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1、第20卷第6期机械设计与研究Vol.20No.62004年12月MachineDesignandResearchDec.,2004文章编号:100622343(2004)062013203AGV及其滑模变结构控制器设计宋立博,张家梁,李蓓智,杨建国(东华大学机械工程学院,上海200051,E2mail:lwlsjtu@163.com)摘要:设计了后面两轮驱动,前轮采用万向轮的三轮AGV。在简要介绍其结构和考虑非完整约束基础上,使用矩阵方法分析了AGV转弯问题,得出柔顺运动模式下的状态空间和控制方程。同时,搭建了PC机为上位
2、机,MCS51单片机为下位机的CAN总线无线通讯系统。优化参数下的路径跟踪仿真和实验证明了滑模变结构控制器和无线通讯系统的有效性。关键词:非完整约束;自动导航车;CAN现场总线;滑模变结构控制中图分类号:TP242.1文献标识码:A自动导航车AGV(AutomatedGuidedVehicle)是自动化生传动轴、滚轮、同步带轮、下支撑轴承、同步带、上支撑架、上产车间和柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturinsSystem)传动轴、上支撑轴承、斜齿轮传动副。在驱动电机和滚轮转中的重要设备。国内外学术界对后
3、面两轮差动驱动前轮万速不同时,即可实现差动驱动。[1]向转弯的AGV进行了深入研究,分别使用模糊方法、神同时,采用万向轮作为前滚轮,使AGV具有了全向运动[2][3][4]经网络方法、模糊神经网络方法、逻辑控制方法和光能力。这种结构的AGV具有如下优点:①传动系统结构对[5]流场理论设计了其控制器,使用蓝牙技术(Bluetooth)实现称,可减少运动过程中下传动轴的变形,防止滚轮卡死;②传[6]了上位机和AGV之间的无线通讯。动平稳,可减少AGV起动和停止过程中的冲击;③结构简但是,这些分析和设计中存在如下问题:①仅考虑了
4、运单,易于维护。动学静态约束的影响,没有考虑动力学动态约束对其状态空1.2AGV状态空间和控制方程间和控制器设计的影响;②采用左转弯时左后轮停止右后轮首先作如下假定:①包括轮胎在内的AGV为刚体,在运驱动,右转弯时右后轮停止左后轮驱动的非柔顺转弯方式,动过程中无变形;②滚轮在运动过程中纯滚动;③忽略AGV限制了其灵活性;③没有考虑运动参数优化问题,AGV系统的装配误差和尺寸误差;④轴承处的摩擦阻力矩以及滚轮与未在最优运动参数条件下运动。地面之间的滑动和滚轮摩擦力符合库仑定律,为滚轮转动角本文将在简要速度和正压力的线性函数;
5、⑤相对驱动滚轮而言,万向轮绕介绍AGV传动系统水平轴和垂直轴的阻力矩忽略不计。基础上,讨论非完从本质上讲,轮式AGV是一复杂的非完整系统,可以使整约束条件和柔顺用Routh方程、Maggi方程或Kane方程等获得其动力学方方式下其状态空间程,进而获得AGV的状态空间方程和控制方程。但是,这些和控制方程分析过方法分析过程过于复杂;在选择不同的准速度时,又可能得程,及滑模变结构到不同的动力学方程。一般情况下,AGV工作在左转弯时控制器设计方法。左轮停转右轮驱动,右转弯时右轮停转左轮驱动的非柔顺方1AGV结构式,驱动电机存在频繁
6、的反复启动,在使系统遭受频繁冲击▲图1AGV传动系统图与控制方程的同时也大大影响电机的使用寿命。为克服复杂数学推导和非柔顺转弯方式的缺点,本文设1.1AGV结构计了AGV整体绕其瞬心o′运动的柔顺转弯方式和将电机为使AGV具驱动力转换为滚轮与地面之间摩擦力的分析方法。为便于有柔顺转弯能力,分析,建立的惯性坐标系如图2所示。在假设②和④条件后面两滚轮采用如下,可将电机的驱动(控制)转矩等效转换为滚轮与地面之间图1所示的单独驱的摩擦力。此时,可得到如下所示的AGV运动方程:动方式。其中,部1件1至12分别为m¨x=(Tl+Tr
7、-kωl-kωr)cosθ+λsinθr直流伺服电机、固1m¨y=(Tl+Tr-kωl-kωr)sinθ-λcosθ▲图2AGV运动模型定板、下支撑架、下r1θI¨=[(ρ+l2)(Tr-kωr)-(ρ-l2)(Tl-kωl)]r收稿日期:2004-06-25Ûxsinθ-Ûycosθ=0基金项目:国家863/机器人主题“支持产品快速开发的主动寻位自动化通用安装系统”资助项目(2001AA421260)(1)14机械设计与研究第20卷式中,x和y为AGV底板中心在坐标系O2xy中的投影;m制器在滑模面上的频繁切换,一种思路
8、就是利用AGV的惯为AGV总质量;r为滚轮半径;I为AGV相对于瞬心的转性使其运行在滑模面附近。动惯量;θ为AGV纵向对称线与x轴间的夹角;Tl、Tr为左为此,可采用具有误差可周期性变化的AGV输出:右电机的驱动(控制)转矩;ρ为瞬心至AGV纵向对称线在z1=x+hcos(θ+ωt)(7)水平面上投影的
