1、AGV智能小車循跡系統(tǒng)的建模與仿真,匯報(bào)人： 田佳豪 王嘉津 周博文 鄒星星,1,AGV智能小車簡述,目錄,簡述,數(shù)學(xué)建模,Simulink建模與仿真,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),AGV智能小車簡述,AGV(Automatic Guided Vehicle)智能小車又稱自動(dòng)導(dǎo)引車，是一種在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，根據(jù)具體規(guī)劃和作業(yè)要求完成取貨、送貨、充電等任務(wù)的無人駕駛自動(dòng)化車輛。,4,AGV智能小車簡述,AGV智能小車是一種以電池為動(dòng)力，裝有電磁導(dǎo)引設(shè)備或光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備，能夠自動(dòng)沿著預(yù)定軌道行駛的自動(dòng)化車輛。 應(yīng)用 AGV 小車具有以下優(yōu)勢： （1）可以減少撿取貨物、搬運(yùn)貨物的勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率。 （2）搬運(yùn)貨物時(shí)

2、，小車自身不易與周邊加工設(shè)備發(fā)生碰撞，降低了生產(chǎn)事故的發(fā)生率。 （3）能夠與機(jī)器人、堆垛機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備完美配合作業(yè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)對貨物的實(shí)時(shí)跟蹤，大大減少貨物丟失的發(fā)生率。 （4）耗電量小，無噪聲污染。,5,數(shù)學(xué)建模,王嘉津,6,問題,該系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？ 系統(tǒng)建模的思路？ 如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？ 如何建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型？ 如何整合模型？,7,1 輸入和輸出是什么？,針對對系統(tǒng)的哪一部分建模？,8,1 該系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？,仿真的目的：找到合適的控制器，使小車及時(shí)修正偏差，達(dá)到較好的循跡性能。 那么只需要觀測小車運(yùn)行中偏差量變化的狀態(tài)，便可評估控制器的優(yōu)劣。 因此輸出量應(yīng)選擇為能反映小車

3、偏離軌道程度的變量。 輸出量： 當(dāng)小車修正偏差進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，是通過后輪（驅(qū)動(dòng)輪）的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)的，決定后輪轉(zhuǎn)速的是電機(jī)的電樞電壓。 輸入量：電樞電壓 建模的實(shí)質(zhì)：反映輸入電壓與 之間的關(guān)系。,9,2 系統(tǒng)建模的思路？,機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成：機(jī)械本體，傳感器，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器。 此次建模分為兩部分：建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型要得到的是輸入電壓與速度（轉(zhuǎn)速）之間的關(guān)系。 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要得到的是速度與 （位移）之間的關(guān)系。 最后將兩個(gè)模型整合形成最終的數(shù)學(xué)模型。,10,3 如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？,目標(biāo)：尋找 與速度之間的關(guān)系。 在分析小車處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)的速度時(shí)不能將小車當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)，那么應(yīng)

4、該研究哪一點(diǎn)的速度？ 位移=速度*時(shí)間，但M點(diǎn)的速度并不好直接表示，因此考慮用位移之間的數(shù)量關(guān)系來表示 。 目標(biāo)：需要尋找 、 與速度之間的關(guān)系。 、 均與O點(diǎn)速度 相關(guān)，且 與電機(jī)直接控制的速度 、 相關(guān)。,11,3 如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？,由于 很小，則 于是最終運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如下：,12,4 如何建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型？,目標(biāo)：尋找輸入電壓與車輪速度（ ）之間的關(guān)系。 直流電機(jī)動(dòng)態(tài)過程的微分方程如下： 此時(shí)忽略車體質(zhì)量、摩擦阻力對車速的影響，則電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速=車輪轉(zhuǎn)速。 理想空載表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零。則： 對于直流伺服電機(jī)， 最終的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型如下,13,5 如何整合模型？,經(jīng)過問題3和4的解答，分

5、別得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型，但由于中間變量速度沒有統(tǒng)一，仍不能直接將其組合在一起。,為了簡化推導(dǎo)過程，以勻速直線運(yùn)動(dòng)為例。在沒有外部擾動(dòng)的情況下，左右電機(jī)的給定信號相等， 即 ，在此作用下小車產(chǎn)生速度 可視為常數(shù)。當(dāng)外部擾動(dòng)使小車偏離預(yù)定路徑時(shí)，給定信號將分別加減一個(gè)糾偏控制量 ， 即 相應(yīng)的電機(jī)輸出速度為： 此模型是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但由于小車是在確定路線上運(yùn)行的，它的糾偏過程可視為在給定信號基礎(chǔ)上增加一個(gè)微小的控制量，因而這樣一個(gè)非線性化系統(tǒng)就可以采用小偏差線性化的方法將其轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)。于是有,14,5 如何整合模型？,此時(shí)得到最終數(shù)學(xué)模型如下：,15,如何得到？,16,SIMULI

