趙晨宇，陳息坤

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海　200072)

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差速轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)專用AGV小車的設(shè)計(jì)與模糊控制研究

趙晨宇，陳息坤

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

摘要：農(nóng)業(yè)專用自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)作為農(nóng)業(yè)作業(yè)的通用運(yùn)載平臺(tái)，是針對(duì)具體應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的特定用途機(jī)器人，已成為農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。為此，介紹了一種基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化AGV小車。同時(shí)，針對(duì)差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)型AGV小車路徑跟隨問(wèn)題，首先對(duì)該AGV系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；然后應(yīng)用模糊控制理論，設(shè)計(jì)了以距離偏差和角度偏差為輸入、左右驅(qū)動(dòng)輪速度差為輸出的模糊控制器；最后，在MatLab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的模糊控制器在直線和圓周路徑上跟蹤性能明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器，其有效性和可行性得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)專用AGV；差速轉(zhuǎn)向；多軸運(yùn)動(dòng)控制器；模糊控制；軌跡跟蹤

0引言

自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle, AGV)，是指配備有自動(dòng)導(dǎo)引裝置的移載運(yùn)輸小車，以控制器為核心，以蓄電池為動(dòng)力，能按預(yù)先規(guī)劃好的路徑安全、自主行駛，并完成指定運(yùn)輸動(dòng)作的無(wú)人駕駛自動(dòng)化搬運(yùn)車輛[1]。自動(dòng)導(dǎo)引小車具有環(huán)境感知、實(shí)時(shí)決策和行為控制與執(zhí)行等功能，是當(dāng)代柔性生產(chǎn)線、裝配線和倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一[2]。隨著各個(gè)領(lǐng)域的相互滲透，AGV小車越來(lái)越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中[3]。

農(nóng)業(yè)專用AGV小車行駛環(huán)境復(fù)雜多樣，可裝載不同機(jī)械裝置以完成各種作業(yè)，因而對(duì)控制器的精確性、實(shí)時(shí)性及魯棒性提出很高要求，其運(yùn)動(dòng)控制已成為AGV小車研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，是AGV小車進(jìn)行定位、自主導(dǎo)引和路徑規(guī)劃等的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制常采用PID控制算法，特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高，但須基于精確的數(shù)學(xué)模型才能達(dá)到良好的控制效果。而AGV小車是非線性復(fù)雜系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程受諸多非線性因素的影響，對(duì)其建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難。因此，傳統(tǒng)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(yīng)用模糊控制方法，根據(jù)人的駕駛經(jīng)驗(yàn)得到一系列控制規(guī)則，經(jīng)推理得到控制響應(yīng)表，通過(guò)查表得到規(guī)劃信息，實(shí)現(xiàn)AGV小車局部位姿的有效控制[4]。經(jīng)過(guò)MatLab/Simulink仿真驗(yàn)證了本文提出方法的有效性和準(zhǔn)確性。該方法計(jì)算量小，運(yùn)算速度快，跟蹤性能優(yōu)越，適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)專用AGV系統(tǒng)[5]。

1農(nóng)業(yè)專用AGV小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文控制對(duì)象為應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)蔬菜大棚的專用AGV小車，最大負(fù)重400kg。該農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)建主要分為農(nóng)業(yè)專用AGV小車系統(tǒng)、作物生長(zhǎng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及作物生長(zhǎng)環(huán)境專家系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)利用農(nóng)業(yè)專用AGV小車視覺(jué)系統(tǒng)、專用執(zhí)行機(jī)構(gòu)及多功能末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)植株生長(zhǎng)微環(huán)境信息(葉面溫度、光合作用、水分含量、植株生長(zhǎng)狀態(tài)、電導(dǎo)率和根部溫度等)進(jìn)行巡視和檢測(cè)，獲取植株生長(zhǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，為構(gòu)建植物生長(zhǎng)智能專家系統(tǒng)提供支撐?；谥R(shí)決策的作物生長(zhǎng)專家系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)溫室作物的高產(chǎn)、高品質(zhì)提供決策輔助基礎(chǔ)。

AGV小車系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)輸載體，利用車體上搭載的智能檢測(cè)裝置和輪上安裝的編碼器聯(lián)合進(jìn)行定位，仿人形輕型機(jī)械臂安裝在AGV小車上，承載著智能靈巧終端實(shí)現(xiàn)三維空間位移，完成作物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和植株生長(zhǎng)狀態(tài)檢測(cè)。

該系統(tǒng)采用TCP/IP通訊方式，可借助無(wú)線路由器與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)及指令交互，具有可多點(diǎn)傳輸及傳輸數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化控制。工業(yè)PC機(jī)作為中央控制器，管理、協(xié)調(diào)、調(diào)度整個(gè)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的工作情況。AGV小車系統(tǒng)由固高8軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，其中，2軸用于行走機(jī)構(gòu)，1軸用于升降機(jī)構(gòu)，5軸用于專用檢測(cè)機(jī)構(gòu)。智能AGV系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖2所示。

圖2　智能AGV系統(tǒng)組成架構(gòu)

本文所研究AGV小車為四輪結(jié)構(gòu)，車體前端左右兩側(cè)對(duì)稱安裝兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)控制其轉(zhuǎn)速，確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、能量轉(zhuǎn)換效率高。后端兩輪以萬(wàn)向輪形式形成從動(dòng)輪，依靠驅(qū)動(dòng)輪的差速差實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)動(dòng)方向的控制[5]。

