基于自動導引的移動機器人控制系統設計研究

李培英 劉偉亮

（邯鄲學院，河北 邯鄲056005）

隨著《工業4.0》及《中國制造2025》的不斷推進，企業對于柔性化制造的需求也在不斷提高，品種多、數量少的產品定制生產已是現代生產企業的智能化制造顯著的特點。企業生產過程中所需材料及貨物的搬運成為自動化生產和制造的重要環節。如何高效率、自動化、智能化的完成將生產、制造、搬運等一系列工作實現自動化和智能化是人們一直所需要探索和研究的目標[1]。自動導引機器人AGV(Automatic Guided Vehicle)因其具有自主定位導航裝置，可以依據規劃的路線行駛，具有安全保護和移載功能，能夠在物流運輸自動化中不需駕駛員實地操作的運輸車[2][3]，所以AGV 在工廠自動化產品生產與智能制造中隨之得到廣泛應用，成為產品生產、智能制造及物流系統中必要的自動化搬運手段，極大地提高了生產加工工序之間工件的運輸效率，降低了生產成本。

1 控制系統方案

本研究的控制系統方案主要適用于自動導引機器人AGV用于產品生產過程中的生產、制造及組裝的生產現場，按照產品生產所需零件原材料及零件加工的順序，自動導引機器人AGV 從原材料庫選貨后，自動導引、自動搬運到指定的工位。若要完成這些動作，自動導引AGV 必須滿足按照生產調度人員在服務器端輸入的搬運指令，把原材料、半成品或零部件可靠地運送到指定的工位，并且可以根據指令連續運送多個工位。另外，在搬運期間，自動導引機器人AGV 應具有安全防護措施，如遇到緊急情況下的急停、避障和安全觸邊等功能，保證生產現場人員及設備的安全，滿足企業生產過程的自動化及柔性化，為智能制造打下良好基礎。

2 控制系統功能及組成

自動導引機器人的各種細微動作都由機器人的大腦CPU中央處理器來由各個部件控制程序體來完成，以電腦技術和程序來實現程序化控制[4]。

自動導引機器人AGV 控制系統實現的功能主要包括：

（1）服務器端與自動導引機器人AGV 之間通過無線通信模塊實現無線通信，生產調度人員在服務器端通過上位機人機交互界面HMI 輸入搬運指令，通過無線通信模塊將指令傳送到自動導引機器人AGV 的中央處理器，中央處理器對輸入指令進行處理，控制自動導引機器人AGV 開始運行并做出指定的動作。

（2）自動導引機器人AGV 開始運行，自動規劃路徑，并在搬運過程中實時采集路徑信息并上傳回服務器端，在上位機人機交互界面HMI 顯示當時的AGV 狀態信息，同時修正行進間的轉向偏差及消除累計誤差。

（3）在搬運物料過程中，可靠準確地定位的控制指令指定的工位，實現物料的搬入和搬出。待本工位的規定動作完成后，根據（1）中生產調度人員輸入的指令繼續前往下一工位或返回自動導引機器人AGV 的始發地等待下一次任務的運行。

（4）實時監測自動導引機器人AGV 供電電源的蓄電池電壓，當電壓低于規定值時發出報警，提示給蓄電池充電。

2.1 控制系統組成

控制系統分用戶層、執行層和感知層三個層次，各層次之間用網絡連接起來。如圖1 所示為自動導引機器人AGV 控制系統組成框圖，圖中描述了控制系統三個層次之間各控制功能單元之間詳細的連接關系。其中，用戶層是指人機交互單元，執行層包括中央處理單元、導航單元、驅動單元、供電單元和安全單元，網絡層指通信單元及各功能單元之間的通信網絡。

圖1 AGV 控制系統組成框圖

2.2 控制系統各控制單元功能

中央處理單元：自動導引機器人AGV 控制系統采用可編程控制器PLC 作為主控制器，是整個控制系統的核心控制單元，通過對傳感器采集到的數據信息進行分析處理，做出相應的判斷[5]，完成對AGV 的邏輯控制和運動控制。

自動導引機器人AGV 控制系統的控制程序存儲在主控制器PLC 中，生產調度人員從上位機的人機交互界面輸入工作指令，主控制器PLC 對指令解析后對各相關控制單元進行控制，完成指令規定的任務。

人機交互單元：有兩個主要顯示自動導引機器人AGV 的人機交互界面，一個是服務器端的人機交互界面，另一個是在自動導引機器人AGV 本體上的人機交互界面，兩個界面的功能相同，均由組態王軟件開發，包括狀態畫面、操作畫面、報警畫面、操作記錄等功能。

導航單元：采集并處理環境數據，確定AGV 當前位置、姿態，將計算的與目標位置、姿態的偏差回傳到自動導引機器人AGV 主控制器PLC，用于控制系統對驅動系統下達指令、調整位置、姿態的偏差。

