（机械电子工程专业论文）激光导引agv模糊控制技术的研究.pdf

导师： 岂知| | 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴互些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：至歙走签字日期：勿年矿月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁至些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月墨互些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ： 学位论文者签名：至秋术， 签字日期：伤i j 年牛月彩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名致 签字日期：抄f f 年年月“日 电话： 邮编： 激光导引a g v 模糊控制技术的研究 捅要 本文以单轮驱动式工业实用型激光导引a g v 为研究对象，研究了a g v 的 系统结构、路径跟踪控制算法，开发了控制系统软件，并对a g v 进行了实验 研究与分析。 首先介绍了a g v 的车体部分、蓄电池和充电装置、激光导引系统、安全 防撞装置、货物运载系统、通讯系统、驱动转向系统等各部分的作用及工作原 理。 针对a g v 的路径跟踪控制要求，提出了激光导引a g v 的双位置闭环控制 系统。其中内环为半闭环的电机转角位置环，通过伺服电机的精确运行，保证 系统的动态特性；外环为测量a g v 实际位姿的全位置闭环，通过路径跟踪控 制器控制系统的稳态误差，内外环相互作用可以保证a g v 的控制精度和跟随 速度。 分析了a g v 路径跟踪误差产生的原因及计算方法，研究了激光导引a g v 的常规模糊控制系统，并将其应用在实际a g v 工作中进行验证，针对实际运 行状况中存在的a g v 高速行走时控制精度低、震荡大、跟踪速度慢等问题， 进行了分析。为了提高a g v 的控制效果，对常规模糊控制算法进行了改进， 提出根据a g v 行走速度调整模糊比例因子，并将具有预测功能的微分算法融 入其中，设计了一种新型模糊预测控制系统。 应用c 拌n e t 编程语言，开发出了一套a g v 控制系统软件。该软件采用模 块化设计的思想，各模块之间按照一定的逻辑关系相互连接，使系统设计更加 简便。 针对a g v 模糊预测控制系统进行了实验研究，最终确定了模糊预测控制 系统中各参数的值。在此基础上，对a g v 的几种不同轨迹进行了路径跟踪实 验，对实验中出现的误差情况进行了深入分析。实验结果证明，与常规模糊控 制算法相比，模糊预测控制算法可使a g v 的路径跟踪误差控制在一定的范围 之内，不仅行走平稳，误差调节速度快，而且还显著提高了a g v 高速行走时 的控制精度和稳定性。当a g v 速度v 6 0 m m i n 时，直线跟踪时的路径法向位 置误差可保证在o 0 1m 内，方位角误差在o 0 1r a d 之间。以上实验结果表明， a g v 控制系统运行平稳、性能良好，能满足实际生产需要。 关键词：激光导引a g v ；路径跟踪；模糊控制；实验研究 s t u d yo nf u z z y c o n t r o ls y s t e mo fal a s e r - - g u i d e da g v a b s t r a c t b a s e do n as i n g l ew h e e ld r i v et y p eo fi n d u s t r i a l l a s e r - g u i d e da g v ，t h e s t r u c t u r eo ft h ea g v s y s t e m ，p a t ht r a c k i n gc o n t r o l ，s o f t w a r ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e e x p e r i m e n t si n t e r r e l a t e dw i t ht h ea b o v ew e r es t u d i e d f i r s t l y ，t h ef u n c t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea g vs y s t e mw h i c hw a s d i v i d e di n t os e v e r a lp a r t ss u c ha sb o d yp a r t ，b a t t e r ya n dc h a r g ed e v i c e ，l a s e r g u i d a n c es y s t e m ，s a f