2差速轉(zhuǎn)向AGV小車運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

兩輪差速轉(zhuǎn)向AGV小車運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(圖中僅畫(huà)出兩驅(qū)動(dòng)輪)如圖3所示。

圖3　AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)示意圖

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)有：車體的合成速度VC(即C點(diǎn)的速度)與左、右輪速度V1、V2關(guān)系為

(1)

假設(shè)圖示時(shí)刻，AGV小車通過(guò)兩驅(qū)動(dòng)輪差速進(jìn)行姿態(tài)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(xiàn)為一段圓弧，AGV發(fā)生右轉(zhuǎn)。根據(jù)圓周角定理，左右輪對(duì)應(yīng)的圓心角相等[7]，可得到

(2)

(3)

在Δt時(shí)間內(nèi)，小車的轉(zhuǎn)彎半徑R、轉(zhuǎn)過(guò)的角度Δθ和角速度ω分別可表示為

(4)

(5)

(6)

在XOY坐標(biāo)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(zhuǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方式同法可得。

綜上可得，AGV整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸入為左右輪轉(zhuǎn)速V1、V2，輸出為AGV中心點(diǎn)的位姿矩陣ξt，則小車每一時(shí)刻位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(8)

其中，X0、Y0、θ0為t=0時(shí)小車的初始狀態(tài)值。

由此，通過(guò)AGV小車兩輪不同的速度規(guī)劃，可得到AGV相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

1)當(dāng)V1=V2時(shí)，小車沿著θ0做直線運(yùn)動(dòng)；

3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4　模糊控制系統(tǒng)框圖

3.2　模糊控制器設(shè)計(jì)

如圖5所示，本文將小車實(shí)時(shí)位姿與期望位姿比對(duì)結(jié)果：距離偏差ED和角度偏差Eθ，作為模糊控制器的兩個(gè)輸入變量，左右驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)框圖

考慮到三角形隸屬度函數(shù)的靈敏度較高且數(shù)學(xué)表達(dá)式和運(yùn)算較為簡(jiǎn)單[10]，因此對(duì)ED、Eθ、ΔV均選取均勻分布的三角形隸屬度函數(shù)形式，同時(shí)選取兩兩模糊集合重疊時(shí)的最大隸屬度?=0.5，如圖6所示。

圖6　隸屬度函數(shù)

模糊推理采用Mamdani方法，根據(jù)人駕駛汽車的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出49條模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則表

當(dāng)小車位于軌道左邊，且行駛方向趨近預(yù)定軌道(向右轉(zhuǎn)彎)時(shí)，即ED<0,Eθ<0，如圖7(a)所示。當(dāng)兩者偏差均為負(fù)大時(shí)，模糊控制器輸出應(yīng)為零，因此時(shí)小車正逐步往軌道方向靠近。當(dāng)小車與預(yù)定軌道偏差距離不變，偏差角度為負(fù)中或負(fù)小時(shí)，可使模糊控制器輸出正小或正中，對(duì)小車姿態(tài)作出微調(diào)。當(dāng)小車位于軌道左側(cè)，但行駛方向背離預(yù)定軌道(向左轉(zhuǎn)彎)時(shí)，即ED<0,Eθ>0，如圖7(b)所示。此時(shí)模糊控制器須輸出正大，使小車逐步接近預(yù)定軌道。同理，小車位于預(yù)定軌道右側(cè)時(shí)，亦可根據(jù)上表1對(duì)小車作出調(diào)整。當(dāng)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(qū)動(dòng)輪速度差不變，繼續(xù)延原行駛方向前進(jìn)[11-12]。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b)

4仿真驗(yàn)證

本文利用MatLab/Simulink平臺(tái)搭建了研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，左右驅(qū)動(dòng)輪的軸距D=0.5m，小車的平均合成速度VC=0.6m/s。經(jīng)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(guī)PID控制器和模糊控制器對(duì)建立好的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)小車在直線和圓形兩種路徑下的跟隨效果進(jìn)行了仿真比較。

4.1　直線路徑

圖8　直線路徑下常規(guī)PID控制仿真結(jié)果

圖9　直線路徑下模糊控制仿真結(jié)果

兩種控制下的距離偏差ED和角度偏差Eθ仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10　距離偏差ED仿真結(jié)果

圖11　角度偏差Eθ仿真結(jié)果

4.2　圓形路徑

圖12　圓形路徑下常規(guī)PID控制仿真結(jié)果

圖13　圓形路徑下模糊控制仿真結(jié)果

從直線軌跡和圓形軌跡的仿真結(jié)果可以看出：模糊控制相比常規(guī)PID控制，系統(tǒng)的超調(diào)量更小甚至得到消除，調(diào)節(jié)時(shí)間更短，動(dòng)態(tài)特性更好。采用該控制方法可有效地對(duì)AGV小車進(jìn)行偏差糾正和路徑跟隨。

5結(jié)論

本文研究了一種基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的差速驅(qū)動(dòng)型農(nóng)業(yè)專用AGV小車，在分析該小車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于該系統(tǒng)的模糊控制器，并在MatLab/Simulink中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

仿真結(jié)果表明：與常規(guī)PID控制器相比，采用設(shè)計(jì)的模糊控制器可使AGV系統(tǒng)在直線路徑和圓形路徑下跟蹤性能良好，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性。在常規(guī)的生產(chǎn)中，本研究所用方法具有較大的參考價(jià)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(hào)：S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0123-05

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

基金項(xiàng)目：上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(14DZ1206302)

收稿日期：2015-10-04