基于磁传感器的自动导引车导航方案

2020-09-29孙鹏飞

机械制造 2020年9期

关键词：磁条驱动轮驱动器

□ 孙鹏飞

沈阳新松机器人自动化股份有限公司沈阳 110168

1 自动导引车导航技术

自动导引车作为一种智能移动机器人,近年来不断得到发展并应用。自动导引车的典型应用环境为无人化或少人化,要实现无人化或少人化,最基本的要求是实现自动导引车的自动导航技术[1]。

常见的自动导引车导航技术有磁条导航、激光导航、惯性导航等,此外还有电磁导航、色带导航、轮廓导航等。

2 磁传感器概述

磁导航技术通过检测路径上的磁场信号来获取自动导引车自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差,从而实现自动导引车的控制及导航。磁条铺设好后,磁导航具有使用寿命长、维护费用低、增设及变更路径容易等优点。

磁传感器是主要的导航部件,磁传感器中设有若干磁阻传感器。当自动导引车沿预铺设磁条的路径行驶时,对应磁场强度高处的磁阻传感器输出低电平,对应磁场强度低处的磁阻传感器输出高电平,由此可以判断磁条相对于磁传感器的偏离位置。若正对磁条的磁传感器中心处磁阻传感器输出低电平,则默认自动导引车相对运行路线没有偏移,自动导引车保持原行驶轨迹。若系统判断自动导引车相对运行路线有偏差,则磁传感器将高电平信号输出至控制器,自动导引车控制系统根据控制器采集到的信号发出调整指令,通过控制自动导引车各轮组电机的伺服驱动器进行纠偏,最终实现自动导引车沿地面预设的磁条路径行进。磁传感器探测原理如图1所示。

▲图1 磁传感器探测原理

3 运动控制分析

基于磁传感器的自动导引车导航控制实质是将磁传感器的反馈偏差输入量转换为电机转动量,从而不断纠正偏差。自动导引车导航纠偏如图2所示。当自动导引车行进时,磁传感器检测自动导引车相对于磁条的偏移量,并将偏移量上传至控制器,控制器控制伺服电机对自动导引车进行纠偏。

笔者以典型双轮差速自动导引车为例，建立自动导引车运动控制模型。双轮差速自动导引车有两个驱动轮及两个随动轮,两个驱动轮由驱动电机独立驱动行进,两个随动轮负责承载。自动导引车依靠两个驱动轮的行进速度差来实现转向。双轮差速自动导引车可以实现绕两个驱动轮中心连线中点的零转弯半径自旋,因此两个驱动轮中心连线的中点是双轮差速自动导引车的运动中心,控制自动导引车的运动中心轨迹,就相当于控制自动导引车的轨迹。双轮差速自动导引车如图3所示。

▲图3 双轮差速自动导引车

双轮差速自动导引车运动模型如图4所示。假设双轮差速自动导引车左右两个驱动轮的线速度分别为v1、v2,两个驱动轮的中心距为2H,转弯半径为r,有:

(1)

(2)

v=(v1+v2)/2

(3)

(4)

式中：v为运动中心的速度；ω为运动中心的角速度。

▲图4 双轮差速自动导引车运动模型

正确标定自动导引车的初始位置,控制自动导引车左右两个驱动轮的速度,可以使两个驱动轮的中心跟踪任意给定的运动轨迹。在实际控制中,当自动导引车在路径跟踪有偏差时,v1v2分别加减一个纠偏速度,即左右驱动轮转速差Δv来实现纠偏。通过检测速度偏差值,对两个电机分别进行速度闭环控制,便可以实现对自动导引车行进路径的控制。左右驱动轮转速差不是系统的直接输入量,系统的直接输入量是主控制器输出的控制电压,因此若能建立以控制电压为输入,将自动导引车运动学公式与反映驱动系统动态特性的函数相结合的状态方程,便可以建立自动导引车的运动控制数学模型,从而实现对自动导引车行进轨迹的控制。然而,自动导引车驱动系统环节多,受电机调速机构中数模转换、伺服控制器、减速机等各传递模块的影响,各部件的参数难以确定,因此建立准确的自动导引车运动控制数学模型，进而实现对自动导引车的行进控制，不适合在工程实践中推广[2]。

算法简单、稳定性好、不需要建立被控对象精确数学模型的模糊比例积分微分控制在自动导引车工程实践中得到很好的应用。比例积分微分控制器基于给定值和实际输出值构成的控制偏差,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对对象进行控制，并对整个控制系统进行偏差调节,从而使被控变量的实际值与要求的预定值一致。比例积分微分控制数学模型可表示为:

(5)

式中：u(t)为控制器输出,即控制电机转动的电压值；Kp为控制器比例因数；e(t)为控制器输入,即给定值和被控对象输出值的差；Ti为控制器积分时间；Td为控制器微分时间；Ki为控制器积分因数；Kd为控制器微分因数。

在比例控制中,控制器的输出与输入误差信号成比例关系,比例因数可以加快系统的响应速度,一般用于减小测量轨迹的误差。在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系,积分因数可以消除静态误差,用于减小或消除轨迹误差。在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分,即误差的变化率成正比关系,微分因数可以改善系统的动态特性,减小最大超调。在实际调试中,各因数可以根据人工经验试凑法确定[3]。

4 导航方案

基于磁传感器的自动导引车导航控制流程如图5所示。

▲图5 自动导引车导航控制流程

自动导引车导航方案中的车体控制器是导航控制系统中的核心控制器,采用VCU300车体控制器,有多种外部设备接口,应用性强。自动导引车导航方案中的运动控制器同样是导航控制系统中的核心控制器,采用基于控制器局域网总线通信方式的MCU50分布式运动控制器,理论上可以挂载128个控制器局域网节点设备,通过对伺服驱动器的调节,实现对自动导引车车体行进的精确控制。将MCU50分布式运动控制器的输出控制信号作为伺服驱动器的设定,由伺服驱动器驱动电机,使电机按照理想形式工作。运动控制器依靠编码器信号的反馈输入,完成对伺服驱动器的精确控制。伺服驱动器内部集成一套比例积分微分控制算法,用于快速、平稳地进行速度控制[4-10]。

为精确控制自动导引车的行进轨迹,自动导引车的驱动轮电机控制通常采用双闭环方案。双环即速度环和位置环,通过伺服驱动器给定信号与连接在电机轴上的测速机的反馈信号进行调速,完成速度环闭环，通常速度环为内环。运动控制器给出指令要求自动导引车行进一定距离,电机轴上的编码器将反馈信号返回至运动控制器,完成位置环闭环,通常位置环为外环。双闭环结构框图如图6所示。