驅動單元：采用行走電機和轉向電機共同實現自動導引機器人AGV 的行走和轉向。電機選用具有抱閘功能的低壓直流電機，配套選用低壓直流伺服驅動器，保證導航與定位精度。如圖2 所示，前面一個車輪用做轉向驅動輪，由轉向電機驅動，后面兩個車輪為行走驅動輪，由行走電機驅動。根據主控制器PLC發出的路徑規劃信號，電機驅動模塊驅動電機運行完成前進、后退和轉向等動作。

圖2 底盤輪系安裝結構示意圖

圖2 中，l 為AGV 行走驅動輪之間的長度，即輪距；P 為輪距的中心點；r 為行走驅動輪半徑；V 為行走速度。

供電單元：系統采用24V 電池供電，電源經過DC24V-DC24V 開關電源穩壓，保證控制系統的電源電壓的穩定。

安全單元：自動導引機器人AGV 車頭安裝超聲波雷達，用于檢測路徑上的障礙物，在車頭與車尾各安裝一個急停按鈕，用于運行時發生緊急情況時的緊急停車。當檢測到障礙物時，自動導引機器人AGV 在距離障礙物規定距離時減速并停止，待障礙物消失時自動恢復運行，同時在自動導引機器人AGV 車頭也安裝機械式安全觸邊裝置，當安全觸邊裝置受到碰撞或擠壓時，相當于按下急停按鈕，自動導引機器人AGV 立即停止運行，保證工作人員及生產設備的安全。

通訊單元：利用網絡交換機，將自動導引機器人AGV 控制系統中Ethernet 設備接入局域網，各控制設備之間基于網絡進行數據交互，形成一個單車通信局域網，如圖3 所示為一個自動導引機器人AGV 的通訊系統網絡拓撲圖，控制系統網絡通信采用了兩種方式，分別是Ethernet 和RS485 通信。

圖3 通訊系統網絡拓撲圖

基于Ethernet 網絡通信的作用是通過車載無線客戶端，將單個自動導引機器人AGV 車載控制系統接入車外無線網絡與服務器端上位機進行信息交互，可以將自動導引機器人AGV 當前的位置姿態、各種運行信息上傳到上位機，使生產調度人員和現場工作人員監控車輛的整體運行狀態，并且可以直接通過服務器端上位機通過無線通信對車輛發出任務指令，本課題采用Wi-Fi 通信方法完成自動導引機器人AGV 與服務器端上位機之間的通信。

基于RS485 網絡通信的自動導引機器人AGV 主控制器將電機驅動器、RFID 讀寫器、磁導航傳感器、慣性導航和安全觸邊檢測傳感器接入RS485 總線，通過輪詢方式對各設備進行數據讀取和指令下發。主控制器通過485 總線直接控制驅動器，將目標轉向角度和目標運行速度下發給電機驅動器，驅動行走電機和轉向電機運行。RFID 讀寫器讀取布置在運行路徑上的RFID標簽，將標簽內存儲的數據通過485 總線傳送至主控制器，用于輔助確認當前車輛所處的位置。磁導航傳感器用于測量地面磁釘相對于傳感器的偏差位置，偏差數據通過485 總線傳送至主控制器，主控制器計算處理數據后得出自動導引機器人AGV 車身實際位置偏差與姿態偏差，補償因差分GPS 導航系統本身的誤差。障礙檢測傳感器采用不同于傳統I/O 信號發送的方式，而是通過485 總線將檢測到的障礙信息發送給主控制器，包括障礙距離車身的距離、障礙物的尺寸等，根據這些信息主控制器做出判斷，并給電機驅動器發出指令，使自動導引機器人AGV減速或是緊急停車。

3 自動導引控制方法

導航系統采集并處理環境數據，確定自動導引機器人AGV當前的位置、姿態，將與目標位置、姿態的偏差回傳控制系統，用于控制系統對驅動系統下達指令，調整位置、姿態的偏差，保證了導航精度，本設計采用磁釘導航和慣性導航的混合導引方式。

磁釘導航：類似于傳統的磁帶導引，利用磁導航傳感器檢測出自動導引機器人AGV 相對于磁釘的偏差來進行位姿調整，它們的區別在于磁帶是連續式導引，而磁釘導引則是非連續的。磁釘與磁釘之間的路徑是一個“盲區”，為了保證自動導引機器人AGV 沿著預定的磁釘路徑正確行走，在“盲區”行走時實時記錄行走輪的行走距離，計算轉向角的變化，計算出AGV 當前位置進行偏差調整。但是自動導引機器人AGV 行走過程中偶爾會有行走輪打滑的現象，這會導致位置計算結果有偏差，致使自動導引機器人AGV 行走的安全性、可靠性不高。

慣性導航：利用加速度和角速度積分得到自動導引機器人AGV 的運行速度與航向轉向角，進而計算出自動導引機器人AGV 的當前實際位置并，與預定行走的規劃路徑比對，得出當前位置的實際偏差，也就是導航偏差，然后對偏差進行修正。但是，因為慣性導航模塊的性能的差異存在不同程度的漂移誤差和噪聲，而且漂移誤差和噪聲也會隨時間的增加而累積，會導致自動導引機器人AGV 行走偏離軌道，從而無法到達下一個磁釘位置。

