AGV小車軌跡跟蹤控制策略的分析

摘 要：信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)自動化發(fā)展，AGV小車在自動化生產(chǎn)線中有十分廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚囊訟GV小車作為研究對象，指出自動導(dǎo)航車在運(yùn)行過程中存在的軌跡偏離問題及傳統(tǒng)控制方法的不足，應(yīng)用模糊控制理論，對AGV小車軌跡跟蹤控制策略進(jìn)行分析，并對PID控制器和模糊控制器控制的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制器具備更為穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制結(jié)果，魯棒性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：AGV小車；軌跡跟蹤；模糊控制器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0251-02

前 言

自動導(dǎo)航車的出現(xiàn)有效提升了工業(yè)運(yùn)輸?shù)男剩梢蕴岣咧圃煨袠I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。就我國目前的技術(shù)水平而言，我國企業(yè)應(yīng)用的AGV小車集成化及自動化水平偏低，在AGV小車軌跡跟蹤控制方面存在不足，AGV小車很容易在運(yùn)行過程中出現(xiàn)偏離軌跡的問題，難以切實(shí)發(fā)揮出AGV小車的作用，不利于工業(yè)自動化發(fā)展。

1 AGV小車分析

AGV小車又被稱作自動導(dǎo)航車，屬于大型運(yùn)輸機(jī)器人，能夠按照固定軌跡運(yùn)行。在制造企業(yè)中，自動導(dǎo)航車的應(yīng)用顯著提升了運(yùn)輸?shù)男?。AGV小車中應(yīng)用了大量的先進(jìn)技術(shù)，如PLC單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及無線通信技術(shù)等，在制造企業(yè)中AGV小車的應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模后，技術(shù)人員更為關(guān)注AGV小車的綜合調(diào)度和最優(yōu)控制中。雖然我國煙草企業(yè)和物流企業(yè)中應(yīng)用了大量的AGV小車，但是AGV小車的控制技術(shù)和發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定的差距，AGV小車的自動運(yùn)輸仍舊存在一定的問題。

目前我國企業(yè)中應(yīng)用的AGV小車具備自動導(dǎo)航、自動避障以及無線通信等功能。為了保障上述功能的順利實(shí)施，AGV小車需要具備完善的軌跡跟蹤控制系統(tǒng)，通過控制器高效準(zhǔn)確的控制，提升AGV小車運(yùn)行的安全性及可靠性。目前AGV小車軌跡跟蹤控制系統(tǒng)中常用的控制器為PID控制器，該控制器只能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)AGV小車的有效控制。PID控制器可以在理想環(huán)境下將AGV小車的軌跡控制在較小的范圍內(nèi)，保障AGV小車的穩(wěn)定運(yùn)行。但是在實(shí)際的工廠環(huán)境下，AGV小車的運(yùn)行會受到多種因素的影響，PID控制器的控制效果得不到保障，很容易使AGV小車長期偏離預(yù)定軌跡，輕則影響物品傳輸效率，重則會對整個自動導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，技術(shù)人員需要研發(fā)一種全新的控制器，保障AGV小車的穩(wěn)定軌跡跟蹤控制，保障企業(yè)物品運(yùn)輸?shù)男?，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 AGV小車軌跡跟蹤控制策略分析

在AGV小車軌跡控制中，為了保障AGV小車按照預(yù)定的軌跡安全行駛，技術(shù)人員需要應(yīng)用高效的控制器，避免AGV小車在運(yùn)行角度或者運(yùn)行位置方面出現(xiàn)偏差。目前常用的控制器為PID控制器，該控制器具備一定的局限性，很可能會使自動導(dǎo)航車在運(yùn)輸產(chǎn)品的過程中，偏離軌道。因此，本文提出一種模糊控制器的設(shè)計(jì)方法，保障AGV小車軌跡跟蹤控制的有效性及準(zhǔn)確性。

2.1 AGV小車軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)

由模糊控制器的組成及模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，得出AGV小車軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)流程，具體步驟如下：

（1）明確AGV小車軌跡跟蹤控制器的模糊變量及模型，從本質(zhì)角度而言，對AGV小車進(jìn)行軌跡跟蹤，就是盡最大限度縮短小車實(shí)際運(yùn)行軌跡和預(yù)定軌跡之間的偏差。因此，本文將AGV小車偏差的距離d和偏差的角度a選為模糊控制器的輸入變量，將AGV小車中可以影響偏差的電壓模擬量選擇模糊控制器的輸出變量。但是在大部分模糊控制器中，通常將誤差及誤差變化率選為輸入變量，所以本文將d和a這兩個偏差進(jìn)行權(quán)重組合，組成綜合誤差E與其變化率F作為輸入變量。根據(jù)制定的模糊變量，本文選擇雙輸入單輸出類型的模糊控制器，其具體模型如圖1所示。

（2）明確AGV小車軌跡跟蹤控制的論域范圍及變量語言，對于模糊控制器而言，論域范圍主要是指輸入變量以及輸出變量的變化范圍，只有確保輸入變量及輸出變量的范圍符合標(biāo)準(zhǔn)，才能夠保障AGV小車軌跡跟蹤控制的準(zhǔn)確性。一般來說，論域范圍的明確可以參照Mamdani提出的方法；技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際控制需求，制定輸入變量及輸出變量的語言，輸入變量及輸出變量的大都由負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、零（ZO）以及正小（PS）正大（PB）等變量語言表示[2]。

