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基于DSP的AGV控制系统的设计与仿真分析.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘 要 仓储业是 AGV 最早应用的场所。 AGV 用于实现出入库货物的自动搬运。其 显著 特点是无人驾驶 、 柔性好 、 自动化程度高和智能化水平高 。 AGV 在对期望路径进行跟踪过程中,准确、稳定和快速纠正偏差等方 面 的性能是 衡量 AGV 的重要指标, AGV 的本体结构的设计和控制方法是决定 AGV性能的关键因素。为了实现 AGV 沿着期望路径准确、稳定、快速的行驶并对AGV 进行实时定位与监测,本课题总体目标是完成 AGV 控制系统的设计、 运动控制模型的建立、动力学模型的建立,运用现代控制理论完成模糊自适应 PID控制算法 以及 AGV 运动控制实验的分析,进行 AGV 的运动分析,对建立的数学模型进行运动仿真,完成软件设计,进行 AGV 运动控制相关实验。 AGV 运动学模型目标是建立差速驱动转向的 AGV 运动学模型,并在模型上进行运动学分析。建立直线循迹下的偏差模型和 曲线 转向 处的偏差模型。两轮差动式 AGV 循迹过程中,建立轮速差与转向角度的数学表达式。完成 AGV运动的运动学的求解和在 SIMULINK 中建立仿真模型。并运用现代控制理论,建立控制微分方程,进行 AGV 运动模型的能控性分析。 对 AGV 进行动力学分析并以此为基础进行数学建模。建立电机的转动模型,并为了提高电机的转速的精度,建立双闭环反馈回路,内环采用电流反馈,外环采用转速反馈。并要测试所建立的双闭环反馈回路的性能。针对车体建立车体、左右驱动轮、前面万向轮的力学模型。在 SIMULINK 得到 动力学 模型。画出了控制系统图 在控制系统图上,对位置偏差采用模糊自适应 PID 控制器,使 AGV 能适应 时变 的、非线性的干扰等 环境 。对偏差进行模糊化和速度差的反模糊化。在SIMULINK 中根据模糊推理系统建立相应的模型。在模糊自 适应 PID 控制器的规则观察窗查看输出曲线。并把控制器封装到建立的控制系统。在直线轨迹和曲线 轨迹下观察 AGV 的循迹误差。 并设计相应实验,获得 AGV 在直线和 曲线轨迹 下的偏差与驱动轮的转速的数据采集。 关键词 AGV; 导引方式;双闭环调速系统;模糊自适应; DSP; PID;程序算法 万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abstract Warehousing industry is a place for AGV earliest application. AGV used to implement an automated storage and handling. cargo Its distinguishing feature is unmanned, flexible, high degree of automation and high level of intelligence. AGV in the path of the desired track process, accurate, stable and fast to correct deviations and other parties and is an important indicator of the perance of the AGV, body structure design and control of AGV .AGV perance is a key factor in the decision. AGV along a desired path in order to achieve accurate, stable, fast driving and AGV real-time positioning and monitoring, the overall objective of this project is to complete the establishment of AGV motion control model, dynamic model, the use of modern control theory to complete fuzzy PID control AGV control and motion control experiment plat software and hardware design, analysis and development, conducted AGV motion analysis, a mathematical model and motion simulation, complete the software design, conduct experiments AGV motion control. Kinematic model of the establishment to establish AGV AGV differential kinematic model-driven steering, and kinematic analysis on the model. Establish bias and bias model model arc bend under the line tracking. Two-wheel differential AGV tracking process, the mathematical expression wheel speed and steering angle difference. Solving the completion of the car movement kinematics and simulation model in SIMULINK. And the use of modern control theory, differential equations, controllability analysis conducted AGV sport model. Dynamic analysis on the AGV and as a basis for mathematical modeling. Establish the model of the motor rotation, and in order to improve the accuracy of the