一種基于分數(shù)階PID直流電機調速的AGV控制系統(tǒng)

呂毅　戚志東

摘 要： 為設計一種低成本、抗干擾、穩(wěn)定可靠的AGV，提出一種基于磁帶導航的AGV系統(tǒng)。采用Megawin公司的80C51單片機為控制核心，以并排對稱設計的霍爾傳感器實現(xiàn)循跡和糾偏，紅外光電傳感器實現(xiàn)避障，并采用上位機對其進行監(jiān)控。為達到AGV電機調速的穩(wěn)定性與實時性，采用分數(shù)階PID算法進行控制，通過Matlab軟件進行建模與仿真，驗證其可行性。最后，經實際應用場合驗證，AGV小車具有抗干擾能力強，避障精度高，運行穩(wěn)定安全等優(yōu)點。

關鍵詞： AGV； 電磁導航； 紅外避障； 分數(shù)階PID

中圖分類號： TN919?34； TP2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0127?04

AGV control system for DC motor speed control based on fractional order PID

L? Yi， QI Zhidong

（School of Automation， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract： In order to design a low?cost， anti?interference， stable and reliable AGV， an AGV system based on magnetic navigation is proposed. The singlechip 80C51 made by Megawin Company is taken as the control core of the system. The Hall sensor with symmetrical design is used to realize the tracking and deviation rectification. The infrared photoelectric sensor is adopted to avoid the obstacles. The host computer is employed to monitor the system. In order to realize the stability and real?time performance of the AGV motor speed control， the fractional order PID algorithm is used to control the speed. The controller was modeled and simulated with Matlab software to verify its feasibility. The AGV has the advantages of strong anti?interference ability， high precision of obstacle avoidance， stable and safe operation， which were verified by the actual application.

Keywords： AGV； electromagnetic navigation； infrared obstacle avoidance； fractional order PID

0 引 言

AGV（自動導引運輸車）是指裝有電、磁、聲、光等導引傳感裝置，能夠按照設定的導引路徑自動行駛，并根據(jù)實際應用配備有移載、視頻監(jiān)控等功能的運輸車[1]。AGV具有運輸效率高、節(jié)能、工作可靠、能實現(xiàn)柔性運輸、使用靈活、無公害等許多優(yōu)點，已廣泛應用于許多領域[2]。

AGV的導引傳感裝置被稱為AGV之“眼”，是AGV能夠完成精確導引的基石。常用的導引方式有電磁導引、紅外導引、磁帶導引、光學導引、激光導引、圖像識別導引、GPS導引等[3]?？紤]到光學引導傳感器對周圍的光線環(huán)境要求較高以及光帶易磨損，易落灰等因素，本設計采用磁帶導引。

AGV的驅動電機是其運動的基石。AGV運動的穩(wěn)定性和響應的及時性是衡量其質量好壞的重要標志，所以對其調速控制的研究具有重要意義。傳統(tǒng)PID由于結構簡單，控制效果及穩(wěn)定性好，在工業(yè)控制中得到廣泛應用。但是隨著智能車的發(fā)展，在高速情況下要求快速跟蹤目標軌跡，傳統(tǒng)PID的控制效果也并不理想。分數(shù)階PID控制將傳統(tǒng)PID控制擴展到了分數(shù)階領域，比傳統(tǒng)PID控制器多2個自由度，即積分和微分項的階次，因而它具有更大的調節(jié)范圍[4]。文獻[5]建立了系統(tǒng)的分數(shù)階數(shù)學模型并設計了分數(shù)階PID控制器，取得了比整數(shù)階數(shù)學模型和控制器好的系統(tǒng)性能。文獻[6]將分數(shù)階PID控制器用于伺服電機控制中，取得了良好的效果。因此本文將采用分數(shù)階PID實現(xiàn)AGV電機調速。

1 系統(tǒng)結構

AGV小車的系統(tǒng)結構如圖1所示，其可劃分為8個模塊，分別為MCU、RFID讀卡模塊、磁導航傳感器模塊、數(shù)碼管顯示模塊、光電與機械避障模塊、電機驅動模塊、WiFi模塊、上位機。

