自動引導(dǎo)車運(yùn)動分段控制技術(shù)研究.pdf

1、非完整約束是指一種用不可積分的微分方程來表示的約束，它的存在使得系統(tǒng)更難控制；
　　 另一方面，非完整約束又廣泛存在于自動引導(dǎo)車（AGV-Automatic Guided Vehicle）、太空機(jī)器人、欠驅(qū)動的水下艦船系統(tǒng)等實(shí)際系統(tǒng)中，在軍事、工業(yè)、民用、深海太空業(yè)等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。AGV 作為一種典型的非完整系統(tǒng)，研究其控制問題具有重要的理論意義和良好的實(shí)用價值。本文在對相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對三輪AGV 運(yùn)動

2、控制問題進(jìn)行了深入研究，內(nèi)容主要包括基于神經(jīng)動力學(xué)模型的初期跟蹤控制、結(jié)合能量優(yōu)化策略的中段跟蹤控制、鎮(zhèn)定和跟蹤統(tǒng)一的后期運(yùn)動控制以及AGV整體運(yùn)動分段控制（IMSC-Integrated MotionSectionalized Control）等。
　　 在系統(tǒng)調(diào)研AGV 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對AGV的結(jié)構(gòu)及分類以及路徑跟隨、軌跡跟蹤、點(diǎn)鎮(zhèn)定等三種基本運(yùn)動的若干關(guān)鍵運(yùn)動控制技術(shù)進(jìn)行了分析和梳理，指出了目前存在的問題及需要進(jìn)

3、一步研究的內(nèi)容。
　　 引入微分幾何和非線性控制理論的一些基本概念和定理，給出了非完整系統(tǒng)以及約束的相關(guān)知識，綜合歸納出了一套用于分析非完整系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具。用該工具分析了AGV的非完整性，并以三輪AGV 為例，建立了AGV的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型。
　　 根據(jù)AGV系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)原理，對AGV控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的功能分配和模塊劃分，提出了所研究AGV的控制體系結(jié)構(gòu)。
　　 針對當(dāng)AGV 存在初始位姿誤差或AG

4、V的參考軌跡不連續(xù)時傳統(tǒng)軌跡跟蹤控制器會產(chǎn)生一個較大初始速度跳變的問題，在建立AGV 跟蹤誤差系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，引入神經(jīng)動力學(xué)思想，提出了一種基于生物激勵神經(jīng)動力學(xué)模型的AGV 軌跡跟蹤控制器。該控制器首先由運(yùn)動學(xué)控制器產(chǎn)生一個理想控制律，接著利用神經(jīng)動力學(xué)解決初始速度跳變問題，最后用快速終端滑?？刂破鬟M(jìn)一步提高跟蹤精度。仿真結(jié)果表明，該控制器能很好地解決跟蹤過程中出現(xiàn)的初始速度跳變問題，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局漸進(jìn)穩(wěn)定。
　　 針對A

5、GV 在運(yùn)動中段能耗大的問題，在深入分析系統(tǒng)能耗情況的基礎(chǔ)上，建立了AGV的能耗模型及運(yùn)動學(xué)模型，提出了一種基于能量優(yōu)化策略的AGV 軌跡跟蹤控制算法。能量優(yōu)化控制器是上述控制算法的核心，設(shè)定電機(jī)能量效率函數(shù)為其目標(biāo)函數(shù)，電機(jī)電樞等效電路電壓平衡方程式和轉(zhuǎn)矩方程式組成的方程組為其系統(tǒng)狀態(tài)方程，使AGV能準(zhǔn)確跟蹤參考軌跡的條件為其狀態(tài)約束，再加上一個控制輸入約束，組成優(yōu)化問題的三個約束，最后用遺傳算法解優(yōu)化問題得出一個最優(yōu)速度控制律。仿真

6、結(jié)果表明，該控制策略可以在使AGV 順利實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤的同時達(dá)到能量優(yōu)化的效果。
　　 針對AGV系統(tǒng)的后期軌跡跟蹤和鎮(zhèn)定問題，在深入分析預(yù)測控制機(jī)理和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究了存在非完整約束和控制輸入約束的AGV 軌跡跟蹤的非線性模型預(yù)測控制問題，設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測終端控制器的終端鎮(zhèn)定控制算法，并結(jié)合AGV的運(yùn)動模型，使用狀態(tài)觀測器對含噪聲的動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，進(jìn)一步增強(qiáng)了軌跡跟蹤控制的效果。同時，考慮到AGV需有避障功能，為

7、鎮(zhèn)定控制器設(shè)計(jì)了一個避障控制模塊。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果證實(shí)了所設(shè)計(jì)軌跡跟蹤算法的正確性和有效性。
　　 為了實(shí)現(xiàn)對AGV 整個運(yùn)動過程的高精度和低能耗控制，本文提出了一種整體運(yùn)動分段控制方法，即對AGV 運(yùn)動的初、中和后期三個不同階段的運(yùn)動，根據(jù)其各自特點(diǎn)分別采用上述三種控制方法，且將三種方法有機(jī)地組合成一種方法，并通過計(jì)算和仿真確定了各種方法所使用的運(yùn)動區(qū)間，從而能更好地實(shí)現(xiàn)AGV 在整個軌跡跟蹤過程中的平滑性、節(jié)能性、魯棒性及全局