AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

張松林

(安徽信息工程學(xué)院 信息工程系， 安徽 蕪湖 241000)

AGV出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)突破了多項(xiàng)技術(shù)，并且進(jìn)入成熟階段。AGV在我國應(yīng)用空間巨大，在國際市場上也逐漸凸顯其重要性。但是，由于我國工業(yè)水平和科技水平低于發(fā)達(dá)國家，因此，其發(fā)展速度較慢，受到的限制較多。隨著改革開放的深入，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，成為了全球第二大經(jīng)濟(jì)體。2013年，為促進(jìn)工業(yè)化進(jìn)程，加快工業(yè)AGV的快速發(fā)展，我國提出了《工業(yè)和信息化部關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，支持AGV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，中國已經(jīng)成為全球AGV市場需求量增速最快的國家，并保持著36%的年增長率。目前，我國將研究重點(diǎn)放在降低AGV生產(chǎn)成本、提高其操作性、擴(kuò)大其普及范圍等方面，致力于將其應(yīng)用于我國各行各業(yè)，解決勞動力缺乏問題，使我國工業(yè)生產(chǎn)更加規(guī)范化。

1 AGV控制器的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

AGV能夠裝載一定的物體，從出發(fā)地自動運(yùn)行至目的地。該設(shè)備中安裝有自動引導(dǎo)裝置，可以為設(shè)備提供自主執(zhí)行導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、交通控制、通信、驅(qū)動控制、負(fù)載艙或工作邏輯控制和安全防護(hù)等功能，現(xiàn)在都用激光來引導(dǎo)裝置運(yùn)行。AGV主要用于制造業(yè)和倉儲業(yè)，大大節(jié)約勞動力，也會減少人為因素造成的商品破損問題。同時(shí)，有些服務(wù)行業(yè)也開始使用AGV設(shè)備，例如機(jī)場和圖書館等，這些場合工作量大，并且要求較高的服務(wù)質(zhì)量，使用自動化設(shè)備既能夠吸引使用者的注意力，也能夠極大地滿足了使用者的需求。由于我國各行各業(yè)電子商務(wù)發(fā)展速度較快，因此，國內(nèi)物流行業(yè)對運(yùn)動控制器的需求量也越來越高，自動化設(shè)備的使用領(lǐng)域增多。

現(xiàn)在市場中常見的是激光引導(dǎo)AGV控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)動控制器分為PLC控制器、嵌入式控制器和基于計(jì)算機(jī)的控制器等。又可以將這些運(yùn)動控制器分為集成式控制器和開放式控制器兩大類，在使用過程中，將其分為三個(gè)層次，分別為中央控制中心、作業(yè)控制或分布式交通控制。從近些年來激光引導(dǎo)AGV控制系統(tǒng)的情況來看，其集成式控制系統(tǒng)主要是作業(yè)控制，由中心控制系統(tǒng)指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)作業(yè)，而分散控制系統(tǒng)主要用于分布式交通控制，該系統(tǒng)可以與其他獨(dú)立系統(tǒng)相互通信，其工作效率較高。

1.2 AGV系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

目前，自動化控制領(lǐng)域控制器發(fā)展速度和需求量高于控制系統(tǒng)發(fā)展速度和需求量，控制器硬件系統(tǒng)主要是保證設(shè)備具有足夠快的執(zhí)行相應(yīng)控制算法的速度，使一些傳感器能夠與電腦或其他便攜電子交通設(shè)備相連接，便于調(diào)試。現(xiàn)在一些高質(zhì)量的控制器制造技術(shù)和相關(guān)的調(diào)試技術(shù)都引進(jìn)于國外，而硬件設(shè)備發(fā)展正往減小體積、降低重量、減小成本方向發(fā)展。我國電機(jī)驅(qū)動和控制系統(tǒng)發(fā)展速度雖然較快，但是與發(fā)達(dá)國家之間還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在電機(jī)制造與裝配還在依賴手工、工藝落后，電機(jī)集成度水平不高等方面。近些年來，我國控制器行業(yè)迎來新的發(fā)展機(jī)遇，其銷售量以每年19%的速度增加，許多研發(fā)企業(yè)與銷售企業(yè)合作，深入研究和改善控制器的性能與結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在我國PLC控制器市場份額達(dá)到55%以上，但是控制器在其通訊、數(shù)據(jù)傳輸和功能處理等方面還有待提高，學(xué)者及技術(shù)人員未來應(yīng)主要在此方面進(jìn)行深入研究，擴(kuò)大其生產(chǎn)規(guī)模，使設(shè)備性能更加靈活，降低我國勞動力成本等。

