張艷,朱振偉

二維碼導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)研究

張艷,朱振偉

河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 新鄭 451191

為了提高自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）的定位精度，實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)精確停靠，本文利用Data matrix二維碼的顯著特征和預(yù)存在二維碼中的位置信息對(duì)AGV進(jìn)行導(dǎo)航和定位。鑒于受地面不平和打滑等因素影響AGV在運(yùn)行過(guò)程容易跑偏的問(wèn)題，采用二步糾偏法在導(dǎo)航方向上對(duì)AGV進(jìn)行糾偏。具體而言，首先采用純追蹤運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)位置糾偏，然后采用于積分分離PID實(shí)現(xiàn)角度糾偏。實(shí)驗(yàn)證明，采用二維碼導(dǎo)航的AGV運(yùn)行平穩(wěn)，定位精確。

二維碼導(dǎo)航; 純追蹤算法; PID

作為機(jī)器人領(lǐng)域最柔性的自動(dòng)化裝配及搬運(yùn)設(shè)備，自動(dòng)導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle，AGV)越來(lái)越受到各行各業(yè)的青睞，AGV的核心技術(shù)之一是導(dǎo)航技術(shù)，常見的導(dǎo)航技術(shù)有磁導(dǎo)航技術(shù)，激光導(dǎo)航技術(shù)，慣性導(dǎo)航技術(shù)，視覺導(dǎo)航技術(shù)，RFID定位導(dǎo)航等。以上各種導(dǎo)航技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中利用二維碼技術(shù)，將軌跡及位置信息存儲(chǔ)在二維碼標(biāo)簽中實(shí)現(xiàn)AGV的輔助定位和軌跡跟蹤[1]。這種導(dǎo)航方式定位精確，鋪設(shè)、改變路徑也較容易，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

和磁釘導(dǎo)航方式相似[2,3]，在AGV移動(dòng)路徑上，每隔一段距離或特定位置處，鋪設(shè)二維碼。AGV在移動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)車載工業(yè)相機(jī)掃描到二維碼，通過(guò)識(shí)別當(dāng)前二維碼來(lái)確定AGV位置和姿態(tài)信息，計(jì)算出AGV在航向上的角度誤差和位置誤差，進(jìn)而修正AGV的運(yùn)動(dòng)路線，以更正確的姿態(tài)向下一個(gè)二維碼行駛。

1 基于DM碼導(dǎo)航的AGV的定位算法

圖 1 DM二維碼定位示意圖

2 AGV的運(yùn)動(dòng)控制

其中為兩驅(qū)動(dòng)輪之間的間距。

AGV在運(yùn)行過(guò)程中，只需要控制驅(qū)動(dòng)左、右兩輪直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)AGV的直行、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作[8]。但是，由于AGV兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性不會(huì)完全相同，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中又受地面的影響，AGV會(huì)產(chǎn)生運(yùn)行偏差，運(yùn)行偏差不僅有方向偏差也有位置偏差，為了保證能夠?？康矫總€(gè)站點(diǎn)上，AGV在運(yùn)行過(guò)程中需要糾偏。AGV糾偏算法中常用的PID算法和模糊PID算法[9,10]等控制方法已在有軌AGV控制領(lǐng)域取得了較好的控制效果。但基于二維碼導(dǎo)航AGV系統(tǒng)獲得AGV完整姿態(tài)信息只能在掃描到二維碼時(shí)瞬時(shí)提供，所以上述方法不能完全適用于二維碼定位導(dǎo)航[11]。因此，本文提出了二步糾偏法，第一步采用基于純追蹤運(yùn)動(dòng)模型糾偏算法進(jìn)行位置糾偏，第二步，在實(shí)現(xiàn)第一步的基礎(chǔ)上，采用較好實(shí)現(xiàn)的PID控制器來(lái)進(jìn)行AGV航向上的角度糾偏控制。

2.1 純追蹤運(yùn)動(dòng)模型控制位置糾偏

位置偏差階段采用純追蹤模型算法控制。純追蹤模型控制方法原理是一種幾何方法，它根據(jù)AGV的當(dāng)前位置A點(diǎn)確定AGV到達(dá)目標(biāo)位置B點(diǎn)所需行駛的一個(gè)或多個(gè)圓弧[12,13]。本文以位置偏差大于0,角度位置偏差小于0為例來(lái)說(shuō)明純追蹤模型糾偏算法。如圖所示,以AGV當(dāng)前掃描到的二維碼中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，A點(diǎn)是AGV當(dāng)前的位置，AGV的當(dāng)前位置信息P(1,1,)可以通過(guò)相機(jī)掃描二維碼讀出，B點(diǎn)在二維碼之間連線上，表示由A、B兩點(diǎn)確定的直線的傾斜角。

