近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。自動(dòng)導(dǎo)引車AGV作為一種輪式移動(dòng)機(jī)器人，具有可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代制造系統(tǒng)和倉儲(chǔ)物流系統(tǒng)中被廣泛用于貨物的運(yùn)送與傳輸，是現(xiàn)代倉儲(chǔ)系統(tǒng)及柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一“。導(dǎo)引與軌跡跟蹤是實(shí)現(xiàn)AGV自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，鋪設(shè)預(yù)定軌跡的方法具有使用方便、成本低的特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。由于AGV車輪與地面之間屬于非完整約束，難以建立較為精確地運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，很多經(jīng)典成熟的控制算法（如PID控制算法）較難實(shí)現(xiàn)而模糊控制是一種基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)通過語言描述的方式來進(jìn)行分類的算法，無需建立精確的數(shù)學(xué)模型，容錯(cuò)能力強(qiáng)，應(yīng)用于非線性系統(tǒng)、高耦合系統(tǒng)等控制系統(tǒng)時(shí)有著很好的效果。根據(jù)叉車式AGV的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制器，較好地解決了叉車式AGV在不同路徑下的磁導(dǎo)航問題。

1.叉車式AGV結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析

1.1結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)部分

叉車式AGV的底盤結(jié)構(gòu)主要有五輪式和三輪式。三輪式叉車AGV既不能自轉(zhuǎn)也不能平移，靈活性和穩(wěn)定性都較差閻。五輪式叉車AGV相較于三輪式，在舵輪左右兩側(cè)各增加一個(gè)萬向輪，既提升了支撐平衡的性能，也能輔助轉(zhuǎn)向，綜合性能優(yōu)于二輪式。在此所研究開發(fā)的五輪叉車式AGV的相關(guān)尺寸如圖1所示。

圖1 AGV的底盤結(jié)構(gòu)及尺寸

1.2叉車式AGV的運(yùn)動(dòng)和糾偏分析

考慮到叉車式AGV運(yùn)行時(shí)的安全性，通常需保證貨叉在人的前方，而AGV的驅(qū)動(dòng)輪位于整車的后部，造成了其運(yùn)動(dòng)方式與別的車輛有些不同。以驅(qū)動(dòng)輪和自由輪為代表，對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，如圖2所示。首先假定AGV與地面間無滑動(dòng)摩擦，且地面為水平面。當(dāng)AGV發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，例如，需要AGV往上方偏移一定位移的航線上行駛時(shí)。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪率先順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，再驅(qū)動(dòng)AGV往前行駛，將自由輪驅(qū)動(dòng)到預(yù)定的航線上去，然后驅(qū)動(dòng)輪再反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將自身調(diào)整到航線上去。該過程通過驅(qū)動(dòng)輪的擺動(dòng)效果將AGV的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)整到理想的航線上。調(diào)整過程中沿理想航線上行駛的距離稱為調(diào)整距離礫調(diào)整距離與AGV自由輪的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及2條航線的偏距有關(guān)。

1，2，3分別為叉車在糾差過程中出現(xiàn)的初始位置、中間過程、最終位置
圖2叉車式AGV底盤運(yùn)動(dòng)

2.AGV的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

2.1AGV的導(dǎo)航方式

AGV的導(dǎo)航方式有多種，目前國內(nèi)常見的有4種,①激光導(dǎo)引利用激光測距以及角度來確定自身定位，并實(shí)現(xiàn)按照期望的軌跡運(yùn)動(dòng)；②視覺導(dǎo)引通過不斷地獲取周圍的場景信息來定位，在運(yùn)動(dòng)過程中邊定位邊建立場景地圖，最終建立整個(gè)環(huán)境的模型，從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航；③慣性導(dǎo)航根據(jù)已知位置信息，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中速度和方位的積分來獲取自身定位，從而可達(dá)到導(dǎo)航的目的；④磁導(dǎo)航通過在預(yù)設(shè)路徑上鋪設(shè)磁條的方法，裝在AGV上的磁傳感器獲取磁條信息，并通過實(shí)時(shí)糾偏，從而保證AGV按照預(yù)設(shè)的軌道行進(jìn)。以上方式中，磁導(dǎo)航以使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際，故在此基于磁導(dǎo)航展開研究。

2.2控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，即感知部分、決策部分和執(zhí)行部分,如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成

1）感知部分作為信息的采集與輸人，將底座與磁條的偏差信息傳人承擔(dān)決策作用的STM32開發(fā)板。主要有紅外傳感器、超聲波傳感器，經(jīng)傳感器信息融合后，可識(shí)別叉車周圍的環(huán)境。
2）決策部分是以STM32F103ZET6嵌人式芯片為控制系統(tǒng)的核心芯片。該芯片是基于Cortex-M3的內(nèi)核，可以有效地處理感知部分傳來的信息，并將分析計(jì)算后的結(jié)果傳送到執(zhí)行部分，如圖4所示。

