淺述麥克納姆輪AGV仿真及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許斌

摘 要 由麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)的AGV車因其極高的機(jī)動(dòng)性、靈活的運(yùn)行方式得到廣泛應(yīng)用。特別在航空裝配領(lǐng)域，對(duì)高定位精度、可聯(lián)動(dòng)的AGV車的需求非常強(qiáng)烈。本文首先分析了麥輪AGV車的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，然后基于Simulink對(duì)AGV進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在仿真環(huán)境下得到控制器參數(shù)。

關(guān)鍵詞 AGV；麥克納姆輪；控制系統(tǒng)；仿真

1 概論

自1973年瑞典工程師發(fā)明麥克納姆輪以來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)麥克納姆輪及麥輪車進(jìn)行了廣泛的研究。Tlale N等研究了麥輪車的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，Malayjerdi E 等研究了基于模糊控制的麥輪車控制算法。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究雖然起步較晚，但研究?jī)?nèi)容基本覆蓋了麥輪車的各個(gè)方面，有控制算法、基于視覺(jué)的引導(dǎo)等。

本文基于以上研究，首先分析麥輪車的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，然后基于Simulink進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后分析了麥輪車的聯(lián)動(dòng)算法。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將基于Simulink對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Simulink里新建slx文件，建立如圖 3所示模型，其中AGV模塊代表了麥輪車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，輸入是四輪轉(zhuǎn)速，輸出是車體在慣性系下的速度和角速度，將速度變量積分得到車體在慣性系下的位置和轉(zhuǎn)角，利用傳感器測(cè)出該狀態(tài)信息，輸入到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)利用狀態(tài)信息計(jì)算出四輪轉(zhuǎn)速便形成了閉環(huán)。本文的控制系統(tǒng)采用PID控制器。

在Simulink環(huán)境下，利用依次點(diǎn)擊菜單欄Analisis→Control Design→Control System Tuner，再在菜單欄點(diǎn)擊TUNING→Select Blocks）選擇需要整定的PID模塊后，便可進(jìn)入PID整定設(shè)計(jì)環(huán)境。點(diǎn)擊菜單欄New Goal可以看到在時(shí)域和頻域下分別有多種整定目標(biāo)可以設(shè)計(jì)。此處選擇時(shí)域下的Tracking of Step Commands，再選擇輸入和輸出信號(hào)，將模型設(shè)置為一階，最后設(shè)置時(shí)間常數(shù)。這樣便完成了PID系統(tǒng)的整定的參數(shù)設(shè)置。類似地，還可以添加其他整定目標(biāo)。詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置可參考MATLAB文檔。

完成整定目標(biāo)設(shè)計(jì)后，點(diǎn)擊Tune可以進(jìn)行整定，最后點(diǎn)擊Update Blocks可將控制器參數(shù)寫回Simulink模型。

4 多車聯(lián)動(dòng)

在運(yùn)輸大型產(chǎn)品時(shí)，一臺(tái)麥輪車在承載面及承載重量上往往無(wú)法滿足要求，這就需要多臺(tái)AGV聯(lián)動(dòng)。多臺(tái)AGV聯(lián)合運(yùn)動(dòng)一般有兩種形式：一是剛性連接型，多臺(tái)AGV在運(yùn)動(dòng)前首先對(duì)接起來(lái)，接頭處實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接；另一種是柔性連接型，AGV之間沒(méi)有相互連接的機(jī)械結(jié)構(gòu)。以下詳細(xì)介紹多車聯(lián)動(dòng)的控制方法。

4.1 剛性聯(lián)動(dòng)

在剛性連接下，各個(gè)AGV車對(duì)接起來(lái)后，就如同對(duì)一臺(tái)AGV進(jìn)行控制，根據(jù)不同輪子中心在車體坐標(biāo)的不同計(jì)算不同的輪速，按照上文單臺(tái)車的方法進(jìn)行控制。本文不再贅述。

4.2 柔性聯(lián)動(dòng)

在平移情況下，實(shí)現(xiàn)開環(huán)柔性與單獨(dú)控制各臺(tái)AGV是相同的，只要給他們發(fā)送相同的位移指令即可（不考慮信號(hào)延遲、伺服電機(jī)延遲）。但是若要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則需要進(jìn)行進(jìn)一步解算。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了AGV車的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析了動(dòng)力學(xué)模型的建模方法，在Simulink環(huán)境下設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，并對(duì)AGV多車聯(lián)動(dòng)的形式及方法進(jìn)行了深入研究。得益于伺服控制系統(tǒng)的使用，AGV的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分直接，工業(yè)環(huán)境下的使用也會(huì)越來(lái)越方便。