AGV智能小車(chē)循跡系統(tǒng)的建模與仿真

AGV智能小車(chē)循跡系統(tǒng)的

建模與仿真

匯報(bào)人：田佳豪王嘉津周博文鄒星星2021/5/92021/5/9?11AGV智能小車(chē)簡(jiǎn)述2021/5/92021/5/9?212目錄簡(jiǎn)述34數(shù)學(xué)建模Simulink建模與仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2021/5/92021/5/9?3AGV智能小車(chē)簡(jiǎn)述AGV(AutomaticGuidedVehicle)智能小車(chē)又稱自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)，是一種在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，根據(jù)具體規(guī)劃和作業(yè)要求完成取貨、送貨、充電等任務(wù)的無(wú)人駕駛自動(dòng)化車(chē)輛。2021/5/92021/5/9?4AGV智能小車(chē)簡(jiǎn)述AGV智能小車(chē)是一種以電池為動(dòng)力，裝有電磁導(dǎo)引設(shè)備或光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備，能夠自動(dòng)沿著預(yù)定軌道行駛的自動(dòng)化車(chē)輛。應(yīng)用AGV小車(chē)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）可以減少撿取貨物、搬運(yùn)貨物的勞動(dòng)力，提高勞動(dòng)效率。（2）搬運(yùn)貨物時(shí)，小車(chē)自身不易與周邊加工設(shè)備發(fā)生碰撞，降低了生產(chǎn)事故的發(fā)生率。（3）能夠與機(jī)器人、堆垛機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備完美配合作業(yè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)貨物的實(shí)時(shí)跟蹤，大大減少貨物丟失的發(fā)生率。（4）耗電量小，無(wú)噪聲污染。2021/5/92021/5/9?5數(shù)學(xué)建模王嘉津2021/5/92021/5/9?6問(wèn)題該系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？系統(tǒng)建模的思路？如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？如何建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型？如何整合模型？2021/5/92021/5/9?71輸入和輸出是什么？

針對(duì)對(duì)系統(tǒng)的哪一部分建模？2021/5/92021/5/9?81該系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？仿真的目的：找到合適的控制器，使小車(chē)及時(shí)修正偏差，達(dá)到較好的循跡性能。那么只需要觀測(cè)小車(chē)運(yùn)行中偏差量變化的狀態(tài)，便可評(píng)估控制器的優(yōu)劣。因此輸出量應(yīng)選擇為能反映小車(chē)偏離軌道程度的變量。輸出量：當(dāng)小車(chē)修正偏差進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，是通過(guò)后輪（驅(qū)動(dòng)輪）的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)的，決定后輪轉(zhuǎn)速的是電機(jī)的電樞電壓。輸入量：電樞電壓建模的實(shí)質(zhì)：反映輸入電壓與之間的關(guān)系。2021/5/92021/5/9?92系統(tǒng)建模的思路？

機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成：機(jī)械本體，傳感器，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器。此次建模分為兩部分：建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型要得到的是輸入電壓與速度（轉(zhuǎn)速）之間的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要得到的是速度與（位移）之間的關(guān)系。最后將兩個(gè)模型整合形成最終的數(shù)學(xué)模型。2021/5/92021/5/9?103如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？

目標(biāo)：尋找與速度之間的關(guān)系。在分析小車(chē)處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)的速度時(shí)不能將小車(chē)當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)，那么應(yīng)該研究哪一點(diǎn)的速度？位移=速度*時(shí)間，但M點(diǎn)的速度并不好直接表示，因此考慮用位移之間的數(shù)量關(guān)系來(lái)表示。目標(biāo)：需要尋找、與速度之間的關(guān)系。

、均與O點(diǎn)速度相關(guān)，且與電機(jī)直接控制的速度、相關(guān)。

2021/5/92021/5/9?113如何建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型？

由于很小，則于是最終運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如下：2021/5/92021/5/9?124如何建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型？目標(biāo)：尋找輸入電壓與車(chē)輪速度（）之間的關(guān)系。直流電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程如下：此時(shí)忽略車(chē)體質(zhì)量、摩擦阻力對(duì)車(chē)速的影響，則電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速=車(chē)輪轉(zhuǎn)速。理想空載表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零。則：對(duì)于直流伺服電機(jī)，最終的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型如下2021/5/92021/5/9?135如何整合模型？

經(jīng)過(guò)問(wèn)題3和4的解答，分別得到了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型，但由于中間變量速度沒(méi)有統(tǒng)一，仍不能直接將其組合在一起。為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程，以勻速直線運(yùn)動(dòng)為例。在沒(méi)有外部擾動(dòng)的情況下，左右電機(jī)的給定信號(hào)相等，即，在此作用下小車(chē)產(chǎn)生速度可視為常數(shù)。當(dāng)外部擾動(dòng)使小車(chē)偏離預(yù)定路徑時(shí)，給定信號(hào)將分別加減一個(gè)糾偏控制量，即

相應(yīng)的電機(jī)輸出速度為：此模型是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但由于小車(chē)是在確定路線上運(yùn)行的，它的糾偏過(guò)程可視為在給定信號(hào)基礎(chǔ)上增加一個(gè)微小的控制量，因而這樣一個(gè)非線性化系統(tǒng)就可以采用小偏差線性化的方法將其轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)。于是有2021/5/92021/5/9?145如何整合模型？此時(shí)得到最終數(shù)學(xué)模型如下：2021/5/92021/5/9?15

