【文章內(nèi)容簡介】 V 系統(tǒng)組成示意圖(1)主控單元，即小車的車載計算機。本車采用ARM7 來實現(xiàn)。主要的任務是對車體進行總體控制，是小車的“神經(jīng)中樞”，主要完成的功能為：接受主控計算機下達的命令、任務；向主控計算機報告小車自身狀態(tài)(包括小車目前所處的位置，運行的速度、方向、故障狀態(tài)等)；根據(jù)所接受的任務和運行路線自動運行到目的裝卸站，在此過程中，自動完成運行路線的選擇，運行速度的選擇。(2)導引單元，也就是車體的引導方式。導引單元的功能在于保證小車沿正確路徑行走，并保持一定精度要求。近幾十年來，隨著研究的深入，許多新的導引定位方式被逐漸采用，使得AGV 的性能得到長足發(fā)展，主要表現(xiàn)在路徑設(shè)定更加靈活機動、變更更加簡單易行，同時賦予機器人感知和回避障礙性能以及多輛小車協(xié)調(diào)工作等許多方面。AGV 的導引方式按有無導引路線可分為三種，一是固定路徑方式，包括電磁制導方式、光學控制帶制導方式、激光制導方式和超聲波制導方式；二是半固定路徑方式，包括標記跟蹤方式和磁力制導方式；三是無路徑方式，包括地面幫助制導方式、用地圖上的路線指令制導方式和在地圖上搜索最短路徑制導方式。本文采用有導引線路的電磁導引方式。(3)驅(qū)動單元，根據(jù)主控信號完成小車的加速，減速，制動和轉(zhuǎn)彎。主要由車輪、制動器、電機及速度控制器等部分組成。AGV 驅(qū)動命令由計算機或人工控制器發(fā)出，它激勵主動力接觸器線圈將電源接通驅(qū)動電機速度控制器。驅(qū)動的速度與方向是兩個獨立的變量，分別由計算機控制。為了安全，制動器的制動力由彈簧力產(chǎn)生，這樣在緊急斷電故障時仍能提供制動能力。采用電氣解脫松開是這類制動器通常的做法。速度調(diào)節(jié)可采用不同的方法，如用脈寬調(diào)速或變頻調(diào)速等。AGV 在直線行走、拐彎和接近停位點時要求不同的車速， m/s，拐彎時為0. 2m/s0. 6m/s，接近停位點時為0. 1 m/s 。(4)通訊單元，實現(xiàn)控制臺與AGV 的信息交換。一般采用無線通訊方式。運行中的AGV 通過無線通訊系統(tǒng)與AGV 交換信息，實現(xiàn)AGV 之間的避撞調(diào)度，工作狀態(tài)檢測和任務的調(diào)度。(5)安全與輔助單元，是為保護AGV 自身及現(xiàn)場人員，運行環(huán)境設(shè)施的安全而采用的多級硬、軟件安全措施。為了避免AGV 在系統(tǒng)出故障或有人員經(jīng)過AGV 工作路線時出現(xiàn)碰撞，一般都帶有障礙物探測及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。(6)供電單元可隨時檢測AGV 小車自身的電池容量，當電池容量下降到一定值時，就會向系統(tǒng)發(fā)出充電需求的信號，由系統(tǒng)向該臺AGV 發(fā)出充電命令(此命令有絕對的優(yōu)先權(quán))。當AGV 到達充電站后，系統(tǒng)通過I/O 接口控制地面充電設(shè)備，對其進行充電。充滿后，充電需求信號消失，AGV 小車可繼續(xù)接受其他任務__ AGV 小車運動學模型 AGV 運動狀態(tài)本文中的車體結(jié)構(gòu)()我們可以簡化成兩輪驅(qū)動車體模型，AGV 的運動狀 所示。圖中虛線表示的車體為期望位姿，實線表示的車體是在和初始時刻相差為Δt時的位姿。由圖中可以看出，車體產(chǎn)生一個位置偏差Δλ 和一個角度偏差Δθ 。 ，則有： AGV 運動狀態(tài)及偏差示意圖式中：R 是兩驅(qū)動輪間的距離； r ν 是右驅(qū)動輪的線速度； lν 為左驅(qū)動輪的線速度。由式()可以看出，AGV行走的位置偏差Δλ 和方向偏差Δθ 與左右驅(qū)動輪的線速度有關(guān)。改變兩驅(qū)動輪的速度可以實現(xiàn)車體位姿的改變，即利用兩輪的速度差不斷糾偏使車體沿著導引路徑行走。對小車的位姿做如下定義， 所示為AGV 可能的位姿情況，圖中的虛線表示導引路徑。其中1 位姿為期望位姿，即無任何偏差。9 均為需要糾偏的位姿[1]。 所示。兩驅(qū)動輪分別由兩個完全相同的直流伺服電機驅(qū)動，電機通過減速箱減速后輸出到輪子，從而實現(xiàn)整個AGV 車體的驅(qū)動。減速箱的減速比為18:1，由電機的知識可知，調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的電樞電壓可以改變電機的轉(zhuǎn)速，進而改變驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，左右輪的不同轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)車體位姿的變化。