6、NK建模與仿真,周博文,17,1 .狀態(tài)傳遞函數(shù),根據(jù)前面同學(xué)建立的系統(tǒng)模型整理，可以得出系統(tǒng)狀態(tài)矩微分方程。,選擇狀態(tài)變量x1=v，x2=，x3=Edm，并令輸入u=U，輸出y=Edm?？梢缘玫较到y(tǒng)的狀態(tài)矩陣如下,18,2.系統(tǒng)可控性分析,將小車與電機(jī)的相關(guān)參數(shù) 代入方程得：,rankB,AB,A2B=3 說明系統(tǒng)可控,19,3.狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì),狀態(tài)反饋u=v-Kx，K=k1,k2,k3 自動(dòng)引導(dǎo)小車的控制規(guī)律可以表示為： U=v-(k1v+k2+k3Edm) 狀態(tài)反饋矩陣K的引入，并不增加系統(tǒng)的維數(shù)，但是可以通過K的自由選取改變閉環(huán)系統(tǒng)的特征值，從而使系統(tǒng)獲得所要求得性能。 設(shè)計(jì)狀態(tài)反

7、饋陣時(shí)，要使系統(tǒng)的極點(diǎn)設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)，一個(gè)非主導(dǎo)極點(diǎn)，這樣就可以用二階系統(tǒng)的分析方法進(jìn)行參數(shù)的確定。我們要求最大超調(diào)量小于等于4.3%，調(diào)節(jié)時(shí)間為4S。,可以求出系統(tǒng)阻尼=0.707，Wn=1.06 則極點(diǎn)公式 得到兩個(gè)共軛極點(diǎn)為,20,3.狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì),在MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱中提供了單變量系統(tǒng)極點(diǎn)配置acker(),其格式為K=acker(A,B,p) 程序如下： A=-0.1 0 0;10/3 0 0;5/3 -3/4 0; B=7:0:0; C=0:0:1; D=0; Rc=rank(ctrb(A,B); P=-0.75+0.707j,-0.75-0.707j,-1

8、5; K=acker(A,B,p)運(yùn)行結(jié)果如下：,21,4.Simulink 建模,根據(jù)數(shù)學(xué)建模和設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器建立如下Simulink模型,22,5.Simulink 仿真,當(dāng)小車偏離運(yùn)行軌跡時(shí)，現(xiàn)有的系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器測出偏差，接著偏差信號輸入控制器，通過控制器輸出控制電壓修正運(yùn)行軌跡。通過仿真曲線，得到該系統(tǒng)對直線路徑具有較好的跟蹤控制性能。,23,AGV小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),鄒星星,24,4.1AGV模擬小車控制總體框圖,STM32主控板,LCD觸摸屏,地標(biāo)傳感器,控制按鍵,無線WiFi,磁導(dǎo)航傳感器組,警示燈,電機(jī)控制模塊,LCD觸摸屏,STM32磁采集控制板,25,4.2主控制器

9、,模擬車控制器采用STM32來實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)是對小車進(jìn)行總體控制，主要功能：接受上位機(jī)的命令、任務(wù)；向上位機(jī)報(bào)告小車的實(shí)時(shí)狀態(tài)（包括小車目前的所處位置，運(yùn)行速度、方向、故障狀態(tài)等）；根據(jù)設(shè)定的路線，自主的巡航和速度控制。,26,4.2 磁導(dǎo)航傳感器組,磁導(dǎo)航傳感器組利用平均排布的8個(gè)采樣點(diǎn)，磁采集傳感器組示意圖如所示。磁傳感器組能夠檢測出磁條上方100Gauss左右的微弱磁場，每個(gè)采樣點(diǎn)連接一個(gè)傳感器，一共有8路信號輸出。因?yàn)閮蓚€(gè)傳感器之間的距離是20mm，磁條的寬度是50mm，因此AGV在運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器組會有連續(xù)的23路輸出采樣值。通過連續(xù)輸出的23路信號的傳感器編號，可以計(jì)算出磁條相對于AGV車體中線的位置偏差，AGV會自動(dòng)作出調(diào)整，確保AGV跟蹤磁條前行。,27,4. 障礙檢測,AGV模擬小車在工作時(shí)，會時(shí)刻遇見突發(fā)狀況，比如道路上的障礙物以及走動(dòng)的人。為了保證AGV在行駛過程，自身車體結(jié)構(gòu)的安全性以及工作環(huán)境中人和貨物的安全，在AGV車體前后分別裝置了避障檢查裝簧和警示燈，在一定的范圍內(nèi)，避障裝置使AGV減速或者停下，在障礙解除后，AGV能夠自主的重新的正常行駛。,28,5 通信模塊,相比于其他通信總線，CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，可靠的實(shí)時(shí)性保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，防止丟包的可能性。而本課題中主控電路要求實(shí)時(shí)對磁采集電路反饋