CN115230805B

CN115230805B - 一种面向重载agv的精确转向控制方法

Info

Publication number: CN115230805B
Application number: CN202210626440.2A
Authority: CN
Inventors: 詹军; 佘勇; 吴峰; 郭鹏; 徐迪; 徐鹏飞; 高峰; 李冬; 苗地
Original assignee: Hubei Sanhuan Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Hubei Sanhuan Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: CN115230805A

Abstract

本发明提供一种面向重载AGV的精确转向控制方法，包括：在转向控制器中设计跟踪控制器和抗干扰控制器；将转角传感器实时检测的轮胎实际转角信号反馈给转向控制器，对转向控制器中的跟踪控制器和抗干扰控制器的参数进行调整，实现对轮胎转角的精确跟踪；其中，跟踪控制器对时间延迟产生的控制误差进行抑制，抗干扰控制器对负载干扰产生的控制误差进行抑制。本发明通过分析电控液压转向系统工作流程，建立了液压转向系统控制方程，基于内模控制原理建立二自由度的转向控制器，分别对时间延迟及负载干扰造成的控制误差进行抑制，保证重载AGV转向时对车轮转角的跟踪精度。

Description

一种面向重载AGV的精确转向控制方法

技术领域

本发明涉及智能机械设备控制领域，更具体地，涉及一种面向重载AGV的精确转向控制方法。

背景技术

随着自动控制理论的发展，其控制精度和鲁棒性不断提高，为实现智能机械设备的精确运动控制提供了新方法。重载AGV作为现代化运输设备，凭借其自动化、智能化、可全天候并行作业等特点，可高效完成各类运输任务，解决重型货物运输难的问题。对于重载AGV而言，因全程采取无人驾驶的行驶方式，因此对转向精度有着较高要求，然而，由于重载工况下负载质量大，重载AGV惯性也明显增大，造成控制响应时间延长以及负载干扰增大等问题，直接影响了重载AGV的转向精度，为车辆安全、高效地运行带来了挑战。对此，针对重载AGV的特点，应考虑时间延迟及负载干扰所造成的误差并加以控制，以提高重载AGV的转向精度，保证车辆的准确行驶。

发明内容

传统的转向控制方法大多采用PID控制、滑模控制及模型预测控制等，但上述控制方法因参数固定，无法满足重载AGV在不同载重工况下的对应需求，导致在重载工况下控制精度较差，对此本发明提供一种面向重载AGV的精确转向控制方法，所述重载AGV包括电控液压转向系统，所述电控液压转向系统包括转向信号发生器、转向控制器、转向驱动装置和转角传感器，所述方法包括：

在所述转向控制器中设计跟踪控制器和抗干扰控制器；

将转角传感器实时检测的轮胎实际转角信号反馈给所述转向控制器，对所述转向控制器中的跟踪控制器和抗干扰控制器的参数进行调整，实现对轮胎转角的精确跟踪；

其中，所述跟踪控制器对时间延迟产生的控制误差进行抑制，所述抗干扰控制器对负载干扰产生的控制误差进行抑制。

本发明提供的一种面向重载AGV的精确转向控制方法，通过分析电控液压转向系统工作流程，建立了液压转向系统控制方程，基于内模控制原理建立二自由度的转向控制器(转向控制器包括跟踪控制器和抗干扰控制器)，分别对时间延迟及负载干扰造成的控制误差进行抑制，保证重载AGV转向时对车轮转角的跟踪精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种面向重载AGV的精确转向控制方法流程图；

图2为本发明所针对转向系统的控制流程图；

图3为本发明所针对液压转向系统的传递函数方框图；

图4为本发明所述的基于内模控制的转向控制器结构示意图；

图5为本发明所述针对重载工况设计的模糊控制器结构示意图；

图6为本发明控制器参数调整曲线图；

图7为本发明所选实例1在斜坡信号激励下的控制效果示意图；

图8为本发明所选实例2在正弦信号激励下的控制效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

一种面向重载AGV的精确转向控制方法，参见图1，该精确转向控制方法主要包括以下步骤：

S1，在转向控制器中设计跟踪控制器和抗干扰控制器。

如图2所示，为针对重载AGV的精确转向控制系统(可理解为电控液压转向系统)的控制流程图，其系统结构包括：转向信号发生器、转向控制器、转向驱动装置(由伺服电机、液压泵、液压油缸组成)、轮胎、转角传感器、压力传感器和模糊控制器。

