AGV顶升平台姿态控制及仿真分析-AGV吧

1 引言

AGV（Automatic Guided Vehicle,自动导引车）用于自动化集装箱码头的集装箱运输作业。随着AGV运行速度的不断加快，以及在AGV运输精密设备时要求集装箱始终保持水平，以免设备运输过程中发生碰撞或者集装箱发生倾覆，于是提出了顶升平台调平的技术要求，以保证在集装箱转运过程中的安全性。

常规设计采用速度同步控制，即控制4个液压缸的速度同步从而保证顶升平台的4个角运动同步。当顶升平台初始状态处于水平时，这种控制策略可以保证顶升平台的水平度[2]。但由于安装误差、元件制造误差以及由于受力不均导致各处变形量不一样等各种因素叠加，会导致这种控制策略失效顶升平台会产生一定程度的倾斜量，并且无法自动修正需要采用新技术对AGV顶升平台进行调平。

2 顶升平台调平原理

图1为顶升平台示意图。如果将单个顶升平台看作一个理想的刚体，即顶升平台变形量为零那么顶升平台平面上任意3点或者任意2条相交的直线可以确定一个面。依据此原理，可以选择检测顶升平台上2条呈90°相交直线的水平倾角，来评判顶升平台的水平度，也方便引入直角坐标系建立数学模型。为了测量两相交直线的水平倾角，在平台的适当位置安装倾角传感器，当平台发生倾转时倾角传感器经过运算，可以得到两相邻液压缸在竖直方向上的相对位移误差，反馈元件和检测元件将位移误差进行转换放大，并和输入量做对比然后给出补偿命合控制液压系统驱动每个支点处的液压缸做顶升或者下隆动作以使顶升平台达到水平状态。

设定顶升平台在水平状态时，顶升支点位于水平坐标系OX₀Y₀内。顶升平台倾斜状态可分解为2个方向的倾斜量即沿Y轴方向的倾斜和沿X轴方向的倾斜。假设沿Y轴倾斜角度为x绕X轴倾斜角度为β顶升平台倾斜后，顶升支点的坐标会相应发生变化。顶升支点位于相对坐标系OXY内坐标系见图2。

假设顶升平台为理想刚体，忽略顶升平台支点水平方向的位移，只考虑竖直方向的位移，以建立顶升平台倾斜前后各支点的相对位移量关系。假设顶升平台上某一支点的坐标为（x₀,Y₀,Z₀）顶升平台绕Y轴倾斜角度x后，支点移动到新的坐标点（x’,y’,z’）以矩阵变化的形式可以表示如下：

设定顶升平台4个支点的坐标为（x_i,y_i,z_i）(i=1,2,3,4)在正常顶升过程中，平台的倾角是非常小的，也就是说倾角αβ接近于0°，可以证明，当aB接近于0，有如下近似等式：sinαsinβ=0，cosα=cosβ=1 sinα=α,sinβ=β,代入式（3）。则可以得到各支点的坐标如下：

式（4）即表征平台倾斜后平台水平时平台上各点坐标变化关系同样对于顶升平台的4个顶升支点也符合上述关系式在水平坐标系里4个顶升支点的坐标为A₀（0,0,0),B₀(L_a,0,0),C₀(L_a,L_b,0),D₀(0,L_b,0)。

以矩阵形式可以表示为：

将式( 5) 代入式( 4) ，整理可得:

由式( 6) 可知，各顶升支点相对水平面的竖直位移量分别是:

3 顶升平台调平液压系统设计

顶升平台的调平控制采用液压方案从可靠性、控制精度和经济性考量，选择采用电液比例阀加位移传感器的闭环控制系统来实现顶升液压缸的调平。系统原理图设计见图3。

液压系统在顶升过程中，因承受重载，工作压力比较高，为保证顶升过程安全，需设置限压回路和保压回路。

3.1 限压安全回路

液压元件能承受的压力是有极限的，为防止液压系统工作过程中压力过高，导致液压元件或者液压管路爆裂在泵的出口端设置一个溢流阀。为保证回路可靠泄压本方案选用直动型溢流阀作为安全阀。直动型溢流阀是依据弹簧力平衡原理，即液压系统中的压力与阀体中的调节弹簧的力相平衡，以控制溢流阀的启闭。在高压系统中采用刚度较大的弹簧虽然阀的灵敏度低，但抗污染能力较强。

3.2保压回路

平台顶升过程中，如果保压能力不好会直接影响同步回路的同步性能，如果顶升平台倾角过大甚至会导致集装箱倾翻而引发严重的安全事故，因此需要使用安全可靠的保压系统，在液压缸无杆腔采用平衡阀实现顶升平台的长时间状态保持。

4 顶升平台调平仿真分析

利用AMESim软件的液压库和液压元件库建立主要元件的仿真模型，包括负载敏感柱塞泵、比例阀、溢流阀、单向阀、液压缸、位移传感器等。为了简化建模过程，省略了对过滤器、液位计、压力表等对系统仿真影响很小的元件。

同时，为优化控制精度，引入了PID控制器。PID控制器是工程领域应用最成熟的控制器，其实现方案相对比较简单，但能显著提高同步控制精度。其控制原理是对输入和输出的俩差进行比例、积分、微分3个环节的运算对信号偏差进行补偿对执行机构增加补偿控制量，从而对控制偏差进行校正。实际应用中，会对这3个环节进行取舍，可以采用PI、PD、PID控制6]。最终构建的仿真模型见图4。

为了分析顶升系统的调平性能时描述方便，假定顶升平台偏转导致液压缸1所处的支点为最高点建立四液压缸同步顶升系统模型2、3、4号液压缸跟随1号液压缸。给定信号为阶跃信号4个液压缸跟随性能比较好，都能很好地跟随给定信号实现同步动作，且同步误差小于5mm。

初始给定顶升平台倾角为α=0.5°，β=-0.5°，计算得顶升平台调平时，各个顶升液压缸位移为。

式（7）中，L_a为顶升平台长度，L_a=6700mm；L_b为顶升平台宽度，L_b=1460mm

按照上述参数设置各个液压缸给定值，各液压缸初始位移值均为0mm，调平顶升平台时，最高点1保持不动，则1、2、3、4号液压缸目标位移值分别为Δx₁,Δx₂,Δx₃,Δx₄,。

仿真曲线见图5和图6。从仿真曲线来看1号液压缸位移量基本保持为零；2号液压缸在1.8s时位移不再增加，实际位移为0.05842718m；3号液压缸在2s时位移不再增加，实际位移为0.07115787m；4号液压缸在1.5s时位移不再增加，实际位移为0.01271923m。1、2、3、4号液压缸停止运动后与给定目标位移值的偏差分别为0.055m0.011709m,0.015463m,0.01521m,同步误差小于5mm实现了顶升平台的调平。