ea n t i - c o l l i s i o nd e v i c e ，c a r g ot r a n s p o r ts y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，s t e e r i n gd r i v es y s t e m ，e t c ，w a si n t r o d u c e d a i m i n ga tt h ep a t hf o l l o w i n gc o n t r o l ，ad o u b l ep o s i t i o nc l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e mo fl a s e r g u i d e da g v w a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sc o n s i s t e do ft h eh a l fi n n e r c l o s e d l o o pm e a s u r i n gt h ea n g l eo fm o t o r a n dt h e i n t e g r a t e d o u t e r p o s i t i o n c l o s e d 1 0 0 pc a l c u l a t i n gt h ea c t u a lp o s i t i o na n do r i e n t a t i o no fa g v t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mc a nb ee n s u r e db yt h ep r e c i s eo p e r a t i o no fm o t o ri nt h e i n n e rl o o p ，a n dt h es t e a d y - s t a t ee r r o ro ft h es y s t e mc a nb ec o n t r o l l e db yap a t h t r a c k i n gc o n t r o l l e ri nt h eo u t e rl o o p ag o o dc o n t r o lp r e c i s i o na n df o l l o w i n gs p e e d c a nb eo b t a i n e di nt h ei m p a c to ft h et w oc l o s e d l o o p s t h ec a u s ea n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ea g vp a t h t r a c k i n ge r r o rw a s a n a l y z e d t or e d u c eo re l i m i n a t et h ee r r o r ，t h ec o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r o ls y s t e m o ft h el a s e r g u i d e da g vw a ss t u d i e da n da p p l i e di np r a c t i c a le x p e r i m e n t t h e r e s u l to fl o wc o n t r o lp r e c i s i o n ，o b v i o u sv i b r a t i o na n ds l o wt r a c k i n gs p e e dw a s s h o w e dw h e na g vm o v e dw i t hah i g hs p e e dt h r o u g hp l e n t yo fe x p e r i m e n t s t h e d e t a i l e da n a l y s i sh a sb e e nd o n ew i t ha b o v ee x p e r i m e n tr e s u l t i no r d e rt oi m p r o v e t h ec o n t r o le f f e c to fa g v ，an e wf u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db y i n t r o d u c i n gt h ed i f f e r e n t i a t i o na l g o r i t h mw h i c h c a nd e c r e a s et h ed e l a yt i m ea n dh