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摘要：自动导航运载车（AGV）系统由全锂电池驱动的自动导航运载车，集装箱转运平台，自动充电装置及配套的无线电台，供配电、通讯和控制系统组成，采用全电动自动导航运载车替代传统柴油发动机驱动的集装箱拖车，可替代港内集装箱拖车进行水平运输，实现集装箱码头水平运输自动导航、无人驾驶、全电动、零直接二氧化碳排放。
按年设计吞吐量70万标箱测算，每年可节约能源消耗约350万吨标准煤，减少二氧化碳气体排放约1 150吨。
1.技术概况AGV（Automated Guided Vehicle）即自动导引运输车，“广义”上是指基于各种定位导航技术，不需要人驾驶的自动运输车辆。
厦门远海集装箱码头自动导航运载车（AGV）系统是厦门远海自动化码头建设配套项目。
该项目采用全电动自动导航运载车替代传统柴油发动机驱动的集装箱拖车，是联合了国内主要港机制造商进行自主研发，具有自主知识产权的国际先进技术，能有效减少温室气体及有害物质排放，对自动化集装箱码头建设具有重要意义。
项目在厦门远海自动化码头原有的传统14# 集装箱泊位上进行道路改造，配置18 台全锂电池驱动的自动导航运载车，8 台集装箱转运平台，18 台自动充电装置及配套的无线电台，供配电、通讯和控制系统，形成自动导航运载车替代港内集装箱拖车，实现港内集装箱水平运输。
2.技术原理和内容2.11技术原理自动导航运载车（AGV）系统可实现智能化调度、自动化控制，无人操作，提高集装箱传送效率。
AGV 系统控制包括车辆管理系统（VMS）、导航系统（NS）、小车控制系统（VCS）三个层次。
VMS 接收码头管理系统（TOS）发送的AGV 起点和终点位置，依据AGV 调度策略指定AGV 并生成AGV 最优路径；导航系统实现路径跟踪，依照路径指令计算出当前的电机转速和掌舵角度并且传输给VCS，而VCS 能够控制小车上的电动机和液压转向系统从而响应收到的指令。
通过这样的方式，AGV 能够沿着轨迹独立在岸桥和自动堆垛之间运行。
1 AGV 运动状态本课题的车体结构可以看作是个两轮驱动的车辆,其实际运动状态和理论值之间的偏差如图1所示。
图1中的虚线表示期望位姿,实线表示和初始时间相差t 时的车辆位姿。
由图可知,控制对象产生了一个t 的时间偏差和角度偏差。
这样我们可以得到一个这样的数学模型:sin 2t vv l r (1)t Rv v lrR为两轮间距;左轮线速度由l v 表示;右轮线速度由r v 表示。
从(1)式可得出,AGV行走的位置偏差 和方向偏差 与两轮的旋转速度有关。
改变两轮的转速可以改变A G V 的行进方向,即通过改变两轮的速度差可以控制目标沿着预定轨迹行进。
A G V 所表现出的全部位姿情况如图2所示,导引路径我们用图中的虚线表示。
期望位姿是标号为1的位姿,在该状态下目标无任何偏差。
2～9均为有偏差的位姿。
表1所示的是对各种位姿偏差的正负定义情况。
我们用两个完全相同的步进电机来分别驱动左右两驱动轮,在电机和轮子中间加以减速箱减速,来实现A G V 的驱动。
减速箱的减速比为18∶1,我们知道,电机的转速可以通过调节电机的电枢电压来改变,而改变电机转速可以改变轮子的转速,这样通过调节左右两轮的不同转速便可以实现车体行进方向的改变。
因此,调节左右电机电枢电压可以达到改变车体位姿的目的。
下式表示了电枢电压与电机转速的关系:min)/(r K R I U n E aa a(2)式中Ua为电枢电压,单位V;I a 为电枢电流,单位A;R a 为电枢电流总电阻,单位Ω; 为单极磁通,单位W B ;K E 为电机结构相关参数。
假设负载不变,上式电机的驱动电压与转速近似满足一个线性函数,于是得到下式:i i i i K u k n (3)上式中:l r i / 分别代表两个驱动电A G V 运动学模型及原理探析王聪 王帅(河南广播电视大学 郑州 450000)摘 要:轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容。
它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体。
