AGV智能小車循跡系統(tǒng)的建模與仿真PPT專業(yè)課件

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第六級,第七級,第八級,第九級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第六級,第七級,第八級,第九級,*,1,AGV,智能小車簡述,1,2,目錄,簡述,3,4,數(shù)學(xué)建模,Simulink,建模與仿真,控制系統(tǒng)設(shè)計,AGV,智能小車簡述,AGV(Automatic Guided Vehicle),智能小車又稱自動導(dǎo)引車，是一種在計算機監(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)的無人駕駛自動化車輛。,AGV,智能小車簡述,AGV,智能小車是一種以電池為

2、動力，裝有電磁導(dǎo)引設(shè)備或光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備，能夠自動沿著預(yù)定軌道行駛的自動化車輛。,應(yīng)用,AGV,小車具有以下優(yōu)勢：,（,1,）可以減少撿取貨物、搬運貨物的勞動力，提高勞動效率。,（,2,）搬運貨物時，小車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,）能夠與機器人、堆垛機等自動化設(shè)備完美配合作業(yè)，且能夠?qū)崿F(xiàn)對貨物的實時跟蹤，大大減少貨物丟失的發(fā)生率。,（,4,）耗電量小，無噪聲污染。,數(shù)學(xué)建模,王嘉津,問題,該系統(tǒng)的輸入和輸出是什么？,系統(tǒng)建模的思路？,如何建立運動學(xué)模型？,如何建立電機驅(qū)動模型？,如何整合模型？,1,輸入和輸出是什么？,針對對系統(tǒng)的哪一部分建模？,1,該系統(tǒng)的

3、輸入和輸出是什么？,仿真的目的：找到合適的控制器，使小車及時修正偏差，達到較好的循跡性能。,那么只需要觀測小車運行中偏差量變化的狀態(tài)，便可評估控制器的優(yōu)劣。,因此輸出量應(yīng)選擇為能反映小車偏離軌道程度的變量。,輸出量：,當小車修正偏差進行轉(zhuǎn)彎時，是通過后輪（驅(qū)動輪）的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)的，決定后輪轉(zhuǎn)速的是電機的電樞電壓。,輸入量：電樞電壓,建模的實質(zhì)：反映輸入電壓與 之間的關(guān)系,。,2,系統(tǒng)建模的思路？,機電一體化產(chǎn)品的組成：機械本體，傳感器，控制系統(tǒng)，驅(qū)動器。,此次建模分為兩部分：建立運動學(xué)模型和建立電機驅(qū)動模型。,電機驅(qū)動模型要得到的是輸入電壓與速度（轉(zhuǎn)速）之間的關(guān)系。,運動學(xué)模型要得到的是速度與

4、（位移）之間的關(guān)系。,最后將兩個模型整合形成最終的數(shù)學(xué)模型。,3,如何建立運動學(xué)模型？,目標：尋找 與速度之間的關(guān)系。,在分析小車處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時的速度時不能將小車當做質(zhì)點，那么應(yīng)該研究哪一點的速度？,位移,=,速度,*,時間，但,M,點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)系來表示 。,目標：需要尋找 、與速度之間的關(guān)系。,、均與,O,點速度 相關(guān)，且 與電機直接控制的速度 、相關(guān)。,3,如何建立運動學(xué)模型？,由于 很小，則,于是最終運動學(xué)模型如下：,4,如何建立電機驅(qū)動模型？,目標：尋找輸入電壓與車輪速度（）之間的關(guān)系。,直流電機動態(tài)過程的微分方程如下：,此時忽略車體質(zhì)量、摩擦阻力

5、對車速的影響，則電機的理想空載轉(zhuǎn)速,=,車輪轉(zhuǎn)速。,理想空載表示負載轉(zhuǎn)矩為零。則：,對于直流伺服電機，,最終的電機驅(qū)動模型如下,5,如何整合模型？,經(jīng)過問題,3,和,4,的解答，分別得到了運動學(xué)模型和電機驅(qū)動模型，但由于中間變量速度沒有統(tǒng)一，仍不能直接將其組合在一起。,為了簡化推導(dǎo)過程，以勻速直線運動為例。在沒有外部擾動的情況下，左右電機的給定信號相等，,即 ，在此作用下小車產(chǎn)生速度 可視為常數(shù)。當外部擾動使小車偏離預(yù)定路徑時，給定信號將分別加減一個糾偏控制量 ，,即,相應(yīng)的電機輸出速度為：,此模型是一個非線性系統(tǒng)，但由于小車是在確定路線上運行的，它的糾偏過程可視為在給定信號基礎(chǔ)上增加一個微小