转向信号发生器在接收轨迹规划模块发送的转向信号(理想转向信号)后，生成对应电信号并经转向控制器处理后发送给转向驱动装置。

转向驱动装置中的伺服电机转子根据接收的电压信号以对应转速旋转并带动液压泵转动，从而为液压油缸提供增压液压油。液压油缸中的推杆及活塞在液压油的作用下进行移动，并通过机械连接部件推动轮胎发生转动，进而控制轮胎转角，同时转角传感器实时检测轮胎转角(轮胎实时转角信号)并反馈至转向控制器。

其中，对重载AGV的电控液压转向系统进行分析，建立电控液压转向系统的传递函数，具体包括以下步骤：

步骤1：对重载AGV的电控液压转向系统进行分析，建立转向控制系统数学模型，进一步的，步骤1包含以下步骤：

步骤1.1：建立液压系统伺服电机模型：

u(t)＝K_u·θ_in(t)；

其中，K_u为电信号增益系数，θ_in(t)为上层控制端向转向系统发送的理想转向信号，u(t)为将理想转向信号转换后的电压信号。

步骤1.2：建立液压泵转速数学模型：

ω_p＝K_ω·u(t)；

其中，K_ω为转速增益补偿系数，ω_p为转速信号。

步骤1.3：根据液压泵工作时流量连续性要求，建立液压泵流量方程：

Q_p＝D_pω_p-C_pp_p；

其中，Q_p为液压泵流量，D_p为液压泵排量，即主轴旋转一周排出的液压油体积，C_p为液压泵泄漏系数，p_p为液压管路液压力。

步骤1.4：对液压缸机械传动关系进行分析，建立微分方程：

其中，Q_L为液压缸流量，A为液压缸工作面积，x为活塞位移距离，C_L为液压缸泄漏系数，p_L为液压缸液压力，V_L为液压缸实际工作容腔体积，β为液压油弹性体积模量。

步骤2：对步骤1.3、步骤1.4中方程进行拉普拉斯变换，得到：

Q_p(s)＝D_pω_p(s)-C_pp_p(s)；

流量Q_p与转速ω_p之间的传递函数为：

液压力p_L与流量Q_L之间的传递函数为：

以转向电信号为输入信号，液压系统液压力为输出信号的传递函数为：

步骤3：对液压缸进行受力分析，所建立力学平衡方程如下：

其中，A_L为活塞有效受力面积，p_L为液压油压降，m_t为活塞推杆等效质量，x为活塞推杆位移，B为液压油粘性系数，K为弹性刚度系数，F_L为负载阻力。

力学平衡方程拉普拉斯变换为：

A_Lp_L(s)＝m_ts²x(s)+Bsx(s)+Kx(s)+F_L；

以液压油压力为输入，活塞位移为输出的传递函数关系式为:

结合步骤2，得到以转角信号为输入，活塞位移为输出的传递函数为：

活塞位移与轮胎转角的转换关系式为：

实际轮胎转角与理想转角信号之间的传递函数为：

K₁＝lπmV_L；

K₂＝lπ(BV_L+C_Lβm+C_pβm)；

K₃＝lπ(KV_L+C_LβB+C_pβB)；

K₄＝lπβK(C_L+C_p)。

上述步骤1到步骤3通过对重载AGV的电控液压转向系统的分析，建立了电控液压转向系统的传递函数。

在重载AGV工作的过程中，由于重载工况下负载质量大，重载AGV惯性也明显增大，造成控制响应时间延长以及负载干扰增大等问题，直接影响了重载AGV的转向精度，为车辆安全、高效地运行带来了挑战。在此基础上，需要对时间延迟造成的控制误差和对负载干扰造成的控制误差进行抑制，首先，对时间延迟和负载干扰进行建模，包括：