speed of the motor, the establishment of double-loop feedback loop, the inner loop current feedback, the outer ring using speed feedback. Step response model has good stability and fast. For the body to build the body, around the drive wheels, front casters mechanical model. In the SIMULINK model of structure. The control system shown in Fig. Has been completed on the control system diagram of the position loop adaptive fuzzy PID controller that AGV can adapt to a more hostile environment, the case of non-linear interference. And the deviation of the speed difference fuzzy anti-blur. Establish the appropriate model in SIMULINK based on fuzzy inference system. Rules fuzzy adaptive PID controller in the viewing window to see the output curve. And to create a package to the controller control system. AGV tracking error observed in the linear trajectory and circular trajectory, and design the corresponding experiment, obtains the AGV in a straight line and curve track 万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- under deviation and driving wheel speed of data acquisition. Improved control algorithm according to the experiment, obtain ideal tracking results. Keywords AGV, guidance, double closed loop speed regulation system, fuzzy adaptive, DSP,PID, programming algorithm 万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 目 录 摘 要 ...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题研究的目的和意义 ................................................................................ 1 1.2 AGV 国内的发展现状 ................................................................................... 2 1.2.1 AGV 国外发展现状 ................................................................................ 2 1.2.2 国内发展状况 ......................................................................................... 3 1.2.3 AGV 系统技术研究方向 ........................................................................ 4 1.3 本课题主要研究内容 ................................................................................... 4 第 2 章 AGV 的导引方式及模型建立 ................................................................... 6 2.1 AGV 轮系结构的设计与导引方式分析 ....................................................... 6 2.2 AGV 工作过程介绍 ...................................................................................... 8 2.3 导引方式 .................................................................................................... 10 2.3.1 AGV 直线偏差导引模型 ...................................................................... 12 2.3.2 AGV 曲线偏差导引模型 ...................................................................... 13 2.4 控制系统能控性分析 ................................................................................. 14 2.5 本章小结 ..................................................................................................... 17 第 3 章 AGV 车体动力学模型的建立 ................................................................. 