圖1中各個模塊的功能分別如下：

MCU：該模塊是整個系統(tǒng)的核心，主要完成處理RFID讀卡模塊、磁導航傳感器模塊、光電與機械避障模塊上傳的信息，輸出信息給數(shù)碼管顯示模塊顯示，同時控制電機的轉速以及轉向，并且通過WiFi模塊和上位機進行信息的交換等。

RFID讀卡模塊：讀取地標卡的信息，并上傳給MCU，用于控制AGV的起停。

磁導航傳感器模塊：主要利用霍爾傳感器檢測小車運行的實際線路，并將處理后的信息發(fā)送給MCU。

數(shù)碼管顯示模塊：用6位7段數(shù)碼管并排顯示AGV的運行狀況（車速，出軌），電池電量。

光電與機械避障模塊：主要檢測AGV是否遇到障礙物。

電機驅動模塊：主要為電機工作提供足夠的功率，并控制其轉速、轉向等。

WiFi模塊：實現(xiàn)上位機和AGV的無線通信。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MCU

本設計采用的微控單元（MCU）是Megawin公司的MA805?24系列的單片機。其在與標準8051 MCU有同樣處理能力的情況下，只需要非常低的運行速度，因此可以很大程度地減少耗電量，同時擁有低成本，高性能的優(yōu)點[7]。

MA805?24擁有24 KB的內置FLASH存儲器用于保存代碼和數(shù)據(jù)，擁有ISP和IAP能力。

MA805?24除保留了標準80C52的所有功能外，還增加了許多其他功能。接口豐富，包括PCA，SPI，UART，SCI，I2C等，可以實現(xiàn)和各種傳感器模塊的連接。

2.2 磁導航模塊

本設計采用磁條和并排對稱設計的7組霍爾傳感器實現(xiàn)對AGV的導航。

其原理是利用通電霍爾元件在磁場中產生一個輸出電壓，通過一系列的跟隨，放大之后給單片機一個信號，實現(xiàn)AGV的導引，其原理圖如圖2所示。主控板給三端穩(wěn)壓芯片LM317一個5 V電壓，輸出電壓[Vout]（即CH11的電位）可以通過電位器RWC1調節(jié)，同時RWC1可以調節(jié)LM324的14腳輸出電壓，即改變CH13的電位，這樣就可以給霍爾傳感器HW?101A一個恒定的輸入電壓1.25 V?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲭妷褐挥?22～370 mV（CH12和CH14為其輸出端），這里通過跟隨、放大之后輸出一個高電平，并通過RC18限流，使得三極管QC1導通，OUT1輸出一個低電平信號給單片機，實現(xiàn)導航控制。

2.3 數(shù)碼管顯示模塊

本設計采用6位7段數(shù)碼管作為顯示模塊，在降低成本的同時，有效地實現(xiàn)了顯示功能。它主要用來顯示小車的運行狀況，比如小車運行時顯示車速大?。怀鲕墪r顯示OFF?Ln；啟動時顯示運行方向；停車時先顯示?？繒r間再顯示電池電量。電池電量主要通過電阻分壓模式來檢測，并通過單片機A/D采樣，從而顯示出來。其中RB6和CB1的作用是RC濾波，RB7的作用是限流。檢測電路如圖3所示。

2.4 光電與機械避障模塊

AGV避障模塊主要使用的是SUNX光電傳感器[8]PX?22。PX?22擁有2個檢測區(qū)域，即近距離區(qū)域OUT1和遠距離區(qū)域OUT2，最大檢測距離是3 m。通過靈敏度調節(jié)可以設置其檢測距離。本系統(tǒng)中，設定OUT2檢測距離為1 m，OUT1檢測距離為0.3 m。當小車在1 m處檢測到障礙物時，需減速行駛；當障礙物離小車的距離為0.3 m時，小車則停止。

由于PX?22傳感器的檢測區(qū)域為扇形區(qū)域，存在盲區(qū)，本系統(tǒng)裝有2個光電開關在PX?22左右兩側來減小盲區(qū)。另外，在小車的前面還安裝有行程開關（機械避障），用于防撞檢測。

