本發(fā)明涉及自動導(dǎo)航車控制領(lǐng)域，尤其是一種基于自抗擾控制的磁帶導(dǎo)引AGV循跡控制方法。

背景技術(shù)：

自動導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)一般是指配備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠按照預(yù)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)和各種移載功能且在實際工業(yè)應(yīng)用中不需要駕駛員的運輸車。它的主要功能表現(xiàn)為：能在上位機的監(jiān)控下，按照規(guī)劃路徑和作業(yè)要求，使小車精確地行走并?？康街付ㄎ恢们夷芡瓿梢幌盗幸戚d、搬運等作業(yè)功能。AGV的應(yīng)用領(lǐng)域主要分布在：汽車行業(yè)、柔性制造系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)以及倉儲物流自動化等行業(yè)。按照導(dǎo)引方式的不同，可劃分為：電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、圖像識別導(dǎo)引及GPS導(dǎo)引等方式。在工業(yè)企業(yè)中電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引和激光導(dǎo)引的應(yīng)用最為廣泛。其中，磁帶導(dǎo)引AGV采用了在地面上粘貼磁帶的方式，通過安裝在AGV上的磁導(dǎo)引傳感器感應(yīng)磁帶的磁場信號實現(xiàn)小車的自動導(dǎo)引功能。

目前在工業(yè)制造、裝配、倉儲物流等領(lǐng)域磁帶導(dǎo)引AGV小車以其高性價比、高可靠性和靈活性逐漸占據(jù)著低端市場主導(dǎo)地位。但是，目前大部分磁帶導(dǎo)引AGV小車控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、靈活性欠缺、對環(huán)境的適應(yīng)能力不強等不足。因此，設(shè)計研發(fā)一種具有穩(wěn)定性好，成本低且性價比高，質(zhì)量可靠，適應(yīng)能力強的磁帶導(dǎo)引AGV小車具有重要的意義和較高的實用價值。

磁帶導(dǎo)引AGV局部定位精確、靈活性好、容易對行進(jìn)路徑進(jìn)行修改。同時磁帶鋪設(shè)快捷、導(dǎo)引原理簡單可靠且便于通信控制、對聲光無干擾。在AGV的自動導(dǎo)引控制上，在評價導(dǎo)引控制方法時，須綜合考慮導(dǎo)引精度和穩(wěn)定性、導(dǎo)引抗干擾能力以及導(dǎo)引響應(yīng)時間等指標(biāo)。為了提高磁帶導(dǎo)引AGV的循跡精度，提出基于干擾觀測器和PD控制器的循跡控制方法，即設(shè)計自抗擾控制器來提高循跡精度，尤其在抑制各種擾動作用的問題上，自抗擾控制器能實時估計擾動并加以補償，使得磁帶導(dǎo)引小車的循跡效果以及魯棒性得到改善。在磁帶導(dǎo)引小車的循跡控制方法上，基本上采用的是傳統(tǒng)PID控制和模糊控制方法，PID控制雖然有一定的循跡精度，但是無法同時兼顧循跡快速性和控制超調(diào)，一旦外界對控制系統(tǒng)有較大干擾，會導(dǎo)致循跡過程中小車的左右振蕩，即小車的左右擺動，嚴(yán)重時會出現(xiàn)小車失控的現(xiàn)象，這對小車的循跡是很不利的。而模糊控制雖然在一定程度上解決了循跡快速性和控制超調(diào)之間的矛盾，但是模糊控制規(guī)則需要大量的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持，會受到人的主觀因素的影響而不能完全歸總，且因缺乏“自我學(xué)習(xí)”的能力很難消除穩(wěn)態(tài)誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決已有磁帶導(dǎo)引AGV循跡控制方法中響應(yīng)快速性和控制超調(diào)過大之間的矛盾、循跡過程中AGV左右振蕩問題，并且對外界和系統(tǒng)干擾的抗干擾能力有限的缺點，本發(fā)明提供一種自抗擾控制方法來處理磁帶導(dǎo)引AGV的循跡問題，有效降低了循跡控制的超調(diào)并保證了響應(yīng)的快速性，它具有循跡精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于自抗擾控制的磁帶導(dǎo)引AGV循跡控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1)建立磁帶導(dǎo)引AGV(以下簡稱小車)的循跡模型，根據(jù)移動機器人的動態(tài)特性，對小車循跡控制系統(tǒng)的橫向偏差距離和偏差角度進(jìn)行分析，記e_θ為小車質(zhì)心行進(jìn)方向相對于磁帶軌跡中心線的偏差角度，e_d為小車質(zhì)心與磁帶軌跡中心線的橫向偏差距離，假設(shè)小車左右輪輪軸中心為小車質(zhì)心，則當(dāng)小車差速轉(zhuǎn)向時，小車質(zhì)心的行駛速度v_c為

