辛強(qiáng) 趙琛 李思穎 張星晨 趙澤陽(yáng)

1.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司山東分公司；2.國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司

AGV 作為自動(dòng)化行業(yè)的智能設(shè)備，是連接生產(chǎn)和物流的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)工作效率最大化的目的。本文以基于麥克納姆輪為運(yùn)動(dòng)單元的AGV 小車為研究對(duì)象，針對(duì)常見(jiàn)的AGV 工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，探索激光導(dǎo)航定位下的AGV 控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的一般性問(wèn)題，并提出以模糊PID 為運(yùn)動(dòng)控制策略對(duì)AGV 小車動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的影響。

近年來(lái)，自動(dòng)化水平要求的不斷提高促使了生產(chǎn)效率的大幅提高，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用也逐步形成了自動(dòng)化機(jī)器替代人工的趨勢(shì)[1,2]。AGV（Automated Guided Vehicle），也叫作自動(dòng)導(dǎo)航車，依靠設(shè)備內(nèi)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸、自主移動(dòng)的功能[3,4]。為了讓智能車按照預(yù)設(shè)軌跡到達(dá)目標(biāo)位置，定位和導(dǎo)航就成為了AGV 小車研究的最基本內(nèi)容，并且可靠的定位和地圖構(gòu)建技術(shù)也成為近年來(lái)無(wú)人駕駛領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5]。

1 AGV 小車方案設(shè)計(jì)

1.1 AGV 小車整體需求分析

本文針對(duì)AGV 小車的一般性問(wèn)題，設(shè)計(jì)主要針對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)運(yùn)載底座及運(yùn)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(yīng)多種地形，并且在狹小復(fù)雜的空間中可以自由運(yùn)動(dòng)和啟停；

（2）能夠精確定位，重復(fù)定位精度高；

（3）可自主避障，運(yùn)動(dòng)路徑最優(yōu)；

（4）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

小車的整體設(shè)計(jì)方案根據(jù)整體需求進(jìn)行確定，主要包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、專項(xiàng)/避障系統(tǒng)和車身等，如圖1 所示。AGV 小車的整體由上下兩個(gè)部分組成，上部留有安裝孔和卡槽，作為負(fù)重面承擔(dān)物體的運(yùn)輸、機(jī)器人裝置的位置控制等；下部為車體，包括4個(gè)麥克納姆（Mecanum）輪系、4 個(gè)無(wú)刷電機(jī)、4 個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器、DSP 控制主板、各類傳感器和提供動(dòng)力的蓄電池。

圖1 AGV 系統(tǒng)組成Fig.1 AGV system composition

AGV 小車的驅(qū)動(dòng)通過(guò)4 組Mecanum 輪系+驅(qū)動(dòng)控制模塊的組合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、后退和原地正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等操作[6]?？刂葡到y(tǒng)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(guò)產(chǎn)生四路脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)整驅(qū)動(dòng)控制模塊信號(hào)來(lái)控制無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，相應(yīng)的光電編碼器讀取的無(wú)刷電機(jī)數(shù)值也會(huì)反饋給DSP 微處理器，精確控制Mecanum 輪系的速度和運(yùn)動(dòng)方向。WiFi 模塊的加入可建立局域網(wǎng)，讓上位機(jī)與本地AGV 裝飾形成一個(gè)ROS 分布式系統(tǒng)，接收DSP 單片機(jī)上傳的包括位置傳感器、激光導(dǎo)航儀、IMU 單元等模塊讀取的數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)調(diào)整AGV 小車位置。在確定AGV 小車方案設(shè)計(jì)前需要對(duì)運(yùn)行環(huán)境、功能應(yīng)用、各零部件具體尺寸等進(jìn)行全面了解，保證滿足實(shí)際應(yīng)用的同時(shí)還能縮小AGV 小車整體結(jié)構(gòu)，使車體的運(yùn)動(dòng)輕巧靈便。AGV 小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 AGV 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 AGV system structure diagram

1.3 AGV 定位與路徑跟隨方案

對(duì)AGV 來(lái)說(shuō)，定位導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用是路徑跟隨的基礎(chǔ)，其好壞直接決定了AGV 的精確性和性能穩(wěn)定性，同時(shí)也決定AGV 功能性、應(yīng)用實(shí)用性、自動(dòng)化程度等關(guān)鍵因素[7]。本文所設(shè)計(jì)的AGV 采用4 組麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)編碼器獲取每個(gè)車輪的里程增量，進(jìn)而根據(jù)麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行航跡推算AGV 運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置（AGV 的自身位置參考所建立環(huán)境的電子地圖），通過(guò)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)路徑跟隨。與此同時(shí)，在車體的前后均安裝有激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)自主行駛過(guò)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(yùn)行前，先建立電子地圖和設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，上位機(jī)程序通過(guò)讀取目標(biāo)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，再將四個(gè)編碼器讀取的麥克納姆輪里程數(shù)傳輸至上位機(jī)，發(fā)出AGV從當(dāng)前位置移動(dòng)至目標(biāo)位置的命令，在避障自主運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)麥克納姆輪正運(yùn)動(dòng)學(xué)公式實(shí)時(shí)求解全向移動(dòng)AGV 的位置和方向，判斷是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)位。如果AGV 當(dāng)前位置和目標(biāo)點(diǎn)位仍存在位置和角度的差值，將繼續(xù)驅(qū)動(dòng)控制AGV 向目標(biāo)點(diǎn)位運(yùn)行，直至到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后停止并等待后續(xù)上位機(jī)操作指令。

