賀坤 尹建軍 杜金財(cái) 余承超

摘要：針對一般農(nóng)用機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力差，且在轉(zhuǎn)向過程中輪胎磨損問題，基于模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與后輪差速驅(qū)動(dòng)的AGV底盤。通過建立AGV純滾動(dòng)行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)了前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制算法。AGV行駛運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)結(jié)果表明，AGV運(yùn)行過程中流暢平穩(wěn)，左、右前輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與期望轉(zhuǎn)角的誤差小于0.1°，后輪差速比與理論差速比的誤差小于0.031，有效實(shí)現(xiàn)了純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)的協(xié)同控制，同時(shí)擁有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。AGV行駛試驗(yàn)驗(yàn)證了AGV底盤設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向行駛控制系統(tǒng)的正確性與有效性，可為輪式AGV應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：輪式AGV;純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向;差速驅(qū)動(dòng);模塊化設(shè)計(jì);協(xié)同控制

中圖分類號(hào)： TP242;S229? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0251-05

輪式AGV（automated guided vehicle）作為移動(dòng)機(jī)器人的重要組成部分，具有可靠性高、承載量大、點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)高效，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)物料運(yùn)輸、軍事偵察、倉儲(chǔ)物流等眾多領(lǐng)域[1]。隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，以智能化裝備開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要[2]。農(nóng)用輪式AGV作為果實(shí)采摘、對靶噴霧、農(nóng)作物信息收集等重要載體，在減輕勞動(dòng)力強(qiáng)度、提高農(nóng)業(yè)裝備智能化水平方面具有重要作用[3-4]。因此，近年來農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

羅遠(yuǎn)杰等針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室設(shè)計(jì)了一種AGV小車，采用模糊控制器進(jìn)行車身位置和姿態(tài)矯正，但需要使用軌道進(jìn)行輔助，因此環(huán)境適應(yīng)性較低[5]。楊俊駒等基于差速轉(zhuǎn)向原理，設(shè)計(jì)了一種輪式移動(dòng)蘋果采摘機(jī)器人，但是差速轉(zhuǎn)向會(huì)造成輪胎劇烈磨損，降低輪胎使用壽命[6]。張鐵民等基于STM32設(shè)計(jì)了一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)農(nóng)用小車，通過每個(gè)車輪轉(zhuǎn)速測量分配各輪轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)不同工作環(huán)境[7];張京等采用模塊化設(shè)計(jì)方法研發(fā)了四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向獨(dú)立驅(qū)動(dòng)農(nóng)用輪式機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速控制精度[8]。但目前國內(nèi)農(nóng)用四輪轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)器人一般車體較寬，適合于左右約束較少的田間作業(yè)環(huán)境，對于溫室壟間作業(yè)寬度較窄的環(huán)境適應(yīng)性較差，同時(shí)作業(yè)環(huán)境路面起伏變化對車身穩(wěn)定性影響較大。

為了增加農(nóng)用機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力、減少車輪磨損，同時(shí)考慮到AGV底盤構(gòu)造和控制復(fù)雜性并兼顧成本，基于模塊化設(shè)計(jì)方法[9]設(shè)計(jì)了一種前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與后輪差速驅(qū)動(dòng)的AGV底盤，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用伺服電動(dòng)推桿構(gòu)成變長連桿的轉(zhuǎn)向雙曲柄機(jī)構(gòu)，使車輪滿足純滾動(dòng)行走要求。通過建立AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于PLC與工控機(jī)構(gòu)建了AGV協(xié)同控制系統(tǒng)，從控制方法與轉(zhuǎn)向行駛試驗(yàn)2個(gè)方面開展前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)控制、純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)的協(xié)同控制研究，為農(nóng)用輪式AGV應(yīng)用提供參考。

