基于電子差速的自動(dòng)導(dǎo)引物流車的研制

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

1 引言

自動(dòng)導(dǎo)引物流車AGV（Automated Guided Vehicle，以下簡(jiǎn)稱AGV）已廣泛應(yīng)用于物流倉儲(chǔ)、生產(chǎn)線等。然而現(xiàn)有AGV大多采用轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制運(yùn)動(dòng)軌跡，電動(dòng)機(jī)通過減速和差速后驅(qū)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)既增加了成本，又使系統(tǒng)控制變得復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化AGV的系統(tǒng)，本文研究一種基于電子差速和外轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“外轉(zhuǎn)電機(jī)”）直驅(qū)的AGV。

電子差速是根據(jù)所接收的轉(zhuǎn)向控制指令，通過控制內(nèi)、外車輪的速度來實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。將電子差速應(yīng)用于AGV，可以省去了現(xiàn)有AGV中的伺服轉(zhuǎn)向舵機(jī)和機(jī)械差速器；與此同時(shí)，外轉(zhuǎn)子電機(jī)既是驅(qū)動(dòng)輪又是轉(zhuǎn)向輪，并不需要齒輪減速裝置。因此，基于電子差速的AGV簡(jiǎn)化了系統(tǒng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率，降低了系統(tǒng)成本，而且維護(hù)簡(jiǎn)單。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

本文研制的基于電子差速的主要參數(shù)為：整車重（包括負(fù)載）300kg，供電電壓 24V（DC），行駛車速 1.8km/h，車身長(zhǎng)0.9m、寬0.6m，圖1為基于電子差速的AGV組成框圖。

圖1 基于電子差速的AGV組成框圖

圖1 中的蓄電池由2個(gè)12V、45Ah的串聯(lián)供電。前輪是2臺(tái)外轉(zhuǎn)電機(jī)（既作驅(qū)動(dòng)輪，也是轉(zhuǎn)向輪），2個(gè)后輪為從動(dòng)輪；控制器具有兩方面的功能：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)外轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制；二是負(fù)責(zé)整車的信號(hào)采集和控制。此外，該AGV采用磁導(dǎo)引傳感器和紅外避障傳感器檢測(cè)外部信號(hào)。

2.2 控制器

控制器是AGV的核心，圖2為其組成框圖。控制器硬件電路主控芯片是TMS320F2808。電機(jī)的HALL信號(hào)為5V，在信號(hào)送入DSP之前要將其轉(zhuǎn)換到3.3V且邏輯關(guān)系不變。DSP還需要對(duì)各個(gè)磁傳感器以及紅外避障傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣處理，從而實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航?？刂破鞯尿?qū)動(dòng)電路選擇了型

號(hào)為IKCM30F60GA的智能功率模塊。

圖2 基于電子差速的控制器組成框圖

2.3 外轉(zhuǎn)電機(jī)

根據(jù)AGV的驅(qū)動(dòng)要求，所設(shè)計(jì)外轉(zhuǎn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率250W，額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速350r/min。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選擇了30/27的極槽配合，外轉(zhuǎn)電機(jī)外轉(zhuǎn)子外徑為130mm，軸向長(zhǎng)為35mm。圖3是該外轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)仿真圖，圖4為外轉(zhuǎn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線，平均轉(zhuǎn)矩為7Nm，可以滿足驅(qū)動(dòng)要求。

圖3 外轉(zhuǎn)電機(jī)磁場(chǎng)仿真云圖

圖4 外轉(zhuǎn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 整車控制

基于電子差速的AGV整車控制軟件不僅包含底層外轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，還包括電子差速轉(zhuǎn)向、紅外避障、人機(jī)交互、故障檢測(cè)保護(hù)、電池電量監(jiān)測(cè)等功能，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 基于電子差速的整車控制軟件設(shè)計(jì)框圖

AGV路面行駛時(shí)，外轉(zhuǎn)電機(jī)反饋出Hall信號(hào)，控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出轉(zhuǎn)速指令，同時(shí)通過磁導(dǎo)引傳感器和紅外避障傳感器對(duì)路面信息進(jìn)行采集，控制器進(jìn)行內(nèi)部運(yùn)算，對(duì)外轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)向指令。蓄電池提供直流側(cè)母線電壓，并且通過電平轉(zhuǎn)換電路對(duì)控制器供電。

3.2 電子差速模型

根據(jù)Ackermann轉(zhuǎn)向幾何原理建立AGV電子差速模型如圖6所示。

圖6 AGV電子差速轉(zhuǎn)向幾何模型

圖6 中，W為車身寬度，L為車身長(zhǎng)度，β為車身轉(zhuǎn)向角度，βin為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角，βout為外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角。