2.5 WiFi模塊

為了實現(xiàn)更加快捷方便地控制AGV小車，本設計采用USR?WiFi232?602串口轉WiFi模塊，將MCU的SCI信號轉化成WiFi信號，并通過WiFi網(wǎng)絡和上位機相連，與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信。USR?WiFi232?602模塊支持TCP Server，TCP Client，UDP Server，UDP Client四種工作模式，TCP Server模式時可以支持多達32個Client連接。此模塊擁有AP和STA兩個應用模式，作為AP時，其他無線設備可以作為STA與其連接通信；作為STA時，可以通過路由器與其他設備實現(xiàn)組網(wǎng)。實際應用中，其具有傳輸距離遠，可靠性高，組網(wǎng)靈活等特點。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 分數(shù)階PID控制算法

對于整個系統(tǒng)來說，軟件設計的核心在于控制算法。

分數(shù)階[PIλDμ]是由I.Podlubny教授提出的。分數(shù)階[PIλDμ]除了[KP，][KI]和[KD]外，還引入了積分階次[λ]和微分階次[μ，]其中[λ]和[μ]可以是任意實數(shù)。其傳遞函數(shù)為：

[C（s）=KP+KIsλ+KDsμ]

可以看出，分數(shù)階比例?積分?微分是常規(guī)比例?積分?微分控制律的一般形式，整數(shù)階PID是分數(shù)階[PIλDμ]在[λ=μ=1]時的特例。由于分數(shù)階[PIλDμ]比整數(shù)階PID多了兩個可調參數(shù)[λ]和[μ，]因而具有更大的調節(jié)自由度[9]。分數(shù)階PID控制器的閉環(huán)系統(tǒng)結構如圖4所示。

本設計采用中大直流電機，電動機的額定參數(shù)為：[UN=12]V，[IN=5.2]A，[nN=]2 800 r/min，[Ra=]0.52 Ω。通過Matlab對其整數(shù)階和分數(shù)階建模和仿真，并且通過時間乘以誤差絕對值積分（ITAE）的性能指標來參數(shù)整定，尋求最優(yōu)的[KP，][KI]和[KD]值以及[λ]和[μ]的值，得到電機轉速[n]和時間[t]的關系曲線，其中[KP=1.08，][KI=5.28，][KD=0.056，][λ=0.9]和[μ=0.1。]整數(shù)階PID控制器的仿真結果如圖5所示，分數(shù)階PID控制器的仿真結果如圖6所示。

由圖5和圖6的仿真結果可知，整數(shù)階PID控制的上升時間[tr=]0.13 s，峰值時間[tm=]0.31 s，調節(jié)時間[ts=]0.82 s，超調量[σ%=8.6%；]分數(shù)階PID控制的上升時間[tr=0.06 s，]峰值時間[tm=0.14 s，]調節(jié)時間[ts=0.4 s，]超調量[σ%=3.6%；]可見分數(shù)階控制器比整數(shù)階控制器的控制能力要強很多，能夠縮短53.8%的上升時間，54.8%的峰值時間，51.2%的調節(jié)時間，減小58.1%的超調量；其調速的穩(wěn)定性和快速性更強。

要在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)分數(shù)階PID控制器，需要將時域中的微分方程離散化。然后就可以在嵌入式程序中設置變量，編寫程序，找到控制參數(shù)，從而調節(jié)輸出PWM的占空比，達到調節(jié)電機轉速，控制小車穩(wěn)定運動的目標。

3.2 上位機軟件設計

上位機主要用來實現(xiàn)對AGV小車的控制和數(shù)據(jù)交換。本設計的上位機軟件采用C#編寫，主要分為基本設置、運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示三個部分。上位機界面如圖7所示。

基本設置部分主要用來給小車發(fā)送指令，設置其運行速度、方向以及目標站點。而小車的障礙物報警、脫軌、故障等情況則由運行狀態(tài)部分來顯示。數(shù)據(jù)顯示部分用來采集小車的電池電量以便及時充電，同時用來監(jiān)控小車的運行速度。

4 結 語

對于AGV而言，保證其運動的可靠性、穩(wěn)定性至關重要。它涉及到硬件電路設計的兼容性以及軟件控制算法的優(yōu)化性等很多方面內容。在本設計中，利用霍爾傳感技術配合優(yōu)化的硬件電路設計了磁導航傳感器，保證其循跡的精度和可靠性，受外界干擾?。淮送?，通過分數(shù)階PID控制算法調節(jié)電機轉速，減小過沖，控制小車平穩(wěn)運行。在實際運用中，該車表現(xiàn)了良好的可靠性和穩(wěn)定性，受外界干擾小，達到了設計的目的，具有廣闊的應用前景。

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