AGV及其滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計

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1、第20卷第6期機械設(shè)計與研究Vol.20No.62004年12月MachineDesignandResearchDec.,2004文章編號:100622343(2004)062013203AGV及其滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計宋立博,張家梁,李蓓智,楊建國(東華大學機械工程學院,上海200051,E2mail:lwlsjtu@163.com)摘要:設(shè)計了后面兩輪驅(qū)動,前輪采用萬向輪的三輪AGV。在簡要介紹其結(jié)構(gòu)和考慮非完整約束基礎(chǔ)上,使用矩陣方法分析了AGV轉(zhuǎn)彎問題,得出柔順運動模式下的狀態(tài)空間和控制方程。同時,搭建了PC機為上位

2、機,MCS51單片機為下位機的CAN總線無線通訊系統(tǒng)。優(yōu)化參數(shù)下的路徑跟蹤仿真和實驗證明了滑模變結(jié)構(gòu)控制器和無線通訊系統(tǒng)的有效性。關(guān)鍵詞:非完整約束;自動導(dǎo)航車;CAN現(xiàn)場總線;滑模變結(jié)構(gòu)控制中圖分類號:TP242.1文獻標識碼:A自動導(dǎo)航車AGV(AutomatedGuidedVehicle)是自動化生傳動軸、滾輪、同步帶輪、下支撐軸承、同步帶、上支撐架、上產(chǎn)車間和柔性制造系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturinsSystem)傳動軸、上支撐軸承、斜齒輪傳動副。在驅(qū)動電機和滾輪轉(zhuǎn)中的重要設(shè)備。國內(nèi)外學術(shù)界對后

3、面兩輪差動驅(qū)動前輪萬速不同時,即可實現(xiàn)差動驅(qū)動。[1]向轉(zhuǎn)彎的AGV進行了深入研究,分別使用模糊方法、神同時,采用萬向輪作為前滾輪,使AGV具有了全向運動[2][3][4]經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、邏輯控制方法和光能力。這種結(jié)構(gòu)的AGV具有如下優(yōu)點:①傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對[5]流場理論設(shè)計了其控制器,使用藍牙技術(shù)(Bluetooth)實現(xiàn)稱,可減少運動過程中下傳動軸的變形,防止?jié)L輪卡死;②傳[6]了上位機和AGV之間的無線通訊。動平穩(wěn),可減少AGV起動和停止過程中的沖擊;③結(jié)構(gòu)簡但是,這些分析和設(shè)計中存在如下問題:①僅考慮了

4、運單,易于維護。動學靜態(tài)約束的影響,沒有考慮動力學動態(tài)約束對其狀態(tài)空1.2AGV狀態(tài)空間和控制方程間和控制器設(shè)計的影響;②采用左轉(zhuǎn)彎時左后輪停止右后輪首先作如下假定:①包括輪胎在內(nèi)的AGV為剛體,在運驅(qū)動,右轉(zhuǎn)彎時右后輪停止左后輪驅(qū)動的非柔順轉(zhuǎn)彎方式,動過程中無變形;②滾輪在運動過程中純滾動;③忽略AGV限制了其靈活性;③沒有考慮運動參數(shù)優(yōu)化問題,AGV系統(tǒng)的裝配誤差和尺寸誤差;④軸承處的摩擦阻力矩以及滾輪與未在最優(yōu)運動參數(shù)條件下運動。地面之間的滑動和滾輪摩擦力符合庫侖定律,為滾輪轉(zhuǎn)動角本文將在簡要速度和正壓力的線性函數(shù);

5、⑤相對驅(qū)動滾輪而言,萬向輪繞介紹AGV傳動系統(tǒng)水平軸和垂直軸的阻力矩忽略不計?；A(chǔ)上,討論非完從本質(zhì)上講,輪式AGV是一復(fù)雜的非完整系統(tǒng),可以使整約束條件和柔順用Routh方程、Maggi方程或Kane方程等獲得其動力學方方式下其狀態(tài)空間程,進而獲得AGV的狀態(tài)空間方程和控制方程。但是,這些和控制方程分析過方法分析過程過于復(fù)雜;在選擇不同的準速度時,又可能得程,及滑模變結(jié)構(gòu)到不同的動力學方程。一般情況下,AGV工作在左轉(zhuǎn)彎時控制器設(shè)計方法。左輪停轉(zhuǎn)右輪驅(qū)動,右轉(zhuǎn)彎時右輪停轉(zhuǎn)左輪驅(qū)動的非柔順方1AGV結(jié)構(gòu)式,驅(qū)動電機存在頻繁

6、的反復(fù)啟動,在使系統(tǒng)遭受頻繁沖擊▲圖1AGV傳動系統(tǒng)圖與控制方程的同時也大大影響電機的使用壽命。為克服復(fù)雜數(shù)學推導(dǎo)和非柔順轉(zhuǎn)彎方式的缺點,本文設(shè)1.1AGV結(jié)構(gòu)計了AGV整體繞其瞬心o′運動的柔順轉(zhuǎn)彎方式和將電機為使AGV具驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滾輪與地面之間摩擦力的分析方法。為便于有柔順轉(zhuǎn)彎能力,分析,建立的慣性坐標系如圖2所示。在假設(shè)②和④條件后面兩滾輪采用如下,可將電機的驅(qū)動(控制)轉(zhuǎn)矩等效轉(zhuǎn)換為滾輪與地面之間圖1所示的單獨驅(qū)的摩擦力。此時,可得到如下所示的AGV運動方程:動方式。其中,部1件1至12分別為m¨x=(Tl+Tr

7、-kωl-kωr)cosθ+λsinθr直流伺服電機、固1m¨y=(Tl+Tr-kωl-kωr)sinθ-λcosθ▲圖2AGV運動模型定板、下支撐架、下r1θI¨=[(ρ+l2)(Tr-kωr)-(ρ-l2)(Tl-kωl)]r收稿日期:2004-06-25?xsinθ-?ycosθ=0基金項目:國家863/機器人主題“支持產(chǎn)品快速開發(fā)的主動尋位自動化通用安裝系統(tǒng)”資助項目(2001AA421260)(1)14機械設(shè)計與研究第20卷式中,x和y為AGV底板中心在坐標系O2xy中的投影;m制器在滑模面上的頻繁切換,一種思路

8、就是利用AGV的慣為AGV總質(zhì)量;r為滾輪半徑;I為AGV相對于瞬心的轉(zhuǎn)性使其運行在滑模面附近。動慣量;θ為AGV縱向?qū)ΨQ線與x軸間的夾角;Tl、Tr為左為此,可采用具有誤差可周期性變化的AGV輸出:右電機的驅(qū)動(控制)轉(zhuǎn)矩;ρ為瞬心至AGV縱向?qū)ΨQ線在z1=x+hcos(θ+ωt)(7)水平面上投影的