ν_c＝(ν_l+ν_r)/2 (1)

其中v_l,v_r分別為小車左右驅(qū)動輪的移動線速度；

轉(zhuǎn)向角速度ω為

ω＝(ν_l-ν_r)/D (2)

其中D為小車左右驅(qū)動輪輪距；

記Δt為一段極短的時間，那么在Δt時間內(nèi)小車的偏差角度變化量為

Δe_θ＝(ν_l-ν_r)·Δt/D (3)

側(cè)向偏差距離變化量為

Δe_d＝ν_c·Δt·sine_θ (4)

根據(jù)式(3)、(4)，可分別得到其微分方程為

又由于Δt時間內(nèi)e_θ極小，由式(4)得

令左右驅(qū)動輪輪速差Δν＝ν_l-ν_r，聯(lián)立式(5)和式(7)可得以e_θ,e_d為狀態(tài)變量的小車循跡控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為

其中，令u＝Δv為系統(tǒng)控制量；

綜上，小車左右驅(qū)動輪的移動速度表示為

其中，u的正負(fù)表征為小車質(zhì)心相對于磁帶中心線是左偏還是右偏，且|u|≤2ν_c；

由式(8)得系統(tǒng)微分方程為

式(11)為磁帶導(dǎo)引小車的循跡誤差模型，為單輸入單輸出二階系統(tǒng)，其中，y為系統(tǒng)控制輸出，即y＝e_d；

步驟2)根據(jù)選取的磁導(dǎo)引傳感器和磁帶，確定磁導(dǎo)引傳感器安裝位置相對于小車質(zhì)心的垂直距離L和相對于磁帶上表面的垂直高度H，并實際量測小車不同姿態(tài)下(對應(yīng)磁導(dǎo)引傳感器檢測的不同數(shù)字信號)磁導(dǎo)引傳感器中心點相對于磁帶中心線的偏差距離E，且小車質(zhì)心相對于磁帶中心線左偏或右偏均有m個距離值，即E共有2m個數(shù)據(jù)值；

步驟3)為參考橫向距離偏差安排過渡過程并設(shè)計跟蹤微分器，使小車的橫向偏差距離盡可能快而無超調(diào)地跟蹤上參考距離，參考距離的過渡過程信號及其微分跟蹤器按如下方程給出：

其中，e_T為小車橫向偏差距離安排的過渡過程信號與參考橫向偏差距離的誤差，為過渡過程信號的近似一階微分信號；f₁，即為快速綜合函數(shù)，r₀為快速跟蹤因子，與過渡過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)值想要的時間成反比，且受系統(tǒng)承受能力制約，取值不可太大，T為積分步長，其具體形式如下：

其中，sign()為符號函數(shù)，并具有如下形式：

步驟4)設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)，獲取小車的橫向偏差距離、橫向偏差速度以及總和擾動量的估計值，那么擴張狀態(tài)觀測器按如下方程給出：

其中，e_S為小車橫向偏差距離的估計值與實際偏差距離的差，為小車實際橫向偏差距離e_d的估計值，為小車橫向偏差速度的估計值，為系統(tǒng)綜合擾動的估計值，b₀是決定補償強弱的“補償因子”，β₁,β₂,β₃為一組待整定可調(diào)參數(shù)，T為積分步長，f₂(e_S,ξ₁,T),f₃(e_S,ξ₂,T)為非線性函數(shù)，具體表達(dá)式如下：

其中，ξ₁,ξ₂為冪指數(shù)；

步驟5)狀態(tài)誤差反饋控制率設(shè)計如下：

其中，e₁為小車橫向偏差距離的跟蹤誤差，e₂為小車橫向偏差速度的跟蹤誤差，這些誤差經(jīng)過線性組合u₀＝α₁e₁+α₂e₂得到誤差反饋控制率u₀，其中α₁,α₂為各誤差的反饋增益，可參考PD控制增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，將由步驟4)獲得的總和擾動的估計值通過形如的補償過程得到最終的控制量u，使得磁帶導(dǎo)引小車的總和擾動被補償消除，從而達(dá)到抑制內(nèi)外擾動的目的，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

針對步驟1)中的循跡模型，得到了被控系統(tǒng)的二階系統(tǒng)模型，進(jìn)而設(shè)計適合于被控系統(tǒng)的自抗擾控制器。由系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)，可知系統(tǒng)的阻尼系數(shù)ζ＝0，即為無阻尼系統(tǒng)，在加快過渡過程而取較大的控制增益時，會給予系統(tǒng)很大的初始沖擊，使得系統(tǒng)的實際行為y很容易產(chǎn)生超調(diào)。