因此，我們可以通過調(diào)節(jié)左右電機電樞電壓的方法來達到糾偏的目的。電樞電壓與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：　　　　　　　　　　　式中a U 為電樞電壓，單位V； a I 為電樞電流，單位A； a R 為電樞電流總電阻，單位Ω ；φ 為單極磁通，單位WB； E K 為電機結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。假設(shè)負載不變，由上式，電機的驅(qū)動電壓與轉(zhuǎn)速成近似線性變化，可以簡化為：　　　　　　　　　　　　　式中：i = r / l分別代表左電機、右電機；U i 為驅(qū)動電壓； ni 為電機轉(zhuǎn)速； K i ，為標定常數(shù)。因為兩電機完全相同，所以輪子的轉(zhuǎn)速n*：　　　　　　　　　　　η 為減速比，η ＝18:1。則驅(qū)動輪的線速度為：　　　　　　　　　式中， r 為驅(qū)動輪的半徑。AGV 在行間走大部分是屬于直線行走，在沒有外部擾動作用的情況下，即在沒有位姿偏差的情況下，左右電機給定相等信號Uc 。當外部擾動使車體偏離預定的路徑時，在給定信號上加減一個糾偏控制量Δu ，即：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中： ur 為右電機電壓； ul 為左電機的電壓。由式()()聯(lián)立可得：由式()可以看出位置偏差Δλ 和角度偏差Δθ 與糾偏控制量Δu 的關(guān)系，在已知位置偏差和角度偏差后，可以求得糾偏控制量。 AGV 運動方式AGV 根據(jù)不同的路徑或不同目標點要求，會有不同的運動情況，所對應的坐標變化也會不同的。設(shè)AGV運動時X軸方向上的變化量為Δx，Y軸方向上的變化量為Δy，d 為AGV 運動軌跡半徑。具體運動主要分為下面幾種情況：1. 當 AGV 做圓周運動時：　　　　　　　　　　　　　2. 當 AGV 做直線運動時：　　　　　　　　　　　　其中v c 為兩驅(qū)動輪軸中心點的速度，且　　　　　　　　　　　　　　　　　　3. 當 AGV 做自旋運動時：同時，如果用vx ， v y 表示AGV 在X 和Y 方向的速度分量則有：　　　　　　　　　　　　　由vx ， v y之間的三種關(guān)系決定了差速驅(qū)動AGV 的三種運動方式：①當vr = vl 時， c r l v = v = v ，d = +∞，AGV做直線運動；②當vr≠vl 時，AGV 做圓周運動；③當vr = ? vl時， = 0 c v ，d = 0，AGV做自旋運動。 AGV 小車直流伺服機構(gòu)與運動學模型機器人采用的執(zhí)行器有很多種[24]，常用的有電磁執(zhí)行器，如直流電機、無刷電機、同步電機、步進電機、感應電機以及直接驅(qū)動式轉(zhuǎn)矩電機。還有油壓執(zhí)行器，如油壓缸(直線運動)和油壓馬達；氣壓執(zhí)行器，如氣壓缸和氣壓馬達等?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了壓電執(zhí)行器、超聲波執(zhí)行器、形狀記性合金執(zhí)行器和靜電執(zhí)行器等新型執(zhí)行機構(gòu)。一般機器人用電機的基本性能要求：(1)啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行，具有良好的響應特性；(2)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定；(3)良好的抗干擾能力，對輸出來說，體積小、重量輕；(4)維修容易，不用保養(yǎng)。根據(jù)AGV 的移動性能要求、自身重量、傳動機構(gòu)特點等因素，選擇驅(qū)動電機類型為70SZ51 電磁式直流伺服電機。傳動方式為履帶傳動方式，履帶傳動具有下列特點為：①履帶傳動為履帶與輪的嚙合傳動，可以得到準確的平均傳動比，并可用于較大的中心距間的傳動；②傳動效率較高；③不需張緊力，作用在軸上的載荷較?。虎苋菀讓崿F(xiàn)多軸傳動；⑤瞬時傳動比不等于常數(shù)，傳動平穩(wěn)性較差，有噪聲，在減速裝置中，必然有搖擺、間隙和振動存在。 電機參數(shù)伺服系統(tǒng)帶動被控對象運動，常常很難用簡單的數(shù)學表達式來描述，為便于工程設(shè)計計算，需作合理的簡化。將被控對象運動負載作必要的典型分解，以轉(zhuǎn)動形式為例，常見的典型負載有以下幾種：①干摩擦力矩T | T | sign [N m]Ω 表示負載轉(zhuǎn)動的角速度② 慣性轉(zhuǎn)矩TJ　=　JεJ 為負載轉(zhuǎn)動慣量，ε 為負載角加速度③ 粘性摩擦力矩Tb = bΩb 為粘性摩擦系數(shù)④ 重力力矩TG = GlG 表示負載重量，l 為負載重心垂線到轉(zhuǎn)動中心的距離⑤ 彈性力矩TK = KθmK 為扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)，θm 為負載轉(zhuǎn)動角度⑥ 風阻力矩T f = fΩ2f 為風阻系數(shù)本課題中電機帶動AGV 小車運動主要有Tc 和TJ 兩種負載特性帶減速裝置的傳動形式稱之為多軸傳動。