Movexx: virtual-line navigation voor een AGV-platform

Overstap van vloertape naar virtual-line navigation

Movexx wilde zijn AGV-vloot laten overstappen van wit-zwart-witte vloertape met RFID-markers naar virtual-line navigation: dezelfde veiligheidslaserscanner die de AGV al droeg gebruiken om de positie te trianguleren tegen vaste kenmerken in de fabriekshal, zoals muren, kolommen en vaste structuren. De integratie van de navigatiemodule liep al op test-AGV’s, maar de stuurregeling vertoonde drie symptomen in het veld.

De schatter rapporteert positie in sprongen van ongeveer 10 mm, bij elke nieuwe feature-lock. De bestaande regelaar interpreteerde elke sprong als een stapfout en reageerde met een stuuruitslag, met zichtbaar schokkerige beweging als gevolg. Het tunen van de heading- en afstandsregelaars verliep met vallen en opstaan, zonder principieel handvat voor welke gain als volgende aangepast moest worden. En bij hogere snelheden werd de loop af en toe instabiel.

Onder de motorkap zat een regelwet in de PLC die de heading-fout als P-actie afhandelde, de afstandsfout als een integraal-achtige actie, beide optelde en op een maximum limiteerde. Dat werkt voor tape-navigatie, waar de positiefout continu en glad is. Het werkt niet voor een schatter die in discrete sprongen ververst en waarvan het effectieve verversingstempo per route afhangt van de dichtheid van herkenbare features.

Closed-loop model en validatie tegen velddata

DotX heeft een closed-loop model van het hele systeem opgebouwd in MATLAB en gevalideerd tegen velddata die Movexx aanleverde. Daarin zat de PLC-regelwet één op één zoals Movexx hem geschreven had, een model van de navigatieschatter inclusief de discrete sprongen en een effectieve vertraging van 0,2 s, en een voertuigmodel met een tweede-orde vertraging tussen commando en werkelijke stuurwielhoek. Het model reproduceerde zowel het sprong-gedreven schokken als de instabiliteit bij hoge snelheid.

1. Procesanalyse. Velddata van bestaande test-AGV’s inlezen en de submodellen afzonderlijk verifiëren: de PLC-regelwet via co-simulatie op gemeten ingangen, de schatter via meetreeksen, en de voertuigdynamica via stuurhoek-responsproeven. Daarna de drie symptomen reproduceren in simulatie, als referentie voor het herontwerp.
2. Digital twin. De drie submodellen samenvoegen tot een gesloten kring, geverifieerd tegen gefitte waypoints en gemeten AGV-snelheid. De vertraging van 0,2 s in de schatter was niet rechtstreeks te schatten uit de open-loop data, maar kwam boven water uit het matchen van de closed-loop respons: de fit zonder die vertraging miste de fase, en met de vertraging matchte de gemeten stuurhoek tot in het detail.
3. Optimalisatie. Drie wijzigingen ontworpen en in simulatie geverifieerd. De heading- en afstandsregelaar herstructureren als master-slave-paar, zodat de loops ontkoppeld raken en het tunen terugvalt op twee gains. Beide gains op een snelheidsschedule zetten, zodat de bandbreedte van de loop constant blijft over het operationele bereik. En een eerste-orde filter met een tijdconstante van 0,5 s op de positiefout leggen, om de sprongen van 10 mm te dempen zonder de echte volgfout te vertragen.
4. Implementatie. Movexx implementeert de herontworpen regelwet in de PLC. Tijdens commissioning bleek een extra gain-schedule op de master-loop nodig bij hoge snelheid. Die was door het model voorspeld maar in het eerste rapport over het hoofd gezien, en is alsnog in de release meegenomen. Veldproeven door DotX in januari 2023 valideren de productieregelaar tegen de co-simulatie.

Drie veldsymptomen verholpen

De drie veldsymptomen zijn weg. Het filter op de positiefout elimineert de sprong-gedreven stuurpulsen. Het tunen van de loop kost nu twee gains plus een Ziegler-Nichols-pass in het veld, een procedure die een Movexx-engineer per machine en per locatie kan herhalen zonder tussenkomst van DotX. De heringerichte regeling draait stabiel van stilstand tot ongeveer 1300 mm/s, wat het volledige operationele bereik van de AGV is.

De veldproefrespons van de productieregelaar komt visueel overeen met de co-simulatie, tot op het niveau van de individuele stuuruitslag. Dat betekent dat het model bruikbaar blijft als onderhoudsmiddel voor toekomstige wijzigingen aan de regelaar, het voertuig of de navigatiestack. De aanpassingen die in het veld nodig bleken, de extra master-loop-schedule en de volgorde in de filterketen, waren allebei door het model voorspeld of er in eerste orde uit te verklaren.

Dat is het bredere resultaat: niet alleen een ontwerpsleutel voor deze ene regelaar, maar een werkende digitale tweeling van de AGV-stack die Movexx kan blijven gebruiken bij volgende navigatie-iteraties.

Heading-control met een discreet ververste schatter

Voor een lezer buiten de voertuigautomatisering is de AGV niet het interessante deel. Het is het patroon van heading-control gedreven door een schatter die discreet ververst, met een loop-gain die afhangt van het operationele punt. Dezelfde drie zetten, filter de schokkerige schatter, herstructureer als master-slave, en schedule de gain op de dominante operationele variabele, zijn het gereedschap waarmee wij ook pitch- en yaw-loops voor windturbines ontwerpen. Daar komen de schattingen van rotorsnelheid en windrichting eveneens discreet binnen, en daar moet de loop-gain eveneens met het werkpunt meebewegen.

Dezelfde logica geldt voor cascade-loops in de procesindustrie, waar het verversingstempo van een online analyser traag is ten opzichte van de binnenste actuator. Denk aan pH-loops met online titratie of aan dosering met inline spectrometrie.

Een sprongtolerante master-slave-loop met snelheidsschedule voor een AGV is dezelfde architectuur die wij in windturbine-pitch en in cascade-regelingen gebruiken. De fysica was anders, de methodiek niet.