2 AGV 控制系統(tǒng)研究

2.1 控制系統(tǒng)的選擇

市面上現(xiàn)有的機(jī)器人控制系統(tǒng)一般包括集中式和分布式控制結(jié)構(gòu)兩種方式[8,9]。集中式控制結(jié)構(gòu)采用PCI 搭配與之相兼容的操作系統(tǒng)，主要包括運(yùn)動(dòng)控制主板、伺服運(yùn)動(dòng)孔子模塊、通訊模塊、傳感器模塊、上位機(jī)操作系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的運(yùn)行和命令的執(zhí)行均通過(guò)PCI 總線進(jìn)行運(yùn)算處理和分析。集中式控制結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單緊密、性價(jià)比高、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力偏低，特別是復(fù)雜的工況環(huán)境，一旦控制模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)均會(huì)癱瘓。相對(duì)而言，分布式控制結(jié)構(gòu)在物理層、功能層等都是獨(dú)立分散的，之間采用網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行通訊連接。分布式控制結(jié)構(gòu)主要基于驅(qū)動(dòng)控制分散化和系統(tǒng)管理集中化的方案，以此實(shí)現(xiàn)控制器與驅(qū)動(dòng)器組合協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)AGV 車輪的運(yùn)動(dòng)控制，并通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行AGV 的綜合管理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和全向AGV 的運(yùn)動(dòng)控制方式，控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，以達(dá)到實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、安全、高效、高精度和高靈活度的運(yùn)動(dòng)控制。

全向AGV 小車的核心部分是控制系統(tǒng)，主要由通訊系統(tǒng)、上位機(jī)控制PC 和電氣伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)三部分組成。通訊系統(tǒng)完成本地和現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程通訊；上位機(jī)控制PC 負(fù)責(zé)人機(jī)交互實(shí)施，包括網(wǎng)絡(luò)配置、系統(tǒng)配置、參數(shù)設(shè)置、指令輸入、狀態(tài)顯示等；電氣伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由無(wú)刷直流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊組成，執(zhí)行控制器發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令，并通過(guò)編碼器反饋無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)給控制器?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control system structure diagram

2.2 AGV 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全向AGV 小車的定位是通過(guò)位于車體上的激光導(dǎo)航儀和避障傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在建立環(huán)境的電子地圖后，激光導(dǎo)航儀確定全向AGV 小車在全局坐標(biāo)系下的當(dāng)前位置，通過(guò)反饋的位置參數(shù)與期望位姿的角度、位置偏差來(lái)確定AGV 小車的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整AGV 運(yùn)動(dòng)，知道完成自動(dòng)導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位，其伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 激光導(dǎo)航伺服閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Laser navigation servo closed-loop control structure

全向AGV 小車單軸伺服驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖6 所示。該結(jié)構(gòu)包含了電流環(huán)和速度環(huán)，其中，電流環(huán)由集成于伺服驅(qū)動(dòng)器中的霍爾元件作為反饋部件，通過(guò)調(diào)節(jié)直流無(wú)刷電機(jī)的電流來(lái)提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能。速度環(huán)由電機(jī)側(cè)的光電編碼器反饋直流無(wú)刷電機(jī)的實(shí)時(shí)速度信號(hào)，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)這兩個(gè)閉環(huán)的控制，可以分別實(shí)現(xiàn)AGV 小車的扭矩控制和速度控制，從而獲得期望的運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)位置。

圖6 單軸伺服驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)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(guān)鍵環(huán)節(jié)就是路徑規(guī)劃和導(dǎo)引，這直接關(guān)系到全向AGV 小車的運(yùn)行穩(wěn)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(yīng)時(shí)間，AGV 小車的導(dǎo)引路線也會(huì)存在一定偏差，為了使AGV行徑路線更加精準(zhǔn)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(guī)PID 控制的動(dòng)態(tài)控制性能更好，并介紹了數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)要求，其導(dǎo)引算法控制結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Fuzzy PID control system structure

從圖7 中可以看出，AGV 小車控制系統(tǒng)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(dǎo)航軌跡的角度，位置偏差e 為AGV 小車中心點(diǎn)與導(dǎo)航軌跡曲線的偏差。在借鑒專家經(jīng)驗(yàn)確定PID 三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd 分別為有關(guān)角度偏差a 和位置偏差e 的模糊規(guī)則后，然后以此作為輸入量，實(shí)時(shí)修正Kp、Ki、Kd 的參數(shù)值[10]。經(jīng)過(guò)模糊PID 運(yùn)算后，可求解出AGV 小車角度調(diào)整量和平移調(diào)整量，結(jié)合AGV 當(dāng)前位姿信息（x,y）重新分配各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，最終穩(wěn)定精確地控AGV 按期望路徑運(yùn)行的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著智能化行業(yè)的不斷發(fā)展，基于麥克納姆輪的AGV 小車作為平臺(tái)的智能移動(dòng)機(jī)器人具有非常重要的研究?jī)r(jià)值和理論意義。對(duì)于AGV 而言，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)、智能化的應(yīng)用、靈活性的操作需要更為先進(jìn)的系統(tǒng)控制方案和設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行功能創(chuàng)新，促使形成良好的工業(yè)應(yīng)用。

引用

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