AGV系统结构设计以及动力学建模型AGV（Automated Guided Vehicle，自动引导车）是一种基于自动化技术的无人驾驶车辆，通常用于工厂、仓库等场所的物料搬运和运输。
AGV系统结构设计是指对AGV车辆及其相关设备的组成和功能进行规划和设计的过程。
而AGV的动力学建模是对AGV系统进行运动学和动力学方面的建模分析，用于研究和优化AGV的运动控制和性能。
一、AGV系统结构设计：1.AGV车辆：AGV车辆是AGV系统的核心组成部分，它主要负责物料搬运和运输任务。
AGV车辆一般由底盘、传感器、控制器和导航系统等组成。
底盘负责携带货物并实现移动，传感器用于感知周围环境，控制器负责控制AGV运动和执行任务，导航系统用于确定AGV的位置和路径规划。
2.通信网络：AGV系统通常需要与上位管理系统或其他设备进行数据交互和指令传输。
因此，需要设计一个稳定可靠的通信网络，用于实现AGV与其他系统之间的数据传输和控制指令的交互。
3.跟踪与监控系统：为了有效管理和监控AGV系统的运行状态，需要设计一个跟踪与监控系统。
该系统可以实时监测AGV车辆的位置、电量、运行状态等，并提供对相关数据的分析和报警功能。
4.充电装置：AGV车辆通常采用电池作为动力源，因此需要设计相应的充电装置，用于给AGV车辆充电。
充电装置应具有高效快速充电和自动化管理的能力。
5.安全系统：AGV车辆通常需要在人员密集的环境中运行，为了保证运行的安全性，需要设计一套完备的安全系统。
安全系统包括安全传感器、急停装置、防碰撞设备等，用于检测和避免与人员或其他障碍物的碰撞。
AGV的动力学建模是对AGV系统进行运动学和动力学方面的建模分析，用于研究和优化AGV的运动控制和性能。
1.运动学建模：运动学建模主要研究AGV车辆的运动规律和轨迹方程。
通过对车辆底盘的几何特征和运动约束进行分析，可以得到AGV车辆的位姿、速度和加速度等运动参数，并建立相应的数学模型。
第二章自动导引小车运动学模型2.1自动导引小车的结构特点自动导引小车的研究涉及多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统，其机构示意图如图2-1自动导引小车的机械机构部分主要包括如下几个方面：(1)车体车体由车架、相应的机械电气机构、外观件等部分组成，它是自动导引小车的基础部分。
车架的设计需要考虑刚性强度、整车的平稳性等重要的机械性能，重心的位置是又一关键因素，重心越低越有利于抗倾翻。
在满足车载机械电气机构、外观件以及其它装置装配空间，和整车刚性要求的条件下，尽量考虑整车的外形造型美观和轻便小巧。
(2)驱动装置驱动装置是自动导引小车行走的执行机构，它主要由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。
通常情况下，驱动装置和转向装置集成在一起使用。
(3)蓄电池和充电装置蓄电池和充电装置是自动导引小车的动力源。
自动导引小车一般采用24V或48V直流工业蓄电池电能为动力，对于传统的铅酸蓄电池，一般需保证8小时以上的安培小时值。
随着电池科技的发展，快速充电蓄电池问世，这类蓄电池的安培小时值根据实际生产需求而定，而且与之配套的采用一种先进智能快速充电技术，充五分钟电可以使用一个多小时。
从而提高自动导引小车的有效使用率。
充电装置有多种，目前最常用有地靴式和测挂式等。
一般地，充电装置需要安全保护。
(4)位姿传感装置位姿传感装置主要是为了从自动导引小车的当前环境中，获得小车的位姿(位置与转角)和其它相关的信息，如运行前方有无障碍等。
位姿传感装置会因为采用的导引技术的不同而不同，如采用电磁感应技术的位姿传感装置主要是安装在小车上的一对探头(即感应线圈)和比较/放大电路等，而采用光学检测技术的位姿传感装置则主要是光学检测器和辅助装置等。
(5)导向控制装置导向控制装置是整个导引小车运动控制的核心，主要色含有硬件部分和软件部分。
一般来说，尽管采用的导引技术千差万别，但是，导向控制装置的结构大体相同。
