自主移动堆垛叉车运动控制算法研究与试验

摘要

自主移动堆垛叉车作为自动化仓储物流的重要组成部分。为实现自主移动堆垛叉车自主移动控制，以叉车平台和自主移动堆垛叉车为研究对象，对其运动控制算法进行研究。提出改进的可实现叉车平台和自主移动堆垛叉车轨迹跟踪、路径跟踪、点镇定控制算法，并通过仿真和试验方法验证算法的准确性。其主要研究内容及结果如下：　　（1）研究叉车平台轨迹跟踪控制问题。建立叉车平台运动学模型及误差模型，并设计基于 Lyapunov 函数和反推(backstepping)时变状态反馈控制算法的控制器，以实现叉车平台转向轮转角和运动速度的控制。仿真和试验结果表明：所运用的控制算法能使该叉车平台收敛于期望轨迹，当跟踪期望轨迹稳定后，控制参数为(k1,k2,k3,k4)=(0.1,0.2,0.15,0.3)时，直线轨迹跟踪误差为xe=±7mm，ye=±9.8mm，θe=±4.2°，圆弧轨迹跟踪误差为xe=±6.2mm，ye =±8.3mm，θe =±5.8°，取得良好的跟踪精度。　　（2）研究叉车平台路径跟踪控制问题。通过将其运动学模型简化为二自由度模型。采用基于航向角误差算法的路径跟踪控制方法，以实现对叉车平台转向和运动速度控制，使其按照期望路径运动，达到路径跟踪目的。仿真结果表明：所运用的路径跟踪控制算法，能使机器人较稳定快速的收敛于期望路径。试验结果表明：当叉车平台跟踪稳定后，直线路径跟踪横向误差范围为±8mm，圆弧路径跟踪横向误差范围为±11mm，取得较好的路径跟踪精度，为叉车平台路径跟踪控制提供参考。　　（3）对叉车平台点镇定算法进行研究。基于叉车平台运动学模型，建立叉车平台始末位置极坐标下误差微分方程，提出改进的叉车平台点镇定控制率，并通过劳斯判定证明，当常参数系数 kα＞0，kρ＞0，kβ＜0，kα-kρ＞0 时，系统是渐进稳定的，此外，采用参数可变的三阶贝塞尔曲线方法拟合平台当前点、目标点以及目标姿态的反向延长线上离散点，使平台的路径曲率连续平顺。仿真结果表明：所运用的点镇定算法能使叉车平台到达全局坐标下任意目标点位姿。当贝塞尔曲线离散点参数较大时，获得较好的路径和点镇定效果。　　（4）研究自主移动堆垛叉车路径跟踪控制问题。对自主移动堆垛叉车自动化改造，使其实现自动化控制。将自主移动堆垛叉车模型简化为二自由度模型，采用基于航向角误差与纯跟踪算法相结合的路径跟踪算法，为自主移动堆垛叉车的转向和运动速度控制提供理论依据，试验结果表明：所采用的算法能使自主移动堆垛叉车实现路径跟踪控制，跟踪稳定后，其横向跟踪误差为±20mm。为自主移动堆垛叉车路径跟踪控制提供参考。　　本文针对叉车平台和自主移动堆垛叉车不同的运动状态场景采用了不同的研究方法和技术手段，并从理论分析、仿真和试验等三方面证明了算法的准确性。为实现叉车平台和自主移动堆垛叉车的运动控制和应用提供理论依据和参考。

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