在系統(tǒng)不存在阻尼的情況下，只能通過降低起始誤差，才有可能用較大的控制增益來加快過渡過程。降低起始誤差的具體辦法是：在對象的能力所能承受的范圍內(nèi)，根據(jù)控制目標(biāo)事先安排一個合適的過渡過程，然后讓系統(tǒng)的實際行為y跟蹤這個過渡過程來最終達(dá)到控制目標(biāo)。

進(jìn)一步，所述步驟3)中，為參考橫向距離偏差安排過渡過程并設(shè)計跟蹤微分器，微分跟蹤器按如下方程給出：

其中公式f₁具體形式如下：

再進(jìn)一步，所述步驟4)中，設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器，分別得到系統(tǒng)橫向偏差距離與橫向偏差速度的估計和作用于系統(tǒng)的總和擾動的估計擴張狀態(tài)觀測器方程為：

式中，β₁,β₂,β₃為觀測器的一組待定可調(diào)參數(shù)，b₀為補償因子，u為式(11)所示磁帶導(dǎo)引小車循跡控制系統(tǒng)的輸入；

其中，f₂(e_S,ξ₁,T),f₃(e_S,ξ₂,T)的具體形式為

其中，ξ₁,ξ₂為冪指數(shù)。

更進(jìn)一步，所述步驟5)中，根據(jù)擴張狀態(tài)觀測器和跟蹤微分器的輸出獲得小車橫向偏差距離、橫向偏差速度的跟蹤誤差，設(shè)計其線性反饋控制率，基于該控制率并通過總和擾動的動態(tài)線性化補償達(dá)到參考橫向偏差距離的快速跟蹤和抑制內(nèi)外總和擾動的目的，由以上步驟可得到如下狀態(tài)誤差反饋控制率：

其中，e₁為小車橫向偏差距離的跟蹤誤差，e₂為小車橫向偏差速度的跟蹤誤差，這些誤差經(jīng)過線性組合u₀＝α₁e₁+α₂e₂得到誤差反饋控制率u₀，其中α₁,α₂為各誤差的反饋增益，可參考PD控制增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述步驟2)中，用磁導(dǎo)引傳感器中心點相對于磁帶中心線的偏差距離E來刻畫控制輸出y，即e_d：

e_d＝E·cose_θ-L·sine_θ (23)

其中Δs_l,Δs_r分別為固定采樣周期內(nèi)，左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動距離，L為磁導(dǎo)引傳感器安裝位置相對于小車質(zhì)心的垂直距離，D為左右驅(qū)動輪輪距。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：由于磁帶導(dǎo)引小車在循跡過程中無法同時兼顧循跡快速性和控制超調(diào)且循跡過程中小車容易出現(xiàn)左右振蕩，以及對小車輪子打滑等外界干擾的抗干擾能力有限，針對以上存在的問題，本發(fā)明提供一種對擾動進(jìn)行實時估計與補償來構(gòu)造出具有“自抗擾功能”的新型實用控制器的方法。本專利提出的控制方法安排的過渡過程很好的解決了響應(yīng)快速性和控制超調(diào)之間的矛盾，以及很好的解決了循跡振蕩的問題。相比傳統(tǒng)PID控制方法，本發(fā)明在采用“基于誤差消除誤差”的控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計具有實時估計外界和系統(tǒng)擾動即總和擾動的擴張狀態(tài)觀測器，并通過前饋補償消除系統(tǒng)總和擾動，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及循跡精度。

附圖說明

圖1是磁帶導(dǎo)引AGV的循跡示意圖，便于得到小車的循跡模型；

圖2是磁帶導(dǎo)引AGV系統(tǒng)狀態(tài)量與磁導(dǎo)引傳感器偏差關(guān)系示意圖，便于刻畫系統(tǒng)輸出變量；

圖3自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種基于自抗擾控制的磁帶導(dǎo)引AGV循跡控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1)以四輪小車為研究對象，兩前輪作為驅(qū)動輪，實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，兩后輪作為從動輪，起支撐作用。假設(shè)小車驅(qū)動輪軸心即為小車質(zhì)心，根據(jù)移動機器人的運動特性，可得到磁帶導(dǎo)引AGV的循跡模型為：

只要磁導(dǎo)引傳感器存在偏差E，系統(tǒng)就能通過控制輸入u，即驅(qū)動輪速度差轉(zhuǎn)換為小車兩驅(qū)動輪的速度，進(jìn)而調(diào)整小車循跡姿態(tài)，保證小車質(zhì)心始終處于磁帶中心線上；

步驟2)由于選取的傳感器為一帶有16位霍爾傳感器，且每一個霍爾點均勻分布，點間距為10mm的磁導(dǎo)引傳感器，每個霍爾檢測點采取NPN集電極開路輸出，即檢測到有效磁場信號時對地導(dǎo)通，輸出低電平。基于磁導(dǎo)引傳感器的信號特性，必須將檢測的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成可以參與系統(tǒng)控制的物理量，即磁導(dǎo)引傳感器偏差距離E。

