浅述麦克纳姆轮AGV仿真及控制系统设计

许斌

摘 要 由麦克纳姆轮驱动的AGV车因其极高的机动性、灵活的运行方式得到广泛应用。特别在航空装配领域，对高定位精度、可联动的AGV车的需求非常强烈。本文首先分析了麦轮AGV车的运动特点，建立了运动学方程，然后基于Simulink对AGV进行了控制系统设计，在仿真环境下得到控制器参数。

关键词 AGV；麦克纳姆轮；控制系统；仿真

1 概论

自1973年瑞典工程师发明麦克纳姆轮以来，国外学者对麦克纳姆轮及麦轮车进行了广泛的研究。Tlale N等研究了麦轮车的运动学和动力学特性，Malayjerdi E 等研究了基于模糊控制的麦轮车控制算法。国内的相关研究虽然起步较晚，但研究内容基本覆盖了麦轮车的各个方面，有控制算法、基于视觉的引导等。

本文基于以上研究，首先分析麦轮车的运动学和动力学方程，然后基于Simulink进行了控制系统设计，最后分析了麦轮车的联动算法。

2 运动学关系

2.1 运动学约束

3 控制系统设计

本文将基于Simulink对控制系统进行设计。在Simulink里新建slx文件，建立如图 3所示模型，其中AGV模块代表了麦轮车的运动学模型，输入是四轮转速，输出是车体在惯性系下的速度和角速度，将速度变量积分得到车体在惯性系下的位置和转角，利用传感器测出该状态信息，输入到控制系统中，控制系统利用状态信息计算出四轮转速便形成了闭环。本文的控制系统采用PID控制器。

在Simulink环境下，利用依次点击菜单栏Analisis→Control Design→Control System Tuner，再在菜单栏点击TUNING→Select Blocks）选择需要整定的PID模块后，便可进入PID整定设计环境。点击菜单栏New Goal可以看到在时域和频域下分别有多种整定目标可以设计。此处选择时域下的Tracking of Step Commands，再选择输入和输出信号，将模型设置为一阶，最后设置时间常数。这样便完成了PID系统的整定的参数设置。类似地，还可以添加其他整定目标。详细的参数设置可参考MATLAB文档。

完成整定目标设计后，点击Tune可以进行整定，最后点击Update Blocks可将控制器参数写回Simulink模型。

4 多车联动

在运输大型产品时，一台麦轮车在承载面及承载重量上往往无法满足要求，这就需要多台AGV联动。多台AGV联合运动一般有两种形式：一是刚性连接型，多台AGV在运动前首先对接起来，接头处实现机械连接；另一种是柔性连接型，AGV之间没有相互连接的机械结构。以下详细介绍多车联动的控制方法。

4.1 刚性联动

在刚性连接下，各个AGV车对接起来后，就如同对一台AGV进行控制，根据不同轮子中心在車体坐标的不同计算不同的轮速，按照上文单台车的方法进行控制。本文不再赘述。

4.2 柔性联动

在平移情况下，实现开环柔性与单独控制各台AGV是相同的，只要给他们发送相同的位移指令即可（不考虑信号延迟、伺服电机延迟）。但是若要实现旋转运动，则需要进行进一步解算。

6 结束语

本文建立了AGV车的运动学方程，分析了动力学模型的建模方法，在Simulink环境下设计了控制系统，并对AGV多车联动的形式及方法进行了深入研究。得益于伺服控制系统的使用，AGV的控制系统设计变得十分直接，工业环境下的使用也会越来越方便。