步骤4：建立时间延迟模型及负载干扰模型，时间延迟环节表达式为：

δ＝δ₀(t-τ)；

其中，δ₀为转向系统下发的理想转向信号，δ为轮胎实际转角信号，τ为执行器的响应时间。

时间延迟环节的传递函数为：

负载干扰D(s)来源于地面摩擦力，摩擦阻力距M_r计算式为：

其中，f为摩擦阻力系数，G为每桥承重，P为轮胎气压。

针对时间延迟和负载干扰造成的控制误差，在转向控制器中分别设计跟踪控制器Q_r(s)与抗干扰控制器Q_d(s)，分别对时间延迟造成的控制误差进行抑制以及对负载干扰造成的控制误差进行抑制。

步骤5：设计跟踪控制器Q_r(s)与抗干扰控制器Q_d(s)：

Q_r(s)＝G_i ^-1(s)(τs+1)F_r(s)；

其中，为电控液压转向系统的传递函数的逆，F_r(s)为跟踪控制器的低通滤波器，τ为时间延迟系数，λ_r为跟踪控制器参数；

所述抗干扰控制器Q_d(s)设计为：

Q_d(s)＝G_i ^-1(s)(τs+1)F_d(s)；

其中，F_d(s)为抗干扰控制器的低通滤波器，τ为时间延迟系数，λ_r为跟踪控制器参数，n根据的阶数进行选取。

至此，根据步骤1到步骤5分析了电控液压转向系统的传递函数、时间延时模型、负载干扰模型以及设计了跟踪控制器和抗干扰控制器，其中，所述跟踪控制器对时间延迟产生的控制误差进行抑制，所述抗干扰控制器对负载误差产生的控制误差进行抑制。

S2，将转角传感器实时检测的轮胎实际转角信号反馈给所述转向控制器，对所述转向控制器中的跟踪控制器和抗干扰控制器的参数进行调整，实现对轮胎转角的精确跟踪。

可以理解的是，参见图3，为转向驱动装置的传递函数方框图，理想转向信号经液压转向系统后生成实际转向信号作用于转向执行器，控制轮胎以预设角度进行偏转。

其中，G_i(s)为电控液压转向系统的传递函数，τ为控制器时间参数。G_d(s)为时间延迟环节，用以表征液压转向系统工作过程中因信号传输、执行部件响应所产生的时间延迟影响。D(s)为因地面摩擦产生的负载干扰项。

参见图4，为转向控制器结构示意图，转向控制器由两部分组成，跟踪控制器Q_r(s)和抗干扰控制器Q_d(s)，分别对时间延迟及负载干扰造成的误差进行抑制。

跟踪控制器设计式为：

抗干扰控制器设计式为：

设计思路为：通过对液压系统传递函数进行求逆运算，得到同时根据时间延迟量引入时延环节G_d(s)，最后为保证控制器物理意义上可实现，加入低通滤波器F_i(s)：

其中n根据的阶数进行选取，确保控制器设计式中分母阶数高于分子阶数，对于跟踪控制器，加入其的低通滤波器为/>对于抗干扰控制器，加入其的低通滤波器为/>

在对轮胎转角进行跟踪的过程中，其跟踪控制过程可参见图4，控制原理为：将理想转向信号输入跟踪控制器后分为两路，其中一路经过所述时间延迟环节的传递函数G_d(s)和所述电控液压转向系统的传递函数G_i(s)后，输出轮胎实际转角信号，所述轮胎实际转角信号与负载干扰信号D(s)相加形成第一信号，即第一信号中加入了负载干扰D(s)；另一路经过所述时间延迟环节的传递函数G_d(s)和所述电控液压转向系统的传递函数G_i(s)后，输出轮胎实际转角信号，为第二信号，第二信号中未加入负载干扰D(s)。需要说明的是，图4中的名义模型即为未加入负载干扰D(s)的传递函数模型。

将第一信号和第二信号的差值(即负载干扰D(s)引起的对输出的影响)输入所述抗干扰控制器，调整所述抗干扰控制器的时间延迟系数τ，直到第一信号和第二信号的差值满足精度要求，即可实现对负载干扰造成的控制误差的抑制。

然后根据电控液压转向系统输出的轮胎实际转角信号与输入的理想转向信号之间的相位差，调整跟踪控制器的时间延迟系数τ，直到轮胎实际转角信号与理想转向信号之间的相位差满足精度要求，实现对时间延迟造成的控制误差的抑制。