選取的磁導(dǎo)引傳感器正常安裝高度H為20～40mm，在此范圍以外，磁導(dǎo)引傳感器的檢測信號會不穩(wěn)定，降低了信號的可利用率。固定好磁導(dǎo)引傳感器的安裝位置后，在實際提取小車不同姿態(tài)下磁導(dǎo)引傳感器的信息時，m＝15，同時量測小車不同姿態(tài)下磁導(dǎo)引傳感器的偏差距離E。

步驟3)考慮本發(fā)明中磁帶導(dǎo)引小車循跡控制指的是以小車循跡橫向距離偏差e_d趨近于給定值的運動，因此，刻畫橫向偏差距離，并給出磁帶導(dǎo)引小車的循跡模型是十分必要的，在步驟1)中，已經(jīng)給出了磁帶導(dǎo)引AGV的循跡模型，根據(jù)循跡模型，對循跡系統(tǒng)的橫向偏差距離進(jìn)行分析，通過磁導(dǎo)引傳感器的檢測誤差E等信息來刻畫輸出變量e_d。

如圖2所示，O′為小車質(zhì)心，M為磁導(dǎo)引傳感器中心點，E為磁導(dǎo)引傳感器中心點相對于磁帶中心線的偏差距離，O′M＝L。

從圖2中的幾何關(guān)系可以得到，e_d＝E cos e_θ-L sin e_θ；

步驟4)針對步驟1)中的循跡模型，得到了被控系統(tǒng)的二階系統(tǒng)模型，設(shè)計適合于被控系統(tǒng)的自抗擾控制器。

如圖1所示，磁帶導(dǎo)引AGV的各參數(shù)表示清晰，并且在全局坐標(biāo)系中給定AGV的最一般姿態(tài)，對其進(jìn)行動態(tài)分析，得到磁帶導(dǎo)引AGV的循跡模型，圖中各符號表示為：

O′---AGV兩驅(qū)動輪輪軸中心即質(zhì)心；

D---AGV兩驅(qū)動輪輪距；

ν_l---AGV左驅(qū)動輪移動線速度；

ν_r---AGV右驅(qū)動輪移動線速度；

ν_c---AGV質(zhì)心移動線速度；

e_d---AGV質(zhì)心與磁帶軌跡中心線的橫向偏差距離；

e_θ---AGV質(zhì)心行進(jìn)方向與磁帶軌跡中心線的偏差角度；

1---鋪設(shè)磁帶軌跡，箭頭表示小車行進(jìn)方向；

如圖2所示，為移動機器人在循跡過程中如何通過磁導(dǎo)引傳感器采集的信息來刻畫控制系統(tǒng)的輸出變量，且輸出變量e_d只與當(dāng)前時刻的E和e_θ相關(guān)。

各符號表示為：

O′---AGV兩驅(qū)動輪輪軸中心即質(zhì)心；

D---AGV兩驅(qū)動輪輪距；

1---鋪設(shè)磁帶軌跡，箭頭表示小車行進(jìn)方向；

2---磁導(dǎo)引傳感器；

L---磁導(dǎo)引傳感器安裝位置相對于AGV質(zhì)心的垂直距離；

E---磁導(dǎo)引傳感器中心點相對于磁帶中心線的偏差距離；

M---磁導(dǎo)引傳感器的中心點；

e_d---AGV質(zhì)心與磁帶軌跡中心線的橫向偏差距離；

e_θ---AGV質(zhì)心行進(jìn)方向與磁帶軌跡中心線的偏差角度；

如圖3所示，為磁帶導(dǎo)引AGV橫向距離偏差的控制策略表示，包括過渡過程的安排、誤差反饋的線性組合以及擴張狀態(tài)觀測器(ESO)，由于磁帶導(dǎo)引AGV的循跡模型可知本系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，本發(fā)明基于對磁帶導(dǎo)引AGV的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)在循跡過程中，小車的循跡振蕩，即小車在糾偏過程中會出現(xiàn)左右頻繁擺動現(xiàn)象對循跡的精度會產(chǎn)生重要影響，嚴(yán)重時會出現(xiàn)控制失控的現(xiàn)象，設(shè)計的安排過渡過程完全解決了循跡快速性和控制超調(diào)之間的矛盾，且很好的抑制了循跡過程中的振蕩現(xiàn)象。除此之外，本發(fā)明充分利用擴張狀態(tài)觀測器對擾動的估計與前饋補償作用，將磁導(dǎo)引傳感器的偏差E的量測誤差和狀態(tài)變量e_θ的刻畫誤差作為系統(tǒng)總和擾動的一部分，通過擴張觀測器對總和擾動的估計并補償，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。