多數(shù)伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機與被控對象之間有減速傳動裝置，減速比i ，執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)速是負載轉(zhuǎn)速的i 倍，執(zhí)行電機軸的輸出力矩是負載轉(zhuǎn)矩的1/ iη ，η 1是減速裝置的傳動效率。有經(jīng)驗數(shù)據(jù)可供估算效率：每對齒輪付的傳動效率η = ~ ；每對錐齒輪付η = ~ ；齒輪齒條傳動η = ~ ；螺母絲杠傳動η = ~ 本課題中AGV小車采用的是減速比為i = 18 :1的傳動方式。電機參數(shù)如下：轉(zhuǎn)矩：T (N m) nom = ? ；轉(zhuǎn)速：n 3000(r /min) nom = ；功率：P 55(W) nom = ；電樞電壓：U 24(V ) nom = ；激磁電壓：24V；電樞電流：4A；激磁電流(.不大于)： A；允許順逆轉(zhuǎn)速差：200(r/min)；轉(zhuǎn)動慣量不大于：Jr= 10? 5 (kg m2 ) 相關(guān)參數(shù)推算給出電機的輸出參數(shù)有額定轉(zhuǎn)矩 Tnom 、額定轉(zhuǎn)速 nnom 、額定功率 Pnom ，輸入?yún)?shù)有電樞額定電壓 Unom 、額定電流 Inom ，激磁電壓U f 和激磁電流 I f ；電樞轉(zhuǎn)動慣量J r ，其它參數(shù)需用以下關(guān)系式估算[25]。轉(zhuǎn)矩常數(shù) K M = | K E | 。由關(guān)系式估算得：電樞電阻： a R = Ω ，電樞電感： a L =(mH)，電勢常數(shù)： = E K ，轉(zhuǎn)矩常數(shù)：K M = 。，則總的傳動效率約為η = ，電機自身的摩擦力矩：AGV 小車的總重約為G＝400N，隨著運行環(huán)境的不同會有所不同，假設(shè)小車運行在地面平整的地面環(huán)境，則小車行駛中車輪軸承受的摩擦力矩：　　　　　　　　　　　　負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)矩：T / iη= (N m)電機和負載折合到電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)：　　　　　　負載轉(zhuǎn)動慣量： 負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：電機軸上總的轉(zhuǎn)動慣量式中J p 為齒輪傳動裝置及輪子折到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，初步估計為5J r 。 AGV 運動學模型AGV 系統(tǒng)是一個復雜的、多耦合的、非線性系統(tǒng)。建立數(shù)學模型的途徑有很多，如理論分析、物理系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)分析、類比分析等基本方法。單純采用一種方法很難獲得滿意的答案，所以常常綜合考慮使用。對一簡單的對象，可以通過對對象的物理過程分析計算推導出其數(shù)學模型；對于復雜的對象，用解析方法求取數(shù)學模型比較困難，常采用現(xiàn)場的輸入輸出參數(shù)通過系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計的來獲得對象的數(shù)學模型。本課題模型的被控量是小車與預設(shè)軌跡的位置偏差，設(shè)置的采樣頻率為100Hz，系統(tǒng)階次取2。辨識得到的數(shù)學模型，系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為：　　　　　　　轉(zhuǎn)化為連續(xù)域傳遞函數(shù)為：　　　　　考慮AGV 動力學系統(tǒng)主要由直流伺服電機、轉(zhuǎn)動裝置及輪子構(gòu)成，PWM 驅(qū)動主要是延時影響，忽略兩個獨立的電氣驅(qū)動和變速機構(gòu)差異，對AGV 系統(tǒng)進行了物理性分析，經(jīng)實驗驗證得到系統(tǒng)的數(shù)學模型。對于分析AGV 移動過程中的轉(zhuǎn)彎及姿態(tài)控制等，先前的數(shù)學模