麥克納姆輪里程數傳輸至上位機，發出AGV從當前位置移動至目標位置的命令，在避障自主運動過程中通過麥克納姆輪正運動學公式實時求解全向移動AGV 的位置和方向，判斷是否到達目標點位。如果AGV 當前位置和目標點位仍存在位置和角度的差值，將繼續驅動控制AGV 向目標點位運行，直至到達目標點后停止并等待后續上位機操作指令。

2 AGV 控制系統研究

2.1 控制系統的選擇

市面上現有的機器人控制系統一般包括集中式和分布式控制結構兩種方式[8,9]。集中式控制結構采用PCI 搭配與之相兼容的操作系統，主要包括運動控制主板、伺服運動孔子模塊、通訊模塊、傳感器模塊、上位機操作系統等組成，系統的運行和命令的執行均通過PCI 總線進行運算處理和分析。集中式控制結構具有結構組成簡單緊密、性價比高、兼容性強等優點，但抵御風險的能力偏低，特別是復雜的工況環境，一旦控制模塊出現故障，整個機器人控制系統均會癱瘓。相對而言，分布式控制結構在物理層、功能層等都是獨立分散的，之間采用網絡方式進行通訊連接。分布式控制結構主要基于驅動控制分散化和系統管理集中化的方案，以此實現控制器與驅動器組合協調的實現AGV 車輪的運動控制，并通過上位機控制系統進行AGV 的綜合管理。根據現場實際應用環境和全向AGV 的運動控制方式，控制系統采用工業以太網和現場總線的方式，以達到實時、穩定、安全、高效、高精度和高靈活度的運動控制。

全向AGV 小車的核心部分是控制系統，主要由通訊系統、上位機控制PC 和電氣伺服驅動控制系統三部分組成。通訊系統完成本地和現場的遠程通訊；上位機控制PC 負責人機交互實施，包括網絡配置、系統配置、參數設置、指令輸入、狀態顯示等；電氣伺服驅動控制系統由無刷直流電機和驅動模塊組成，執行控制器發出的運動指令，并通過編碼器反饋無刷直流電機的狀態參數給控制器。控制系統結構如圖4 所示。

圖4 控制系統結構圖Fig.4 Control system structure diagram

2.2 AGV 伺服系統結構

全向AGV 小車的定位是通過位于車體上的激光導航儀和避障傳感器來實現。在建立環境的電子地圖后，激光導航儀確定全向AGV 小車在全局坐標系下的當前位置，通過反饋的位置參數與期望位姿的角度、位置偏差來確定AGV 小車的運動控制參數，并進行實時調整AGV 運動，知道完成自動導航和精準定位，其伺服系統控制結構如圖5 所示。

圖5 激光導航伺服閉環控制結構Fig.5 Laser navigation servo closed-loop control structure

全向AGV 小車單軸伺服驅動控制結構如圖6 所示。該結構包含了電流環和速度環，其中，電流環由集成于伺服驅動器中的霍爾元件作為反饋部件，通過調節直流無刷電機的電流來提高系統的機動性能。速度環由電機側的光電編碼器反饋直流無刷電機的實時速度信號，以此控制電機的轉速。通過這兩個閉環的控制，可以分別實現AGV 小車的扭矩控制和速度控制，從而獲得期望的運動軌跡和目標位置。

圖6 單軸伺服驅動控制結構圖Fig.6 Single axis servo drive control structure diagram

3 AGV 控制策略研究

AGV 小車智能控制的關鍵環節就是路徑規劃和導引，這直接關系到全向AGV 小車的運行穩定性、精確性和智能性。由于傳感器靈敏度存在一定誤差和響應時間，AGV 小車的導引路線也會存在一定偏差，為了使AGV行徑路線更加精準化，控制算法的引入也是非常有必要的。AGV 小車采用模糊PID 控制方法，比常規PID 控制的動態控制性能更好，并介紹了數據處理和存儲要求，其導引算法控制結構如圖7 所示。

圖7 模糊PID 控制系統結構Fig.7 Fuzzy PID control system structure

從圖7 中可以看出，AGV 小車控制系統的輸入量為角度偏差a 和位置偏差e，角度偏差a 為AGV 小車和導航軌跡的角度，位置偏差e 為AGV 小車中心點與導航軌跡曲線的偏差。在借鑒專家經驗確定PID 三個參數Kp、Ki、Kd 分別為有關角度偏差a 和位置偏差e 的模糊規則后，然后以此作為輸入量，實時修正Kp、Ki、Kd 的參數值[10]。經過模糊PID 運算后，可求解出AGV 小車角度調整量和平移調整量，結合AGV 當前位姿信息（x,y）重新分配各驅動電機的轉速和方向，最終穩定精確地控AGV 按期望路徑運行的目標。

4 結語

隨著智能化行業的不斷發展，基于麥克納姆輪的AGV 小車作為平臺的智能移動機器人具有非常重要的研究價值和理論意義。對于AGV 而言，實現精準化的運動、智能化的應用、靈活性的操作需要更為先進的系統控制方案和設計，通過結合不同應用場景進行功能創新，促使形成良好的工業應用。

引用

[1] 魯颯.車間四輪獨立轉向AGV驅動單元運動穩定性研究[D].武漢:華中科技大學,2019.

[2] 徐舒洋.基于激光雷達的自主導航AGV研究[D].濟南:濟南大學,2021.

[3] 馮悅鳴,呂勤,李巖.基于AGV的復雜場景視覺SLAM慣導系統設計[J].電子設計工程,2021,29(11):146-150.

[4] 劉媛媛.激光自然導航AGV地圖構建與定位研究[D].北京:機械科學研究總院,2020.

[5] 郭子碩.基于激光SLAM的AGV定位導航系統設計實現[D].杭州:浙江大學,2021.

[6] 鄧國山,諶俊杰,周城.Mecanum輪全向AGV的運動性能分析[J].精密制造與自動化,2022(3):5-9+38.

[7] 李敬新.AGV小車在智能制造標準化中的應用[J].品牌與標準化,2022(4):13-14+17.

[8] 徐海天.基于激光SLAM的AGV導航及路徑跟蹤控制研究[D].長春:長春工業大學,2022.

[9] 楊騏豪.面向AGV的路徑規劃與自主避障方法研究[D].長春:長春工業大學,2022.

[10] 徐舒洋.基于激光雷達的自主導航AGV研究[D].濟南:濟南大學,2021.