由圖6可得內(nèi)、外側(cè)車輪的速度分別為

式（1）中，Vfin為內(nèi)側(cè)車輪速度，Vfout為外側(cè)車輪速度，V為整車行駛速度，且βin、βout分別為：

差速轉(zhuǎn)向作為AGV的上層控制，需根據(jù)車速V和轉(zhuǎn)向角度b計(jì)算兩驅(qū)動(dòng)輪的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3.3 外轉(zhuǎn)電機(jī)控制

外轉(zhuǎn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為減小AGV振動(dòng)、降低工作噪聲，在電機(jī)速度環(huán)中引入了模糊PI調(diào)節(jié)器，圖7為速度環(huán)模糊PI調(diào)節(jié)器。

選取轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)為模糊輸入量E1，轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)的一階微分為模糊輸入量E2，Δkp為模糊調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)速環(huán)kp增量，Δki為模糊調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)速環(huán)ki增量。根據(jù)多次實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)取E1模糊集論域?yàn)閧-80，-40，-20，0，20，40，80}；E2模糊集論域?yàn)閧-1500，-800，-300，0，300，800，1 500}；Δkp模糊集論域?yàn)閧-10，-5，-2，0，2，5，10}；Δki模糊集論域?yàn)閧-80，-40，-20，0，20，40，80}。E1、E2、Δkp、Δki的模糊子集都為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。PI_Fuzzy_Set根據(jù)所制定的模糊規(guī)則輸出Δkp和Δki的增量，這里kp和ki的基礎(chǔ)值分別設(shè)置為15和100。

4 試制與試驗(yàn)

圖8、圖9分別為作者設(shè)計(jì)并制作的AGV外轉(zhuǎn)電機(jī)和整車實(shí)物照片。AGV車頭兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，后為從動(dòng)輪，蓄電池組和控制器在車的中央，車頭底板下方布置有磁傳感器陣列，車身兩側(cè)布置有紅外避障傳感。

圖8 AGV外轉(zhuǎn)電機(jī)

圖9 AGV實(shí)物照片

4.1 負(fù)載試驗(yàn)

AGV滿載質(zhì)量為300kg，考慮車身的強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)整車質(zhì)量約為150kg，此時(shí)用示波器記錄外轉(zhuǎn)電機(jī)的電流波形，如圖10所示?？梢?，外轉(zhuǎn)電機(jī)三相電流對(duì)稱，換相尖峰得到了較好抑制，一相電流的幅值為4.5A，約為電機(jī)額定電流的一半。

圖10 外轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)測(cè)電流波形

圖11 給出了模糊PI與常規(guī)PI的轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形。與常規(guī)PI相比，模糊PI的轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間縮短，具有更好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和跟蹤性能。

圖11 模糊與常規(guī)PI的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

4.2 電子差速轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

為驗(yàn)證電子差速轉(zhuǎn)向控制的準(zhǔn)確性，在0-3s給定直行指令，3-5.5s給定左轉(zhuǎn)30°指令，5.5-8s給定直行指令，根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集到左右側(cè)車輪行駛路程計(jì)算出二輪行駛路程差值如圖12所示?？梢?，0-3s直行指令下二輪行駛路程差值為零，表明二輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)的一致性好；3-5.5s左轉(zhuǎn)30°指令下，左側(cè)車輪速度為0.62m/s，右側(cè)車輪速度為1m/s，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)向角度為28°。實(shí)驗(yàn)與目標(biāo)指令存在偏差大致有以下兩方面原因：一是車輪轉(zhuǎn)速并不能突變，從直行指令到轉(zhuǎn)向指令有一個(gè)短暫過渡；二是路面凹凸、車輪滑移等狀況也會(huì)對(duì)目標(biāo)指令的跟隨造成影響。

圖12 左右側(cè)車輪行駛路程的差值

4.3 導(dǎo)引試驗(yàn)

為驗(yàn)證AGV的自動(dòng)導(dǎo)引能力，試驗(yàn)前在地面上粘貼了黑色的磁性軌道線，并將沙漏懸掛于AGV尾的中部，用來描繪AGV實(shí)際運(yùn)行軌跡，實(shí)驗(yàn)得到沙漏軌跡如圖13所示。可見，沙漏軌跡與磁帶軌道線吻合良好，表明AGV具有較高的跟蹤導(dǎo)引能力。

圖13 AGV車的行駛軌跡

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