工業物聯網下的AGV智能小車應用研究

吳琦

摘要：一場科技革命成就了智能時代的來臨，進入二十一世紀以來，我們的生活發生了翻天覆地的變化，隨著人們的追求越來越高使得越來越多的智能化產品被相繼開發出來，也促進了各行各業不同領域的跨越性發展。本課題所研究的AGV智能化小車，在工業物聯網的大背景下，有效地解決了工廠里面產線供貨緩慢的問題，且省去了大量的人工成本。AGV：是一種利用電磁觸發和光電感應從而能在預先設定好的軌道上自由行使的智能小車。本次設計的AGV智能小車采用車體結構比較簡單，各功能模塊清晰明了，易實現，普遍應用于物聯網產業。

關鍵詞：工業物聯網；AGV；智能車

1 引言

2012年5月，工信部發布了《智能制造裝備產業“十二五”發展規劃》，以機器人為代表的自動化裝備及智能制造解決方案，迎來了戰略性的發展契機。

2015年5月國務院簽發《中國制造2025》部署全面推進實施制造強國戰略，是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領，為中國制造業未來10年設計頂層規劃和路線圖，通過努力實現“中國制造”向“中國創造”、“中國速度”向“中國質量”、“中國產品”向“中國品牌”的三大轉變，推動中國到2025年基本實現工業化，邁入制造強國行列。從十八世紀工業革命以來人們在一直在追求高效率高產量的追求延續到今天從未停止。然而進入二十一世紀，在世界經濟發展腳步放緩的今天，隨著人工成本的增加，越來越多的企業選擇使用自動化機器人代替人工成本，速度不僅比人工快，質量上也更有所保證，這其中就有本課題所研究的自動化項目——AGV智能小車。

眾所周知，自動化項目近幾年來在各行各業一直扮演著越來越重要的角色。可見它的重要性之高。

2 課題研究目的

本課題所研究的AGV智能化小車有效地解決了工廠里面產線供貨緩慢的問題且省去了大量的人工成本。智能車以AT89S52單片機作為控制核心，采用金屬感應器TL-Q5MC來感應和識別路上鋪設的磁條軌道，采用了1602LCD顯示屏用來記錄時間等信息，采用霍爾元件A44E檢測小車行駛速度。車體結構比較簡單，各功能模塊清晰明了，易實現，普遍應用于物聯網產業。

雖然車體結構設計簡單，但是設計研究本課題還是有一些關鍵問題，主要有：（1）基于單片機原理中斷信號的發送和接收；（2）對小車各功能模塊穩定性、實用性與可靠性的綜合考核；（3）無線調度系統在后臺對小車的有效控制。從這三個方面出發，解決了這三個問題就直接詮釋了本課題的意義。

3 AGV智能車設計任務

設計并開發一個AGV智能物流小車，使其能在預定軌道上自由行使。在物聯網智能車間中，希望小車路線圖及解析如圖1所示行駛。

3.1 基本線路解析

（1）1點上料出發：定位磁條（ 位置）及上料卡（ 位置）。

（2）2-3距離較遠，需加速，高速行駛。

（3）到3點前往4點需要：先貼減速磁條（ 位置）及右轉卡（ 位置）。

（4）3-4-5距離較短，不需要加速。

（5）5-6無路線分支，及5點為正常行駛速度時，無須貼加速及轉彎卡。

（6）6-7距離較遠，加速，高速行駛。

（7）到7點需要：先貼減速磁條（ 位置）及左轉卡（ 位置）。

（8）7點讀卡后回到出發點1點。

3.2 智能車設計思路

按照車間的規劃布局，從一樓物料發車，車走至電梯口進入電梯行至二樓，然后沿著直線經過加速一最短的時間行至車間門口拐彎處然后減速進入車間，這時候車道路線由直線型轉為U型曲線。途徑轉彎處按照事先預定好的軌道路線自動刷卡自動變道，該動作由單片機控制。最終到達各站終點后小車停止行駛，由工作人員幫忙卸貨然后把空箱繼續裝載上車帶回，啟動復位小車正常發車行駛。在小車裝滿各站空箱之后小車U型路線基本已經走遍，由于車間結構原因小車這時候將進入S型車道，一直到達二樓電梯門口等待下樓最終到達庫房備料區一樓。車間架構展示與分析如圖2所示。

測量小車在直線型車道、S曲線型及U型彎道的時間、速度及穩定性。并在遇到問題時的狀況及解決措施。主測車道為S型和U型。

車輛先沿著S型軌道行駛，再逐步進入U型車道，速度由緩變快，自動沿著磁條軌道尋找站點位置。當小車偏離軌道或者感應不到磁條的時候，小車會自動停止。并向我們控制調度系統發出信號告訴小車狀況前來處理，同時小車本身語音模塊會發出軌道偏離的音樂用來提醒技術人員。小車行駛之前在車身安裝行車記錄儀觀察小車沿途所遇障礙并各區域行駛時間，速度和路程通過LCD顯示在屏幕上。

