基于模糊控制的重載AGV 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁承君，胡 博，劉云帆，賈麗臻

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

近年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵得到了快速的發(fā)展，地鐵盾構(gòu)管片的需求量也越來越大[1]。但是在地鐵盾構(gòu)管片生產(chǎn)的過程中，管片的搬運(yùn)多數(shù)是通過天車等傳統(tǒng)機(jī)械來實(shí)現(xiàn)，不僅影響管片生產(chǎn)廠的效率，也增加了生產(chǎn)過程中的成本。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從原材料到產(chǎn)品的成熟再到銷售，在這個(gè)過程中，用于產(chǎn)品加工與制造的時(shí)間只有5%左右，而用于原材料的存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及半成品的存儲(chǔ)、運(yùn)輸時(shí)間卻高達(dá)95%左右[2]。為了降低盾構(gòu)管片生產(chǎn)廠在管片生產(chǎn)過程中的運(yùn)輸成本和人力成本，同時(shí)考慮盾構(gòu)管片生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的安全問題，亟需一款可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片自動(dòng)搬運(yùn)的系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)運(yùn)輸機(jī)械。而AGV（Automated Guided Vehicle）[3-5]，又稱無(wú)人導(dǎo)引車，具有運(yùn)輸快、高效等優(yōu)點(diǎn)，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，提升企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益[6]。

我國(guó)從上世紀(jì)六十年代開始自主研發(fā)AGV，雖然我國(guó)AGV的研究起步較晚，但是發(fā)展迅速。1976年，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自主研發(fā)的AGV 小車誕生于北京的起重機(jī)械研究所，該AGV 采用了電磁導(dǎo)引技術(shù)，是我國(guó)第一臺(tái)實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)通信的AGV[7]。1985 年，北京郵政科學(xué)研究規(guī)劃院設(shè)計(jì)出我國(guó)第一臺(tái)雙向無(wú)線通信的AGV[8]。我國(guó)的第一臺(tái)非電磁導(dǎo)航AGV 由清華大學(xué)研制而成，該AGV 引入了路徑定位和路徑跟蹤等算法，具有較高的智能性。此后，越來越多的科研機(jī)構(gòu)和高校加入到了AGV的研究當(dāng)中，國(guó)內(nèi)的AGV 呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，自動(dòng)化和智能化水平也越來越高了。

目前，市場(chǎng)上大部分AGV 都是面向輕負(fù)載的小型化設(shè)備，而在重載AGV 領(lǐng)域，由于所需要的成本較高而少有企業(yè)涉足[9]。文中首先介紹了AGV 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后給出了AGV的硬件選型和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)AGV的路徑糾偏問題設(shè)計(jì)了一個(gè)二維模糊控制器，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及模糊控制器的控制性能可以滿足管片生產(chǎn)廠的實(shí)際工作要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

AGV 車載控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由工控機(jī)、磁導(dǎo)航傳感器、激光避障傳感器、RFID 讀卡器、顯示屏、蓄電池、無(wú)線通訊模塊、遙控模塊、直流無(wú)刷電機(jī)、機(jī)械防撞條、急停開關(guān)、狀態(tài)指示燈、語(yǔ)音報(bào)警器組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

AGV 車載控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收并解析來自上位機(jī)控制系統(tǒng)的命令，控制AGV 進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)[10]。由于工控機(jī)具有CPU 處理速度快、資源豐富、抗干擾能力強(qiáng)、適用于高濕等惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，因此選用研華UNO-2484G 工控機(jī)。UNO-2484G 配有英特爾i7 處理器和8 GB DDR4 內(nèi)存，可以提供卓越的計(jì)算能力，同時(shí)還具備豐富的I/O 端口，包括4 個(gè)USB 3.0 端口、4 個(gè)以太網(wǎng)口、4 個(gè)RS-232/422/485 端口、一個(gè)HDMI端口、一個(gè)DP 端口。UNO-2484G 支持10～36 V 直流電源輸入，可在-20～60 ℃環(huán)境中工作，可以在各種惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，適用于盾構(gòu)管片生產(chǎn)廠的工作環(huán)境。

AGV 導(dǎo)航模塊選用Mag-1600-A 型號(hào)的磁導(dǎo)航傳感器，電壓為DC24V，防護(hù)等級(jí)為Ip54，可測(cè)距離為20～60 mm，最高精度可以達(dá)到1 mm，傳感器分辨率為0.1 mm，并配有CAN、RS485和RS232 等多個(gè)通信接口。