2 AGV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人從最開始的單一功能，發(fā)展成為多功能的集成機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在國外已經(jīng)研究出能靈活行動和做一些簡單工作的機(jī)器人。機(jī)器人研究中應(yīng)重視其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是質(zhì)量分布、重心位置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等?，F(xiàn)在常見的AGV車輪結(jié)構(gòu)有三輪式、四輪式兩種。三輪式結(jié)構(gòu)承載的負(fù)荷小，行走速度快，轉(zhuǎn)向靈活，但是這種結(jié)構(gòu)對于運(yùn)行算法的精密度要求較高；四輪式結(jié)構(gòu)常用于大型貨物運(yùn)輸，負(fù)荷較大，運(yùn)行速度慢，轉(zhuǎn)向能力差，對其運(yùn)行算法要求也較高，四輪式結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)連有驅(qū)動電機(jī)的車輪，兩個(gè)由萬向輪作為支撐和轉(zhuǎn)向的車輪，能夠使該裝置靈活轉(zhuǎn)向。靈活度越好，對設(shè)計(jì)的算法要求越高。

AGV結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1是超聲波傳感器，主要分布在裝置的扇形區(qū)表面，能夠360度檢測裝置周圍的信號，2是萬向輪，主要負(fù)責(zé)裝置轉(zhuǎn)向的零部件，3是電機(jī)驅(qū)動輪，其連有一個(gè)伺服電機(jī)，4是電池，5是直流無刷伺服電機(jī)，6是伺服電機(jī)控制器，7是激光掃描儀。三輪式AGV結(jié)構(gòu)與四輪式AGV結(jié)構(gòu)的差異在于電機(jī)驅(qū)動輪的個(gè)數(shù)，個(gè)數(shù)越多，載負(fù)越大，移動過程中越平穩(wěn)。

圖1 AGV結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 AGV系統(tǒng)組成示意圖

AGV結(jié)構(gòu)中的主要模塊如圖2所示。從圖中可以看出，主控制單元可以控制設(shè)備運(yùn)行加減速以及原地滑動和轉(zhuǎn)彎等操作，電機(jī)控制器控制驅(qū)動單元的驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行方向和速度，AGV在運(yùn)行過程中，會經(jīng)歷直行、拐彎和接近停位點(diǎn)等，這些操作需要運(yùn)動控制器的軟件輔助進(jìn)行，工控機(jī)在接收到轉(zhuǎn)彎或者是停車指令后，將信息反饋給軟件控制系統(tǒng)，軟件控制系統(tǒng)修改現(xiàn)行的代碼，并將新的代碼發(fā)布給速度控制端口，工控機(jī)在修改運(yùn)行速度的同時(shí)也控制電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)，并將狀態(tài)反饋給主控制單元，主控制單元將信息反饋給安全與輔助單元，以此識別前方是否存在障礙，并預(yù)防事故發(fā)生。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 激光導(dǎo)引控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是控制AGV設(shè)備的運(yùn)行，并且是該系統(tǒng)的主要控制中心，現(xiàn)在常用的控制系統(tǒng)是Beagle Bone AM335X開發(fā)板安裝Ubuntu系統(tǒng)和ROS機(jī)器人平臺作為上層的操作系統(tǒng)，兩大系統(tǒng)聯(lián)合起來發(fā)布各種運(yùn)行指令，保證設(shè)備平穩(wěn)，安全運(yùn)行。如圖3控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成圖所示，兩大結(jié)構(gòu)組成的控制系統(tǒng)使整個(gè)結(jié)構(gòu)的軟硬件具有無關(guān)性，并且可以通過遠(yuǎn)程終端來控制整個(gè)機(jī)器運(yùn)行過程。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖

