基于轨迹控制的AGV运动控制器设计研究.pdf

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1、2014年2月机械设计与制造工程Feb．2014第43卷第2期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．2DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．02．002基于轨迹控制的AGV运动控制器设计研究史晨红，左敦稳，张国家(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)摘要：对基于计算机视觉的AGV路径跟踪技术进行了研究，提出了基于轨迹控制的AGV运动控制器设计新方法，重点解决AGV路径跟踪效果与高速运动稳定性问题。首先对AGV工作环境与计算

2、机视觉的特点进行分析，设计了适合AGV路径跟踪的图像处理流程。然后在深入分析两轮差速驱动运动平台的基础上，提出了基于轨迹控制的AGV运动控制器设计新方法。该控制器以AGV相对路径所处的状态量为输入，输出AGV控制指令——两轮的速度差和运动时间，从而控制AGV按指定轨迹运动，实现轨迹控制即AGV路径跟踪的目标。试验结果表明，AGV路径跟踪技术对直线和弧线具有较好的跟踪效果且AGV运动平稳。关键词：AGV；计算机视觉；路径跟踪；轨迹控制；控制器设计中图分类号：TP242．6文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)

3、02—0007—06随着计算机视觉技术的发展，出现了基于视觉的航向角。的AGV(AutomatedGuidedVehicle)导航方式，而基于视觉的AGV路径跟踪技术是其中的一个重要研究方向，引来众多学者对其进行研究I4J。与电磁、光电、激光等路径跟踪技术相比，AGV视觉路径跟踪技术具有成本低、柔性高等优点，但因图像处理时间长，难以实现AGV高速稳定运行，为了克服这些问题，必须设计合适的图像处理算法和运动控制器。对此，先后出现了基于PID的运动控制器J、基于线性二次形的运动控制器_6以及基于模糊控制的运动控制器等，这些运动

4、控制器原理复杂，算法执行时间长，难以大幅度提升AGV的图1双轮差分驱动平台运动分析示意图性能。为了提高AGV的运动速度和运动稳定性，本文主要从以下2个方面进行设计：(1)精简图像为了分析该驱动平台的运动学模型，对该驱动处理算法，即如何通过计算机视觉快速有效地提取平台作如下假设：(1)轮壳具有刚性，不会产生变出AGV的状态量；(2)有效的导航控制器设计，即形；(2)轮与地面垂直接触，忽略轮宽的影响；(3)如何快速地将图像中获得的状态量转换成控制指运动过程中车轮只作滚动，无滑动现象；(4)两个令，及时调整AGV状态。车轮尺寸相

5、同，车轴中心线与车运动方向垂直。在上述假设下，可以用向量q=(，Y，0)描述1基于轨迹控制的AGV运动控制器设计AGV的位置和状态，其中(，Y)为AGV上的参1．1差分驱动平台的运动学模型分析考点P在二维平面上的投影坐标。进一步假设两目前，差分驱动平台在AGV导航中应用广泛，驱动轮之间的轴间距为d，驱动轮半径为r，轴间连本文采用两轮差分驱动的AGV运动平台，如图l线的中心点为，其坐标为(，Y)；参考点P与所示，图1中点P为AGV上的参考点，0为AGV之间的距离为，直线lPMl与平台中轴线之间的收稿日期：2013—12—04

6、作者简介：史晨红(1989一)，女，江苏无锡人，南京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为计算机智能加工技术。·一7·2014年第43卷机械设计与制造工程夹角为。由图2可得：线的偏距e作为AGV小车的状态量，如图4所示。『P=肘+Lcos(0+)／1、／／LyP=Y+Lsin(0+)式(1)左右两端分别对时间t求导得：『P=互肼一L0sin(0+)，1、【P=M+L0cos(0+)在上述假设前提下，图2所示驱动模型可以简化为居于轴连线中点M处的单论滚动，则单轮所受的非完整约束为：村sin0一cos0=0(3)图3AGV相对

7、路径的理想状态由式(2)和式(3)可得：Psin0一Y’Pcos0+L0co=0(4)平台在运动过程中始终满足约束式(3)或式(4)，所以平台运动的瞬时速度方向与平台朝向完全相同。平台方向的改变只能通过两个轮子之间的速度差值实现，而平台运动轨迹则由一系列绕瞬时圆心旋转的小段圆弧组成。两轮差速瞬时运动模型如图2所示，图中∞与分别为左右轮的转速，为运动平台的速度，点0为两轮瞬时圆弧运动的圆心，求得点绕点O运动的半径尺为：图4AGV视觉导航控制量示意图R：：导Il(5)通过机器视觉提取控制量，判断AGV小车当前相对路径所处的状态

8、，给出控制指令。这对图像处理的实时性要求比较高，而提高实时性的主要途径是简化图像处理算法或采用更高速度的CPU。采用更高速度的CPU无疑会大大增加整个系统的成本，所以简化图像处理算法成为提高系统实时性的有效手段。而在保证图像处理效果的同时简化算法，就必须提高图像的质量，因为较高的图像质量可以大大减少图像