第二章自动导引小车运动学模型2.1自动导引小车的结构特点自动导引小车的研究涉及多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统，其机构示意图如图2-1自动导引小车的机械机构部分主要包括如下几个方面：(1)车体车体由车架、相应的机械电气机构、外观件等部分组成，它是自动导引小车的基础部分。
车架的设计需要考虑刚性强度、整车的平稳性等重要的机械性能，重心的位置是又一关键因素，重心越低越有利于抗倾翻。
在满足车载机械电气机构、外观件以及其它装置装配空间，和整车刚性要求的条件下，尽量考虑整车的外形造型美观和轻便小巧。
(2)驱动装置驱动装置是自动导引小车行走的执行机构，它主要由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。
通常情况下，驱动装置和转向装置集成在一起使用。
(3)蓄电池和充电装置蓄电池和充电装置是自动导引小车的动力源。
自动导引小车一般采用24V或48V直流工业蓄电池电能为动力，对于传统的铅酸蓄电池，一般需保证8小时以上的安培小时值。
随着电池科技的发展，快速充电蓄电池问世，这类蓄电池的安培小时值根据实际生产需求而定，而且与之配套的采用一种先进智能快速充电技术，充五分钟电可以使用一个多小时。
从而提高自动导引小车的有效使用率。
充电装置有多种，目前最常用有地靴式和测挂式等。
一般地，充电装置需要安全保护。
(4)位姿传感装置位姿传感装置主要是为了从自动导引小车的当前环境中，获得小车的位姿(位置与转角)和其它相关的信息，如运行前方有无障碍等。
位姿传感装置会因为采用的导引技术的不同而不同，如采用电磁感应技术的位姿传感装置主要是安装在小车上的一对探头(即感应线圈)和比较/放大电路等，而采用光学检测技术的位姿传感装置则主要是光学检测器和辅助装置等。
(5)导向控制装置导向控制装置是整个导引小车运动控制的核心，主要色含有硬件部分和软件部分。
一般来说，尽管采用的导引技术千差万别，但是，导向控制装置的结构大体相同。
第二章自动导引小车运动学模型2.1自动导引小车的结构特点自动导引小车的研究涉及多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统，其机构示意图如图2-1自动导引小车的机械机构部分主要包括如下几个方面：(1)车体车体由车架、相应的机械电气机构、外观件等部分组成，它是自动导引小车的基础部分。
车架的设计需要考虑刚性强度、整车的平稳性等重要的机械性能，重心的位置是又一关键因素，重心越低越有利于抗倾翻。
在满足车载机械电气机构、外观件以及其它装置装配空间，和整车刚性要求的条件下，尽量考虑整车的外形造型美观和轻便小巧。
(2)驱动装置驱动装置是自动导引小车行走的执行机构，它主要由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。
通常情况下，驱动装置和转向装置集成在一起使用。
(3)蓄电池和充电装置蓄电池和充电装置是自动导引小车的动力源。
自动导引小车一般采用24V或48V直流工业蓄电池电能为动力，对于传统的铅酸蓄电池，一般需保证8小时以上的安培小时值。
随着电池科技的发展，快速充电蓄电池问世，这类蓄电池的安培小时值根据实际生产需求而定，而且与之配套的采用一种先进智能快速充电技术，充五分钟电可以使用一个多小时。
从而提高自动导引小车的有效使用率。
充电装置有多种，目前最常用有地靴式和测挂式等。
一般地，充电装置需要安全保护。
(4)位姿传感装置位姿传感装置主要是为了从自动导引小车的当前环境中，获得小车的位姿(位置与转角)和其它相关的信息，如运行前方有无障碍等。
位姿传感装置会因为采用的导引技术的不同而不同，如采用电磁感应技术的位姿传感装置主要是安装在小车上的一对探头(即感应线圈)和比较/放大电路等，而采用光学检测技术的位姿传感装置则主要是光学检测器和辅助装置等。
(5)导向控制装置导向控制装置是整个导引小车运动控制的核心，主要色含有硬件部分和软件部分。
一般来说，尽管采用的导引技术千差万别，但是，导向控制装置的结构大体相同。
