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德國Hirschman赫斯曼AGV控制器
自動導(dǎo)向赫斯曼AGV車輛是一種無人操縱的自動化運輸設(shè)備，它能承載一定的重量在出發(fā)地和目的地之間自主駕駛自動運行。 赫斯曼AGV是自動化物流運輸系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對我國企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式改造、增強(qiáng)市場競爭力、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要價值。同時，赫斯曼AGV在自動化物流、惡劣工作環(huán)境運輸作業(yè)、軍事等領(lǐng)域也有廣泛用途。

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現(xiàn)有赫斯曼AGV采用埋線、激光、軌道引導(dǎo)的方法，雖然技術(shù)成熟，但路徑設(shè)置繁瑣，成本高，周期長，維護(hù)改造不便，不利于戶內(nèi)外長距離運輸，智能化程度低，隨著赫斯曼AGV應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，其引導(dǎo)柔性差的缺點日趨明顯，更難以實現(xiàn)戶外長距離變路徑場合下的運輸作業(yè)和赫斯曼AGV各種運動狀態(tài)控制。計算機(jī)視覺具有信息量豐富，智能化水平高等特點，近年來被廣泛用于車輛的自主導(dǎo)航。智能車輛課題組開發(fā)了采用計算機(jī)視覺識別地面兩維條狀路標(biāo)實現(xiàn)車輛自主導(dǎo)航的產(chǎn)品化赫斯曼AGV。利用在地面上標(biāo)畫的白色條帶狀標(biāo)志路徑進(jìn)行自動路徑跟蹤，其過程是由CCD攝像機(jī)攝取包含有路徑信息的地面圖像，計算機(jī)確定車輛的運動方位和車輛的工作狀態(tài)，實現(xiàn)車輛對路徑的穩(wěn)定跟蹤。 對于產(chǎn)品化赫斯曼AGV來說，對導(dǎo)航路徑跟蹤的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性和對偏差糾正的快速性是體現(xiàn)它的性能的重要指標(biāo)。導(dǎo)航控制器的設(shè)計是保證這一指標(biāo)的關(guān)鍵，這就是本論文要研究的內(nèi)容。論文主要由五部分內(nèi)容組成：赫斯曼AGV運動學(xué)模型建立與赫斯曼AGV驅(qū)動系統(tǒng)辯識。赫斯曼AGV自主導(dǎo)航*控制器設(shè)計。赫斯曼AGV自主導(dǎo)航模糊控制器設(shè)計。對兩種控制器進(jìn)行融合。5.對設(shè)計的控制器進(jìn)行仿真及試驗驗證。本文*部分根據(jù)赫斯曼AGV的結(jié)構(gòu)特點及其與路徑的相對運動關(guān)系，建立了赫斯曼AGV運動學(xué)模型，分析了驅(qū)動系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，并采用 M序列作為輸入響應(yīng)信號，利用zui小二乘方法對驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)辯識，得到 WP=81 驅(qū)動系統(tǒng)傳遞函數(shù)。對所得傳遞函數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果基本吻合，辨識所得數(shù)學(xué)模型可以應(yīng)用于實際工作系統(tǒng)。在*控制器設(shè)計部分，利用了前面得到的赫斯曼AGV運動學(xué)模型和系統(tǒng)辯識結(jié)果建立了被控系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。對被控系統(tǒng)的可控性、可觀測性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，但系統(tǒng)為可控、可觀測的，可通過極點配置使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)被控過程屬于線性定常系統(tǒng)（LTI）的特點，選擇現(xiàn)代控制理論中的線性二次型*控制器設(shè)計方案。通過對閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和零極點圖的分析，合理地確定代表控制過程和控制代價的加權(quán)矩陣Q陣和R陣的大小，進(jìn)而得到系統(tǒng)的*狀態(tài)反饋增益陣K陣，完成了*自主導(dǎo)航控制器的設(shè)計。對該控制器進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析和試驗研究，仿真和道路試驗結(jié)果表明*控制器的控制能夠保證赫斯曼AGV實現(xiàn)穩(wěn)定的自主導(dǎo)航，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性且對車速變化有一定的適應(yīng)性，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立正確，所建模型合適可用。 針對*控制器在赫斯曼AGV處于大偏差時糾偏緩慢的不足，本文又對模糊控制器進(jìn)行研究。模糊控制器很好地將人的操作經(jīng)驗總結(jié)成控制規(guī)則，具有靈活性高，魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點。根據(jù)操作者在操作中一般只能觀察到被控過程的輸出變量及變化率的特點，在設(shè)計模糊控制器過程中，本文選取將側(cè)向偏差和方位偏差融合為一個綜合偏差作為控制器的一個輸入，將這個偏差的變化率作為另一個輸入，設(shè)計了雙輸入單輸出的控制器結(jié)構(gòu)。合理地把精確量進(jìn)行了分級和量化，選擇了高斯函數(shù)為隸屬度函數(shù)的七級語言變量。合理地確定了模糊控制規(guī)則，并按照模糊控制器的設(shè)計方法設(shè)計赫斯曼AGV模糊控制器。在控制器設(shè)計中加入了側(cè)偏權(quán)重系數(shù) 、偏差變化率權(quán)重系數(shù) 和控制強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù) ，合理的對這三個系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使控制器得到*控制效果。對該控制器進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析和試驗研究，仿真和道路試驗結(jié)果表明模糊控制器在大偏差時能夠使系統(tǒng)快速收斂，達(dá)到了設(shè)計目的。

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根據(jù)兩種控制器的特點，選擇了閾值切換法對兩種控制器進(jìn)行融合。通過對仿真和試驗結(jié)果的分析，合理地確定了偏差及切換閾值的大小，實現(xiàn)了控制器的有效融合。使兩種控制器都能發(fā)揮優(yōu)勢，又在切換時震蕩較小。道路試驗結(jié)果證明，融合后的控制器集中了兩種控制器的優(yōu)點，在赫斯曼AGV處于大偏差時具有較快的糾偏速度，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后保持較小的穩(wěn)態(tài)誤差。實現(xiàn)了本文研究的目的。