圖 2 純追蹤算法位置糾偏

由幾何關(guān)系可知：

求得：

由式子（3）、（8）可得：

調(diào)節(jié)當(dāng)前左、右輪的速度滿足式(9)改變當(dāng)前AGV運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)位置糾偏。

2.2 基于積分分離PID控制角度糾偏

消除位置偏差后，將AGV航向上的角度偏差作為輸入，采用積分分離PID控制算法實(shí)現(xiàn)角度糾偏。采用積分分離的目的主要是當(dāng)實(shí)際角度偏差和設(shè)定的角度偏差比較大時(shí)，取消或減弱積分作用，避免由于積分作用使系統(tǒng)超調(diào)量增大，產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低[14]。當(dāng)偏差值較小時(shí)，通過(guò)修改開關(guān)系數(shù)逐漸引人積分控制，以便消除靜差提高控制精度[15]。

積分分離PID控制采用增量式PID，控制算法可以表示為：

式中為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。

取三個(gè)閾值分割點(diǎn)，1.5、0.8、0.2，的取值為：

3 結(jié)果及分析

基于二維碼導(dǎo)航的AGV樣機(jī)，如圖3所示。該AGV的車體尺寸為0.45 m×0.38 m。兩驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱安裝于車體左右兩側(cè)，二維碼相機(jī)安裝在兩驅(qū)動(dòng)輪中間，為了保證車體平衡，車體后方對(duì)稱裝有一對(duì)萬(wàn)向輪。AGV上裝有陀螺儀采集角度信息，車載控制器采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)。

圖 3 二維碼導(dǎo)航AGV樣車

實(shí)驗(yàn)中，二維碼的張貼間距為1000 mm，分別以0.7 m/s、1.0 m/s、1.4 m/s、1.7 m/s、2.0 m/s速度測(cè)試，AGV從第一個(gè)二維碼啟動(dòng)后連續(xù)經(jīng)過(guò)6個(gè)二維碼停止，在運(yùn)行過(guò)程中，車載控制器通過(guò)無(wú)線Wifi將掃描到的二維碼信息實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)上。調(diào)試成功后，AGV每經(jīng)過(guò)一個(gè)二維碼的位置信息如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AGV運(yùn)行速度在1~2.5 m/s之間運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)漏碼，跑偏現(xiàn)象。

表 1 AGV運(yùn)行軌跡偏差

4 結(jié)論

本文研究了基于DM二維碼AGV的導(dǎo)航方式，提出了將位置信息存儲(chǔ)到DM碼中，利用存儲(chǔ)在DM碼中的位置信息和DM碼顯著特征L邊進(jìn)行定位和導(dǎo)航的方法。為了解決受地面不平和打滑等因素影響AGV在運(yùn)行過(guò)程容易跑偏的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的控制算法，實(shí)驗(yàn)證明基于DM二維碼導(dǎo)航的AGV，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航，也能實(shí)現(xiàn)精確定位，鋪設(shè)或改變路徑也比較容易，因此這種導(dǎo)航方式的AGV在物流行業(yè)有很好的的前景。

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Study on AGV Control System with Two-dimensional Code Navigation

ZHANG Yan, ZHU Zhen-wei

451191,

In order to improve the positioning accuracy of the AGV and achieve accurate docking at multiple sites, in this paper, two-dimension code with Data matrix and prestored position information had been applied in navigation and location.Two step correction method was applied in correcting the directions of AGV in view of uneven ground and skidding during AGV running. Specifically speaking, Firstly, the pure pursuit model is used to correct positional deviation, and then the integral separation PID is used to correct angle deviation. Test showed that the AGV based on two-dimensional code navigation ran smoothly and the positioning was accurate.

Two-dimensional code navigation;algorithm of pure pursuit; PID

V448.133

A

1000-2324(2019)03-0441-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.018

2018-04-03

2018-05-26

張艷(1972-),女,碩士,副教授,研究方向機(jī)電一體化技術(shù). E-mail:zy-mwx@126.com