18 3.1 AGV 电机控制模型 .................................................................................... 18 3.1.1 AGV 左右驱动电机控制模型 .............................................................. 18 3.1.2 调速系统的双闭环调节原理 ................................................................ 19 3.1.3 调速系统启动过程仿真结果 ................................................................ 22 3. 2 AGV 车体动力学模型 ................................................................................ 24 3.2.1 车架体动力学模型 ............................................................................... 24 3.2.2 左右驱动轮的力学模型 ...................................................................... 26 3.2.3 前轮的动力学模型 .............................................................................. 27 3.3 AGV 控制系统 原理图 ................................................................................. 29 3.4 本章小结 .................................................................................................... 30 第 4 章 模糊自适应 PID 控制器 的设计 .............................................................. 31 4.1 模糊自适应 PID 控制器 的研制 ................................................................. 31 4.1.1 模糊自适应 PID 的结构形式 .............................................................. 31 万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -V- 4.1.2 各变量隶属度函数的确定 .................................................................... 31 4.1.3 建立模糊控制表 ................................................................................... 33 4.1.4 模糊控制器 ........................................................................................... 36 4.2 模糊自适应 PID 控制器模型建立 ............................................................... 37 4.3 控制器仿真输出 .......................................................................................... 38 4.4 本章小结 ..................................................................................................... 41 第 5 章 控制程序的调试和实验研究 .................................................................. 42 5.1 集成开发环境 CCS .................................................................................... 42 5.2 控制程序设计 ............................................................................................. 42 5.2.1 主程序设计 ........................................................................................... 42 5.2.2 各程序块软件设计 ............................................................................... 44 5.3 AGV 控制系统性能实验 ............................................................................. 45 5.3.1 直线路径的导引偏差实验 .................................................................... 46 5.3.2 曲线路径的导引偏差实验 .................................................................... 48 5.4 本章小结 ..................................................................................................... 