基于Kalman濾波和PD控制的磁釘定位AGV導航

許柏楊 王冬青

摘要：為實現(xiàn)自動導引車（automatic guided vehicle，AGV）的精確導航，本文提出一種基于Kalman濾波和比例微分（proportiondifferential，PD）控制的磁釘定位AGV導航方法。將磁釘布設于AGV行進的區(qū)域內，根據(jù)磁性傳感器得到AGV當前的位姿信息，與預定路徑進行比較，得到當前的航向偏差，作為PD控制器的輸入，將AGV的位姿調整量作為輸出。同時，利用卡爾曼濾波算法對帶有噪聲干擾的狀態(tài)進行估計，從而進一步提高AGV的定位精度，并采用Matlab軟件進行仿真分析。仿真結果表明，當比例增益KP=535，微分系數(shù)KD=085時，能夠在較快的時間內校正小車的航向偏差，說明所提出的Kalman濾波和PD控制對磁釘定位AGV導航有效可行。該研究具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：卡爾曼濾波; 磁釘定位; AGV導航; PD

中圖分類號： TP242.2; TN713文獻標識碼： A

文章編號： 10069798（2019）01002704; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.005

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，AGV在工業(yè)制造和倉儲等場景中的應用變得越來越廣泛[1]。為了適應多變的應用場景，AGV導航技術的研究顯得尤為重要。目前，AGV導航常用的方法有磁導航、光學導航、激光導航和慣性導航等[23]。李鳳娥等人[4]為解決自動引導車的定位精度，提出了基于磁釘技術的AGV組合導航系統(tǒng)定位;楊惠等人[5]提出了一種基于模糊比例積分微分（proportionintegraldifferential，PID）的控制策略，通過模糊控制整定PID的3個參數(shù)的變化量，調整小車尋跡過程不斷發(fā)生的變化;任國華等人[6]針對移動機器人在實際運行中受環(huán)境因素的影響，采用一種擴展卡爾曼濾波算法對機器人的軌跡信息進行校正;陳姍姍等人[7]為實現(xiàn)除草機器人田間作業(yè)時自主導航，采用GPS導航技術和PID算法等，實現(xiàn)對預定路徑的跟蹤;許根源等人[8]為了減少噪聲干擾對全球定位系統(tǒng)/慣性導航系統(tǒng)（global positioning system/inertial navigation system，GPS/INS）準確性的影響，采用最優(yōu)估計理論中卡爾曼濾波理論基礎對系統(tǒng)進行研究?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于Kalman濾波和PD控制的磁釘定位AGV導航方法。該方法實現(xiàn)了小車速度和位置的控制，并通過卡爾曼濾波減少環(huán)境產(chǎn)生的噪音干擾，提高定位的精度和準確性。同時，采用PD控制，使AGV系統(tǒng)快速擬制行駛中出現(xiàn)的誤差，按規(guī)劃路徑精確行駛。該研究對AGV的路徑跟蹤具有重要意義。

1AGV的運動學分析

磁性導航AGV運動模型具有不同速度的6輪結構，前部有2個萬向輪，中間和尾部有2個驅動輪和2個定向輪，該車輛由2個驅動輪驅動。磁性導航AGV運動模型如圖1所示。

4結束語

為解決AGV導航的精確問題，本文主要對基于Kalman濾波和PD控制的磁釘定位AGV導航系統(tǒng)進行研究。采用磁釘定位的方法，通過卡爾曼濾波實現(xiàn)了導航參數(shù)的最優(yōu)估計，減少了系統(tǒng)的定位誤差，同時通過PD控制，實現(xiàn)了AGV沿規(guī)劃路徑行駛。雖然誤差存在一定波動，但一段時間后，趨于穩(wěn)定，仿真結果驗證了本文所提出的導航方法的可行性。該方法對AGV導航系統(tǒng)的進一步研究具有一定的意義。

參考文獻：

[1]Douglas B D， Bencel J A. Navigation system for automat ic guided vehicle： U. S. Patent， 6049745[P]. 20000411.

[2]Bostelman R， Hong T， Cheok G. Navigation performance evaluation for automat ic guided vehicles[C]∥ International Conference on Technologies for Practical Robot Applications（TePRA）. Massachusetts， USA： IEEE， 2015： 16.

[3]Kang J， Lee J， Eum H， et al. An application of parameter extraction for AGV navigation based on computer vision[C]∥2013 10th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence （URAI）. Jeju， South Korea： IEEE， 2013.

[4]李鳳娥， 牛王強. 基于磁釘技術的集裝箱碼頭AGV定位精度分析[J]. 上海海事大學報， 2016， 37（1）： 3841， 59.

[5]楊惠， 高翔. 基于模糊PID的自主尋跡小車控制[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2017（4）： 9296， 100.

[6]任國華. 移動機器人軌跡跟蹤與運動控制[J]. 機械設計與制造， 2014（3）： 100102， 106.

[7]陳姍姍， 陳述人， 韓紅陽， 等. 基于GPS的除草機器人導航控制系統(tǒng)設計及仿真[J]. 農(nóng)機化研究， 2013（9）： 141144.

[8]許根源， 王直， 王志強. 基于自適應卡爾曼濾波的GPS/INS位置組合導航[J]. 電子設計工程， 2017， 25（21）： 100103， 108.

[9]Yin X H， Han Z. On a new sectionalized motion control strategy for automated guided vehicles： modeling and simulation validation[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 69（1/4）： 637646.

[10]Jung E， Kim J. Improvement of position accuracy of magnetic guide sensor using kalman filter[C]∥Intelligent Autonomous Systems 12. Berlin： Springer Berlin Heidelberg， 2013： 817824.

[11]Arens M， Ottlik A， Nagel H H. Using behavioral knowledge for situated prediction of movements[C]∥In Annual Conference on Artificial Intelligence. Berlin： Springer Berlin Heidelberg， 2015： 141155.

[12]Ji R M， Wang F. A new method based on magnetic medium and inertial navigation system for the navigation control of AGV[J]. Manufacturing Automation， 2014， 36（4）： 5254.

[13]楊惠， 高翔. 基于模糊PID的自主尋跡小車控制[J]. 工業(yè)控制計算機， 2017（4）： 9296， 100.

[14]Dona P， Gerard K， Nigel J. Automatic human tracking theatrical spotlight[C]∥2015 International Conference on Innovations in Information Embedded and Communicat ion Systems （ICIIECS）. Coimbatore， India： IEEE， 2015.

[15]Duymaz E， Ouz A E， Temelta瘙塂 H. Performance analysis of filter based airborne simultaneous localizat ion and mapping methods[C]∥2015 7th International Conference on Recent Advances in Space Technologies （RAST）. Istanbul， Turkey： IEEE， 2015： 157162.

[16]鄭炳坤， 賴乙宗， 葉峰. 磁導航AGV控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 自動化與儀表， 2014（3）： 610.

[17]白彪才， 馬殷元. 組合導航的AGV定位精度的改善[J]. 測控技術， 2018， 37（4）： 138140.

[18]汪威， 吳耀華， 陳云霞. 自然導航在AGV中的應用[J]. 物流技術， 2016， 35（12）： 3336， 45.

[19]田應仲， 葛華， 來曉江， 等. 磁導航托盤AGV自動控制系統(tǒng)的研制[J]. 機械制造， 2016， 54（總628）： 1214.

[20]譚尚活， 林義忠， 楊中華， 等. 磁導航叉車式AGV軟件系統(tǒng)的設計[J]. 裝備制造技術， 2017（8）： 2123， 59.