（3）在明確基礎(chǔ)變量之后，需要明確AGV小車軌跡的隸屬度函數(shù)，常用的隸屬度函數(shù)包括高斯隸屬函數(shù)、三角形隸屬函數(shù)等，需要根據(jù)具體需求選擇相應(yīng)的函數(shù)，對于煙草公司而言，可以選擇三角隸屬函數(shù)作為模糊控制器的隸屬度函數(shù)；明確函數(shù)之后，需要進(jìn)行解模糊化處理，將模糊結(jié)合中的橫坐標(biāo)和三角隸屬度函數(shù)曲線組成的圖形面積重心作為模糊控制的結(jié)果。

2.2 AGV小車軌跡跟蹤控制器的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 AGV小車軌跡跟蹤控制器的參數(shù)確定

根據(jù)上述流程進(jìn)行AGV小車軌跡跟蹤控制器的仿真，本文選擇煙草企業(yè)用于運(yùn)輸煙草產(chǎn)品的AGV小車作為研究對象，分析其模糊控制器的實(shí)踐應(yīng)用。在仿真的模糊控制器中，將綜合誤差E以及綜合誤差變化率F作為輸入變量。將輸入變量以及輸出變量的論域范圍控制在[6，-6]之間，其中，偏差距離d的論域范圍控制在[-0.2m，0.2m]；偏差角度a的論域范圍控制在[-25°，25°]；輸出變量電壓模擬量的論域范圍控制在[-9V，9V]。根據(jù)煙草公司AGV小車的實(shí)際狀況，模擬控制器應(yīng)用的控制規(guī)則語句為：If E=A And F=BThen U=C。為了明確本文設(shè)計(jì)模擬控制器的控制效果，將仿真的模擬控制器和PID模擬控制器分別應(yīng)用于煙草公司的AGV小車中，對兩者的控制結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.2.2 AGV小車軌跡跟蹤控制器的控制效果分析

首先，PID控制器的模擬結(jié)果，在AGV小車偏離軌道時，PID控制器能夠及時響應(yīng)，逐漸降低AGV小車偏離的角度，但是AGV小車偏離的距離降低的效果不是很顯著。在AGV小車運(yùn)行一段時間后，PID控制器的控制效果出現(xiàn)了波動，AGV小車的角度誤差和距離誤差均會出現(xiàn)3～4次的變化，才能夠趨于穩(wěn)定，使AGV小車按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。

然后，模糊控制器的模擬結(jié)果，在AGV小車偏離軌道時，模糊控制器能夠及時響應(yīng)，逐漸降低AGV小車偏離的角度，AGV小車距離偏差的瞬間降低效果不是很顯著。但是在AGV小車運(yùn)行一段時間后，模糊控制器的控制效果不會出現(xiàn)波動，AGV小車的角度偏差和距離偏差接近于0。由此可以看出，模糊控制器的控制效果更好，主要表現(xiàn)在控制系統(tǒng)的誤差消除效果更為顯著，系統(tǒng)的穩(wěn)定性偏高[3]。

另外，為了進(jìn)一步明確模糊控制器的控制效果，本文還對PID控制器和模糊控制器在干擾條件下的控制效果進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示：模糊控制器在受到干擾信號的影響時，雖然控制響應(yīng)時間有所增加，但是控制效果沒有降低，仍舊沒有出現(xiàn)反復(fù)波動的狀況。和PID控制器相比，模糊控制器的控制穩(wěn)定性及魯棒性更高。

2.2.3 AGV小車軌跡跟蹤模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在模糊控制器設(shè)計(jì)及應(yīng)用背景下，AGV小車在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，需要滿足以下條件：①在開啟電源后，AGV小車會進(jìn)行初始化，如果AGV小車各項(xiàng)參數(shù)正常，則正常啟動，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)存在異常，則需要自動報警；②在AGV小車自動運(yùn)行過程中，如果遇到障礙或者發(fā)生故障，需要自動報警；③如果AGV小車運(yùn)行過程中偏離預(yù)定軌跡，控制器需要控制小車回到預(yù)定軌跡，直到AGV小車成功完成運(yùn)輸任務(wù)。

3 結(jié) 論

綜上所述，和PID控制器相比，模糊控制器的控制效果和穩(wěn)定性更好，可以將其用于AGV小車軌跡跟蹤控制中。通過本文的分析可知，技術(shù)人員在進(jìn)行AGV小車軌跡跟蹤控制時，需要根據(jù)企業(yè)的實(shí)際狀況，明確模糊控制變量、構(gòu)建完善的模糊控制模型、選擇最佳的隸屬度函數(shù)，充分發(fā)揮出模糊控制器的優(yōu)勢，保障AGV小車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)我國工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]李凡凡.兩輪自平衡小車的軌跡跟蹤控制[A].中國自動化學(xué)會系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會、中國系統(tǒng)仿真學(xué)會仿真技術(shù)應(yīng)用專業(yè)委員會.第17屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集（17thCCSSTA2016）[C].2016：6.

收稿日期：2018-10-29

作者簡介：何建平（1989-），男，工程師，碩士，主要從事物流技術(shù)工作。