a s t h ee f f e c to fp r e d i c t i o ni n t ot h ec o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r o ls y s t e m a d d i t i o n a l l y ， c o n s i d e r i n gt h a tt h ec o n t r o la c c u r a c yo ft h ea g vs y s t e mw a ss e r i o u s l yi n f l u e n c e d b yt h ev a r i a b l e f a c t o r so ft h ef u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o l l e r ，t h eo u t p u tv a r i a b l e p r o p o r t i o n a l i t yf a c t o rw a sd e s i g n e dt o b ec h a n g e da u t o m a t i c a l l yw i t ht h ea g v m o v e m e n ts p e e d t h es o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t e db yt h ed e s i g ni d e ao fm o d u l a r i z a t i o n ， w a s d e v e l o p e db y t h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g e c f n e t e a c hm o d u l ei s i n t e r c o n n e c t e dw i t he a c ho t h e rb yc e r t a i nl o g i c a lr e l a t i o n s h i ps ot h a tt h es y s t e m w a sd e s i g n e dm o r ee a s i l y i no r d e rt om a k et h ec o n t r o ls y s t e mp e r f e c ta n d p e r f o r mt h ec o n t r o le f f e c t i v e l y 、 t h ee x p e r i m e n t sa b o u ta g v m o v i n gi nd i f f e r e n tt y p e so fp a t ht r a c k i n gw e r ed o n e a n dt h ep a r a m e t e r so ft h e f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e mw e r eo b t a i n e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea g vm o v e dm o r es t e a d i l y ，a n dt h ep a t he r r o r w a sa d j u s t e dm o r er a p i d l ya n dc a nb ek e p ti nac e r t a i nr a n g ei nt h ee f f e c to f t h e f u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lf u z z yc o n t r o l a l g o r i t h m 。o t h e r w i s e ，t h en e wc o n t r o la l g o r i t h mc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h e r a p i d i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep a t ht r a c k i n gw h e nt h ea g vw a s m o v i n ga th i g h - s p e e d 1h ep o s i t i o ne r r o rw a sb e t w e e n 一0 01a n d0 01 m ，a n dt h ea n g l ee r r o rw a sb e t w e e n _ 0 01a n d0 01r a dw h e nt h ea g v m o v e df o l l o w i n gt h ep r e d e f i n e dl i n er o u t e t h e s e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea g vc o n t r o l s y s t e mr a ns m o o t h l ya n d r o b u s t l y ，a n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：l a s e r 。