1 輪式AGV純滾動(dòng)行駛系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的AGV主要面向溫室、果園等環(huán)境果實(shí)的采摘作業(yè)，要求AGV擁有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能適應(yīng)作業(yè)環(huán)境路面起伏變化，同時(shí)擁有較強(qiáng)的車身承載能力。本研究中的AGV采用前輪導(dǎo)向后輪驅(qū)動(dòng)形式，AGV設(shè)計(jì)參數(shù)為前后軸距 93.5 cm，輪距49 cm，底盤離地間隙20 cm，車體質(zhì)量150 kg，車身承載能力為50 kg，行駛速度2 km/h。圖1所示為設(shè)計(jì)的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)AGV底盤，該底盤主要由轉(zhuǎn)向雙曲柄機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、地面仿形擺和機(jī)架組成，其中轉(zhuǎn)向雙曲柄機(jī)構(gòu)主要由2個(gè)轉(zhuǎn)向曲柄和1個(gè)伺服電動(dòng)推桿組成，2個(gè)轉(zhuǎn)向曲柄分別通過前輪豎軸與橡膠輪胎連接。轉(zhuǎn)向雙曲柄機(jī)構(gòu)通過軸承座支撐在地面仿形擺上。地面仿形擺主要由仿形板、連接桿、連接梁和擺動(dòng)軸承組成。當(dāng)AGV行走地面起伏時(shí)，地面仿形擺左右偏轉(zhuǎn)，使4輪同時(shí)接觸地面，增強(qiáng)AGV行走穩(wěn)定性。后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、NMRV減速器、鏈傳動(dòng)和車輪組成。

2 輪式AGV純滾動(dòng)行駛系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用模塊化的主從分布式控制系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、主控制器、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、無線遙控模塊等組成。上位機(jī)為工控機(jī)，主要完成AGV行走過程中的姿態(tài)信息的采集，后期果實(shí)采摘過程中目標(biāo)果實(shí)定位，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)及果實(shí)采摘作業(yè)。由于本設(shè)計(jì)AGV作業(yè)環(huán)境主要為溫室、果園等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，環(huán)境溫度、濕度較高[5]，地面起伏不平，高溫、高濕及多振動(dòng)要求AGV控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。相比嵌入式控制系統(tǒng)，PLC具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、編程容易、維護(hù)方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此主控制器采用PLC作為AGV運(yùn)動(dòng)控制器。

主控制器根據(jù)AGV姿態(tài)信息、前輪轉(zhuǎn)角信息、運(yùn)動(dòng)控制指令，同步控制4個(gè)伺服電機(jī)完成前輪角度與后輪差速驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)AGV純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向要求。純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 核心控制模塊

AGV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用松下FPG-C24R2H可編程控制器作為主控制器，該控制器為松下電氣生產(chǎn)的超小型高性能PLC，基于32位RISC處理器能夠?qū)崿F(xiàn)小型PLC的超高速運(yùn)算處理，擁有32 K步程序存儲(chǔ)器、16點(diǎn)DC輸入、8點(diǎn)繼電器輸出，通過擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)376點(diǎn)輸入輸出。FPG-C24R2H自帶有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具端口（RS232C），可以與顯示面板或計(jì)算機(jī)通信，為了方便與其他模塊通訊，在原有模塊基礎(chǔ)上增加了1個(gè)FPG-COM2模塊，擴(kuò)展了2通道RS232C通訊接口。由于FPG-C24R2H為一繼電器輸出型PLC，為了控制4個(gè)交流伺服電機(jī)，在原有PLC基礎(chǔ)上擴(kuò)展了1個(gè)四軸RTEX伺服模塊FPG-PN4AN，通信速度可達(dá)100 Mbps，實(shí)現(xiàn)高精度的多軸定位控制。同時(shí)系統(tǒng)擴(kuò)展有一模擬量輸出單元AFP0RDA4。通過PLC模塊化組合使PLC實(shí)現(xiàn)AGV底層運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)及功能擴(kuò)展。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括磁導(dǎo)航傳感器、航姿傳感器及轉(zhuǎn)角傳感器。其中導(dǎo)航傳感器是AGV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵零部件，選用XGS-19016N型磁導(dǎo)航傳感器，該傳感器內(nèi)部擁有16個(gè)高靈敏度半導(dǎo)體霍爾傳感器，用于檢測N極磁條相對車體位置偏差，并輸出16位開關(guān)量與PLC連接。運(yùn)動(dòng)控制器對車體位置偏差運(yùn)算，控制前輪轉(zhuǎn)角，從而糾正AGV位姿偏差。