圖4 ARM主控板

3）執(zhí)行部分主要由轉(zhuǎn)向輪電機(jī)與直行輪電機(jī)以及貨叉結(jié)構(gòu)的液壓馬達(dá)組成，以實(shí)現(xiàn)叉車的移動(dòng)和貨物的運(yùn)送。

2.3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該AGV有2種導(dǎo)航控制方式，基于預(yù)設(shè)磁條的自主導(dǎo)引控制和手動(dòng)操作控制。軟件控制系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示。其中，手動(dòng)控制比較簡單，通過電控驅(qū)動(dòng)AGV前進(jìn)后退，用于AGV的調(diào)試和人工駕駛。

圖5 AGV軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制模式下，一方面需要實(shí)時(shí)獲取AGV相對(duì)預(yù)設(shè)磁條的偏移量，并通過糾偏程序及時(shí)地減小偏差，另一方面基于安全考慮，當(dāng)有意外發(fā)生或者磁條上有障礙物存在時(shí)，AGV應(yīng)能夠自動(dòng)緊急制動(dòng)，并在障礙物移除后可以恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。此外，在實(shí)際工程中，直線行駛是AGV移動(dòng)的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考慮到工程效率問題，還需要編寫加減速程序。因此，在自動(dòng)控制模式下主要需要編寫自動(dòng)糾偏程序、緊急制動(dòng)程序、加減速程序、轉(zhuǎn)彎程序以及貨叉升降程序。

3. 模糊控制算法設(shè)計(jì)

模糊控制是一種模擬人思維的過程，即通過對(duì)事物進(jìn)行觀察、分析，最終做出判斷與決策。L.A.Zadeh提出不相容原理，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜度增大，系統(tǒng)的清晰程度就會(huì)逐漸降低，當(dāng)達(dá)到一定的閾值時(shí)，清晰性和復(fù)雜性將互相排斥，于是就產(chǎn)生了模糊控制凹。模糊控制是一種非線性控制，核心是利用模糊集合的理論知識(shí)，將控制算法轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)語言所能描述的語言。由于模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，尤其是在處理非線性、強(qiáng)耦合時(shí)變等控制系統(tǒng)時(shí)有較好的效果。
模糊控制器的工作原理是將輸人的清晰信號(hào)經(jīng)過模糊化接口變成模糊量，然后經(jīng)過模糊推理算法計(jì)算，經(jīng)過模糊推理機(jī)處理后得到模糊集合，最后由去模糊化將模糊集合變成清晰量。最基本的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

糾偏程序是自動(dòng)控制模式中的核心，糾偏程序越合理,AGV的軌跡追蹤性能就越好。當(dāng)AGV運(yùn)行在直線及轉(zhuǎn)彎角度不是很大的弧線上時(shí)，將調(diào)用糾偏程序。
該AGV所采用的磁導(dǎo)航傳感器具有16個(gè)磁信號(hào)監(jiān)測點(diǎn)，安裝于AGV前端，距離地面2處，選擇的磁條寬度為3。在磁條豎直方向上，磁傳感器可以同時(shí)接通4個(gè)磁信號(hào)，為確定AGV相對(duì)磁條的位置，將磁傳感器各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，H0—H15巧分別為16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以低電勢0表示未檢測到磁信號(hào)，以高電勢1表示檢測到磁信號(hào)。當(dāng)檢測到磁信號(hào)時(shí)，指示燈亮起，所有的電勢信息依次存儲(chǔ)在寄存器中，共占據(jù)16字節(jié)。糾偏程序中需要針對(duì)偏移情況采取繼續(xù)直行、左偏、右偏的糾偏動(dòng)作。當(dāng)正中間的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指示燈亮起時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)電位為1，表示AGV處于直行狀態(tài)，見表1。

表 1 磁傳感器對(duì)應(yīng)控制器 I/O 端口

考慮到地面不完全平整，應(yīng)當(dāng)允許一定的誤差范圍，當(dāng)正中間4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)左右兩側(cè)的另一個(gè)指示燈亮起時(shí)，也視為直行狀態(tài)。根據(jù)上述分析，可將傳感器電位情況模糊化為3種偏差狀態(tài)，見表2。

表2 三種偏差狀態(tài)

為使AGV的運(yùn)行軌跡與預(yù)設(shè)軌跡更加接近，在編寫程序時(shí)，根據(jù)不同的偏移程度使轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出力矩有所不同，且糾偏程序中的轉(zhuǎn)向應(yīng)與表2相反。