6、的控制量，因而這樣一個非線性化系統(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,5,如何整合模型？,此時得到最終數(shù)學(xué)模型如下：,如何得到？,SIMULINK,建模與仿真,周博文,1.,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=,，,x3=E,dm,，并令輸入,u=U,，輸出,y=E,dm,?？梢缘玫较到y(tǒng)的狀態(tài)矩陣如下,2.,系統(tǒng)可控性分析,將小車與電機的相關(guān)參數(shù),代入方程得：,rankB,AB,A,2,B=3,說明系統(tǒng)可控,3.,狀態(tài)反饋控制器設(shè)計,狀態(tài)反饋,u=v-Kx,，,K=k1,k2,k3,自動引導(dǎo)小車的控

7、制規(guī)律可以表示為：,U=v-(k1v+k2+k3E,dm,),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,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)計狀態(tài)反饋陣時，要使系統(tǒng)的極點設(shè)計成具有兩個主導(dǎo)極點，,一個,非主導(dǎo)極點，這樣就可以用二階系統(tǒng)的分析方法進行參數(shù)的確定。,我們要求,最大超調(diào)量小于等于4.3%，調(diào)節(jié)時間為4S,。,可以求出系統(tǒng)阻尼,=0.707,，,W,n,=1.06,則極點公式,得到兩個共軛極點為,3.,狀態(tài)反饋控制器設(shè)計,在MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱中提供了單變量系統(tǒng)極點配置acker(),其格式為K=acker(A,B,p),程序如

8、下：,A=,-0.1,0 0;,10/3 0 0,;,5/3-3/4 0;,;,B=,7:0:0,;,C=,0:0:1,;,D=0;,Rc=rank(ctrb(A,B);,P=-0.75+,0.707,j,-0.75-,0.707,j,-15;,K=acker(A,B,p)運行結(jié)果如下：,4.Simulink,建模,根據(jù)數(shù)學(xué)建模和設(shè)計的狀態(tài)反饋控制器建立如下,Simulink,模型,5.Simulink,仿真,當小車偏離運行軌跡時，現(xiàn)有的系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器測出偏差，接著偏差信號輸入控制器，通過控制器輸出控制電壓修正運行軌跡。通過仿真曲線，得到該系統(tǒng)對直線路徑具有較好的跟蹤控制性能。,AGV,小

9、車控制系統(tǒng)設(shè)計,鄒星星,4.1AGV,模擬小車控制總體框圖,STM32,主控板,LCD,觸摸屏,地標傳感器,控制按鍵,無線,WiFi,磁導(dǎo)航傳感器組,警示燈,電機控制模塊,LCD,觸摸屏,STM32,磁采集控制板,4.2,主控制器,模擬車控制器采用,STM32,來實現(xiàn)，主要任務(wù)是對小車進行總體控制，主要功能：接受上位機的命令、任務(wù)；向上位機報告小車的實時狀態(tài)（包括小車目前的所處位置，運行速度、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。,4.2,磁導(dǎo)航傳感器組,磁導(dǎo)航傳感器組利用平均排布的,8,個采樣點，磁采集傳感器組示意圖如所示。磁傳感器組能夠檢測出磁條上方,100Gauss,

10、左右的微弱磁場，每個采樣點連接一個傳感器，一共有,8,路信號輸出。因為兩個傳感器之間的距離是,20mm,，磁條的寬度是,50mm,，因此,AGV,在運行時，磁導(dǎo)航傳感器組會有連續(xù)的,2,3,路輸出采樣值。通過連續(xù)輸出的,2,3,路信號的傳感器編號，可以計算出磁條相對于,AGV,車體中線的位置偏差，,AGV,會自動作出調(diào)整，確保,AGV,跟蹤磁條前行。,20mm,4.,障礙檢測,AGV,模擬小車在工作時，會時刻遇見突發(fā)狀況，比如道路上的障礙物以及走動的人。為了保證,AGV,在行駛過程，自身車體結(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。,5,通信模塊,相比于其他通信總線，,CAN,總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性，可靠的實時性保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，防止丟包的可能性。而本課題中主控電路要求實時對磁采集電路反饋的位置信號進行處理，計算出小車的實時位置偏差，對數(shù)據(jù)的傳輸要求比較高，因為本課題在主控電路與磁采集電路之間的通信采用,CAN,總線通信。,