磁釘導航在AGV中的應用

孫鵬飛

(沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

AGV(Automated Guided Vehicle，即自動導引車)在倉儲物流領域有著廣泛的應用，其應用環境一般是無人化或少人化，靠自身導航系統實現AGV的自動行走。在所有的導航方式中磁導航形式是最常見的，但在磁導航技術的應用中，磁條導航形式是最多見的，磁釘導航形式又是少見的,為此，本文著重探討磁釘導航技術在AGV中的應用。

1 磁釘導航應用場景

磁導航具有很高的測量精度及良好的重復性，不易受光線變化等的影響，系統具有很高的可靠性和魯棒性。常見的磁導航技術有磁條導航技術與磁釘導航技術，磁條導航技術一旦磁條鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑都較容易，因此應用也最廣泛，但在某些場合更適宜于采用磁釘導航技術，尤其有兩種場合更應首先考慮磁釘導航技術：①AGV運行環線路徑較長的環境；②戶外環境。此兩種情況運行路徑都比較長，甚至長達幾千米，且路徑存在無法避開的交叉點，在AGV交叉行走時會碾壓損壞路面鋪設的磁條等，因此為降低成本，便于施工，基于性價比的角度考慮，需采用磁釘導航技術。

磁釘導航和磁條導航一樣，都需要磁傳感器來定位AGV相對于路徑的左、右偏差。磁傳感器中有若干磁阻傳感器探測點，例如I/O輸出的磁傳感器，對應磁場強度高處的探測點，一般有1個～3個探測點所對應的I/O數據信號輸出低電平，而對應磁場強度近似為0的低處的探測點所對應的I/O數據信號輸出系統電壓，由此便可判斷出磁釘相對于磁傳感器的偏離位置。磁傳感器探測原理如圖1所示。

磁釘導航的媒介磁場信息為磁釘，磁釘的鋪設為離散預埋鋪設在地表下，不像磁條一樣連續鋪設，因此考慮到可操作性和維護性，一般相鄰兩個磁釘的間距在1 m以上。磁釘導航通過磁傳感器檢測磁釘的磁信號來尋找行進路徑，將原來采用磁條導航時對磁條進行的連續感應變成對磁釘的間歇性感應，因此磁釘之間的距離不能過大，且兩磁釘間AGV處于一種距離計量的狀態，在該狀態下編碼器計量所行走的距離。除此之外，磁釘導航所用控制模塊與磁條導航所用的控制模塊相同。

圖1 磁傳感器探測原理

2 磁釘導航原理

由于磁釘離散鋪設于地表下，且有一定的相隔間距，這樣AGV在行走過程中磁釘與磁釘之間會失去導航信息，也就是會在磁釘與磁釘之間產生盲區，在沒有導航信息的盲區運行是不可預料和不安全的，因此磁釘導航需要采用角度傳感器來為AGV提供航向角度參考，以便在盲區環境中提高AGV的導航精度，引導AGV在磁釘之間正常運行。這種磁釘離散布置配套角度傳感器的導航方式也稱為慣性導航。

通常把在AGV上安裝的陀螺儀用作角度傳感器，通過陀螺儀測量載體在慣性參考系下的加速度，自動進行積分運算，獲得載體的速度、偏航角和位置等信息。假設陀螺儀得到角速度為R，通過角速度對時間t積分便可得到累積的角度偏差值J，即:

(1)

AGV通過對陀螺儀偏差信號的計算，不斷將偏差值J反饋給控制器，控制AGV保持正確航向姿態，基本上可以滿足一般場合AGV的使用要求。

陀螺儀角度傳感器會隨時間的累積產生誤差，在某些需要精確控制AGV姿態或磁釘間距比較大的場合，需要對誤差進行修正。例如在AGV中增加一個校準的輔助磁傳感器，在原地面導航磁釘對應輔助磁傳感器的位置預置輔助磁釘，配合AGV車體及時進行糾偏，以保證導航系統的精度及可靠性，使AGV系統按預定軌跡運行。角度修正示意圖如圖2所示。

圖2 角度修正示意圖

AGV小車實際的航向角為α1，角度傳感器輸出的航向角為α2，磁傳感器輸出偏距為L1，輔助磁傳感器輸出偏距為L2，則有：

(2)

顯然此時角度傳感器的誤差α為：

α=α1-α2.

