一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，对重载AGV的舵轮进行控制，使得重载AGV在运行过程中，启动或减速的时候更快且平稳。采用混合型闭环的分数阶PID控制，内环主要通过电机的转速和脚轮偏转的角度的反馈进行控制，外环对AGV整体的实际行驶速度的反馈进行控制。由于分数阶控制比传统的控制多两个可调参数，即积分阶次和微分阶次，所以使得该控制器在控制受控对象时更加的灵活，提高控制性能，同时也提高重载AGV在工作时的安全性。同时也提高重载AGV在工作时的安全性。同时也提高重载AGV在工作时的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法


[0001]本专利技术涉及控制
，特别涉及一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法。

技术介绍

[0002]目前，重载AGV的速度控制主要采用传统的PID控制，该控制策略虽然比较成熟，但控制性能仍有一定的缺陷。分数阶PID控制器由Podlubny教授提出，也可记为PI
λ
D
μ
。分数阶PI
λ
D
μ
控制器是整数阶PID控制器的广义表达式，其引入的微分、积分阶次λ和μ，比整数阶PID控制器多了两个可调参数。它是把传统的整数阶PID推广到分数阶领域，不但适合分数阶系统的控制，而且也适合整数阶系统的控制，并能取得一些优于整数阶控制器的控制效果。通过提升控制效果，在重载AGV工作时遇到情况，需要紧急制动或转向的时候，能够保证现场的安全。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，采用分数阶控制器对受控对象AGV进行控制，通过提升控制性能进而提升重载AGV在工作时的安全性。
[0004]为了达到上述专利技术目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0005]一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：对AGV进行建模，将全局地图坐标系设为XOY，重载AGV车体的坐标系为xoy,坐标原点o为车体中心，y轴方向为车体前进方向，以便更好地分析AGV运动情况；
[0007]步骤2：假设重载AGV是一个刚体，重心高度H，宽度2L，质量m，刚体以速度v向右运动，受到的摩擦力f向左用以减速，对AGV刚体平面运动进行受力分析，考虑倾倒的临界状态；
[0008]步骤3：AGV重心高度H，万向轮支撑点离重心横向距离L1，带悬挂的驱动轮支撑点离重心横向距离L2，刚体以速度v向右运动，受到方向向左的摩擦力f，对带有万向轮与悬挂驱动轮的情况进行分析；
[0009]步骤4：将AGV看成一个刚体，重心高度H1，宽度2L，质量m，此时主要分析刚体处于倾倒临界和发生倾倒两个状态以及转弯过程中的状态，对此状态下的AGV受力分析；
[0010]步骤5：根据上述的一些情况，设计重载AGV的控制策略，核心在于采用分数阶PI
λ
D
μ
对AGV整体的实际行驶速度的反馈进行控制。
[0011]进一步的，步骤1中，具体包括以下步骤：
[0012]步骤11：假定重载AGV的结构主要由脚轮和车体两部分组成，每个脚轮单元包含两个分别由不同驱动装置控制的驱动舵轮，平行分布在脚轮单元两侧，舵轮利用差速的方式带动脚轮单元，使车体可以绕中心轴进行转动，从而实现全方位运动；
[0013]步骤12：将全局地图坐标系设为XOY，重载AGV车体的坐标系为xoy，坐标原点o为车体中心，y轴方向为车体前进方向；
[0014]步骤13：ξ＝[X
o Y
o θ]T
表示车体的位置姿态，其中，θ表示AGV车体局部坐标系与全局坐标系的偏转角，由此可得两个坐标系之间的转换关系为：
[0015][0016]步骤14：脚轮单元的中心坐标设为O1，其中N＝1,2,3,4
……
表示第N个脚轮单元，AGV在局部坐标系中的车速设为
[0017]步骤15：根据刚体运动学公式，可以得出AGV在局部坐标系下的速度表达式：
[0018][0019]其中，W＝[0 0 ω]7，表示重载AGV的旋转角速度，由于是平面刚体运动，因此
[0020]步骤16：AGV刚体运动角速度ω和脚轮单元距离目标偏转角度A
N
的偏转角速度的合速度，即为脚轮单元的实际偏转角速度
[0021]步骤17：建立单个脚轮单元坐标系X
’
OY
’
，脚轮单元经过坐标系转换后，得到脚轮单元局部坐标系下的速度的表达式：
[0022][0023]其中，R
$2
表示AGV局部坐标和脚轮单元局部坐标系间的转换矩阵；
