现 代 机 电 控 制 工 程张皓.北印自动化第6章典型的机电控制系统目录录CONTENTSAGV6.16.16.26.26.36.3智能机器人交流伺服驱动系统6.16.1AGV6.1.1定位与导航6.1.2姿态控制自动导引车(Automated Guided Vehicle，AGV)，又称无人搬运车或智能导引车辆等，是指无需人工介入，能够自动按照预定的路线或自动规划路线实现从起点到终点自动运行的车辆AGV如要实现无人介入的自动驾驶和自动运行，就需要具有自动定位、自动导引，运行姿态自动控制、自动规划运行轨迹、自动避障、远程和本地通讯等各项功能因此，从自动控制角度划分，AGV的基本组成可以分解成为如图6-1所示的7个基本功能模块图6-1AGV的功能模块示意图6.1.1定位与导航AGV是一种自动导引运行车辆，自动导引也称为导航，是指车辆能够根据预设的要求自动选择运行路线或者自动寻找预设的路线，并能按照路线运行到达设定的目标位置1.AGV导航方式分类需要解决的主要问题基于定位技术的导航方式定位（核心问题）周边环境感知 路径规划AGV定位技术2.基于精准测距的定位计算方法基于精准测距的定位通常采用的是两点测距，需要设定一个固定且已知坐标的定位基站。
从基站向定位目标发射电磁波、可见光、红外光或超声波等，测量发射波从某一位置点传播到达另一位置点所用的时间，将其乘以发射波在空气中的传播速度，即可得到定位基站与定位目标之间的精准距离由于这种测距是通过测量发射波的传播时间来实现的，故又称为到达时间法（Time Of Arrival，TOA）若测量得到的是定位基站与定位目标之间的距离，可以进一步利用三边定位法或最大似然法等确定定位目标的位置坐标若测量得到的是定位基站与定位目标二者间连线的方位角，则可以采用三角定位法得到定位目标的位置坐标1)三边定位法对于与基站处于同一平面的定位目标，测得其与两个不同位置的定位基站之间的距离，求解以基站位置为圆心、以相应的距离为半径的两个圆的交点，则可基本确定定位目标的位置坐标由于上述的两个圆除相切情况之外交点有两个，故可以通过测量定位目标与第三个基站的距离，利用三个圆的交点来准确确定定位目标的位置坐标，如图6-2（a）所示a）理想情况（b）实际情况图6-2三边定位法设定位基站1、2、3和定位目标的位置坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）和（xm，ym），3个定位基站与定位目标图之间的距离分别为r1、r2和r3。
联立图6-2（a）中三个圆的方程得到方程组求解上述方程组，即可得到定位目标的位置坐标(xm，ym)这种定位算法，需要测量定位目标与三个定位基站的距离，故又称为三边定位法6-1)图6-2中，图（a）只是一种理想的情况，实际系统由于测量误差的存在，一般如图（b）所示鉴于三个定位基站的位置是固定不变的，它们的位置坐标可以认为是精确的，而定位目标通常处于移动状态定位目标与三个定位基站间的实测距离，它们与理想值间存在一定的偏差当存在测距误差时，可采取位置直线模型方法（Linear Line Of Position，LLOP）确定定位目标的位置坐标如图6-3（a）所示，将以定位基站1、2、3为圆心，对应以r1、r2、r3为半径的圆分别记为C1、C2、C3圆C1和C2的两个交点所在直线为L12，圆C1和C3的两个交点所在直线为L13，求得直线L12和L13的相交点则确定了定位目标的位置坐标点，这就是LLOP法a）理想情况（b）实际情况图6-3 三边定位LLOP法图6-3（a）中圆C1、C2、C3的方程如式（6-1）所示，将圆C2和C1的方程相减，整理可得（6-2）式(6-2)就是直线L12的方程同理，可得直线L13的方程（6-3）联立方程式(6-2)和(6-3)，求解(xm，ym)即得定位目标的位置坐标。