g u i d e da g v ；p a t ht r a c k i n g ；f u z z yc o n t r o l ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 致谢 值此论文完成之际，回想起这三年在工大攻读硕士学位期间的点点滴滴， 我要特别感谢我的老师、同学、朋友和家人，感谢他们在我求学的过程中给了 我莫大的关心和帮助。 首先，感谢我的导师吴焱明老师。吴老师渊博的知识、严谨的治学态度、 丰富的实践经验、求实的工作作风以及谦和的待人风范，都给我留下了很深刻 的印象。在学业及课题研究方面，吴老师给予了我许多耐心的指导和无私的帮 助，并提出了很多建设性的意见，使我在学习、科研等方面的能力得到了很大 的提升；在做人方面，吴老师言传身教，为我们树立了做学术研究的端正的科 学态度。吴老师对我的严格要求和精心培养将使我终身受益，在此，再一次向 吴老师致以最衷心的感谢! 衷心感谢安徽省数字化设计与制造重点实验室提供的科研设备和实验条 件，感谢赵韩教授、韩江教授、陈科教授、董玉德教授、许少平高工以及实验 室的所有老师给予我的帮助和指导。 本课题的研究得到了王军、尹晓红师姐，牛卫东同学以及师弟王磊、刘永 强、徐湛楠、赵帅、伍祥龙，师妹伍斌的大力支持和帮助，他们让我感受到了 集体的温暖和力量，在此一并向曾经帮助过我的所有老师、同学表示诚挚的感 谢。 感谢我的家人，在我多年的求学过程中，一直给予我支持、信心和温暖。 特别感谢我的父母，他们对我的学业提供了物质资助和精神支持，使我顺利完 成今天的学业。 最后，向在百忙之中抽出宝贵时间评审本论文，参加本论文答辩工作的各 位专家教授表示衷心的感谢! 作者：王秋杰 2 0 11 年3 月15 日 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 1 第三章 3 1a g v 路径跟踪误差分析_ 2 0 3 1 1 直线路径跟踪误差一2 0 3 1 2 圆弧路径跟踪误差2 2 3 2a g v 常规模糊控制系统的设计2 3 3 2 1 模糊控制系统设计简介2 3 3 2 2a g v 常规模糊控制器结构设计2 4 3 3 常规模糊控制器的实验结果分析2 9 3 4 激光导引a g v 的双位置闭环控制系统设计3 1 3 5 模糊预测控制器的设计31 3 5 1 模糊预测控制器的结构3 l 3 5 2 计算a g v 的修正误差一3 2 3 5 3 通过模糊控制算法求得a g v 控制量- 3 3 3 6 本章小结3 3 第四章控制系统软件设计3 4 4 1 软件开发语言的选取j 3 4 4 2 软件控制系统开发设计3 5 4 2 1 软件系统的结构及各功能模块的实现3 5 4 2 1 软件控制系统的控制界面4 0 4 3 本章小结4 2 第五章实验研究与分析4 3 5 1 模糊预测控制器基本控制参数的确定一4 3 5 2 模糊预测控制器预测参数的确定4 5 5 3 模糊预测控制器的实验结果分析一4 7 5 4 各种运行轨迹下的实验结果与分析4 9 5 5 本章小节一5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 展望5 4 参考文献一5 5 攻读硕士学位期间发表的论文一5 8 插图清单 图2 1 激光导引a g v 实物图一8 图2 2 激光导引定位原理示意图1 0 图2 3n a v 2 0 0 激光定位系统l l 图2 4 $ 3 0 0 0 激光扫描安全系统1 2 图2 5 $ 3 0 0 0 工作原理图一1 2 图2 - 6 $ 3 0 0 0 工作区域划分示意图1 3 图2 7 液压部分工作原理图1 5 图2 8a g v 局域网络示意图：1 6 图2 9a g v 驱动转向系统示意图1 7 图2 。