4 機構組成、系統控制與檢測

4.1 LCD的選擇與應用

在本次的設計中我們采用了1602LCD顯示屏。LCD的背光是用單片機控制的目的是節約電源。我們在LCD顯示的設計上實現了比較人性化多功能模式。其中包括儀表（用來顯示時速及相關數據）、快捷按鍵（用來防止信號傳輸出現故障從而能及時處理有效避讓）、方向鍵（用來實現手動控制）以及實時聯系（第一時間發送信號到調度系統那邊從而實現第一時間解決）。

4.2 行車檢測與維護

采用磁條感應器TL-Q5MC來檢測路面上的磁條繼而發送信號給單片機來中斷脈沖。接線原理圖如圖3所示。

我們在小車車盤距離地面大約4 mm左右的位置下安裝了一個金屬感應器，在小車的行駛過程中，小車會自動識別判斷地面上鋪設的磁條從而控制方向，當感應器感應到磁條是將自動對單片機發送中斷信號，這時候單片機收到信號后自動運行中斷，從而自動改變電動機驅動信號的電壓占空比，繼而來改變小車的行駛速度，小車的行駛速度是根據小車沿途所遇障礙物的多少而改變的，當小車行駛至空曠較少的障礙物環境下，單片機會自動發送信號進行加速前進，相反如果前方所經過環境障礙物較多的話會自動發送信號進行減速從而提高小車的使用效率。另外我們在小車所經過的每一個路口處都有增加磁卡來讀取命令傳輸信號給單片機執行，我們有專業的AGV調度系統來隨時監控和控制機器的前后左右方向。

4.3 速度檢測方案比較

4.3.1 方案1

霍爾開關元器件。霍爾開關是一種高靈敏度的InSb霍爾元件，它可以根據磁場強度，原霍爾直接輸出電壓的變化。廣泛用于電機控制領域中，它可以根據應用的信號處理的實際情況，從而達到有效轉速控制功能。霍爾元件在應用中優勢明顯，其結構堅固、體積小、重量輕、使用壽命長、安裝方便、低功耗、高頻率（高達1 MHz）、耐沖擊、不怕灰塵、油污、水和鹽霧污染或腐蝕。電路簡單、價格便宜、安裝方便，并且沒有特別具體的電源要求。

4.3.2 方案2

紅外傳感器測速。紅外傳感器分為對外式和反射式兩種，但最終不管選擇哪一種性價比都不高且價格昂貴。所以最終通過對方案1、方案2的比較及各自的優缺點，綜合多方面因素決定選用方案1，原理接線圖如圖4所示。

5 路徑選擇

根據智能車間場地與空間的布局，小車走動的模式大致分為三種模式，分別是直線型、S與U型還有自動型。

直線型是規劃一條直線車道用來測試小車的性能。目的是順利走完全程，然后清晰地記錄下小車在不同路線段內所用到的時間，包括通過高速區域、中速區域以及低速區域這三個時間段所用的時間。

S型和U型是利用生產車間S型和U型的特點對其進行測試。按照預定設的磁條軌道小車能自動識別軌道前進行駛，當小車行駛至交叉口或十字路口時，小車自動讀取拐彎處的磁卡從而改變方向行駛，若小車末讀到則自動傳輸型號給調度系統，從而繼續返輸信號指使其正確前行。當走完S型、U型軌道時，小車會自動停止。之后自動進入菜單由使用者選擇要看的內容時間、平均速度和所走的距離等信息。

而自動型則是小車選擇不同的速度行駛，先以同一速度走完全程，然后再以相同的速度退回起點，再調整速度選擇升速或者降速再在一定的時間內走完。走完后LCD顯示的內容與直線型所走的內容具有一致性。

直線型、S型和U型使用的中斷口和感應磁條、感應速度所使用的中斷口是一樣的。原理圖如圖5所示。

將AGV智能小車的硬件組裝，按照各個模塊的接線電路圖逐一安裝。完成各功能模塊的組裝后，將各個單個體按照總線型結構整合在一起，初步完成小車半成品。再對各個功能模塊進行檢測和驗證。在完成了最重要的功能驗證環節之后，接下來就是小車的實驗——試跑。將小車集中到有著環形軌道的實驗基地進行試跑，主要驗證其功能性，穩定性及成功率。通過準備、組裝、驗證和實驗考核之后，最后將小車導入智能車間產線使用，如圖6～8所示。

6 結語

隨著人工成本的增加，越來越多的企業選擇使用自動化機器人代替人工成本。如本課題所研究的AGV智能小車可以降低企業人工成本，更好地提高產品質量。

國內同行業智能車間基本處在產品信息自動采集及生產作業半自動化階段，國外有部分為人機結合的自動化生產車間，但均不能完全實現無人化作業；同時國內外相關同行均為批量生產方式，無小批量定制化生產。通過車間智能化改造實施前后社會、經濟及環境效益對比，在提升智能制造水平、提高產品質量、促進安全生產和實現綠色發展等方面取得了很好的經濟和社會效益。

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2020年度蘇州市社會科學基金項目（應用對策類）“蘇州搶抓機遇加快工業互聯網發展對策研究”（項目編號：Y2020LX097）