磁釘和慣性導引聯合導航：可以消除磁釘導航和慣性導航各自的不足，使自動導引機器人AGV 的行走路徑更精確。利用磁釘導航補償慣性導航模塊的漂移誤差和噪聲。磁釘在地面位置坐標是絕對的，安裝在自動導引機器人AGV 車體前后的磁導航傳感器相對于自動導引機器人AGV 車體的位置是絕對的，此時，通過磁導航傳感器檢測到地面磁釘的偏差距離，即可計算出當前AGV 的位姿，用于補償慣性導航模塊的累積誤差，提高了自動導引機器人AGV 運行的精度，增加了使用的可靠性和安全性。

如圖4 所示為導航偏差計算示意圖。自動導引機器人AGV車體中心線的方向即是行走方向，其與規劃路徑的夾角α 是轉向角誤差即導航偏差，導航偏差的計算如式（1）所示。

圖4 導航偏差計算示意圖

從圖4 中看出，車體是向右的方向偏離了預定規劃路線，這時

則有

若車體是向左的方向偏離了預定規劃路線，這時

同理

通過（3）式和（4）式得出結論，自動導引機器人AGV 在行走過程中實時計算α 的變化，只要導航偏差α 不等于0，主控制器PLC 就會立即發出指令控制轉向電機動作，改變行走方向，使自動導引機器人AGV 回到預定的規劃路徑上來。

4 控制系統軟件設計

4.1 主程序設計

如圖5 所示為自動導引機器人AGV 工作的主程序流程圖。在自動導引機器人AGV 上電后，進行總線設備通信狀態檢測，包括RS485 通信設備，如電機驅動器、RFID 讀寫器、磁導航傳感器、慣性導航傳感器和安全觸邊檢測裝置，RS232 通信設備即差分GPS 導航系統和Ethernet 通信設備即無線客戶端。檢測中若發現異常，控制系統發出報警。然后進入安全裝置狀態檢測，若發現有急停按鈕被按下、檢測到障礙物或安全觸邊檢測裝置動作，同樣控制系統發出報警并停車。緊接下來是轉向電機零點校準工作，因轉向電機編碼器使用增量編碼器，上電后需要零點校準。

圖5 AGV 主程序流程圖

4.2 自動導引子程序設計

如圖6 所示為自動導引機器人AGV 執行搬運任務子程序設計流程圖。

接收并解析任務：根據接收到的起始站點與目標站點的信息，進行路徑規劃并生成地圖路徑序列，根據路徑序列自動導引機器人AGV 開始運行。

確認當前車輛位姿：接收差分GPS 導航系統發回的當前車輛的經度、緯度、航向角等位姿信息設定為當前位姿。

比對車輛實時位姿與目標位姿偏差：在接收、解析任務階段，已得到地圖路徑序列，其中有途經站點的具體位姿坐標，比對實時位姿與下一站點的信息，計算出位姿偏差。

圖6 AGV 執行搬運任務流程圖

控制驅動電機動作消除偏差：根據前一步驟的位姿偏差，控制驅動電機動作消除偏差。

采集地面磁釘位置并補償矯正實時位姿：因為差分GPS 導航數據存在誤差，而磁釘固定于地面，其位置相對于地面看成是絕對坐標，自動導引機器人AGV 車身前、后各安裝一個磁導航傳感器，其安裝位置相對于AGV 車身來講也是絕對坐標。兩個磁導航傳感器同時檢測到磁釘時，可以根據幾何關系計算出AGV 車身位置相對于地面磁釘的坐標數據的偏差即位姿偏差，利用測出的這個位姿偏差補償差分GPS 導航數據的誤差。

安全裝置狀態檢測：檢測急停按鈕、障礙檢測、安全觸邊各安全裝置狀態，如發現異常，AGV 降低速度運行并發出報警或緊急停車。

5 系統人機界面

系統人機界面主要包括開機界面、導航設置界面、驅動系統設置界面、安全觸邊界面、單任務模式設置界面、連續任務設置界面、系統設置界面、操作記錄查看界面和報警界面，其中，操作記錄查看界面和報警界面的數據可保留一年。界面內容豐富、操作簡單，如圖7、圖8 所示驅動系統設置界面和連續任務模式設置界面。

圖7 驅動系統設置界面

圖8 連續任務模式設置界面

6 結論

針對實際中自動導引機器人的使用，開發了基于磁釘和慣性導航聯合使用的自動導引機器人控制系統，并對整個控制系統的整體設計方案做了詳細介紹。在硬件方面，介紹了控制系統功能及其組成，詳細闡述了各功能單元的功能及滿足控制系統自動導引要求的運行策略，著重闡述了通信的構建和運行策略。在軟件方面，著重介紹了整個控制系統的主程序設計流程和自動導引子程序設計流程，并給出了詳細說明。同時介紹了在行走過程中消除導航偏差的計算方法，為接下來深入研究路徑規劃問題的提供了依據，具有一定的實際意義。