基于磁线导引的双转向架驱动AGV应用研究

孟 琦，金亚萍，耿牛牛，史伟伟，许鹏鹏

MENG Qi, JIN Ya-ping, GENG Niu-niu, SHI Wei-wei, XU Peng-peng

（机械科学研究总院，北京 100044）

0 引言

AGV是Automatic Guided Vehicles的简称，属于轮式移动机器人（WMR——Wheeled Mobile Robot）的范畴。根据美国物流协会定义，AGV是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车[1,2]。近年来，AGV产业在中国得到了迅速的发展与推广应用，尤其是柔性加工装配生产线中，如汽车，农机，工程车辆，纺织机械等等。

国内对于磁导引AGV的研究有很多，文献[3]介绍了单舵轮驱动磁导引AGV的一种导航算法，文献[4]对差速驱动磁导引AGV进行了研究论述，文献[5]对AGV在汽车保险杆生产线上的应用进行了研究，其驱动方式为前轮转向后轮驱动。本文为达到平移、车身高度低、载重大等需求，选取双转向架驱动AGV进行研究，同时实现AGV全方位行走。

1 数学模型与运动学方程

研究的双转向架驱动AGV，其机械结构如图1所示，每一个转向架是一个单独的差速机构，由两个驱动轮配合控制转向架前进速度与角度。主要安装驱动轮计数器，转向编码器，磁传感器与RFID读写器等传感器。

图1 双转向架驱动AGV机械结构示意图

参考图1，得出双转向架驱动AGV的数学模型。输出变量为四台电机的速度，v11、v12、v21、v22。输入变量为系统需求AGV速度为v，和编码器测得转向角θ1、θ2。数学模型的作用就是由输入变量求出输出变量。规定速度v 向前为正,值为沿速度方向在前端转向架的速度，转向角逆时针为正。其中：v1，v2为转向架的速度，其方向与转向架方向垂直。是计算的中间变量。d，L为机械尺寸，L为两转向架间距，d为转向架中心到驱动轮的距离。

车体坐标系，原点定义在车身前桥中心，纵坐标为车体中轴线，如图2所示其中：

O1(0,0)，O2(0,-L)。R为前后转向架轴线的交点，L1=O1R，L2=O2R。

通过计算，得出数学模型：

当-90°＜θ1、θ2＜90°时：

图2 车体坐标系

当xR＜0时：

当xR＞0时

当-270°＜θ1、θ2＜- 90°或者90°＜θ1、θ2＜270°时

当xR＜0时

当xR＞0时

当两个转向架角度都在90°左右时，cosθ2和cosθ1都趋于0，此时用公式计算两转向架速度会造成很大的误差。所以当AGV运行在平移模式和差速模式时，认为v1=v2，即cosθ2/cos θ1=1。

研究的双转向架驱动AGV是选用磁线导引，所以动力学模型为一维模型，非常简单。

其中：S为行驶距离，v为AGV速度，t为时间。

文献[6]介绍了基于激光导引的四轮差速驱动AGV，和本文所述的双转向架驱动方式相同，但由于导航方式不同所以数学模型和运动学模型有一些区别。

2 运动控制与纠偏算法

2.1 运动控制结构

设计的双转向架驱动AGV控制结构如图3所示。

图3 双转向架驱动AGV控制结构图

运动控制模块接收车载控制系统的速度信号与快速停车信号，以及外部的急停信号作为输入。计数器提供速度反馈，磁传感器与编码器做偏差反馈。输出为四路电机控制信号传给伺服驱动器，伺服驱动器控制永磁电机，永磁电机带动转向架运转。

2.2 纠偏算法

采用的纠偏算法为传统的PID算法。近年来将模糊控制应用于AGV上的研究很多，但对于磁线导航，AGV行进路线简单固定，又为连续导航，并且本文并没有设计自动避障功能。所以模糊控制较于PID算法的高实时性在基于磁线导引的应用环境中体现不明显，PID算法同样能得到较好的鲁棒性，并且可靠性高更适合此环境。文献[7]中对此问题也有论述。

