自動引導車運動分段控制技術(shù)研究.pdf

1、非完整約束是指一種用不可積分的微分方程來表示的約束，它的存在使得系統(tǒng)更難控制；
　　 另一方面，非完整約束又廣泛存在于自動引導車（AGV-Automatic Guided Vehicle）、太空機器人、欠驅(qū)動的水下艦船系統(tǒng)等實際系統(tǒng)中，在軍事、工業(yè)、民用、深海太空業(yè)等領(lǐng)域具有很強的應(yīng)用背景。AGV 作為一種典型的非完整系統(tǒng)，研究其控制問題具有重要的理論意義和良好的實用價值。本文在對相關(guān)研究現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，對三輪AGV 運動

2、控制問題進行了深入研究，內(nèi)容主要包括基于神經(jīng)動力學模型的初期跟蹤控制、結(jié)合能量優(yōu)化策略的中段跟蹤控制、鎮(zhèn)定和跟蹤統(tǒng)一的后期運動控制以及AGV整體運動分段控制（IMSC-Integrated MotionSectionalized Control）等。
　　 在系統(tǒng)調(diào)研AGV 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對AGV的結(jié)構(gòu)及分類以及路徑跟隨、軌跡跟蹤、點鎮(zhèn)定等三種基本運動的若干關(guān)鍵運動控制技術(shù)進行了分析和梳理，指出了目前存在的問題及需要進

3、一步研究的內(nèi)容。
　　 引入微分幾何和非線性控制理論的一些基本概念和定理，給出了非完整系統(tǒng)以及約束的相關(guān)知識，綜合歸納出了一套用于分析非完整系統(tǒng)的數(shù)學工具。用該工具分析了AGV的非完整性，并以三輪AGV 為例，建立了AGV的運動學和動力學模型。
　　 根據(jù)AGV系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計原理，對AGV控制系統(tǒng)進行合理的功能分配和模塊劃分，提出了所研究AGV的控制體系結(jié)構(gòu)。
　　 針對當AGV 存在初始位姿誤差或AG

4、V的參考軌跡不連續(xù)時傳統(tǒng)軌跡跟蹤控制器會產(chǎn)生一個較大初始速度跳變的問題，在建立AGV 跟蹤誤差系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，引入神經(jīng)動力學思想，提出了一種基于生物激勵神經(jīng)動力學模型的AGV 軌跡跟蹤控制器。該控制器首先由運動學控制器產(chǎn)生一個理想控制律，接著利用神經(jīng)動力學解決初始速度跳變問題，最后用快速終端滑模控制器進一步提高跟蹤精度。仿真結(jié)果表明，該控制器能很好地解決跟蹤過程中出現(xiàn)的初始速度跳變問題，最終實現(xiàn)系統(tǒng)全局漸進穩(wěn)定。
　　 針對A

5、GV 在運動中段能耗大的問題，在深入分析系統(tǒng)能耗情況的基礎(chǔ)上，建立了AGV的能耗模型及運動學模型，提出了一種基于能量優(yōu)化策略的AGV 軌跡跟蹤控制算法。能量優(yōu)化控制器是上述控制算法的核心，設(shè)定電機能量效率函數(shù)為其目標函數(shù)，電機電樞等效電路電壓平衡方程式和轉(zhuǎn)矩方程式組成的方程組為其系統(tǒng)狀態(tài)方程，使AGV能準確跟蹤參考軌跡的條件為其狀態(tài)約束，再加上一個控制輸入約束，組成優(yōu)化問題的三個約束，最后用遺傳算法解優(yōu)化問題得出一個最優(yōu)速度控制律。仿真

6、結(jié)果表明，該控制策略可以在使AGV 順利實現(xiàn)軌跡跟蹤的同時達到能量優(yōu)化的效果。
　　 針對AGV系統(tǒng)的后期軌跡跟蹤和鎮(zhèn)定問題，在深入分析預測控制機理和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，認真研究了存在非完整約束和控制輸入約束的AGV 軌跡跟蹤的非線性模型預測控制問題，設(shè)計了基于模型預測終端控制器的終端鎮(zhèn)定控制算法，并結(jié)合AGV的運動模型，使用狀態(tài)觀測器對含噪聲的動態(tài)系統(tǒng)進行狀態(tài)估計，進一步增強了軌跡跟蹤控制的效果。同時，考慮到AGV需有避障功能，為

7、鎮(zhèn)定控制器設(shè)計了一個避障控制模塊。計算機仿真結(jié)果證實了所設(shè)計軌跡跟蹤算法的正確性和有效性。
　　 為了實現(xiàn)對AGV 整個運動過程的高精度和低能耗控制，本文提出了一種整體運動分段控制方法，即對AGV 運動的初、中和后期三個不同階段的運動，根據(jù)其各自特點分別采用上述三種控制方法，且將三種方法有機地組合成一種方法，并通過計算和仿真確定了各種方法所使用的運動區(qū)間，從而能更好地實現(xiàn)AGV 在整個軌跡跟蹤過程中的平滑性、節(jié)能性、魯棒性及全局