49 结 论 ................................................................................................................... 50 参考文献 ............................................................................................................... 52 攻读 学位期间 发表 的 学术论文 ............................................................................ 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明 和 使用权限 ............................................. 57 致 谢 ................................................................................................................... 58万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 AGV 又叫做 自动导引运输车 [1]。它可以承载货物并按预定轨迹运行。北欧最早对 AGV 进行了研究 , 已经有几十年的发展历史。自动导引运输车得到迅速的发展,广泛的应用在物流运输业、自动化生产工厂物料的运输等 [2]。 AGV具有的显著特点是自动化程度高、具有智能性、能应用在恶劣和危险的生产条件。随着计算机技术的发展, AGV 的智能化水平不断提高,通过无线传输装置,可以直接在远程对 AGVS 下达指令 [3]。 AGV 之间的协同完成任务的水平已经越来越高。对于目前的 AGV,从传统的光电导引到电磁导引到更加智能化 GPS定位和激光导引, AGV 的工艺水平也越来越先进 [4]。更好的满足各行各业自动化生产的需要。 与传统的运输设备相比较, AGV 具有以下主要特点 ( 1)路线的灵活设定 AGV 能够实现在多个目标点的之间的来回行驶,并且能够按照预定的轨 迹运行 [5]。导引轨迹可以通过多种方式输入 AGV,通常有控制机的键盘输入或者面管理站设定 [6]。 由 于运行路线是能够设定的,所以在产品的输送过程中,输送设备和厂房设备是无需改变的。这有利于 企业 去规模化的 生产 和 运输 [7]。 ( 2)柔性高和线路更改容易 通过地面基站的灵活的调配, AGV 的发送和调度可以更加自主的规划自己的运输轨迹。 AGV 应用的工作场景更加广泛 [8]。 改变 AGV 导引线即可实现更改 AGV 线路 , 线路的增减设定和车辆更改也很方便。 AGV 的运行不再局限于一个或者几个回路,而是整个工作系统内的各条路线。这些非常有利于产品的更新换代和产业结构的迅速调整 [9]。 ( 3)节省劳动力和具有避开障碍物的功能 AGV 自动化生产过程中,取代了搬运物料的人员,为工厂节省了劳动力,而且物料的整个加工过程,需要更少的跟踪检查,系统能够及时反映物料的运输位置,因而显著提高劳动生产率 [10]。 ( 4)与计算机控制的全自动化生产系统的通信和管理 地面基站一般采用的是计算机管理, AGV 能够通过通讯协议接收计算机的相关指令,根据指令完成生产工作,能够很方便的自动装配、自动存取、 FMS。随着机器语言的开发,计算机的程序能很好的应用到 AGV 中 [11]。 ( 5)规模化的 AGVS 现实的工作生产过程中,需要的不仅仅是一台 AGV,而是要调动很多的AGV 去协同工作 [12]。通过对 AGV 的协同管理,能够优化运行轨迹和线路 [13]。万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- AGV 系统具有极高的可靠性。 其他小车的正常工作不会因为一台小车的故障而中断 , 保证了系统的效率 更高。避免 AGV 之间的冲突碰撞 [14]。 ( 6)节能环保 早期的 AGV 的电池选择为镍 镉蓄电池,它的主要特点 是 可以满足大电流快速充电,且体积质量相对较小,使得它在 AGV 领域应用了十几年 [15]。近些年,随着环保要求的提出,锂电池开始应用到 AGV 中 [16]。相同额定容量的锂电池的质量约为镍镉电池的三分之一,锂电池具有快速充电的效果,寿命相比镍镉要长很多 [17]。现在与锂电池相配合的充电器,更具有显示电量和电池状态的功能 [18]。 由于 AGV 自身具有的特点, 使得 AGV 广泛的应用于各行各业,以下是一些 AGV 的一些应用场合 表 1-1 AGV 的类型和应用 AGV 的类型 AGV 的应用 1. 电磁感应引导式 AGV 1.仓储业 2. 激光引导式 AGV 2.制造业 3. 视觉引导式 AGV 3.邮局、图书馆、港口码头 4.铁磁陀螺惯性引导式 AGV 4.烟草、医药、食品、化工 5.光学引导式 AGV 5.危险场所和特种行业 1.2 AGV 国内的发展现状 1.2.1 AGV 国外发展现状 上个世纪 50 年代,首台 AGV 在美国 asrrettB 公司研制成功,第一台 AGV采用的是一种牵引式小车系统。这台 AGV 的控制器是由真空管 组成 , AGV 的行驶路径是钢丝索绳索 [19]。 60 年代和 70 年代初,除了 asrrettB 公司之外, Webb 和 Clark 公司研制的AGV 的市场份额也很大。 AGV 的主要制造商有 Saxby 、 Denford 和 Blecbert 等公司 [20]。 上世纪 70 年代中期,欧洲 AGV 的控制系统大约为 520 个,到 1985 年,AGV 已经发展到了 1 万余台,成为美、欧、日中数量最多的地区。并且在机械制造行业大规模应用 [21]。 80 年代初,欧洲的 AGV 技术通过在美国的欧洲子公司以许可和联合经营的方式转移到了美国 [22]。由计算机控制的 AGV 技术通过芝加哥的 Keebler 分发中心从欧洲直接引进美国 [23]。为了方便在制造过程中物料能够自动输送和跟踪,1981 年 John 公司将 AGV 直接连接到 AS/RS。 1984 年, AGV 的最大用户为美万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 国 通用汽车公司( GM) [24]。在欧洲 AGV 技术的基础上不断改进,美国各公司将 AGV 技术发展到更加先进和智能化的水平,使得 AGV 承载能力更大,运输速度更快捷,并且具有实时充电功能, AGV 控制器可靠性更高。