航姿傳感器采用北京瑞芬星通科技有限公司生產(chǎn)的AH100B航姿系統(tǒng)，該航姿系統(tǒng)集成三軸加速度計(jì)、三軸磁傳感器和三軸陀螺，通過融合算法可以實(shí)現(xiàn)小于0.1°的方位角、俯仰角和翻滾角測量。將航姿傳感器安裝于AGV幾何中心，與工控機(jī)串口連接，通過三軸磁傳感器可以獲取AGV的航向角、側(cè)傾角、仰俯角，通過三軸加速度傳感器可以獲得AGV的航向加速度、側(cè)傾加速度、仰俯角加速度測量，由獲取的AGV姿態(tài)變化及變化率反映AGV行駛路面起伏變化并對AGV車況預(yù)警。

為了實(shí)現(xiàn)左右前輪轉(zhuǎn)向角閉環(huán)控制，在左右前輪豎軸頂端各安裝1個(gè)16位絕對值轉(zhuǎn)角編碼器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)0.005 5°角度分辨率，用于獲取左右前輪轉(zhuǎn)角，絕對值編碼器通過PLC上FPG-COM2模塊擴(kuò)展的2通道RS232C通訊接口連接，采用Modbus RTU通訊協(xié)議進(jìn)行角度數(shù)據(jù)輸出。2個(gè)后輪轉(zhuǎn)速采用10位增量式編碼器通過PLC I/O口進(jìn)行后輪轉(zhuǎn)速測量。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

根據(jù)AGV自身質(zhì)量、承受載荷、草地行駛阻力及作業(yè)環(huán)境坡度變化等因素[10]，經(jīng)過計(jì)算，決定選用松下交流伺服電機(jī)作為AGV轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源，其中AGV轉(zhuǎn)向電機(jī)及后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選用松下A6系列交流伺服電機(jī)，電機(jī)功率750 W，額定扭矩2.39 N·m，額定轉(zhuǎn)速 3 000 r/min。為了滿足草地土壤作業(yè)要求，前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)配備減速比為100的NMRV減速器，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)配備減速比為30的NMRV減速器。伺服電動(dòng)推桿采用松下A6系列交流伺服電機(jī)，電機(jī)功率400 W，額定扭矩1.27 N·m，額定轉(zhuǎn)速 3 000 r/min，電動(dòng)推桿內(nèi)部通過傳動(dòng)比為7的齒輪系及螺距為20 mm絲杠將電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)推桿的直線伸縮。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用與四軸RTEX伺服模塊FPG-PN4AN配套的超高速網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器MINAS A6N系列，該驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)3 200 Hz的速度響應(yīng)頻率及0.062 5 ms最小通信周期，可為AGV轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供高動(dòng)態(tài)響應(yīng)硬件基礎(chǔ)。

2.4 電源模塊

由于本AGV采用交流伺服電機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力源，同時(shí)本系統(tǒng)采用工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算中心，所以本AGV采用鋰電池組加逆變器形式為機(jī)載電氣系統(tǒng)提供交流電源。鋰電池組額定輸出電壓DC24V，電池組容量160 AH，逆變器采用明緯TN/TS-3000型逆變器，可以提供額定電壓220 V，額定功率3 000 W交流電，同時(shí)可以保證整個(gè)AGV系統(tǒng)擁有5 h以上的續(xù)航時(shí)間。本AGV采用的松下PLC模塊額定輸入電壓DC24V，因此采用鋰電池組直接為PLC模塊供電方式。

2.5 無線遙控模塊

無線遙控模塊采用禹鼎F21-E1B工業(yè)無線遙控器進(jìn)行AGV運(yùn)動(dòng)控制指令發(fā)送，遙控發(fā)射器將按鈕信號(hào)編碼，經(jīng)調(diào)制后轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)出，遙控接收器將接收到的電磁波信號(hào)放大后，經(jīng)過解碼識(shí)別后用來控制繼電器輸出，輸出信號(hào)直接與PLC I/O口連接，通過遙控器不同鍵值組合可以發(fā)送不同控制命令，同時(shí)控制命令經(jīng)過加密編碼，擁有較強(qiáng)抗干擾及穩(wěn)定性。