如何得到？2021/5/92021/5/9?16SIMULINK建模與仿真周博文2021/5/92021/5/9?171.狀態(tài)傳遞函數(shù)根據(jù)前面同學(xué)建立的系統(tǒng)模型整理，可以得出系統(tǒng)狀態(tài)矩微分方程。選擇狀態(tài)變量x1=△v，x2=θ，x3=Edm，并令輸入u=△U，輸出y=Edm?？梢缘玫较到y(tǒng)的狀態(tài)矩陣如下2021/5/92021/5/9?182.系統(tǒng)可控性分析將小車(chē)與電機(jī)的相關(guān)參數(shù)代入方程得：rank[B,AB,A2B]=3說(shuō)明系統(tǒng)可控2021/5/92021/5/9?193.狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋u=v-Kx，K=[k1,k2,k3]自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)的控制規(guī)律可以表示為：△U=v-(k1△v+k2θ+k3Edm)狀態(tài)反饋矩陣K的引入，并不增加系統(tǒng)的維數(shù)，但是可以通過(guò)K的自由選取改變閉環(huán)系統(tǒng)的特征值，從而使系統(tǒng)獲得所要求得性能。設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋陣時(shí)，要使系統(tǒng)的極點(diǎn)設(shè)計(jì)成具有兩個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)，一個(gè)非主導(dǎo)極點(diǎn)，這樣就可以用二階系統(tǒng)的分析方法進(jìn)行參數(shù)的確定。我們要求最大超調(diào)量小于等于4.3%，調(diào)節(jié)時(shí)間為4S?？梢郧蟪鱿到y(tǒng)阻尼ξ=0.707，Wn=1.06則極點(diǎn)公式得到兩個(gè)共軛極點(diǎn)為2021/5/92021/5/9?203.狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)在MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱中提供了單變量系統(tǒng)極點(diǎn)配置acker(),其格式為K=acker(A,B,p)程序如下：A=[-0.100;10/300;5/3-3/40;];B=[7:0:0];C=[0:0:1];D=0;Rc=rank(ctrb(A,B));P=[-0.75+0.707j,-0.75-0.707j,-15];K=acker(A,B,p)運(yùn)行結(jié)果如下：2021/5/92021/5/9?214.Simulink建模根據(jù)數(shù)學(xué)建模和設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器建立如下Simulink模型2021/5/92021/5/9?225.Simulink仿真當(dāng)小車(chē)偏離運(yùn)行軌跡時(shí)，現(xiàn)有的系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器測(cè)出偏差，接著偏差信號(hào)輸入控制器，通過(guò)控制器輸出控制電壓修正運(yùn)行軌跡。通過(guò)仿真曲線，得到該系統(tǒng)對(duì)直線路徑具有較好的跟蹤控制性能。2021/5/92021/5/9?23AGV小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鄒星星2021/5/92021/5/9?244.1AGV模擬小車(chē)控制總體框圖STM32主控板LCD觸摸屏地標(biāo)傳感器控制按鍵無(wú)線WiFi磁導(dǎo)航傳感器組警示燈電機(jī)控制模塊LCD觸摸屏STM32磁采集控制板2021/5/92021/5/9?254.2主控制器模擬車(chē)控制器采用STM32來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)是對(duì)小車(chē)進(jìn)行總體控制，主要功能：接受上位機(jī)的命令、任務(wù)；向上位機(jī)報(bào)告小車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)（包括小車(chē)目前的所處位置，運(yùn)行速度、方向、故障狀態(tài)等）；根據(jù)設(shè)定的路線，自主的巡航和速度控制。2021/5/92021/5/9?264.2磁導(dǎo)航傳感器組磁導(dǎo)航傳感器組利用平均排布的8個(gè)采樣點(diǎn)，磁采集傳感器組示意圖如所示。磁傳感器組能夠檢測(cè)出磁條上方100Gauss左右的微弱磁場(chǎng)，每個(gè)采樣點(diǎn)連接一個(gè)傳感器，一共有8路信號(hào)輸出。因?yàn)閮蓚€(gè)傳感器之間的距離是20mm，磁條的寬度是50mm，因此AGV在運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器組會(huì)有連續(xù)的2～3路輸出采樣值。通過(guò)連續(xù)輸出的2～3路信號(hào)的傳感器編號(hào)，可以計(jì)算出磁條相對(duì)于AGV車(chē)體中線的位置偏差，AGV會(huì)自動(dòng)作出調(diào)整，確保AGV跟蹤磁條前行。20mm2021/5/92021/5/9?274.障礙檢測(cè)AGV模擬小車(chē)在工作時(shí)，會(huì)時(shí)刻遇見(jiàn)突發(fā)狀況，比如道路上的障礙物以及走動(dòng)的人。為了保證AGV在行駛過(guò)程，自身車(chē)體結(jié)構(gòu)的安全性以及工作環(huán)境中人和貨物的安全，在AGV車(chē)體前后分別裝置了避障檢查裝簧和警示燈，在一定的范圍內(nèi)，避障裝置使AGV減速或者停下，在障礙解除后，AGV能夠自主的重新的正常行駛。2021/5/92021/5/9?285通信模塊相比于其他通信總線，CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，可靠的實(shí)時(shí)性保證了數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性，防止丟包的可能性。而本課題中主控電路要求實(shí)時(shí)對(duì)磁采集電