本文關(guān)鍵詞：自動(dòng)導(dǎo)向車控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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摘 要

題 目：AGV驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)及其導(dǎo)航控制研究

專 業(yè)：載運(yùn)工具運(yùn)用工程

指導(dǎo)教師：儲(chǔ)江偉 教授

自動(dòng)導(dǎo)向車輛（Automated Guided Vehicle－AGV）是一種無(wú)人操縱的自動(dòng)化運(yùn)輸設(shè)備，它能承載一定的重量在出發(fā)地和目的地之間自主駕駛，自動(dòng)運(yùn)行。

AGV是自動(dòng)化物流運(yùn)輸系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)提升我國(guó)制造企業(yè)的生產(chǎn)模式層次、提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力都具有很重要的意義，同時(shí)自動(dòng)引導(dǎo)車的應(yīng)用的場(chǎng)所越來(lái)越廣，包括制造業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)、圖書館、港口碼頭和機(jī)場(chǎng)、煙草、醫(yī)藥、危險(xiǎn)特種作業(yè)、食品、化工等行業(yè)，隨著自動(dòng)引導(dǎo)車應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)自動(dòng)引導(dǎo)車也提出了各種不同的要求。特別的低成本、小型化的自動(dòng)引導(dǎo)車日益受到人們的重視。

自動(dòng)引導(dǎo)車的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳統(tǒng)通常有驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和全方位驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有前輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)和雙輪差速等三種形式。本文從降低成本和小型化的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的動(dòng)力源是同一個(gè)電機(jī)，配合兩側(cè)的電磁離合器的通斷實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。

現(xiàn)有自動(dòng)引導(dǎo)車多采用埋線、圖像、激光等導(dǎo)航方法，并且各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用一種電磁感應(yīng)引導(dǎo)方法，路徑為金屬條帶，由陣列式的電感式接近開(kāi)關(guān)組為路徑感知傳感器，該引導(dǎo)方式特點(diǎn)為成本低，路徑鋪設(shè)簡(jiǎn)單，變更路線方便，應(yīng)用場(chǎng)所有所限制，導(dǎo)航精度相對(duì)較低。

針對(duì)基于該種驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)、采用電磁引導(dǎo)方式的原理樣車，本文設(shè)計(jì)了PID轉(zhuǎn)向?qū)Ш娇刂破鳎谄浠A(chǔ)上又設(shè)計(jì)了智能PID控制器，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明車輛導(dǎo)航控制準(zhǔn)確可靠。對(duì)模型樣車進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并建模，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法得到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和此傳遞函數(shù)得到轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，設(shè)計(jì)了最優(yōu)控制器，仿真試驗(yàn)表明最有控制器導(dǎo)航效果良好，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

下面具體介紹一下本文完成的研究?jī)?nèi)容： 1、設(shè)計(jì)并制造了基于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)的原理樣車；2、詳細(xì)介紹該驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向原理，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度簡(jiǎn)要的分析了兩種轉(zhuǎn)向控制策略；3、提出一種電磁感應(yīng)式的引導(dǎo)方式，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)器參數(shù)的選擇，介紹了直線導(dǎo)航識(shí)別 I

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文

算法；4、對(duì)原理樣車進(jìn)行PID控制器的設(shè)計(jì)及其智能PID控制器設(shè)計(jì)；5、對(duì)原理樣車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，用實(shí)驗(yàn)法得到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的傳遞函數(shù)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)；6、編制具有良好人機(jī)界面的樣車控制軟件，并進(jìn)行了實(shí)際的導(dǎo)航控制實(shí)驗(yàn)。

1、設(shè)計(jì)并制造采用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)的原理樣車，為展開(kāi)理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證打下了基礎(chǔ)。

本文嘗試采用一種新型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引導(dǎo)車AGV的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)并制造了采用該機(jī)構(gòu)的原理樣車，主要包括驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，樣車整體機(jī)構(gòu)、電器部分，傳感器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等主要子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和主要技術(shù)參數(shù)的選擇。

2、詳細(xì)論述了這種鉸接式的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向原理，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)基于該種結(jié)構(gòu)的原理樣車，提出了兩種轉(zhuǎn)向控制策略，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面分析了這兩種控制策略的特點(diǎn)。

3、論證了該原理樣車的導(dǎo)航方法，采用電磁感應(yīng)式的引導(dǎo)方法為該樣車提供自動(dòng)導(dǎo)航信息，其感知傳感器為陣列式排列的接近開(kāi)關(guān)組，分析了此方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其參數(shù)的選擇，詳細(xì)介紹了直線導(dǎo)航識(shí)別算法及流程。

4、設(shè)計(jì)原理樣車的轉(zhuǎn)向PID控制器和轉(zhuǎn)向智能PID控制器，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。PID控制器的輸入包括兩部分信息，鉸接點(diǎn)的側(cè)偏信息和樣車前部的方偏信息，因?yàn)镻ID的控制器為單輸入，需要進(jìn)行融合變成一個(gè)輸入量，試驗(yàn)和理論分析都表明偏差系數(shù)與車輛的運(yùn)行速度有關(guān)，經(jīng)多次調(diào)試選擇了最優(yōu)的一組PID參數(shù)和最優(yōu)權(quán)值函數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證控制器能夠?qū)崿F(xiàn)基本導(dǎo)航。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)不同偏差和偏差的變化趨勢(shì)時(shí)，需要采用的不同PID參數(shù)的控制器才能達(dá)到較好的控制效果，故又設(shè)計(jì)了基于規(guī)則智能PID控制器，依據(jù)有關(guān)的調(diào)整規(guī)則，根據(jù)不同的偏差信息調(diào)整PID 控制器的三個(gè)參數(shù)及輸出，試驗(yàn)驗(yàn)證表明具有更好的控制效果。

5、建立原理樣車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以此設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向最優(yōu)控制器，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證�；谶@種特殊的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向形式，建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)試驗(yàn)的辦法得到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，這樣結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模型就得到了系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制的狀態(tài)方程，對(duì)被控系統(tǒng)的可控性、可觀行和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明系統(tǒng)開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定，但系統(tǒng)可控可觀的，可以通過(guò)極點(diǎn)配置的方法使得系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。選擇線性二次型作為最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和零極點(diǎn)圖的分析，合理地確定了代表控制過(guò)程和控制代價(jià)的加權(quán)矩陣Q陣和R陣的大小， II

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