4. 路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置及路徑規(guī)劃

選取實(shí)驗(yàn)室改造的AGV作為軌跡跟蹤的試驗(yàn)對(duì)象，如圖7所示。

圖 7 叉車式 AGV 試驗(yàn)裝置

圖中，磁傳感器位于AGV驅(qū)動(dòng)輪中軸線上，與地面間的距離為2cm，設(shè)置了直行、轉(zhuǎn)彎、叉貨、卸貨等位置的引導(dǎo)路徑，所設(shè)路徑可以滿足一般貨場的使用要求。根據(jù)實(shí)際工程需要，預(yù)鋪設(shè)磁導(dǎo)引線，貨叉軌跡路徑規(guī)劃如圖8所示。空載的AGV從�？奎c(diǎn)A出發(fā)，沿磁條移動(dòng)到位置C，然后AGV由位置C運(yùn)動(dòng)到位置D處，然后直行至E出倉庫，將貨叉叉人貨物底部取料，托起貨物后回退到位置F，然后沿磁條運(yùn)行至位置F'，然后沿原路線返回至位置A。

圖 8 貨叉軌跡路徑規(guī)劃

4.2 軌跡跟蹤試驗(yàn)

AGV的軌跡跟蹤是指讓AGV沿著預(yù)鋪設(shè)好的磁條移動(dòng)。其主要通過實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)速度矢量，使AGV保持在磁條上方移動(dòng)。根據(jù)磁傳感器感應(yīng)到的磁信號(hào)，可得到位移的偏移量一一左偏1~4位，右偏1~4位，根據(jù)偏移量的不同使轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)向力矩和驅(qū)動(dòng)力矩。AGV性能測試借鑒姚建余對(duì)移載式實(shí)驗(yàn)型AGV的研究方法,在磁引導(dǎo)線上面貼上20CM×3CM的白色標(biāo)志條（如圖9所示），另外將水性畫筆固定在磁傳感器的中心位置處，并使畫筆筆芯剛好與標(biāo)志條相接觸，記錄AGV的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖 9 AGV 模糊控制自動(dòng)導(dǎo)引系統(tǒng)測試

在進(jìn)行一次叉貨，送貨和卸貨后，對(duì)各標(biāo)志條上的筆記進(jìn)行測量，分別記錄各標(biāo)志條筆跡的橫向偏移距離，經(jīng)MatLab分析后得到的結(jié)果如圖10所示。

圖 10 AGV 監(jiān)測點(diǎn)橫向誤差

由圖可見，AGV在剛啟動(dòng)時(shí)偏差范圍很小，最大偏差為2cm；在走直線路段時(shí)，偏差依舊很��；當(dāng)走轉(zhuǎn)彎路段時(shí)，AGV的偏差便增大，且增大到一定范圍后開始減小，繼而又增大。因此，叉車式AGV在走轉(zhuǎn)彎路段時(shí)的行走路線是曲折的。由試驗(yàn)結(jié)果可見，AGV的偏差范圍為±6cm，可以滿足設(shè)計(jì)的偏差要求范圍。

5 結(jié)語

針對(duì)叉車式AGV的運(yùn)動(dòng)和磁導(dǎo)引特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款模糊控制器。對(duì)磁傳感器檢測獲取的數(shù)字量偏差信號(hào)進(jìn)行分析處理，按照模糊控制規(guī)則將結(jié)果輸出給驅(qū)動(dòng)電機(jī)；分析了實(shí)際工程中的各種路況工作軌跡，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)AGV的自主導(dǎo)航，提高AGV的糾偏能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于模糊控制的叉車式AGV具有較好的軌跡跟蹤性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊天旭，樓佩煌，錢曉明.融合多模糊控制器的全方位移動(dòng) AGV路徑跟蹤控制技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2016，45（7）：57-61.
[2] 任彧，趙師濤.磁導(dǎo)航 AGV 深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)路徑跟蹤控制方法[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，39（2）：28-34.
[3] Chen D D，Shi Z Y，Yuan P J，et al. Trajectory tracking controlmethod and experiment of AGV[C]//2016 IEEE 14th InternationalWorkshop on Advanced Motion Control （AMC）.IEEE，2016：24-29.
[4] 葛紅豆，赫雷，曹雛清，等.基于模糊 PID 控制的 AGV 控制[J].兵工自動(dòng)化，2017，36（12）：76-79.
[5] 孔繁望. 基于不同型式 AGV 的建模及軌跡跟蹤控制方法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2018.
[6] 王殿君，關(guān)似玉，陳亞，等.雙驅(qū)雙向 AGV 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2016，38（3）：42-46，56.
[7] 周 曉 杰.AGV 系 統(tǒng) 及 引 導(dǎo) 方 式 發(fā) 展 趨 勢 綜 述[J].南 方 農(nóng) 機(jī) ，2017，48（4）：80.
[8] 覃尚活. 磁導(dǎo)航叉車式 AGV 控制導(dǎo)引系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南寧：廣西大學(xué)，2017.
[9] 顧俊，張宇.模糊控制的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].化工自動(dòng)化及儀表，2017，44（9）：811-812，902.
[10] Xiong B，Qu S R. Intelligent vehicle’s path tracking based onfuzzy control[J].Journal of Transportation Systems Engineering andInformation Technology，2010，10（2）：70-75文章來源于AGV吧