另外，同时考虑到重载AGV在重载工况下时间延迟及负载干扰明显增大等问题，引入模糊控制，根据车辆负载量对控制器参数进行调整，使控制器能适应不同工况下的性能需求。

作为实施例，所述电控液压转向系统中还包括模糊控制器，所述控制方法还包括：获取重载AGV的实时载重量，根据实时载重量，通过所述模糊控制器解算得到对应的时间延迟量；基于所述时间延迟量，对所述跟踪控制器和所述抗干扰控制器的时间延迟系数进行修正。

具体的，在电控液压转向系统中设置模糊控制器，如图5所示为模糊控制器的工作原理结构图，其工作原理为：通过安装于底盘的压力传感器测量空载与重载工况下的载质量变化得到车辆实际载荷量，结合AGV整备质量作为输入量发送至模糊控制器，经解算后得到与负载对应的时间延迟量τ，并将时间延迟量τ分别传送给跟踪控制器Q_r(s)和抗干扰控制器Q_d(s)，从而实现控制器针对不同时间延迟情况下的控制参数更新，以适应不同的载重工况需求。

作为实施例，所述获取重载AGV的实时载重量，根据实时载重量，通过所述模糊控制器解算得到对应的时间延迟量，之前还包括：根据重载AGV空载、重载工况下载重量设定载重区间[M_empty,M_heavy]，设定对应载重工况下时间延迟量区间[τ_empty,τ_heavy]；在设定载重区间内获取不同载重工况下，不同载重量对应的时间延迟量。

可以理解的是，模糊控制器以重载AGV整车质量作为输入量，并对其区间[M_empty,M_heavy]进行模糊化划分，分为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}七个区间，将时间延迟补偿量作为输出量，同样对区间[τ_empty,τ_heavy]进行模糊化划分。通过多个不同的载重量(整车质量)与对应的时间延迟量，进行曲线拟合，完成整车质量与时间延迟补偿量对应关系的确定，其中，整车质量与时间延迟补偿量对应关系可参见图6，输入变量及输出变量均采用三角形隶属度函数。

为检验本发明对重载AGV轮胎转向精度的控制效果，在实施例中分别在空载、重载工况下与PID控制进行对比实验。

实施例中，重载AGV在空载、重载工况下总质量、时间延迟以及负载干扰如下表：

跟踪控制器参数λ_r及抗干扰控制器参数λ_d取值：0.01。

分别以30°转向斜坡信号及正弦信号作为激励信号输入电控压夜转向系统，实验结果如图7、图8所示。

由图7可以看出，本发明提出的方法在空载、重载工况下均可准确、稳定地跟踪理想转向信号，可迅速消除摆动，最大误差小于2.5°，且受时间延迟影响较小。而传统PID控制虽然在空载工况下也能较好地跟踪转向信号，但在重载工况下，由于时间延迟长、负载干扰大，跟踪控制出现明显迟滞，且超调现象严重，导致控制误差较大，最大误差约为5.8°。

由图8可以看出，本发明对于正弦信号的跟踪效果也优于传统PID控制，在空载工况下内模控制最大误差约为2.4°，PID控制跟踪误差最大值约为3.1°，而在重载工况下，由于时间延迟量增大，PID控制出现明显滞后，且跟踪误差明显增大，最大误差约为5.5°，而本发明能有效抑制时间延迟的影响，跟踪误差为2.3°。

由图7和图8可知，提出的转向控制器根据重载AGV负载质量调整控制器参数，可针对不同时间延迟量进行误差补偿，降低了控制误差，同时有效抑制了外界负载干扰对控制系统的影响，提高了转向系统对理想转向信号的跟踪效果，保证了重载AGV在不同载重工况下的转向精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、向转向控制器中通过引入跟踪控制器和抗干扰控制器形成二自由度控制回路，分别对时间延迟及负载干扰造成的误差进行抑制，以实现对转角信号的准确跟踪。

2、采用模糊控制原理，能够根据重载AGV载重量变化，调整控制器参数，从而适应不同的载重工况，确保控制系统的跟踪效果。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims

1.一种面向重载AGV的精确转向控制方法，所述重载AGV包括电控液压转向系统，所述电控液压转向系统包括转向信号发生器、转向控制器、转向驱动装置和转角传感器，其特征在于，所述方法包括：