l o 控制系统硬件结构组成框图1 8 图3 1a g v 路径组合图2 0 图3 2a g v 直线路径跟踪误差示意图2 1 图3 3 a g v 圆弧路径跟踪误差示意图2 2 图3 4 模糊控制系统结构示意图2 3 图3 5 模糊控制器的基本设计流程图2 4 图3 - 6a g v 常规模糊控制系统图2 5 图3 7 输入变量的隶属度函数图2 6 图3 8 输出变量的隶属度函数图一2 6 图3 - 9m a m d a n i 模糊推理示意图2 7 图3 1 0a g v 在低速运行状态下的运动控制图，= 3 0 m m i n 3 0 图3 11a g v 在高速运行状态下的运动控制图v = 6 0 m m i n 3 0 图3 1 2a g v 双位置闭环控制系统框图3l 图3 1 3 激光导引a g v 模糊预测控制系统图3 2 图4 1a g v 控制系统软件模块3 5 图4 2a g v 控制系统初始化流程图3 6 图4 3a g v 自动运行流程图3 7 图4 4 模糊预测控制算法的程序实现流程图3 8 图4 5a g v 控制系统总流程图3 9 图4 6a g v 控制系统主控界面一4 0 图4 7a g v 控制系统手动调整界面4 0 图4 8a g v 控制系统自动运行界面4 2 图5 1 不同模糊量化因子k 。下的法向位置误差e 。调整图一4 4 图5 2 不同模糊量化因子七，下的法向位置误差e 。调整图4 5 图5 3v = 6 0 m m i n 时不同预测参数下的法向位置误差e 。调整图4 7 图5 41 ，：6 0 m m i n 时不同预测参数下的方位角误差e 。调整图4 7 图5 5a g v 高速行走时的实际轨迹图一4 8 图5 - 6a g v 高速行走时的误差调整及控制量曲线图4 9 图5 7 直线圆弧直线实际行走轨迹图5 0 图5 8 直线一圆弧一直线轨迹的误差示意图5 0 图5 - 9 圆弧一圆弧一直线的实际行走轨迹图5 1 图5 1 0 圆弧一圆弧一直线轨迹的误差示意图5 1 i v 表2 1a g v 性能 表3 1 模糊控制 表5 1 部分行驶 表5 2 试验方案 表5 3 部分行驶 v 第一章绪论 1 1a g v 概述 a g v 是自动导航运输车( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ) 的英文缩写。根据美国 物流协会定义，a g v 是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导 引路径行驶，同时还具有自动编程、安全保护和各种移载功能的运输设备l l j 。 a g v 是现代物流系统的关键设备之一，它的出现，不仅改变了工业生产领域中 以传统的刚性运输设备和人工劳作为主的局面，而且节约了生产成本，提高了 运输效率。a g v 以蓄电池作为动力，进行自主式导引，可根据实际需要配备不 同的移载机构，如货叉、辊道等，以完成相应的运输任务。 1 1 1a g v 的导引方式及分类 导引方式是a g v 单机控制系统的核心技术，它不仅决定着系统的柔性， 同时也影响着系统运行的各方面性能。随着科学技术的不断发展，多种导引方 式已应用到a g v 中。 a g v 按照导引方式有无导引路径可分为固定路径导引和自由路径导引两 大类【2 4 】。固定路径导引是指在a g v 的运行路径上设置导引用的信息媒介物， 通过车体上的传感器检测出其信号从而得到导引的一种方式，如光学导引、电 磁导引、磁带导引等。自由路径导引方式是指在a g v 的控制器上存储着区域 布置的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径的一种导引方 式，主要有惯性导引、激光导引、视觉导引等。各种导引方式分别简要介绍如 下【5 】： 1 ) 电磁导引a g v 。电磁导引是a g v 的传统导引方式之一，它的基本原理 是通过在a g v 的行驶路径上埋设金属导线，并加载交变电流，使导线周围产 生磁场，a g v 上的感应线圈通过对导引磁场强弱的识别和跟踪，实现a g v 的 导引。其特点是导引原理简单可靠且导引线隐蔽，不易被污染和破损，制造成 本低，但路径的扩充或更改很麻烦，易受干扰，仅适用于简单路径。 2 ) 光学导引a g v 。光学导引a g v 的基本原理和方法与电磁导引相似。一 般是在行驶路径上铺设一条具有稳定反光率的色带，a g v 车上装有光源发射和 接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方 向。其特点是灵活性好，地面路线的设置简单易行，但对色带的机械磨损和污 染十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差。 3 ) 惯性导引a g v 。惯性导引的原理是在a g v 上安装惯性陀螺仪，并在行 驶路径上安装定位块，a g v 根据采集的地面定位信号计算陀螺仪的偏差信号， 以确定自身的位置和方向，从而实现导引。其特点是定位精度高、灵活性强、 便于组合和兼容，但陀螺仪对振动较敏感，地面条件对a g v 的可靠性能影响 很大，后期维护成本高。 4 ) 激光导引a g v 。激光导引的原理是在a g v 运行环境中安装位置精确的 反射板，a g v 通过发射激光束，并采集不同角度的反射板反射回来的信号，根 据三角几何运算算法来确定其当前的位姿，实现导引的功能。