由于AGV小车本身的惯性起到了PID控制中积分I控制的作用，所以本文采取PD控制，D取值不当容易造成系统震荡，所以根据实际情况有选择使用。

PID控制器的控制表达式为：

式中，u(t)为控制量输出，e(t)为偏差输入。

为了实现控制AGV全向行走，设计了三种模式：寻线模式、平移模式、差速模式。寻线模式用于常规行进与转弯，平移模式用于平移运动与蟹形前进，差速模式用于停靠站台。三种模式实际应用在第三节——运行实验中有所展示。三种模式的控制流程相同，都采取PID控制器，但输入e(t)不同。

所研究的AGV系统除了要纠正沿磁条行走时产生的姿态偏差e(t)，还要对AGV小车当前位置信息进行修正。位置计算由永磁电机计数器反馈值进行速度换算，积分后得到位置信息。位置误差主要有计数器的累积误差产生，本文采用RFID传感器来修正位置误差。在AGV行驶路径上，固定位置放置RFID码片，当AGV经过时，RFID读写器读取码片信息，修正当前位置。编写控制程序，当AGV知道自己位置后，通过比对预先存入控制系统中的地图信息，根据运行需求切换动作模式。

通过研究，采取基于PID控制的纠偏算法，结合RFID的位置纠偏与设计的运动流程，保证AGV小车精确可靠的沿磁条前进，并设计了三种运行模式来实现自动全方位行走。

3 运行实验

设计的运行实验示意图如图4所示。图中线段表示运行线路，箭头及数字表示线段方向及端点号，圆点与数字代表RFID码片位置，空心圆为站台位置，表示AGV小车尖头代表方向。在本文所设计的实验中：AGV小车自动从站台2运行到站台1，再从站台1运行到站台2，如此反复运行。在7→1、1→2、2→3为寻线模式，2→8、8→2为差速模式，3→4平移模式，4→5、5→6、6→7同样为寻线模式，单在5和6的位置完成原地旋转90°。

实验内容：运行20圈，在站台1与站台2分别停靠20次，测量左右姿态偏差与前后位置误差。

图4 运行实验示意图

通过实验，在停位点，其左右姿态偏差与前后位置偏差均在±10mm以内，完全满足实际工业需求。在实验中，AGV能自如的切换三种运行模式，在设计的实验路线上，完成前进、圆弧转弯、平移进站/出站、蟹型运动、原地转向，基本完成了全方位行走的测试。并在出弯入弯与切换姿态等易造成较大误差的位置，运行并无明显晃动，说明模型与控制算法可行。

4 结论

参考AGV技术在实际应用情况以及对未来发展的分析，设计选取了新型的双转向架驱动AGV应用进行研究，来解决工业实际中出现的一些需求。对于新应用环境与新的AGV驱动方式，通过合理的设计，采取传统的PID控制算法依然可以达到高精度、高鲁棒性。对于磁线导引的双转向架驱动AGV车型，采用研究得出的控制纠偏方式，可以实现全方位行走，应用于实际。

[1]Safety Manager.中文参考手册[K].霍尼韦尔公司,2009.

[2]周驰东,楼佩煌,王辉,张烔.移载式磁导航AGV关键技术研究[J].工业控制计算机,2012.

[3]朱从民,黄玉美,上官望义,马斌良.AGV多传感器导航系统研究[J].仪器科学学报,2008.

[4]冯峰.AGV自动导引小车控制系统研究[D].江苏:江苏科技大学,2008.

[5]宋学贤.AGV技术在汽车保险杠生产线的应用研究[D].武汉:武汉工程大学,2013.

[6]倪振.激光导引四轮差动全方位移动AGV关键技术研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[7]卢杉.基于单片机的差速驱动导引小车运动控制[D].西安:西安理工大学,2010.