在所述转向控制器中设计跟踪控制器和抗干扰控制器；

其中，所述跟踪控制器对时间延迟产生的控制误差进行抑制，所述抗干扰控制器对负载干扰产生的控制误差进行抑制；

所述转向驱动装置包括伺服电机、液压泵和液压油缸；所述方法还包括：

建立所述电控液压转向系统的轮胎实际转角信号与理想转向信号之间的传递函数：

活塞位移与轮胎转角的转换关系式为：

;

其中，为轮胎实际转角信号，/>为轮胎理想转向信号，/>为活塞有效受力面积，/>为液压油弹性体积模量，/>为液压泵排量，/>为电信号增益系数，/>为转速增益补偿系数，/>为液压缸实际工作容腔体积，/>为液压油粘性系数，/>为液压缸泄漏系数，为液压泵泄漏系数，m为活塞推杆等效质量，K为弹性刚度系数；

所述电控液压转向系统中还包括模糊控制器，所述控制方法还包括：

获取重载AGV的实时载重量，根据实时载重量，通过所述模糊控制器解算得到对应的时间延迟量；

基于所述时间延迟量，对所述跟踪控制器和所述抗干扰控制器的时间延迟系数进行修正。

2.根据权利要求1所述的精确转向控制方法，其特征在于，建立所述电控液压转向系统的轮胎实际转角信号与理想转向信号之间的传递函数，之后还包括：

建立时间延迟模型及负载干扰模型，时间延迟环节表达式为：

；

其中，为电控液压转向系统下发的理想转向信号，/>为轮胎实际转角信号，/>为执行器的响应时间；

时间延迟环节的传递函数为：

；

负载干扰来源于地面摩擦力，摩擦阻力矩/>计算式为：

；

其中，为摩擦阻力系数，/>为每桥承重，/>为轮胎气压。

3.根据权利要求2所述的精确转向控制方法，其特征在于，在所述转向控制器中设计跟踪控制器和抗干扰控制器，包括：

所述跟踪控制器设计为：

；

其中，为电控液压转向系统的传递函数的逆，/>为跟踪控制器的低通滤波器，/>为时间延迟系数，/>为跟踪控制器参数；

所述抗干扰控制器设计为：

；

其中，为抗干扰控制器的低通滤波器，/>为时间延迟系数，/>为抗干扰控制器参数，n根据/>的阶数进行选取。

4.根据权利要求3所述的精确转向控制方法，其特征在于，将转角传感器实时检测的轮胎实际转角信号反馈给所述转向控制器，对所述转向控制器中的跟踪控制器和抗干扰控制器的参数进行调整，包括：

将理想转向信号输入所述跟踪控制器后分为两路，其中一路经过所述时间延迟环节的传递函数和所述电控液压转向系统的传递函数后，输出轮胎实际转角信号，所述轮胎实际转角信号与负载干扰信号D（s）相加形成第一信号；另一路经过所述时间延迟环节的传递函数和所述电控液压转向系统的传递函数后，输出轮胎实际转角信号，为第二信号；

将所述第一信号和第二信号的差值输入所述抗干扰控制器，调整所述抗干扰控制器的时间延迟系数，直到第一信号和第二信号的差值满足精度要求；

根据所述电控液压转向系统输出的轮胎实际转角信号与输入的理想转向信号之间的相位差，调整所述跟踪控制器的时间延迟系数，直到轮胎实际转角信号与理想转向信号之间的相位差满足精度要求。

5.根据权利要求1所述的精确转向控制方法，其特征在于，所述获取重载AGV的实时载重量，根据实时载重量，通过所述模糊控制器解算得到对应的时间延迟量，之前还包括：

根据重载AGV空载、重载工况下载重量设定载重区间，设定对应载重工况下时间延迟量区间/>；

在设定载重区间内获取不同载重工况下，不同载重量对应的时间延迟量；

根据不同载重量对应的时间延迟量，对载重量和时间延迟量的对应关系进行曲线拟合，且将得到的载重量和时间延迟量的曲线拟合对应关系置入所述模糊控制器中；

相应的，所述根据实时载重量，通过所述模糊控制器解算得到对应的时间延迟量，包括：

根据实时载重量，基于载重量和时间延迟量的曲线拟合对应关系，解算对应的时间延迟量。