近年來，随著(zhe)機器人技術的快速發(fā)展，機器人的應用已經(jīng)越來越廣泛。自動導引車AGV作爲一種(zhǒng)輪式移動機器人，具有可靠性高、适應能(néng)力強、自動化程度高等優點，在現代制造系統和倉儲物流系統中被(bèi)廣泛用于貨物的運送與傳輸，是現代倉儲系統及柔性制造系統的關鍵設備之一“。導引與軌迹跟蹤是實現AGV自主移動的關鍵技術，鋪設預定軌迹的方法具有使用方便、成(chéng)本低的特點，目前被(bèi)廣泛應用于工程實際。由于AGV車輪與地面(miàn)之間屬于非完整約束，難以建立較爲精确地運動學(xué)模型，很多經(jīng)典成(chéng)熟的控制算法（如PID控制算法）較難實現而模糊控制是一種(zhǒng)基于實踐經(jīng)驗通過(guò)語言描述的方式來進(jìn)行分類的算法，無需建立精确的數學(xué)模型，容錯能(néng)力強，應用于非線性系統、高耦合系統等控制系統時有著(zhe)很好(hǎo)的效果。根據叉車式AGV的結構特點設計了相應的模糊控制器，較好(hǎo)地解決了叉車式AGV在不同路徑下的磁導航問題。

1.叉車式AGV結構與運動分析

1.1結構及驅動部分

叉車式AGV的底盤結構主要有五輪式和三輪式。三輪式叉車AGV既不能(néng)自轉也不能(néng)平移，靈活性和穩定性都(dōu)較差閻。五輪式叉車AGV相較于三輪式，在舵輪左右兩(liǎng)側各增加一個萬向(xiàng)輪，既提升了支撐平衡的性能(néng)，也能(néng)輔助轉向(xiàng)，綜合性能(néng)優于二輪式。在此所研究開(kāi)發(fā)的五輪叉車式AGV的相關尺寸如圖1所示。

圖1 AGV的底盤結構及尺寸

1.2叉車式AGV的運動和糾偏分析

考慮到叉車式AGV運行時的安全性，通常需保證貨叉在人的前方，而AGV的驅動輪位于整車的後(hòu)部，造成(chéng)了其運動方式與别的車輛有些不同。以驅動輪和自由輪爲代表，對(duì)其運動特性進(jìn)行分析，如圖2所示。首先假定AGV與地面(miàn)間無滑動摩擦，且地面(miàn)爲水平面(miàn)。當AGV發(fā)生轉動時，例如，需要AGV往上方偏移一定位移的航線上行駛時。此時，驅動輪率先順時針轉動，再驅動AGV往前行駛，將(jiāng)自由輪驅動到預定的航線上去，然後(hòu)驅動輪再反向(xiàng)轉動，將(jiāng)自身調整到航線上去。該過(guò)程通過(guò)驅動輪的擺動效果將(jiāng)AGV的運動軌迹調整到理想的航線上。調整過(guò)程中沿理想航線上行駛的距離稱爲調整距離礫調整距離與AGV自由輪的轉速、驅動輪轉動速度以及2條航線的偏距有關。

1，2，3分别爲叉車在糾差過(guò)程中出現的初始位置、中間過(guò)程、最終位置
圖2叉車式AGV底盤運動

2.AGV的導航與控制系統

2.1AGV的導航方式

AGV的導航方式有多種(zhǒng)，目前國(guó)内常見的有4種(zhǒng),①激光導引利用激光測距以及角度來确定自身定位，并實現按照期望的軌迹運動；②視覺導引通過(guò)不斷地獲取周圍的場景信息來定位，在運動過(guò)程中邊定位邊建立場景地圖，最終建立整個環境的模型，從而實現自主導航；③慣性導航根據已知位置信息，通過(guò)對(duì)運動過(guò)程中速度和方位的積分來獲取自身定位，從而可達到導航的目的；④磁導航通過(guò)在預設路徑上鋪設磁條的方法，裝在AGV上的磁傳感器獲取磁條信息，并通過(guò)實時糾偏，從而保證AGV按照預設的軌道(dào)行進(jìn)。以上方式中，磁導航以使用方便、成(chéng)本低等優點廣泛應用于工程實際，故在此基于磁導航展開(kāi)研究。