图6-3（a）所示为理想情况下的三边定位LLOP法若考虑测量误差的影响，设实际系统中定位目标的实测位置坐标为 ，则圆C1、C2、C3和直线L12、L13的方程分别满足：（6-5）（6-4）求解方程组(6-5)，即得 ，它与定位目标位置坐标的理想值(xm，ym)之间存在一定的误差图6-3（b）所示为实际情况下的三边定位LLOP法由图中可见，三个圆并未相交于同一点，采用LLOP法仍可以得到唯一解2）最小二乘法定位图6-4最小二乘法定位 设理想条件下定位目标的位置坐标为(xm，ym)，它与n个处于目标运动平面内的定位基站间的距离分别为r1、r2、rn，各定位基站的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(xn，yn)，则有如下方程组成立（6-6）整理后得令（6-7）则方程组(6-7)可以表示为Ax=b（6-8）方程组(6-6)(6-8)中的坐标数值均为理想值，故所有方程均成立，且其中只有两个方程是线性无关的，其它方程均线性相关3）三角定位法三角定位法又称为到达角度法（Angle Of Arrival，AOA），测量的是定位基站与定位目标间连线的方位角，利用三角合成法来确定待定位目标的位置坐标，基本原理如图6-5所示。
图6-5三角定位 三角定位法多应用于户外导航，在室内应用，通常需要配备旋转定向天线或采取天线阵列来测量接收信号的强度（Received Signal Strength Indication，RSSI），以确定定位目标的角度3.磁导航磁导航是目前比较成熟的一种导航方案，可靠性比较高，适用场合较为广泛AGV磁导航一般是在AGV的运行线路上铺设如磁条等永磁体作为导航轨迹，并在AGV中设置磁传感器，实时检测磁轨迹的位置，再控制AGV沿着磁轨迹运行磁导航实际上是一种磁导引方式，能够实现AGV的运行路径引导，但通常需要采用其它辅助手段定位AGV磁导航基于磁场检测原理（a）洛伦磁力（b）霍尔效应原理示意图图6-6 磁场对电流的作用（a）无磁场穿过（b）有磁场穿过图 6-7霍尔元件的基本测量电路（a）开关型霍尔传感器内部电路原理图（b）输出开关管动作曲线图 6-8开关型霍尔传感器工作原理磁导航AGV的导引方案，一般是在AGV的行走路径面上铺设固定导引磁条，霍尔传感器则固定在AGV车辆底部如图6-9所示为某实施案例中的霍尔传感器与导引磁条位置示意图图中，导引磁条表面的磁感应强度为5080Gs，位于AGV车底部某区域内每间隔10mm装配一个开关型霍尔传感器，传感器总数为16个。
车辆运行至图示位置时，传感器S7、S8、S9和S10输出低电平，控制系统判定磁条中心线即给定运行轨迹位于S8和S9中间，据此调整车辆的运行姿态图6-9开关型霍尔传感器与导引磁条位置示意图磁条能够导引AGV给定运行路径，但它并不是一种基于定位的导航方式，对于AGV当前运行至什么位置并不能给出相关信息因此，对于有定位要求的场合，可以采取相关的辅助定位措施，比如：在待定位位置铺设特定形状的磁钉，根据磁传感器检测的特定信息定位；在待定位位置设置某种图案，利用摄像头，采集图像信息进行图像比对定位；在待定位位置增设RFID卡，利用读卡器读取卡片信息定位；在待定位位置设置光电发射装置，利用接收装置检测相关信息定位；在待定位位置的其它空间位置设置上述标识，实现车辆定位等等第二种磁场检测方法是采用线性霍尔传感器，其输出量为线性连续的模拟量，且大小正比于输入磁感应强度优点：检测精度较高，适应范围大，可以进一步的提高AGV系统控制的灵活度和控制精准度缺点：增加控制系统的运算处理工作量，增加传感器成本因此，当前磁导引类型的AGV一般仍采用开关型霍尔传感器4.电磁导引电磁导引的工作原理与磁导引类似，也是采用磁场对AGV的运行轨迹进行导引，区别在于电磁导引的磁场不再利用磁条来产生，而是通过铺设信号线，在信号线中通入固定电流以产生导引磁场。