[0024]步骤18：由于舵轮相对于地面做纯滚动运动，所以脚轮单元收到运动学约束，即沿脚轮单元坐标系X
’
轴方向运动恒为0，所以左驱动轮和右驱动轮的关系式为：
[0025][0026]其中，V
OL
、V
OR
分别表示脚轮单元左轮和右轮的线速度，d表示舵轮到单元回转中心的距离；
[0027]步骤19：结合公式(1)
‑
(4)便可以得出AGV车体运动速度和舵轮速度之间的关系，即运动学逆解的关系式：
[0028][0029]进一步的，步骤2中，具体包括以下步骤：
[0030]步骤21：假设重载AGV是一个刚体，重心高度H，宽度2L，质量m，刚体以速度v向右运动，受到的摩擦力f向左用以减速；
[0031]步骤22：当刚体减速即将发生倾倒时，此时处于一种临界状态：即右下角为刚体提供支持力，而下底面其他位置的支持力均为0，左下角的平面和底面处在接触但是受力为0；
[0032]步骤23：此时刚体垂直方向上的受力为：
[0033]F
N
＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]水平方向的受力为：
[0035]f＝ma
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(7)
[0036]受转矩：
[0037]F
t
L+fH＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0038]步骤24：联立式(6)
‑
(8)可得摩擦力所能提供的最大加速度为：
[0039]a＝gL/H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0040]当L越大，即底盘越宽时，刚体则能够承受更大的加速度；当H增加时，即重心升高时，能承受的加速度就减小，刚体更容易发生倾倒。
[0041]进一步的，步骤3中，具体包括以下步骤：
[0042]步骤31：AGV重心高度H，万向轮支撑点离重心横向距离L1，带悬挂的驱动轮支撑点离重心横向距离L2，刚体以速度v向右运动，受到方向向左的摩擦力f；
[0043]步骤32：当刚体减速即将发生倾倒时，达到一个临界状态：即右侧万向轮提供刚体全部的支持力，而左侧万向轮支持力均为0，带悬挂驱动轮对刚体底面支持力为F
N2
，右下角万向轮对刚体支持力为F
N1
，万向轮的横向摩擦力忽略不计，驱动轮抱死，产生向左的摩擦力f，悬挂视为线性弹簧，刚度为K；
[0044]步骤33：此时刚体数值方向受力为：
[0045]F
N1
+F
N2
＝mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0046]悬挂线性弹簧支持力：
[0047]F
N2
＝Kx
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对AGV进行建模，将全局地图坐标系设为XOY，重载AGV车体的坐标系为xoy，坐标原点o为车体中心，y轴方向为车体前进方向，以便更好地分析AGV运动情况；步骤2：假设重载AGV是一个刚体，重心高度H，宽度2L，质量m，刚体以速度v向右运动，受到的摩擦力f向左用以减速，对AGV刚体平面运动进行受力分析，考虑倾倒的临界状态；步骤3：AGV重心高度H，万向轮支撑点离重心横向距离L1，带悬挂的驱动轮支撑点离重心横向距离L2，刚体以速度v向右运动，受到方向向左的摩擦力f，对带有万向轮与悬挂驱动轮的情况进行分析；步骤4：将AGV看成一个刚体，重心高度H1，宽度2L，质量m，此时主要分析刚体处于倾倒临界和发生倾倒两个状态以及转弯过程中的状态，对此状态下的AGV受力分析；步骤5：根据上述的一些情况，设计重载AGV的控制策略，核心在于采用分数阶PI
λ
D
μ
对AGV整体的实际行驶速度的反馈进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，其特征在于，步骤1中，具体包括以下步骤：步骤11：假定重载AGV的结构主要由脚轮和车体两部分组成，每个脚轮单元包含两个分别由不同驱动装置控制的驱动舵轮，平行分布在脚轮单元两侧，舵轮利用差速的方式带动脚轮单元，使车体可以绕中心轴进行转动，从而实现全方位运动；步骤12：将全局地图坐标系设为XOY，重载AGV车体的坐标系为xoy，坐标原点o为车体中心，y轴方向为车体前进方向；步骤13：ξ＝[X
o Y
o θ]
T
表示车体的位置姿态，其中，θ表示AGV车体局部坐标系与全局坐标系的偏转角，由此可得两个坐标系之间的转换关系为：步骤14：脚轮单元的中心坐标设为O
N
，其中N＝1，2，3，4
……