3 輪式AGV純滾動(dòng)行駛系統(tǒng)協(xié)同控制設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的純滾動(dòng)行駛系統(tǒng)采用前輪導(dǎo)向、后輪驅(qū)動(dòng)形式，為了實(shí)現(xiàn)輪式AGV在運(yùn)行過程中純滾動(dòng)行駛，則左、右前輪轉(zhuǎn)向角與左、右后輪轉(zhuǎn)速必須實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，同時(shí)AGV能夠根據(jù)車身姿態(tài)變化調(diào)整車速適應(yīng)行駛環(huán)境變化。在減少AGV運(yùn)行過程中車輪側(cè)滑、降低車輪磨損的同時(shí)，能夠增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。

3.1 前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)控制原理

為了實(shí)現(xiàn)AGV純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向，本研究采用低速阿克曼轉(zhuǎn)向模型[11]進(jìn)行AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。圖3所示為輪式AGV左轉(zhuǎn)時(shí)的阿克曼轉(zhuǎn)向示意圖。其中AB、CD為轉(zhuǎn)向曲柄，BC為長度可變的橫拉桿。

為了實(shí)現(xiàn)各車輪繞瞬心O點(diǎn)作純滾動(dòng)而不發(fā)生側(cè)滑，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向定理，左右前輪轉(zhuǎn)角必須滿足如下公式[12]：

式中：L為前后輪軸距;W為車架寬度;φL為左前輪轉(zhuǎn)角;φR為右前輪轉(zhuǎn)角。對于四輪車輛理想模型，可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的2個(gè)輪子看成1個(gè)導(dǎo)向輪，則AGV的導(dǎo)向角φ與左、右前輪轉(zhuǎn)向角φL、φR關(guān)系可由式（1）得到：

式中：AGV的導(dǎo)向角φ的大小以AGV直線前進(jìn)方向?yàn)橛?jì)量基準(zhǔn)，左轉(zhuǎn)時(shí)φ為正值，右轉(zhuǎn)時(shí)φ為負(fù)值。當(dāng)AGV進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制或自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)，只需控制導(dǎo)向角φ，控制器根據(jù)控制模型自動(dòng)分配左、右前輪轉(zhuǎn)角φL、φR。

如圖3阿克曼轉(zhuǎn)向模型所示，設(shè)車輪半徑為r，左后輪繞自身軸線的轉(zhuǎn)角為θL，右后輪繞自身軸線的轉(zhuǎn)角為θR。對于左、右后輪，繞速度瞬心O的軌跡周長與繞其自身軸心轉(zhuǎn)過的弧長相等，故而有：

式中：RL為左后輪轉(zhuǎn)彎半徑;RR為右后輪轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向模型，左、右后輪轉(zhuǎn)彎半徑RL、RR可以表示為

式中：eL為左后輪與車架距離，eR為右后輪與車架距離。聯(lián)立式（3）和式（4），可得出AGV左轉(zhuǎn)時(shí)兩后輪轉(zhuǎn)角比，亦即兩后輪轉(zhuǎn)速比k為

設(shè)AGV行駛速度為v，左、右后輪轉(zhuǎn)速為nL、nR，則左右后輪轉(zhuǎn)速可以表示為

由式（5）、式（6）可知左、右后輪轉(zhuǎn)速僅與AGV導(dǎo)向角φ及AGV速度設(shè)定值v有關(guān)，因此前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)控制僅需輸入導(dǎo)向角φ及AGV速度設(shè)定值v，控制器即可完成左、右前輪轉(zhuǎn)向角及左右后輪轉(zhuǎn)速分配。

3.2 前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制算法

由于本設(shè)計(jì)的AGV采用PLC作為運(yùn)動(dòng)核心，為了充分利用硬件資源、發(fā)揮PLC優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)AGV前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制，本系統(tǒng)底層控制采用PID控制策略，設(shè)置4個(gè)PID控制器控制左、右前輪轉(zhuǎn)角及左、右后輪轉(zhuǎn)速變化量。首先，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入導(dǎo)向角φ及AGV速度設(shè)定值v，依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向定理進(jìn)行解算，輸出左、右前輪期望轉(zhuǎn)角φL、φR及左、右后輪轉(zhuǎn)速nL、nR，實(shí)現(xiàn)前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同分配。其次，系統(tǒng)將解算得到的4個(gè)期望值分別輸入到對應(yīng)的PID控制器，控制器根據(jù)實(shí)際反饋得到的轉(zhuǎn)角或者轉(zhuǎn)速與期望值作差經(jīng)PID解算得到左、右前輪轉(zhuǎn)角及左、右后輪轉(zhuǎn)速變化量輸入到對應(yīng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，如圖4所示為前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制算法框圖[13]。