其特点是定位精 度高、能适应复杂的工作环境及路径条件、可快速变更行驶路径和修改运行参 数，但车体构造需首先保证激光扫描仪的工作要求，且a g v 抗光干扰的纠错 能力有一定的局限性。 5 ) 视觉引导a g v 。视觉导引控制的原理是利用图像传感器来采集路面上 条带状路径标线的图像信息，通过计算机进行识别与处理，计算出车辆与路径 标线之间的相对位置误差，从而控制a g v 的运行方向，保证其沿着路径标线 运行。其特点是引导路径的设置和变更简单方便、成本低、易维护，但易受到 光线的干扰。 1 1 2a g v 的国外发展状况与应用 世界上第一台a g v 是美国b a r r e t te l e c t r i c 公司于1 9 5 3 年研制成功的，它 是一种牵引式的a g v 系统，其控制系统基于真空管技术，能自动跟踪一条钢 丝索行走。随着电子技术水平的发展，5 0 年代后期，晶体管开始取代真空管， 使控制系统的体积减小，性能也更为可靠，从而进一步推动了a g v 技术的发 展【6 】o 6 0 7 0 年代，由于受诸种因素制约，a g v 在美国的发展相对缓慢，但在欧 洲却得到了迅速发展并推广应用1 7 - 8 】。1 9 6 9 年，瑞典在物流系统中首次采用了 a g v ，此后a g v 的应用迅速扩展起来，应用领域也越来越广泛，主要集中在 制造业特别是汽车制造业。19 7 4 年，瑞典v o l v ok a l m a r 轿车装备厂与 s c h i i n d e r d i g i t r o n 公司合作，研制出一种可用于装载轿车车体的a g v ，并将多 台a g v 应用于轿车装配线上，取得了显著的经济效益。1 9 8 2 年，德国出现了 世界上第一台无人叉车。1 9 8 3 年，欧洲安装了3 3 0 台由各种形式的a g v 组成 的a g v s 系统，而使用的a g v 则多达3 9 0 0 多台。1 9 9 0 年，瑞典n d c 公司开 发了第四代a g v 控制系统一一激光导引系统。 同时，a g v 在日本也得到了较广的应用。19 6 6 年，日本的一家运输设备 供应厂与美国的w e b b 公司合资开设了日本的第一家a g v 工厂，此后a g v 技 术在日本迅速发展起来。到19 8 6 年，日本累计安装了2 3 12 个a g v 系统，拥 有5 0 3 2 台a g v 2 】【9 】【10 1 。直至19 8 8 年，日本a g v 制造厂已达2 0 余家。日本也 成为a g v 应用最广的国家之一。 2 0 0 4 年底，瑞典n d c 公司又推出了最新的n d c 8 控制系统j 。该控制系 支统具有开放式系统的特点，能支持多重导航。由于掌握了核心技术，国外的 2 科研人员正对a g v 的潜力进行更深层次的挖掘，如在导引方式的研究方面， 正在进行激光与电磁导航等混合导引方式的研发。 1 1 3a g v 的国内发展状况与应用 由于a g v 在自动化行业的重要性，国内也开始了对a g v 的研发工作，总 体来讲，国内a g v 的技术来源有两个方面： 1 直接引进国外技术和产品【7 】【9 】【1 1 1 。 1 9 8 0 年上海石化总厂引进日本大福公司的a g v s 系统用于涤纶长丝作业， 这也是国内出现的第一套a g v s 系统。 1 9 9 6 年玉溪卷烟厂从韩国三星引进5 2 台电磁导引a g v ，这是国内企业中 使用a g v 系统数量最多的公司。 1 9 9 6 年8 月云南昆船设计研究院与瑞典n d c 公司签订合作协议，在中国 首家引进n d c 的激光导引a g v 技术。 2 0 0 3 年，北京机科发展公司引进了n d c 的核心技术，成为国内为数不多 的a g v 系统供应商之一。 2 0 0 4 年，沈阳新松机器人自动化股份公司与n d c 公司结成战略合作伙伴 关系，引进了n d c 控制系统。 2 自主研发。我国a g v 研究起步较晚但也取得了一定的成果。如北京起 重运输机械研究所、中科院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、清华大学、 吉林大学、合肥工业大学等都在进行不同类型a g v 的研制，有的已小批量投 入生产。 1 ) 在固定导引a g v 方面i l 2 j 19 9 5 年，北京起重运输机械研究所研制成了我国第一台电磁导引定点通讯 的a g v 。 19 8 9 年，北京邮政科学研究规划院完成了我国第一台双向无线电通讯的 a g v 。 19 9 1 年，中科院沈阳自动化研究所为沈阳金杯汽车厂生产了6 台a g v ， 并将其成功应用在汽车装配线上。 此后许多研究机构也陆续研究出了此类a g v ，如云南昆船设计研究院、上 海交通大学等。目前我国固定导引类a g v 技术已经相对成熟，拥有了自主知 识产权，但此类a g v 的缺点在于更改和扩充路径较为麻烦。 2 ) 在自由路径导引a g v 方面 视觉导引a g v 近几年引起了较为广泛的关注，很多高校对之做了研究。 