在这一时期,美国的 AGV 生产厂家大幅度增加 [25]。 1988 年,日本已发展到有二十多家 AGV 制造商,制造量比较大的 有 大福、村田公司等。 1.2.2 国内发展状况 国内的 AGV 相关的自主研究起始于六十年代 [26]。从 1976 年,国内最早的实用型 AGV,即 ZDB-1 型自动搬运车在北京的起重运输机械研究所研制成功,到 90 年代昆明船舶设备有限公司研究激光导引多模式无人 AGV 22 辆,再到1996 年 玉溪卷烟厂引进三星 52 台 AGV,这在国内烟草行业是首次应用,也是国内企业中应用最多的 AGV 系统。这一阶段,我国的 AGV 产业不断学习和自主创新相结合,不断开拓 AGV 技术的新高度 [27]。 近年来国内出现的 I SO AGV? 属于智能 AGV,它具有以下特点,代表着国内的 AGV 的发展方向 ① I SO AGV? 采用安卓操作系统 , 功能扩展性强大,可直观自定义站点名称,方便上下站点人员交接留言 , 相对而言 传统 的 AGV 只能用数字编号,在多站点情况下作业需人工对照,更不具备各种交接留言功能 [28]。 ② I-SO AGV 采用自动障碍物测距系统,可根据障碍物距离进行多级减速缓冲停车,智能 AGV 实时量化测量障碍物距离,而非传统 AGV 的探测障碍物后产生的开关信号;智能 AGV 采用全范围覆盖式障碍物测量,同时不受温湿度 .光线颜色等影响抗干扰能力强,而传统 AGV 大多数使用简单的红外线障碍物检测,无法 作到全范围检测存在大量盲区;智能 AGV 配备失效模式,双重控制系统(安卓系统和主机系统同时物理隔离),在任何一端出现异常时,另一端仍继续工作确保安全系统和动力系统安全运行 [29]。 ③ 智能 AGV 采用隐藏式 RFID 或图像识别来定义站点,而非磁性极性组合来进行站点定义不但外观丑陋而且在站点数量上也有一些局限性,传统 AGV的站点地标之间的距离也有很大局限,无法进行密集的站点布置。 ④ I-SO 智能 AGV 自带车与车之间的通讯,可自主进行智能化调度,或者使用在手机上安装 APP 即可远程实现监控与调度,同时 I-SO 智能 AGV 系统可接入 ERP 等其他系统,实现完全自主智能工作 [30]。 目前中国工业 AGV 使用密度不足世界平均水平的三分之一,只是 AGV 使用密度高的国家如日本的二十分之一,韩国的十九分之一,德国的十七分之一。万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 国内的 AGV 的应用水平还不高,市场的需求还需要进一步刺激。在不远的未来,中国将成为全球最大的 AGV 市场 [31]。 1.2.3 AGV 系统技术研究方向 ( 1)导引技术八九十年代,国内的高校和科研机构致力于电磁导引技术的运用 [32]。而后导引技术不断发展,现在结合光学磁带识别、 CCD 成像、陀螺导航定位技术, AGV 的导 引方式更加精确和先进 [33]。现在的激光测角与测量技术的发展,使 AGV 的导航精度提高到± 3mm[34]。 GPS 定位导航技术也在 AGV上得到应用 [35]。 AGV 主要的导引方式如表 1-2 所示 表 1-2 AGV 的导引方式 自动车的引导方式 固定路径 (感应连续) 自动式 电磁感应激光感应 被动式 光、磁带导引图相识别 半固定路径(断续感应) 点标记 设置修正标记环境识别超声波测距 无明显路径标志 地面支持 激光导引超声波导引人造卫星 GPS 自导式 地图导引外界识别陀螺仪导引超声波虚拟导引 ( 2)控制系统与界面传统的 AGV 是通过烧制程序到 AGV 的控制器,通过这样的程序控制 AGV[36]。现在的智能 AGV 具有一定的操作系统和更智能化的人机界面,可以通过指令、语音等实现控制 [37]。 ( 3)智能化随着计算机的软件、硬件的不断更新换代,使 AGV 可以从网络直接下载相应的指令,实现实时智能导引、自主调动、自动作业、障碍识别、自我纠正 [38]。从而实现了 AGV 和 AGVS 的智能化。有人形容现代 AGV是二十四小时不知疲倦的智能车 [39]。 1.3 本课题主要研究内容 AGV 在对期望路径进行跟踪过程中,准确、稳定和快速纠正偏差等方而的性能是 衡量 AGV 的重要指标, AGV 的本体结构的设计和控制方法是决定 AGV性能的关键因素。为了实现 AGV 沿着期望路径准确、稳定、快速的行驶并对AGV 进行实时定位与监测,本课题总体目标是完成 AGV 主控系统设计、运动控制模型的建立、动力学模型的建立,运用现代控制理论完成模糊 PID 控制器以及 AGV 运动控制实验平台的软件进行了分析和开发,进行了 AGV 的运动分万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 析,对建立数学模型进行运动仿真,完成程序设计,进行 AGV 运动控制相关实验。本 课题主要研究内容主要是以下几个方面 ( 1) AGV 运动学模型的建立 建立差速驱动转向的 AGV 运动学模型,并在模型上进行运动学分析。建立直线循迹下的偏差模型和圆弧拐弯处的偏差模型。两轮差动式 AGV 循迹过程中,建立轮速差与转向角度的数学表达式。完成小车运动的运动学的求解和在 SIMULINK 中建立仿真模型。并运用现代控制理论,建立控制微分方程,进行 AGV 运动模型的能控性分析。 ( 2) AGV 的动力学模型和控制系统控制图 对 AGV 进行动力学分析并以此为基础进行数学建模。建立电机的转动模型,并为了提高电机的转速的精度, 建立双闭环反馈回路,内环采用电流反馈,外环采用转速反馈。模型的阶跃响应具有很好的稳定性和快速性。针对车体建立车体、左右驱动轮、前面万向轮的力学模型。在 SIMULINK 得到结构模型。画出了控制系统图 3 位置反馈的模糊自适应 PID 控制器 在已经完成的控制系统图上,对位置环采用模糊自适应 PID 控制器,使AGV 能适应 时变的 、非线性的 工作环境 。对偏差进行模糊化和速度差的反模糊化。在 SIMULINK 中根据模糊推理系统建立相应的模型。在模糊自适应 PID 控制器的规则观察窗查看输出曲线。并把控制器封装到建立的控制系统。在直线轨迹和圆弧轨迹下观察 AGV 的循迹误差。 ( 4)程序的初始化和实验 把程序代码烧入 DSP 中,并进行相应的调试。利用实验室的条件,检测AGV 在直线轨迹和圆弧轨迹下的传感器的实时数据。记录下小车数据。与仿真的结果做比较。不断的改进程序。 万方数据
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