表示第N个脚轮单元，AGV在局部坐标系中的车速设为步骤15：根据刚体运动学公式，可以得出AGV在局部坐标系下的速度表达式：其中，W＝[0 0 ω]
T
，表示重载AGV的旋转角速度，由于是平面刚体运动，因此步骤16：AGV刚体运动角速度ω和脚轮单元距离目标偏转角度A
N
的偏转角速度的合速度，即为脚轮单元的实际偏转角速度步骤17：建立单个脚轮单元坐标系X
′
OY
′
，脚轮单元经过坐标系转换后，得到脚轮单元局部坐标系下的速度的表达式：其中，R
AO
表示AGV局部坐标和脚轮单元局部坐标系间的转换矩阵；
步骤18：由于舵轮相对于地面做纯滚动运动，所以脚轮单元收到运动学约束，即沿脚轮单元坐标系X
′
轴方向运动恒为0，所以左驱动轮和右驱动轮的关系式为：其中，V
OL
、V
OR
分别表示脚轮单元左轮和右轮的线速度，d表示舵轮到单元回转中心的距离；步骤19：结合公式(1)
‑
(4)便可以得出AGV车体运动速度和舵轮速度之间的关系，即运动学逆解的关系式：3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，其特征在于，步骤2中，具体包括以下步骤：步骤21：假设重载AGV是一个刚体，重心高度H，宽度2L，质量m，刚体以速度v向右运动，受到的摩擦力f向左用以减速；步骤22：当刚体减速即将发生倾倒时，此时处于一种临界状态：即右下角为刚体提供支持力，而下底面其他位置的支持力均为0，左下角的平面和底面处在接触但是受力为0；步骤23：此时刚体垂直方向上的受力为：F
N
＝mg
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(6)水平方向的受力为：f＝ma
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(7)受转矩：F
t
L+fH＝0
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(8)步骤24：联立式(6)
‑
(8)可得摩擦力所能提供的最大加速度为：a＝gL/H
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(9)当L越大，即底盘越宽时，刚体则能够承受更大的加速度；当H增加时，即重心升高时，能承受的加速度就减小，刚体更容易发生倾倒。4.根据权利要求1所述的一种基于分数阶的重载AGV速度控制方法，其特征在于，步骤3中，具体包括以下步骤：步骤31：AGV重心高度H，万向轮支撑点离重心横向距离L1，带悬挂的驱动轮支撑点离重心横向距离L2，刚体以速度v向右运动，受到方向向左的摩擦力f；步骤32：当刚体减速即将发生倾倒时，达到一个临界状态：即右侧万向轮提供刚体全部的支持力，而左侧万向轮支持力均为0，带悬挂驱动轮对刚体底面支持力为F
N2
，右下角万向轮对刚体支持力为F
N1
，万向轮的横向摩擦力忽略不计，驱动轮抱死，产生向左的摩擦力f，悬挂视为线性弹簧，刚度为K；步骤33：此时刚体数值方向受力为：F
N1
+F
N2
＝mg
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(10)悬挂线性弹簧支持力：F
N2
＝Kx
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(11)
水平方向受力为：f＝ma
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(12)受转矩为：F
N1
L1+F
N2
L2+fH＝mg
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(13)联立式(10)
‑
(13)可得：a＝((mg
‑
Kx)L1+KxL2)/mH
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(14)对于大部分AGV车体，可以将驱动轮视为位于中心正下方，所以式(14)可以化为：a＝(mg
‑
Kx)L1/mH
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(15)由上式可知，当L1越大，即底盘越宽时，刚体能够承受更大的加速度；当H增加时，即重心升高时，能承受的加速度就减小，更容易倾倒；当Kx越大，即悬挂预紧力越大时...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈希忠，张号，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：