3.2 掃描系統(tǒng)

現(xiàn)在電子商務(wù)發(fā)展速度加快，物流行業(yè)已進(jìn)入一個(gè)前所未有的發(fā)展高峰，為減少服務(wù)行業(yè)中勞動力缺乏問題，在行業(yè)內(nèi)大量引入激光引導(dǎo)機(jī)器人，推動我國AGV車體控制系統(tǒng)發(fā)展逐漸趨于成熟。通過AGV在我國的發(fā)展情況來看，其引導(dǎo)方式成為生產(chǎn)行業(yè)和物流行業(yè)選擇該設(shè)備類型的主要指標(biāo)，AGV的引導(dǎo)方式?jīng)Q定該結(jié)構(gòu)能在什么樣的環(huán)境下工作，目前最多的是使用高精度激光掃描儀引導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備用于室外時(shí)，掃描儀會檢測周圍環(huán)境，在系統(tǒng)內(nèi)部形成一幅地圖，并且實(shí)時(shí)更新，系統(tǒng)內(nèi)部會根據(jù)掃描的地圖規(guī)劃行走路徑。與普通的掃描儀不同，高精度掃描儀掃描的圖像是3D形式的，不同的顏色代表不同的像素值，而像素值與距離相關(guān)。激光掃描儀的基本技術(shù)是通過紅外激光二極管發(fā)射紅外線，使用傳統(tǒng)的紅外敏感相機(jī)，接收不同位置的反射光線，描述成一張圖像信息。激光掃描儀對障礙的識別能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，使運(yùn)行設(shè)備能夠在狹小的空間內(nèi)迅速規(guī)避障礙，安全運(yùn)行。

3.3 驅(qū)動系統(tǒng)

圖4 AGV驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)在各行各業(yè)對于AGV設(shè)備的功能需求不同，因此，對其驅(qū)動裝置要求較高。驅(qū)動系統(tǒng)是車動作的控制部分，一般是由兩個(gè)驅(qū)動輪、兩個(gè)萬向輪組成，再安裝直流伺服電機(jī)、霍爾傳感器等裝置來控制加速和減速過程。AGV的驅(qū)動系統(tǒng)伺服電機(jī)、減速器、車輪的構(gòu)成方式如圖4所示，該組成結(jié)構(gòu)中，車體結(jié)構(gòu)主要采用鋁制品材料，使整個(gè)車體的質(zhì)量在原有的基礎(chǔ)上得到降低，整個(gè)車體運(yùn)行的阻力減少，降低電力資源浪費(fèi)。

3.4 防碰撞系統(tǒng)

圖5 超聲波測距示意圖

AGV的防碰撞系統(tǒng)由急停開關(guān)、碰撞開關(guān)、超聲波傳感器和激光四部分組成。超聲波傳感器主要用來掃描周圍環(huán)境，超聲波測距示意圖如圖5所示。超聲波傳感器連接微控制器，占用一個(gè)I/O口，該設(shè)備不斷發(fā)出固定頻率的超聲波信號，當(dāng)超聲波與周圍障礙物接觸時(shí)，超聲波會受到阻礙，其波長發(fā)生變化，該信息會被設(shè)備所監(jiān)測到，同時(shí)記錄障礙物的距離和大小，誤差在2厘米到3厘米之間。由于超聲波傳感器自身的特性，其聲波入射角度超過20度，傳感器的讀數(shù)常常會發(fā)生跳變或接收不到正確的傳感數(shù)據(jù)。