(3)

將累積誤差反饋給AGV控制器，從而將角度傳感器的誤差消除，為AGV接下來的行進提供相對準確的導航，避免因角度誤差積累而導致AGV跑偏。

3 磁釘導航方案設計

AGV的導航控制實質上就是AGV不斷糾正自己的姿態與理想值不斷趨近的過程。按磁釘導航方案，AGV的VCU(車體控制器，Vehicle Control Unit)在得到AGV導航偏差后通過CAN總線將執行命令傳輸給MCU(運動控制器，Motion Control Unit)，MCU依靠增量式編碼器信號的反饋輸入對伺服驅動器進行精確控制，從而通過控制調整驅動電機的方向不斷糾正AGV姿態，使之趨近于理想值。磁釘導航方案原理框圖如圖3所示。

圖3 磁釘導航方案原理框圖

為精確控制AGV行走軌跡，AGV的電機驅動輪控制通常采用速度環和位置環的雙閉環控制方案。速度環為內環，通過伺服給定信號與連接在電機軸上的測速機的反饋信號進行調速，也有很多廠家通過增加絕對值編碼器，直接通過絕對值編碼器實現閉環；位置環為外環，運動控制器給出信號要求AGV行走一定的距離，電機軸上的碼盤將實際的行走距離反饋給MCU，實現閉環。雙閉環控制結構如圖4所示。

4 戶外環境磁釘施工工藝

由公式(2)可知，傳感器檢測誤差L1與L2的精度直接決定了誤差α的數值，從而直接影響AGV行走精度。一般戶外環境比室內環境更惡劣，以戶外環境為例，為適應戶外導航環境要求及磁釘導航方式，必須開發可以適應戶外環境的高精度磁導航傳感器以滿足磁釘導航需求。

圖4 雙閉環控制結構

沈陽新松機器人公司開發的戶外高精度磁導航傳感器產品GSC2101及配套使用的Spot-M20.10磁釘，經試驗驗證，在使用時導航傳感器下表面距地表距離控制在70 mm高度，磁釘S極朝上，且整體預埋入地表下后S極距地表深度控制在≥10 mm，即磁釘S極上表面距車體上的磁釘導航傳感器下表面控制在80±1 mm，可實現導航傳感器對磁釘的最優檢測。

高精度磁導航傳感器屬于精密的磁場檢測設備，對周圍的磁場環境要求也比較嚴格，為了保證磁導航傳感器的正常使用，一般距離周圍50 mm以內不能有鐵質或鋼性材料，使用的導航支架也優先選用鋁質材料，并且要遠離大功率電機等，防止產生磁場干擾。

在現場施工時，對磁釘施工也有明確的要求，例如Spot-M20.10磁釘在預埋時，為保證高精度磁導航傳感器對磁釘的檢測效果，依據磁釘傳感器下表面距地表距離控制在70 mm高度，磁釘S極上表面距車體上的磁釘導航傳感器下表面控制在80±1 mm的要求，在用水鉆在地面打孔時先通過導向模具控制鉆頭與地面的垂直度，Spot-M20.10磁釘高度為18 mm，鉆孔深控制在35 mm，將防水環氧樹脂在室溫(25 ℃)條件下按照1∶5比例(重量比)混合，并攪拌均勻，混合好后倒入孔內，用格尺測量液面距離地表的高度為28 mm(如圖5所示)，在室溫條件下靜止24 h，待其凝固后將磁釘的S極朝上，垂直放入孔內，再灌入環氧樹脂，使其能充分地包裹住磁釘，灌入的速度不宜過快，讓樹脂充分地流入孔內的各個縫隙中，最后與地表一平，室溫下靜止24 h待樹脂凝固。

圖5 磁釘預埋示意圖

填埋的磁釘應與地面保持垂直，傾斜角度太大會對AGV行走軌跡造成影響，在施工完成后需對磁釘的傾斜角度進行檢測。可將AGV開到磁釘正上方，磁釘對準導航中心，觀察車體軟件導航數據，如果數值在±0.1以內，說明磁釘垂直于地面，如果超出范圍可再進行調整。

5 結語

磁釘導航技術因為磁釘預埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導航輔助設備，因此其隱秘性好且美觀，抗干擾性強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等，體現出了其不怕下雨積水等戶外環境的優點，成為AGV應用領域中的一個重要分支。