2.2控制系統硬件組成(chéng)

控制系統主要由三大部分構成(chéng)，即感知部分、決策部分和執行部分,如圖3所示。

圖3 控制系統組成(chéng)

1）感知部分作爲信息的采集與輸人，將(jiāng)底座與磁條的偏差信息傳人承擔決策作用的STM32開(kāi)發(fā)闆。主要有紅外傳感器、超聲波傳感器，經(jīng)傳感器信息融合後(hòu)，可識别叉車周圍的環境。
2）決策部分是以STM32F103ZET6嵌人式芯片爲控制系統的核心芯片。該芯片是基于Cortex-M3的内核，可以有效地處理感知部分傳來的信息，并將(jiāng)分析計算後(hòu)的結果傳送到執行部分，如圖4所示。

圖4 ARM主控闆

3）執行部分主要由轉向(xiàng)輪電機與直行輪電機以及貨叉結構的液壓馬達組成(chéng)，以實現叉車的移動和貨物的運送。

2.3 控制系統軟件結構

該AGV有2種(zhǒng)導航控制方式，基于預設磁條的自主導引控制和手動操作控制。軟件控制系統的架構如圖5所示。其中，手動控制比較簡單，通過(guò)電控驅動AGV前進(jìn)後(hòu)退，用于AGV的調試和人工駕駛。

圖5 AGV軟件系統結構

自動控制模式下，一方面(miàn)需要實時獲取AGV相對(duì)預設磁條的偏移量，并通過(guò)糾偏程序及時地減小偏差，另一方面(miàn)基于安全考慮，當有意外發(fā)生或者磁條上有障礙物存在時，AGV應能(néng)夠自動緊急制動，并在障礙物移除後(hòu)可以恢複運行狀态。此外，在實際工程中，直線行駛是AGV移動的主要運動狀态，考慮到工程效率問題，還(hái)需要編寫加減速程序。因此，在自動控制模式下主要需要編寫自動糾偏程序、緊急制動程序、加減速程序、轉彎程序以及貨叉升降程序。

3. 模糊控制算法設計

模糊控制是一種(zhǒng)模拟人思維的過(guò)程，即通過(guò)對(duì)事(shì)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，随著(zhe)系統的複雜度增大，系統的清晰程度就會(huì)逐漸降低，當達到一定的阈值時，清晰性和複雜性將(jiāng)互相排斥，于是就産生了模糊控制凹。模糊控制是一種(zhǒng)非線性控制，核心是利用模糊集合的理論知識，將(jiāng)控制算法轉變爲計算機語言所能(néng)描述的語言。由于模糊控制具有較強的魯棒性，不需要建立精确的數學(xué)模型，尤其是在處理非線性、強耦合時變等控制系統時有較好(hǎo)的效果。
模糊控制器的工作原理是將(jiāng)輸人的清晰信号經(jīng)過(guò)模糊化接口變成(chéng)模糊量，然後(hòu)經(jīng)過(guò)模糊推理算法計算，經(jīng)過(guò)模糊推理機處理後(hòu)得到模糊集合，最後(hòu)由去模糊化將(jiāng)模糊集合變成(chéng)清晰量。最基本的模糊控制系統結構如圖6所示。

圖6 模糊控制器的結構

糾偏程序是自動控制模式中的核心，糾偏程序越合理,AGV的軌迹追蹤性能(néng)就越好(hǎo)。當AGV運行在直線及轉彎角度不是很大的弧線上時，將(jiāng)調用糾偏程序。
該AGV所采用的磁導航傳感器具有16個磁信号監測點，安裝于AGV前端，距離地面(miàn)2處，選擇的磁條寬度爲3。在磁條豎直方向(xiàng)上，磁傳感器可以同時接通4個磁信号，爲确定AGV相對(duì)磁條的位置，將(jiāng)磁傳感器各個監測點進(jìn)行編号，H0—H15巧分别爲16個監測點，以低電勢0表示未檢測到磁信号，以高電勢1表示檢測到磁信号。當檢測到磁信号時，指示燈亮起(qǐ)，所有的電勢信息依次存儲在寄存器中，共占據16字節。糾偏程序中需要針對(duì)偏移情況采取繼續直行、左偏、右偏的糾偏動作。當正中間的4個監測點對(duì)應的指示燈亮起(qǐ)時，此時對(duì)應電位爲1，表示AGV處于直行狀态，見表1。