AGV 驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)完成AGV的行走功能，使AGV 可以完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等相應(yīng)的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步科的SMC80S-0075-30MAK-3DSU 伺服電機(jī)，其額定電壓為48 V，額定功率為750 W，額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 rpm/min，額定電流為19 A，軸徑為19 mm，通信接口為CAN，通信波特率為500 000 bps。

RFID 模塊選用廣州聯(lián)網(wǎng)科技有限公司的DRFV2-134K2 高速讀卡器，該讀卡器是專門為AGV設(shè)計(jì)的高速讀卡器，通過讀取RFID 卡片信息，將卡片內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給主控制器。該讀卡器工作頻率為134.2 kHz，識(shí)別速度為3 m/s，支持標(biāo)簽為FDXB，通信接口為RS485，通信波特率為115 200 bps，讀卡距離超過14 cm。

激光避障傳感器選擇SICK的TIM320 激光傳感器，其開啟角度為270°，掃描頻率為15 Hz，工作區(qū)域?yàn)?.05～4 m，保護(hù)距離為2 m。其共包含16 個(gè)區(qū)域組，每個(gè)區(qū)域組包含3 個(gè)區(qū)域，區(qū)域組的形狀被分為多邊形、半圓形和長(zhǎng)方形，并可以直接在掃描儀上進(jìn)行配置。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

AGV 車載控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊是通過軟件編程得以最終實(shí)現(xiàn)的，包括控制流程、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算與處理、狀態(tài)顯示以及參數(shù)存儲(chǔ)等[11]。AGV 控制系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。

圖2 AGV控制系統(tǒng)軟件流程

當(dāng)AGV 上電后，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行一系列初始化指令，系統(tǒng)初始化完成后，AGV 會(huì)自動(dòng)檢測(cè)是否滿足啟動(dòng)條件，當(dāng)AGV 滿足啟動(dòng)條件后，可以通過AGV 車身上的啟動(dòng)按鈕或者上位機(jī)啟動(dòng)AGV，AGV 啟動(dòng)之后會(huì)同時(shí)接收來自主控制器和上位機(jī)的控制指令。

在AGV 按自由路徑或預(yù)設(shè)路徑行駛的過程中，AGV的磁導(dǎo)航傳感器會(huì)不斷采集當(dāng)前的磁感應(yīng)信號(hào)，判斷當(dāng)前AGV的行駛路徑是否偏離了磁條。若沒有發(fā)生偏離，則AGV 會(huì)繼續(xù)沿著磁條行駛，若發(fā)生了偏離，AGV 主控制器則會(huì)通過設(shè)計(jì)的模糊控制算法來進(jìn)行糾偏，糾偏后的AGV會(huì)繼續(xù)沿著磁條行駛。

AGV 在行駛過程中還會(huì)通過激光避障傳感器不斷檢測(cè)行駛路徑上是否有障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物后，AGV 會(huì)停止運(yùn)行并進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示，當(dāng)障礙物移除后，AGV 后自動(dòng)重啟。AGV 在運(yùn)行過程中，當(dāng)檢測(cè)到定位信號(hào)后，主控制器會(huì)控制AGV 小車完成相應(yīng)的功能，AGV 完成相應(yīng)的功能后會(huì)繼續(xù)沿著磁條行駛。

3 模糊控制算法

傳統(tǒng)的PID 控制在AGV 運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中很難到達(dá)理想的控制效果[12]，隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，模糊控制以其不需要精確控制模型的優(yōu)勢(shì)逐漸被應(yīng)用到AGV的控制系統(tǒng)中[13]。

3.1 模糊控制原理

模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法[14]，其工作原理是將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)為模糊信號(hào)，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，根據(jù)制定的模糊規(guī)則對(duì)模糊信息進(jìn)行推理，最后將推理后的輸出量加到被控對(duì)象上。

模糊控制器通常由以下4 部分組成：

1）輸入量模糊化：將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模糊集合的過程。

2）模糊控制規(guī)則：根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)總結(jié)制定出的模糊條件語(yǔ)句。

3）模糊邏輯推理：利用模糊控制規(guī)則求出輸入的模糊信息在輸出變量論域上的模糊集合。

4）去模糊化：將模糊值轉(zhuǎn)換為明確的輸出量，并作為系統(tǒng)的輸入值[15]。

3.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

AGV 系統(tǒng)通過安裝在車體上的磁導(dǎo)航傳感器進(jìn)行AGV的路徑導(dǎo)航。文中采用AGV 運(yùn)行過程中，車體中心與磁條中心的位置偏差Δs和方向偏差角α作為控制器的輸入變量，將車體的重心角速度ω作為控制器的輸出變量，并設(shè)計(jì)一個(gè)具有兩個(gè)輸入變量、一個(gè)輸出變量的二維模糊控制器。