1 9 9 5 年，清华大学、南京理工大学、浙江大学等多所院校联合研制了视觉导引 型7 8 8 军用室外a g v 】。吉林大学于2 0 0 1 年底研制出了视觉导航应用型 j l u i v 3 a g v 14 1 ，此外南京航天大学、天津大学等【15 】【1 6 】也在进行视觉导航a g v 的研究工作。由于受计算机图像技术发展的限制以及对行驶路径标记的特殊要 求，目前视觉导引a g v 在企业中的应用并不多。 激光导引a g v 是企业普遍采取的导引方式，也是除g p s 以外唯一不需要 做地面处理的导引方式【1 7 】。a g v 可以在导引区内自由行走并精确定位，在导 引范围内，a g v 路径可以根据需要随时改动，充分发挥其柔性，提高生产效率。 但目前激光导引a g v 的核心技术仍被国际上少数几个大公司掌握，如瑞典的 n d c 公司( 2 0 0 2 年被美国d a n a h e rm o t i o n 公司收购) ，德国的i b e o 公司，以 及美国的f e c 公司。目前国内外大部分激光导引a g v 生产厂家的控制系统都 是从瑞典的n d c 公司引进的，其成套控制系统价格昂贵。 1 1 4 激光导引a g v 的国内研究现状 目前，云南昆船设计研究院研制出的激光导引a g v 在国内得到了认可， 但其核心技术却从n d c 公司引进，由于缺乏自主知识产权，n d c 系统售价昂 贵，这极大地影响了a g v 在我国的生产以及应用【9 】【11 1 1 7 】。近年来，国内也陆 续有一些研究机构对激光导引a g v 进行研究开发，但基本都处于某个单项研 究阶段，如：浙江大学的陈顺平研究生等介绍了激光扫描车体方位计算原理并 结合路径轨迹推导算法，设计了激光导引a g v 的自动引导系统的结构和软件 功能l l 列；武汉理工大学的翟俊杰研究生等对a g v 激光定位传感器系统进行了 研发，设计了激光定位传感器的硬件以及软件系统，并通过实验验证了该系统 具有一定的可靠性和定位精度1 1 7 1 ；合肥工业大学的沈颖研究生等对激光导引 a g v 的车载控制系统进行了设计，并开发出了基于工控机和p m a c 运动控制 卡的车载控制系统硬件以及基于c 拌n e t 的车载控制系统软件【2 1 ；合肥工业大 学的王军研究生等对a g v 的路径规划及跟踪控制进行了研究，提出了a g v 的 定位停车算法及利用模糊控制对a g v 进行路径跟踪的方法，并通过仿真和实 际实验验证了算法的正确性和a g v 在低速运行时模糊控制方法的有效性【6 】。 在控制系统方面，云南昆船设计研究院杨文华等人 1 9 - 2 1 j 介绍了激光导引 a g v 系统，主要关注在a g v 的系统构成与功能描述上，浙江大学的陈顺平1 2 2 j 等对激光导引a g v 的控制系统进行了设计，硬件部分包括步进电机、编码器、 p c 机和单片机之间的串口通讯电路等，并分别用v c + + 语言和c 语言设计了 p c 端主程序和单片机端主程序、步进电机的驱动程序，最后通过一辆实验型四 轮a g v 进行实验，实验结果表明当小车行驶距离小于3 m 时，x 、y 方向的位 置误差小于1 5 c m ，方位角小于l 。 在a g v 路径跟踪算法方面，目前国内外常用的路径跟踪控制方法【2 3 】有线 性模型控制方法、最优控制方法、神经网络控制方法、模糊控制方法等。线性 模型控制方法一般用于可以建立精确数学模型的线性系统的控制，最常用的是 p i d 控制方法。p i d 参数一旦调节完成，就确定下来，控制系统不具有自适应 4 性，因此很难对工业型a g v 偏差的变化以及运动特性的变化做出在线调整， 从而影响路径跟踪精度。最优控制方法需要建立精确的a g v 运动学和动力学 模型作为控制器模型设计的依据，但由于a g v 运动的复杂性，难以建立其精 确的运动学和动力学模型，所谓最优也只能是理论上的。神经网络控制方法和 模糊控制方法均可用于对非线性系统的控制，但神经网络控制方法需要把一切 问题的特征都变为数字，把一切推理都变为数值计算，对于行走路径较为复杂 的a g v 来说，把a g v 在不同偏差和速度下的所有信息采集完全是不可能的， 其结果势必是丢失信息，当数据不充分的时候，神经网络就无法进行工作，也 就无法保证a g v 行走的精确性。模糊控制具有鲁棒性强和稳定性好的特点， 适用于复杂的非线性系统的控制，同时也是路径跟踪控制方法中控制效果最好 的方法之一。 总之，目前国内针对激光导引型a g v 所做的具体研究还不是很多，而在 a g v 的控制研究方面，大部分学者通过仿真软件对a g v 进行建模仿真或者通 过实验型a g v 对控制算法验证，着重于理论研究。 1 2 模糊控制概述 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机控制方法，能根据模糊推理方法，方便地把人类在控制系统过程中所积 累的知识和经验归纳为若干系统化的规则，实现对系统的拟人智能控制【2 4 】【2 5 1 。 