本AGV轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速采用PID控制器作為控制核心，因此PID控制器的控制參數(shù)設(shè)置直接影響著AGV轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的控制穩(wěn)定性?？刂破髦斜壤h(huán)節(jié)用于轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速偏差值等比例糾正，積分環(huán)節(jié)用于消除轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)用于減小系統(tǒng)超調(diào)量提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于左右前輪轉(zhuǎn)角控制機(jī)械結(jié)構(gòu)不同及后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)差異性，因此需要對4個(gè)PID控制器控制參數(shù)分別整定。PID控制器控制參數(shù)整定采用Z-N臨界比例度法[14]，在閉環(huán)情況下，先對比例系數(shù)Kp進(jìn)行整定，使控制器角度設(shè)定值作一階躍變化，使系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩并記錄此時(shí)比例系數(shù)及振蕩周期，然后由經(jīng)驗(yàn)公式得出積分時(shí)間常數(shù)Ti、微分時(shí)間常數(shù)Td，最后對得到的PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過對系統(tǒng)4個(gè)PID控制器控制參數(shù)多次整定，確定AGV底層PID控制器參數(shù)如表1所示。

3.3 輪式AGV運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

AGV運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)AGV純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)行走的各個(gè)功能，并使整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。首先，AGV上電之后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，等待遙控指令或上位機(jī)運(yùn)動(dòng)指令，各傳感器進(jìn)行信息獲取與處理，控制器根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)進(jìn)行純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)解算，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。底層控制程序采用松下FPWINPro7編程軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，上層控制程序采用基于工控機(jī)的Labview軟件進(jìn)行程序編寫。圖5所示為輪式AGV控制程序流程圖。

為防止溫室、果園等環(huán)境路面起伏狀況對AGV造成不利影響，應(yīng)用航姿傳感器對AGV車況進(jìn)行預(yù)警，通過Labview獲取航姿傳感器姿態(tài)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲取AGV側(cè)傾角β、仰俯角γ及側(cè)傾加速度aβ、仰俯角加速度aγ等信息，設(shè)置不同的仰俯角、側(cè)傾角、仰俯角加速度、側(cè)傾加速度閾值。當(dāng)仰俯角或側(cè)傾角過大，即地面坡度角過大，致使AGV上坡困難或有側(cè)傾危險(xiǎn)的可能時(shí)，發(fā)出預(yù)警、降低車速或停車等待處理指令;當(dāng)仰俯角加速度或側(cè)傾角加速度過大，即地面不平整造成AGV車身劇烈抖動(dòng)時(shí)，降低車速，以低速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)AGV穩(wěn)定安全運(yùn)行。

4 AGV行駛運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證AGV純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與協(xié)同控制算法的正確性和有效性，通過試驗(yàn)測試了前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制精度、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速驅(qū)動(dòng)的協(xié)同控制精度，并通過AGV車身穩(wěn)定性試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證AGV純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.1 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)控制試驗(yàn)

為了測試左、右前輪轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力與轉(zhuǎn)角誤差，本研究進(jìn)行了前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將AGV置于平整空地上，通過上位機(jī)設(shè)定系統(tǒng)輸入信號(hào)為前輪導(dǎo)向角φ以周期為10 s，幅值為60°的正弦信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)導(dǎo)向角φ實(shí)時(shí)解算左、右前輪轉(zhuǎn)角φL、φR。在AGV轉(zhuǎn)向過程中，上位機(jī)以時(shí)間間隔為60 ms的采樣時(shí)間采集左、右前輪轉(zhuǎn)角傳感器反饋得到的轉(zhuǎn)角φL′、φR′。圖6所示為前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)控制試驗(yàn)結(jié)果。

圖6試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)按正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律從原點(diǎn)位置向左、右極限位置轉(zhuǎn)向過程中，左、右前輪轉(zhuǎn)角實(shí)際響應(yīng)曲線與理論響應(yīng)曲線的變化趨勢具有一致性，且擁有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果;左、右前輪轉(zhuǎn)角符合阿克曼轉(zhuǎn)向定理，表明轉(zhuǎn)向控制模型的正確性;轉(zhuǎn)向角度平均誤差小于0.1°，說明轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置合理，擁有較高的轉(zhuǎn)角控制精度和穩(wěn)定性。