4 控制器硬件設(shè)計(jì)

4.1 控制器硬件設(shè)計(jì)方案

可編程邏輯(PLD)的邏輯功能是用戶根據(jù)自身需要，依據(jù)編程邏輯器件編程設(shè)立的系統(tǒng)開發(fā)人員使用該行業(yè)專用的軟件工具對其進(jìn)行開發(fā)、仿真和測試，優(yōu)化可編程邏輯。PLD可以對設(shè)計(jì)階段的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和儲存，將修改的數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件進(jìn)行測試并優(yōu)化，達(dá)到最符合要求的編輯邏輯。該過程可以降低系統(tǒng)開發(fā)的成本，減少工作量等。AGV的直流無刷伺服電機(jī)控制器方案如圖6所示。該控制電機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、功能多、操作簡便等特點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)證明，以該電機(jī)控制方案制造出來的設(shè)備其反應(yīng)時(shí)間較短，靈敏度高，性價(jià)比高。

圖6 AGV的直流無刷電機(jī)控制方案

4.2 直流伺服電機(jī)驅(qū)動

現(xiàn)在AGV設(shè)備中常使用FN3788電機(jī)驅(qū)動設(shè)備，能夠驅(qū)動高壓元器件，但是，由于其芯片承載負(fù)荷較小，在發(fā)展中受到限制。FN3788電機(jī)驅(qū)動設(shè)備可以運(yùn)用于電壓低于600伏以下的電子驅(qū)動系統(tǒng)中，并且該設(shè)備自帶保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)電壓過高或者是電流過高時(shí)，可切換進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，并且在整個(gè)過程中其耗電量較低，整個(gè)電路系統(tǒng)較為簡潔，后期檢修工作較簡單。

4.3 速度環(huán)

圖7 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動與測速

速度環(huán)與設(shè)備的轉(zhuǎn)速相關(guān)，對速度環(huán)的控制精度越高，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行越平穩(wěn)，并且其抗干擾能力較強(qiáng)。在AGV控制系統(tǒng)中，使用霍爾傳感器精確控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且整個(gè)系統(tǒng)的控制指令也是由霍爾傳感器傳遞給伺服電機(jī)驅(qū)動器，以此形成封閉的速度環(huán)，如圖7所示?；魻柶骷鳛殡娮愚D(zhuǎn)換器件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，霍爾器件可以控制電路的運(yùn)行方向，從而達(dá)到切換指令的目的。并且從圖中可以看出，霍爾器件受到磁鐵的影響，其工作狀態(tài)也受到影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的南極經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器就切換到工作狀態(tài)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的北極經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器切換到釋放狀態(tài)。除了上述3個(gè)重要的硬件外，控制器硬件還包括位置環(huán)、通訊設(shè)備以及控制系統(tǒng)軟件，這些已經(jīng)受到很多學(xué)者的研究，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到成熟。本文重點(diǎn)研究了我國AGV控制系統(tǒng)的硬件部分，強(qiáng)調(diào)各個(gè)零部件之間的相互影響，介紹零部件的重要性。

5 結(jié)語

目前，研究出性價(jià)比高、操作簡便且運(yùn)行靈活的AGV設(shè)備是很多學(xué)者集中研究的課題之一，也是社會發(fā)展的必然選擇，物流行業(yè)對運(yùn)輸貨物的完整程度要求較高，工作人員會因?yàn)樯眢w疲勞而對貨物產(chǎn)生損傷，并且工作人員的負(fù)荷也較高，引進(jìn)AGV設(shè)備是現(xiàn)在物流行業(yè)必然選擇。本文對此進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)闡述AGV控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行敘述，為該設(shè)備發(fā)展提供理論資料，由于其測試軟件現(xiàn)在也較為成熟，因此未對其進(jìn)行深入探究。

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