硬件部分主要是数字电路部分，主要是位置环、垢差控制器等，多采用单片机实现，从而可以通过程序方便的控制自动导引小车跳加速、减速和匀速运动，需要的话也可以切换偏差控制器实现直道、弯道的多棒型控制同时由于自动导引小车行走过程中对实时性要求较高，对包括速度环、电流环及驱动部分的控制器及脉冲宽度调制((Pulse Width Modulation)信号发生器而言，采用模拟电路控制具有实时快速、不占用CPU时间的优点，特别适合电流，速度环快速PID运算。
(6)专用功能执行机构自动导引小车的形式种类很多，每种实用型自动导引小车，它都不光是装备了自动导引行走功能，还装备了专用功能执行机构，以满足自动导引小车的实际功能需求，如叉车式自动导引小车的自动叉体机构，转道式自动导引小车的自动辊道机构等。
专用功能执行机构是根据各种自动导引小车需要完成的功能专门设计而成，具有特定专用性。
(7)安全保护装置在实际生产中，人与机械处于同一环境，自动导引小车作为一种运动中的动作功能机械，其安全保障功能尤为重要。
安全装置的作用包括防止设备在运行中出错，也预防运行出错对人员及其运行环境设施产生的影响，直接地，安全装置的功能就是保护自动导引小车自身，以及维护自动导引小车攻用的顺利完成，同时在最大可能的范围内保护人员和运行环境设施的安全。
自戴导引小车的安全装置主要是障碍检测传感装置以及避障控制装置。
本论文研究对象是车体采用三轮式结构的自动导引小车，车体结构示意图如图2-2所示。
两个后轮作为驱动轮，利用两轮的速度差实现转向;前轮为随动轮，仅起到支撑车体的作用，而没有导向的作用。
采用这种结构的自动导引小车只有直线运动和圆弧运动两种运动形式，较适合于固定路径导引控制和运动路径不是很复杂的导引控制中。
此车体正向运行和反向运行的动力学模型是不同的，可以只按车体正向运行情形求取其动力学模型。
如果要求所求取的动力学模型对于车体正向运行与反向运行均适合，那么该车体结构必须前后对称，即前轮为操舵轮，中间两轮是驱动轮，后轮也为操舵轮的变四轮结构(如图1-2 )。
实际运行中，如果需要反向运行，只需要将自动导引小车原地旋转180度以后，就相当于正向运行了。
2.2.自动导引小车运动学模型的建立2.2.1自动导引小车运动学分析运动学模型主要根据运动学方面的理论直接求得伺服电机端电压与车速的关系，在这种模型中，自动导引小车的速度只与电机端电压及电机电枢回路的时间常数有关，而忽略了车体质量、摩擦阻力对车速的影响。
建立如图2-3所示的坐标系。
图中XOY为世界坐标系，v, , v，分别为左/右驱动轮轮心相对于地面的线速度(m/s), L为两驱动轮之间的距离，R为自动导引小车绕瞬心口的转弯半径，必为自动导引小车绕瞬心口转动的角速度(rad/s )自动导引小车的运动学模型是基于以下几点假设:①自动导引小车是刚性的；②自动导引小车运动在水平面上；③自动导引小车的左、右轮受Y力相等，且车轮与地面之间没有相对滑动；④自动导引小车的车体质量、摩擦阻力、负载等的变化对车速的影响忽略不计。
取为距离偏差(m ), 为角度偏差(rad )，在此设定角度以逆时针为正，顺时针为负。
根据自动导引小车的车体结构和刚体平动原理可知，自动导引小车在任意时刻都是作绕车体瞬心0的转动。
由图2-3可知，在t时刻自动导引小车绕瞬心口的转弯半径R为:自动导引小车在t时刻绕瞬心口转动的角速度必为:由式（2-4）可以看出，只要正确标定小车的初始位置，控制小车左右两驱动轮的速度，可以使两轮的中心跟踪任意给定的运动轨迹，也就是说通过分别控制小车两驱动轮的速度可以使小车实现路径跟踪控制。
假设经过时间后，自动导引小车产生的角度偏差量为，距离偏差量为。
则自动导引小车运动方程为：如果自动导引小车在运动过程中，角度偏差较小，由式（2-5）可以得到角度偏差的变化率为：式中：—跟踪路径曲率变化对角度偏差变化率的影响，当跟踪路径为直线时，其值为零。
同样的，由式（2-6）可以得到距离偏差的变化率为：式中：-踪路径曲率变化对距离偏差变化率的影响，当跟踪路径为直线时，其值为零。
令由公式(2-7 ) , (2-8)即可以得到状态变量为的自动导引小车的状态方程为:(2-9)描述自动导引小车左右轮速差的关系。
它可以看成是以小车角度偏差，和距离偏差为状态变量，以车辆左右轮速差为输入变量的状态方程，即可以通过控制自动导引小车左右轮的速度差来调节小车的角度偏差。