4.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速驅(qū)動(dòng)的協(xié)同控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的AGV轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)性能，對前輪轉(zhuǎn)角與后輪差速進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，將AGV放置在平整空地上，通過上位機(jī)設(shè)定前輪導(dǎo)向角φ從原點(diǎn)位置每次增加10°并保持，同時(shí)設(shè)定AGV分別以v1=0.1、v2=0.3 m/s的速度前進(jìn)，上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄左、右前輪轉(zhuǎn)角與后輪轉(zhuǎn)速值，并計(jì)算出實(shí)際后輪轉(zhuǎn)速比。

表2為設(shè)定前輪導(dǎo)向角φ左轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速系統(tǒng)協(xié)同控制試驗(yàn)結(jié)果。在前輪導(dǎo)向角φ每次間隔10°變化過程中，左、右前輪轉(zhuǎn)角實(shí)際平均轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在0.1°之內(nèi)，與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果一致，表明轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表2中的實(shí)際轉(zhuǎn)速比kr是在AGV不同行駛速度下的轉(zhuǎn)速比經(jīng)算術(shù)平均得到，可以看出后輪實(shí)際轉(zhuǎn)速比與理論轉(zhuǎn)速比小于0.031，說明后輪差速控制具有良好的轉(zhuǎn)速控制精度且具有較高的穩(wěn)定性。協(xié)同控制試驗(yàn)結(jié)果表明，AGV轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和控制流程正確，前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制算法可以實(shí)現(xiàn)AGV較高的轉(zhuǎn)向精度和電子差速驅(qū)動(dòng)精度，可以認(rèn)為AGV純滾動(dòng)行駛。

4.3 AGV車身穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的AGV行駛運(yùn)動(dòng)控制效果，開展了AGV車身穩(wěn)定性試驗(yàn)，將AGV遙控至具有坡度及坑洼地的硬質(zhì)土路，考察AGV在作業(yè)環(huán)境路面起伏變化情況下實(shí)際運(yùn)行效果。試驗(yàn)前，首先設(shè)置AGV車身姿態(tài)閾值以定義AGV車況預(yù)警級(jí)別，當(dāng)車身姿態(tài)信息位于不同區(qū)間時(shí)，對應(yīng)不同車況及AGV行駛速度，AGV車況定義如表3。

試驗(yàn)時(shí)，手動(dòng)遙控AGV沿路面行駛，車載上位機(jī)實(shí)時(shí)采集航姿傳感器獲取的AGV車身姿態(tài)、AGV行駛速度及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角信息，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)表明，AGV在行駛過程中，隨著路面?zhèn)葍A角度不斷變化，行駛速度能夠很好適應(yīng)路面坡度變化并及時(shí)調(diào)整，且運(yùn)行速度能夠保持穩(wěn)定，對路面起伏變化路況具有較好適應(yīng)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了AGV底盤設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向行駛控制系統(tǒng)的正確性與有效性。

5 結(jié)論

本研究考慮到AGV底盤構(gòu)造和控制復(fù)雜性并兼顧成本，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制器及工控機(jī)的農(nóng)用輪式AGV底盤，通過對AGV前輪純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向與差速驅(qū)動(dòng)控制原理推導(dǎo)、協(xié)同控制算法及控制軟件設(shè)計(jì)，開展了AGV行駛運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)，控制試驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，左、右前輪轉(zhuǎn)角控制誤差小于 0.1°，后輪實(shí)際轉(zhuǎn)速比與理論轉(zhuǎn)速比小于0.031，AGV運(yùn)行過程流暢平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)向精度、電子差速驅(qū)動(dòng)精度及穩(wěn)定性。采用航姿傳感器進(jìn)行車況預(yù)警能夠有效適應(yīng)環(huán)境路面起伏變化，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。底層控制采用阿克曼定理解算及4個(gè)PID控制器控制左、右前輪轉(zhuǎn)角及左、右后輪轉(zhuǎn)速的協(xié)同控制算法，有效實(shí)現(xiàn)了AGV運(yùn)動(dòng)控制，驗(yàn)證了AGV底盤設(shè)計(jì)的正確性與有效性，可為農(nóng)用輪式AGV應(yīng)用提供參考。

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