1 2 1 模糊控制系统特点 模糊控制是现代控制理论的一种重要方法，它主要用来解决那些用传统控 制方法难以解决的复杂系统的控制问题，主要特点如下 2 5 1 ： 1 被控对象不需要建立精确的数学模型。适用于那些没有数学模型或者模 型的结构和参数不确定的被控对象，只需要提供操作人员经验、知识或操作数 据即可。 2 模糊控制是一种语言变量控制器。专家的知识和操作者的经验均用语言 变量描述成若干条控制规则，使得控制机理和控制策略易于接受和理解，且控 制规则可以不断的丰富和完善，规则之间的模糊联接使得控制器在相互矛盾的 控制规则中找到折中的选择，使之更接近于人类智慧。 3 控制系统的响应速度快、鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系 统控制。在常规控制方法中干扰或参数的变动可能会引起整个系统工作不正常， 但在模糊控制中由于采用了模糊集概念和模糊连接，干扰和参数的变化对控制 效果影响非常小。 1 2 2 模糊控制的发展与应用概况 1 9 6 5 年，美国控制理论专家查德( l a z a d e h ) 教授【2 6 】【2 7 1 首先提出了模糊 集合的概念并于19 7 3 年继续丰富和发展了模糊集合论，提出了一种把逻辑规则 的语言转化成相关控制量的思想，从而为模糊控制的形成奠定了理论基础。模 糊控制是模糊集合论应用的一个重要方面。 1 9 7 4 年，英国教授曼丹尼( e h m a m d a n i ) 首先将模糊集合理论应用于加 热器的控制。随后模糊控制的应用越来越广泛，其中比较典型的有：热水交换 过程的控制、污水处理过程控制、模型小车的停靠和转弯、汽车速度控制等， 并且还生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。目前世界上许多公司如o m r o n 公司、德国i n f o r m 公司、t o g a ii n f r a l o g i c 公司、n e u r a ll o g i c 公司等都在研制 不同类型的模糊控制硬件产品。世界上对模糊控制应用最好的国家当数日本， 日本在国内专门建立了模糊控制研究所，并率先将模糊控制应用到对日用家电 产品的控制，如吸尘器、照相机、洗衣机等，随后又将此控制方法用在了交通 工具上，如日本仙台的一条地铁的控制系统就是采用了模糊控制的方法，并取 得了很好的控制效果 2 5 1 2 6 】。 另外，随着模糊控制技术以及其他智能控制技术的发展，多种控制算法相 结合的混合算法随之问世，为控制技术带来了新的发展方向，如： 模糊控制和神经网络相结合。这种算法可以模拟人脑思维，具有在线自学 习、并行计算的优点，可以利用神经网络构造模糊逻辑推理，通过网络在线学 习调整模糊规则，使控制算法具有较高的自适应控制能力。李金良【2 8 l 和s u n 2 9 】 等采用模糊神经网路算法来控制移动机器人，获得了较好的路径跟踪精度。 c h u n f e i h s u 3 0 】则采用此算法对基于滑模控制的非线性系统做了研究。 模糊控制和预测控制相结合。史恩秀等p l j 设计了模糊预测算法跟踪a g v 轨迹，此种控制算法将模糊控制算法引入了预测控制，使算法既具有了预测控 制的先预测，再校正，后控制的优点，又可利用模糊控制算法调整预测控制算 法中的加权系数，使整个路径跟踪算法具有了良好的动态稳定性。； 模糊控制和遗传算法相结合。这种控制算法其实是一种自适应模糊控制算 法，模糊控制器的所有变量一一量化因子、比例因子以及控制规则都是根据实 际情况通过遗传算法获得。m y o u s e f ia z a rk h a n i a n 等【32 j 利用此种算法对自主 移动机器人进行路径跟踪，获得了良好的控制效果。 由于模糊控制技术对复杂的非线性系统具有良好的控制效果，因此对模糊 控制技术做进一步的研究具有很重要的理论意义和实用价值。 1 3 课题研究的目的、意义及主要内容 随着科学技术突飞猛进的发展，现代物流技术已广泛应用于经济生活的各 个领域，自动化的物流系统也成为现代企业不可或缺的一部分。a g v 作为一种 6 柔性化程度极高的输送系统，已被大量应用在机械加工、家电生产、烟草等多 个行业的物流运输中。随着a g v 技术的发展，自由导引a g v 已逐渐代替了传 统的固定路径导引a g v ，且由于激光导引a g v 运行灵活，更改路径方便，被 广大企业选用。 目前许多研究人员对a g v 的控制研究局限于理论仿真，但在进行理论仿 真研究的时候，往往忽略了实际a g v 系统本身的一些特点，将系统理想化， 导致在实际应用时控制效果不理想。部分学者在仿真研究后，为了验证控制算 法的实用性，通过实验型的a g v 验证控制效果，这种类型的a g v 轻巧灵活， 控制系统也较