和距离偏差，但由于左右轮速差不是系统的直接输入量，系统的控制输入量为工业控制机送出的D/A值，即电压值，所以为了将控制电压作为输入加到状态方程中，需要将小车的运动学方程与反映驱动系统动态特性的传递函数合并，得到描述整个被控过程动态特性的系统状态空间数学模型。
2.2.2驱动系统数学模型的建立驱动系统的数学模型描述着计算机D/A输出值(即电压值)和驱动轮转速之间的关系，设计自动导引控制器及进行仿真和试验研究都需要建立能够正确地反映车辆驱动系统特性的数学模型。
自动导引小车的驱动系统如图2-4所示。
由于AGV驱动系统环节较多，例如，电机调速机构包括D/A转换、电机控制器、减速器、控制电机等;而且各部件的有关性能参数难以确定，如机械传动机构的刚度、阻尼、纵向运动惯量等机械性能参数都不便于测定，因此采用解析法建立车辆调速机构数学模型的困难很大。
由于系统的输入输出信号一般总是可以测量的，而系统的动态特性必然出现于这些输入输出数据中，故可以利用输入输出数据所提供的信息来建立系统的数学模型，这种建模方法就是系统辨识。
随着系统辨识理论与方法的发展，应用系统辨识的方法，通过实验研究来确定系统的数学模型，是一种能满足上述要求的行之有效的途径。
为了对驱动系统动态特性进行初步分析并便于以后的系统辨识，需要首先通过对其进行特定的输入信号(如阶跃输入)下的动态响应过程试验，从而可以根据试验结果判断出驱动系统模型的阶次。
另外，由于输入输出信号均为离散数字信号，因此宜采用差分方程描述该系统。
用差分方程定量描述一个动态系统时，必须确定出方程中的有关参数。
所以，该种系统辨识的实质是一个参数估计问题，可视为一种灰箱式部分辨识问题，同时，辨识过程中由于输入输出数据受到噪声的影响，一般应看成是随机变量，因此也属于统计学范畴。
在参数估计时，力求使某一个被适当定义的误差标准趋于最小，以便使寻求的数学模型与试验数据有最佳拟合。
在各种参数估计技术中，最小二乘法是从试验数据进行参数估计的主要手段，其获得的估计在一定条件下具有最佳的统计特性，因此该方法被广泛应用于系统辨识研究中。
在系统辨识中，输入信号的类别和形式影响着所采用的辨识方法和辨识精度。
用于辨识输入信号的最低要求是具有持续激励特性，即在整个观测周期上，过程的所有模态必须被输入信号持续激励。
这意味着输入信号不能随意选择，否则不但辨识精度不能保证，甚至可能造成不可辨识。
目前常用的信号主要是随机序列(如白噪声)和伪随机序列。
理论分析表明，选用白噪声作为辨识输入信号可以保证获得较好的辨识效果，但是白噪声在工程上不易实现，因此工程中一般选用最长线性移位寄存器序列(简称M序列)作为辨识输入信号。
M序列是二进制伪随机码序列(PRBS)的一种形式，它的自相关函数接近脉冲函数，具有近似白噪声的性质，可保证有较好的辨识精度。
对驱动系统的模型辨识而言，M序列的物理意义是驱动电机电源控制器输入电压信号，它在计算机内由D/A产生。
M序列有3个参数，即一个电平的持续时选择M序列就是确定这几个参数。
试验开始时，应先给系统以预激励(或预扰动)。
由于M序列u(k)实质上是周期信号，其施加于系统后，输出端响应y(k)最终也必定是周期波形。
不过在t=0～Ts的过渡过程初始阶段内，由于非零初始条件的作用，系统的输出在一段时间内是非平稳的，为了保证辨识精度，要避开这段非平稳过程。
由于已选定，当M序列的第一个周期己度过，y(k)已成为周期的周期信号后，即可认为y(k)已具备平稳性，此时进行。
(k)和y(k)的相关运算刁‘有意义。
因此在辨识试验中将第一个周期内的M序列作为预激励，而将第1个周期以后采集的试验数据留作系统辨识之用，这样做的目的是利用比较充足的数据，以提高辨识精度。
系统辨识中，取电压信号{u(k)}序列作为输入值，小车速度信号{y(k)}序列作为输出值进行辨识。
通过研究电压值与驱动轮转速的相互关系建立描述驱动系统动态特性的差分方程。
驱动系统的数学模型选用ARX模型，模型为：利用最小二乘方法进行系统辨识，可得描述驱动系统输入输出关系的差分模型。
而描述线性连续系统的数学模型是微分方程和传递函数，必须把差分方程转换成微分方程或者传递函数的形式。
本文采用差分方程与微分方程系数的转换法实现[f7la n阶微分方程，分别是m+1阶和m阶方阵，即转换矩阵。