表 1 磁傳感器對(duì)應控制器 I/O 端口

考慮到地面(miàn)不完全平整，應當允許一定的誤差範圍，當正中間4個監測點左右兩(liǎng)側的另一個指示燈亮起(qǐ)時，也視爲直行狀态。根據上述分析，可將(jiāng)傳感器電位情況模糊化爲3種(zhǒng)偏差狀态，見表2。

表2 三種(zhǒng)偏差狀态

爲使AGV的運行軌迹與預設軌迹更加接近，在編寫程序時，根據不同的偏移程度使轉向(xiàng)電機的輸出力矩有所不同，且糾偏程序中的轉向(xiàng)應與表2相反。

4. 路徑規劃與軌迹跟蹤試驗

4.1 試驗裝置及路徑規劃

選取實驗室改造的AGV作爲軌迹跟蹤的試驗對(duì)象，如圖7所示。

圖 7 叉車式 AGV 試驗裝置

圖中，磁傳感器位于AGV驅動輪中軸線上，與地面(miàn)間的距離爲2cm，設置了直行、轉彎、叉貨、卸貨等位置的引導路徑，所設路徑可以滿足一般貨場的使用要求。根據實際工程需要，預鋪設磁導引線，貨叉軌迹路徑規劃如圖8所示。空載的AGV從停靠點A出發(fā)，沿磁條移動到位置C，然後(hòu)AGV由位置C運動到位置D處，然後(hòu)直行至E出倉庫，將(jiāng)貨叉叉人貨物底部取料，托起(qǐ)貨物後(hòu)回退到位置F，然後(hòu)沿磁條運行至位置F'，然後(hòu)沿原路線返回至位置A。

圖 8 貨叉軌迹路徑規劃

4.2 軌迹跟蹤試驗

AGV的軌迹跟蹤是指讓AGV沿著(zhe)預鋪設好(hǎo)的磁條移動。其主要通過(guò)實時地調節速度矢量，使AGV保持在磁條上方移動。根據磁傳感器感應到的磁信号，可得到位移的偏移量一一左偏1~4位，右偏1~4位，根據偏移量的不同使轉向(xiàng)電機輸出不同的轉向(xiàng)力矩和驅動力矩。AGV性能(néng)測試借鑒姚建餘對(duì)移載式實驗型AGV的研究方法,在磁引導線上面(miàn)貼上20CM×3CM的白色标志條（如圖9所示），另外將(jiāng)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(hǎo)與标志條相接觸，記錄AGV的實際運動軌迹。

圖 9 AGV 模糊控制自動導引系統測試

在進(jìn)行一次叉貨，送貨和卸貨後(hòu)，對(duì)各标志條上的筆記進(jìn)行測量，分别記錄各标志條筆迹的橫向(xiàng)偏移距離，經(jīng)MatLab分析後(hòu)得到的結果如圖10所示。

圖 10 AGV 監測點橫向(xiàng)誤差

由圖可見，AGV在剛啓動時偏差範圍很小，最大偏差爲2cm；在走直線路段時，偏差依舊很小；當走轉彎路段時，AGV的偏差便增大，且增大到一定範圍後(hòu)開(kāi)始減小，繼而又增大。因此，叉車式AGV在走轉彎路段時的行走路線是曲折的。由試驗結果可見，AGV的偏差範圍爲±6cm，可以滿足設計的偏差要求範圍。

5 結語

針對(duì)叉車式AGV的運動和磁導引特點，設計了一款模糊控制器。對(duì)磁傳感器檢測獲取的數字量偏差信号進(jìn)行分析處理，按照模糊控制規則將(jiāng)結果輸出給驅動電機；分析了實際工程中的各種(zhǒng)路況工作軌迹，通過(guò)編寫程序實現AGV的自主導航，提高AGV的糾偏能(néng)力。試驗結果表明，基于模糊控制的叉車式AGV具有較好(hǎo)的軌迹跟蹤性能(néng)。

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