重载AGV结构优化设计与模糊滑模控制

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所属分类:AGV设计资料
摘要

随着智能制造技术的不断发展,重型机械、轨道车辆、港口机场等行业都存在重型负载的智能搬运需求,对自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)的承载能力和控制性能提出更高的技术要求。研究重载AGV的结构优化和运动控制,具有显著的工程应用价值。首先,对重载AGV的车体结构进行拓扑优化和尺寸优化,以提高其机械系统的控制响应特性和能量利用效率。一方面,采用变密度法和SIMP插值方法建立了重载AGV车体结构的拓扑优化模型,研究了最优准则法的灵敏度函数和迭代求解方程,利用ANSYS软件求解了AGV车体结构的拓扑优化结果。另一方面,在拓扑优化的基础上,分析了AGV结构尺寸优化的力学约束和几何约束,建立了结构尺寸的多目标优化函数并采用遗传算法进行求解。最后,结合拓扑优化和尺寸优化的结果,完善了重载AGV车体结构的设计方案,并利用ANSYS软件验证了AGV车体的刚度和强度。其次,建立了差速驱动重载AGV的运动学模型和动力学模型,并提出了一种基于Backstepping运动学控制与模糊滑模动力学控制的混合鲁棒控制方法。仿真实验结果表明,Backstepping技术在速度环有效提高了AGV对导引路径的跟踪精度。模糊滑模变结构控制将模糊控制和滑模变结构控制有机结合,克服了AGV动力学模型参数的不确定性和外部未知干扰的影响,减小了滑模切换控制产生的抖动。为了验证上述方法的实际控制效果,本文研制了重载AGV实验系统,完成了大载荷搬运的路径跟踪实验。系统实验结果表明,该方法可有效提高重载AGV的承载能力和运动控制精度。

目录
重载AGV结构优化设计与模糊滑模控制

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 课题意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 AGV的关键技术
1.3.1 AGV的导引技术
1.3.2 AGV的路径规划技术
1.3.3 AGV的运动控制技术
1.4 课题来源及主要研究内容

第二章 重载AGV结构优化设计

2.1 引言
2.2 结构优化理论与关键技术
2.2.1 结构优化理论
2.2.2 结构优化的关键技术
2.3 重载AGV的结构优化指标
2.4 重载AGV车体的拓扑优化
2.4.1 重载AGV车体的结构优化数学模型
2.4.2 重载AGV车体拓扑优化建模
2.4.3 基于ANSYS的重载AGV车体拓扑优化求解
2.5 重载AGV车体的尺寸优化
2.5.1 重载AGV车体尺寸优化建模
2.5.2 基于遗传算法的重载AGV车体尺寸优化求解
2.5.3 基于ANSYS的重载AGV车体的静力学分析
2.6 本章小结

第三章 重载AGV模糊滑模控制研究

3.1 引言
3.2 重载AGV运动学和动力学控制
3.2.1 重载AGV的运动学模型
3.2.1 重载AGV的动力学模型
3.3 重载AGV控制模型设计
3.3.1 Backstepping控制和滑模变结构控制介绍
3.3.2 基于Backstepping方法的运动学模型设计
3.3.3 基于等效控制的模糊滑模变结构控制的动力学模型设计
3.3.4 控制模型的稳定性分析
3.4 仿真实验与结果分析
3.5 本章小结

第四章 重载AGV设计开发与实验

4.1 重载AGV的硬件设计
4.1.1 重载AGV的车体设计与电机选型
4.1.2 重载AGV的感知系统与控制系统
4.1.3 重载AGV的通信系统和供电系统
4.2 重载AGV的控制软件系统设计
4.3 重载AGV路径跟踪实验与分析
4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结
5.2 展望

参考文献

图清单

图 1.1 轮式机器人
图 1.2 国外的AGV产品
图 1.3 国内的AGV产品
图 1.4 南京航空航天大学自主研发的 AGV
图 1.5 本文的内容框架图
图 2.1 重载AGV的车体平面尺寸
图 2.2 重载AGV车体结构拓扑优化流程图
图 2.3 拓扑优化后的重载AGV车体
图 2.4 承载梁的受力分析
图 2.5 承载梁的剪切
图 2.6 承载梁的弯曲力矩
图 2.7 遗传算法流程
图 2.8 遗传算法的最佳适应度值、最佳个体和平均距离
图 2.9 新的重载AGV的车体
图 2.10 重载AGV的车体的最大变形位移云图
图 2.11 重载AGV的车体的最大等效应力云图
图 3.1 在全局参考系中的差速驱动 AGV
图 3.2 重载AGV的Backstepping运动学控制和模糊滑模动力学控制结构图
图 3.3 模糊控制结构图
图 3.4 输入隶属函数和输出隶属函数
图 3.5 采用本章控制方法的直线轨迹跟踪
图 3.6 采用普通滑模控制方法的直线轨迹跟踪
图 3.7 不同起点的直线跟踪轨迹
图 3.8 采用本章控制方法的圆轨迹跟踪
图 3.9 采用CBKCSMC控制方法的圆轨迹跟踪
图 3.10 不同起点的圆轨迹跟踪轨迹
图 4.1 重载 AGV
图 4.2 硬件设计结构图
图 4.3 3EL—AC驱动轮和C3驱动器
图 4.4 重载AGV车体结构
图 4.5 CCD摄像头和避障传感器
图 4.6 重载AGV的控制系统结构图
图 4.7 ARM 运动控制器
图 4.8 DA转换模块的电路设计图
图 4.9 电源电压检测模块的电路设计图
图 4.10 CAN通信模块的电路
图 4.11 重载AGV的通信系统结构图
图 4.12 无线通信模块、电量传感器和DCDC可调降压电源模块
图 4.13 重载AGV的供电系统结构图
图 4.14 任务框架图
图 4.15 AGV的跟踪轨迹
图 4.16 车体的距离偏差和角度偏差
图 4.17 重载AGV的运行实况

表清单

表 2.1 Q235钢的材料参数
表 2.2 驱动轮和随动轮参数
表 2.3 经验法和结构优化的车体质量、转动惯量和摩擦力
表 3.1 模糊规则
表 3.2 模糊控制输入赋值表
表 3.3 模糊控制输出赋值表
表 3.4 重载AGV的物理模型参数与控制器参数
表 3.5 直线跟踪时一般滑模控制方法与本文控制方法的误差对比
表 3.6 圆轨迹跟踪时一般滑模控制方法与本文控制方法的误差对比
表 4.1 自带电机的驱动轮和驱动器的参数
表 4.2 AGV运行任务优先级表

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