因这种导引方式是采用电磁感应是方式产生磁场，故又称为电磁导引方式采用线性霍尔传感器作为磁传感器，再配以适当的控制算法，即可实现电磁导引AGV5.超声波定位（a）有组织（b）无组织图6-10 超声波定位系统的组织结构6.超宽带定位超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术与窄带通讯技术不同，它是采用相对带宽或绝对带宽比较宽的一种通讯技术其中，绝对带宽定义为式中，fH、fL分别为功率相对于峰值功率下降10dB时所对应的的高端和低端频率值相对带宽定义为式中，fc为中心频率，且有超宽带信号功率及带宽示意图如图图6-11所示a）窄带、宽带、超宽带信号的功率-频率（b）UWB信号图6-11 超宽带信号示意图7.视觉导航（1）AGV通过摄像头采集前方引导标识的图像信息，辨识图像中的标识及标识的位置，并将自身的位置与标识位置进行比对，比对结果即为AGV的位置偏差信号，将此偏差信号送入AGV车辆姿态和速度控制器，进而控制AGV的航向和速度，使AGV一直沿标识线运行2）则方程组(6-7)可以表示为（3）SLAM与VSLAM图6-15SLAM导航系统的原理架构8.蓝牙定位图6-16 传统蓝牙定位方法图6-17 波达角法计算信号波到达方向图6-18蓝牙5.1的到达角度法定位9.基于信号强度的测距定位方法接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）表示通讯中接收到信号的强弱程度。
RSSI和通讯信号的发射端与接收端之间的距离密切相关，二者之间的关系满足式中，d为发射端与接收端之间的距离，单位为m；RSSI为接收信号强度（负值）；A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子RSSI和A的单位都为dBm，dBm是一个表示功率绝对值的单位，换算公式为10lg(接收信号的功率/1mW)若接收到信号的功率为1mw，换算为dBm单位即为10lg(1mW/1mW)=0dBm6-29)图6-19 一种RFID定位系统布局10.惯性导航AGV的运行姿态主要是指AGV在运行过程中车体的运行轨迹，而姿态控制则是在深入研究各种结构的AGV运行姿态模型的基础上，通过对驱动轮、舵轮、差速轮的控制，使AGV按照某种给定的轨迹运行6.1.2姿态控制1、AGV运动系统结构2.前舵式两轮车姿态控制模型（a）两轮车姿态示意图（b）两轮车运行轨迹图6-20 前舵式两轮车姿态控制3.前舵式AGV姿态控制模型图6-21 前舵式四轮车姿态控制图中，A、C、D、F分别表示左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的旋转轴心位置；B为AC的中点，也是等效转向轮旋转轴心位置；E为DF的中点；BE为车辆中心线；G为车辆的中心位置所在；O为车辆圆周运动的圆心。
OA、OB、OC分别与左前轮、等效转向轮、右前轮所在方向垂直4.后轮差速式AGV姿态控制模型（a）后轮差速式AGV姿态示意图（b）后轮差速式AGV运行轨迹图6-22 后轮差速式AGV姿态控制（vLvR）转弯、直行和原地转向是差速式AGV的三种典型运行姿态，如图6-23所示a）转弯（c）原地转向图6-23 差速式AGV三种典型运行姿态（b）直行AGV转弯运行姿态的一般特性如下：当左后轮速度大于右后轮时，圆心位置位于AGV右侧，AGV向右转弯,如图6-23（a）所示当右后轮速度大于左后轮时，圆心位置位于AGV左侧，AGV向左转弯两个后轮的差速越大，AGV圆周运动的角速度越大；反之，AGV圆周运动的角速度越小两个后轮之中，低速车轮的速度越低，AGV的转弯半径越小两个后轮的平均速度越大，AGV的转弯速度越快当两个后轮的线速度方向相同，大小也相同，则AGV呈现出直行运行姿态，如图6-23（b）所示AGV原地转向运行姿态的一般特性如下：AGV原地转向时的旋转方取决于两个后轮的线速度方向，如图6-23（c）所示，左后轮线速度向前，右后轮线速度向后，则AGV原地转向沿顺时针方向当两个后轮中仅其中一个后轮线速度为0时，圆心O与这个后轮的旋转轴中心位置重合。
当两个后轮的线速度大小相等时，圆心O与两个后轮轴的中心点C重合5.AGV转向的向心力AGV转向时，车辆做圆周运动，受到。