agv路径纠偏控制器设计与分析

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1、AGV路径纠偏控制器设计与分析摘要：AGV路径导航算法是提高AGV运行效率的关键问题之一。为了避免AGV在作业过程中受到外界不确定因素影响而偏离既定路径，文章对差速驱动四轮AGV进行了PID控制器设计，能够完成自动纠偏任务。首先，进行AGV运动学建模，分析位置偏差和角度偏差与左、右驱动轮速度差和电机输出电压之间的关系；然后，以位置偏差和角度偏差为输入，以左、右驱动轮速度差为输出，设计PID控制器，对AGV的运动路径进行控制。最后，对PID控制与常规闭环控制进行Matlab仿真对比，验证了PID控制算法的高效性和鲁棒性。中国1/vie　　关键词：AGV；运动学；MATLAB；PID控制器　　引

2、言　　随着科技的进步，AGV（AutomatedGuidedvehicle）作为一种集传感器技术、人机技术和运动控制等技术于一体的综合控制系统，已广泛应用于工农业、物流和军事等诸多领域，成为现今装配生产线、柔性制造和仓储物流智能体系中的关键设备之一。工业AGV作业的环境复杂多样，为快速、准确、安全地完成作业任务，运动控制技术成为AGV路径规划和路径跟踪的关键研究技术[1]。AGV是一类强耦合性、时变的高非线性复杂系统，作业过程中容易受诸多非线性、不确定因素的干扰，精确数学模型的建立相当困难[2]。为了改善AGV控制系统的控制性能，本文运用PID控制的算法，输入变量采用AGV行驶过程中的位置偏

3、差和角度偏差，输出变量采用左、右驱动轮速度差，设计PID控制器，快速、准确地对行驶路径进行纠偏。　　1AGV运动学模型　　论文的研究对象选用二轮差速转向的四轮AGV。AGV车体的前面两轮为自由轮，后面两轮为独立驱动的驱动轮，由于AGV的运动状态的改变主要是通过调整左右驱动轮的轮速来实现，因此，在不影响运动学分析的情况下，将AGV的的运动模型简化为左右驱动轮的运动[3]。如图1所示。　　根据简化模型，建立坐标系。图中xoy为平面坐标系，O1、O2分别为左、右驱动轮的中心和左右驱动轮轴线中心，O3为绕体运动的瞬时圆心。O1O2为两轮的轴间距，其长度为D。Vl、Vr、V0分别为左、右驱动轮和车体中

4、心的速度，车体中心速度大小代表车体的速度，方向代表车体行驶方向。R为车体瞬转向半径。？琢�樾惺环较蛴�x轴的之间的夹角。假设表示电动机的时间常数。　　当AGV在行驶过程中，受到外界干扰，偏离预定行驶路径时，控制系统接收到偏差距离反馈的电压信号，改变电动机两端的电枢电压来调整左、右驱动轮转速，纠正AGV的位置偏差和角度偏差。在不改变车体行驶速度的条件下，电压增量和速度增量的数学关系式如示：　　由此可知，通过传递函数，可通过改变电压的变化量来控制左、右驱动轮的速度差，实现差速转向和纠偏的目的。电压增量与运行偏差关系如图2所示。　　令：x1=？驻V（s），x2=β（s），x3=L（s），则：x=（

5、？驻V，β，L）为状态变量，U作为输入，距离偏差L和角度偏差β作为输出，可得状态方程如下：　　通过建立整个控制系统的状态方程，可以看出AGV行驶路径的位置偏差和角度偏差与AGV的行驶轨迹有着复杂的非线性关系。同时，从状态方程中也可明确显示输入电压与角度偏差和位置偏差之间的关系，为控制器的设计提供了理论基础。　　2PID控制器的设计　　控制器的输入变量为位置偏差L和角度偏差β[5]。利用PID控制器控制AGV的驱动电机调节左、右驱动轮的速度，实现AGV位置和角度的调整，达到纠偏的目的。位置偏差和角度偏差可由公式（5）和（6）求得。当AGV车体的轴中心点在行驶方向中心的左边时，取L值为负，反之则

6、反；当角度偏差β以顺时钟方向时为负，反之则反。　　将选取的永磁直流电机的传递函数简化为二阶系统，得到其传递函数[6]：　　在Matlab/Simulink中，建立PID控制器的仿真模型，如3所示。该系统框图由常规闭环控制器和PID控制器两部分组成。　　3仿真结果分析　　系统的输入信号为单位阶跃信号，通过仿真，获取仿真曲线，并对比常规闭环控制器和PID控制器与模糊PID控制器的仿真曲线。控制系统误差响应仿真结果如图4示。　　4结束语　　通过系统仿真曲线的对比可知，PID控制系统的稳定性比常规闭环控制系统的稳定性更好。在系统中采用PID控制算法，提高了系统的抗干扰能力和减小了振荡幅度。通过计算可

7、知，PID控制器的误差响应的超调量在3%左右，响应时间为0.5s，与常规闭环控制相比，减小了系统的超调量、缩短了系统的响应时间、改善了系统的控制性能。通过MATLAB软件对PID控制算法的动态仿真，验证了PID控制算法的高效性，提高了控制系统的鲁棒性，为AGV运动过程中的纠偏问题提供了一定的理论参考。