由AGV 車體的長(zhǎng)度為5 600 mm，磁導(dǎo)航傳感器的長(zhǎng)度170 mm，可以得到車體的最大偏轉(zhuǎn)角度α為1.739°。因此，位置偏差Δs的基本論域取值范圍為[-85,85]，單位為mm；方向偏差角α的基本論域取值范圍為[-1.739°,1.739°]；AGV 車體重心角速度的基本論域取值范圍為[-0.015 2，0.015 2]，單位為RPM。

確定了輸入和輸出變量的論域后，還需要確定輸入和輸出變量的模糊集。將輸入和輸出變量的論域平均分為7 個(gè)模糊集，分別為NL、NM、NS、ZO、PS、PM和PL，對(duì)應(yīng)為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。模糊子集{ NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL} 與控制系統(tǒng)中的3 個(gè)變量的集合對(duì)應(yīng)，從而得到輸入和輸出變量的模糊子集。

考慮到AGV 小車在進(jìn)行誤差修復(fù)時(shí)需要較快的響應(yīng)速度，同時(shí)對(duì)控制的穩(wěn)定性和靈敏度都有較高的要求，因此選用靈敏度較高的三角形作為輸入和輸出的隸屬度函數(shù)[16]。圖3～5為3個(gè)變量的隸屬度函數(shù)圖。

圖3 位置偏差Δs 隸屬度函數(shù)圖

圖4 方向偏差角α 隸屬度函數(shù)圖

圖5 重心角速度ω 隸屬度函數(shù)圖

模糊規(guī)則庫(kù)的建立主要是找出AGV 在運(yùn)行時(shí)刻位置偏差Δs和方向偏差角α與重心角速度ω之間的模糊關(guān)系，結(jié)合模糊控制專家經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，建立了49 條模糊規(guī)則，并將這些模糊規(guī)則生成了如表1 所示的模糊控制規(guī)則表[17]。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 系統(tǒng)整體測(cè)試

4.1 AGV控制系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的重載AGV 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在某盾構(gòu)管片生產(chǎn)廠進(jìn)行AGV 實(shí)車測(cè)試，如圖6所示。AGV 與上位機(jī)控制軟件成功建立連接，軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示AGV的任務(wù)狀態(tài)、速度方向、速度等級(jí)、當(dāng)前的卡點(diǎn)號(hào)、電池的電量等，還可以進(jìn)行任務(wù)管理、查看蒸養(yǎng)窯狀態(tài)、查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)和查看操作日志等。

圖6 AGV控制系統(tǒng)軟件界面

4.2 AGV糾偏性能測(cè)試

AGV的糾偏能力決定了AGV 行駛的精確性，也是AGV 穩(wěn)定性和安全性的重要保障。圖7和圖8 分別為空載和負(fù)載情況下的AGV 磁導(dǎo)航測(cè)試圖。

圖7 空載下AGV磁導(dǎo)航測(cè)試圖

圖8 負(fù)載下AGV磁導(dǎo)航測(cè)試圖

由圖7和圖8的實(shí)際測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)論是空載還是負(fù)載的情況下，AGV 均能沿著預(yù)先鋪設(shè)的磁條正常運(yùn)行。當(dāng)AGV 在運(yùn)行過程中出現(xiàn)一定的偏差后，AGV 可以在短時(shí)間內(nèi)完成路徑糾偏。圖9和圖10分別為AGV 在路徑偏差Δs為25 mm和60 mm 時(shí)，完成路徑糾偏時(shí)的仿真圖。由仿真圖可知，在AGV 運(yùn)行過程中，無(wú)論路徑偏差Δs是25 mm 還是60 mm，AGV 均能在2 s 內(nèi)完成路徑糾偏，滿足盾構(gòu)管片生產(chǎn)廠的實(shí)際工作要求。

圖9 Δs 為25 mm時(shí)路徑糾偏仿真圖

圖10 Δs 為60 mm時(shí)路徑糾偏仿真圖

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了盾構(gòu)管片運(yùn)輸AGV的控制系統(tǒng)，首先制定了AGV 控制系統(tǒng)的總體方案，給出了控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，然后針對(duì)AGV 在行駛過程中的糾偏問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有兩個(gè)輸入變量，一個(gè)輸出變量的二維模糊控制器。最后在盾構(gòu)管片廠進(jìn)行AGV 控制系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的AGV 控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，模糊控制器的控制性能滿足管片生產(chǎn)廠的實(shí)際工作要求。