AGV混合導(dǎo)引系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

周正軍 張 豪 文生平

（1．廣州市井源機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000；2．華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

物流是當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)運(yùn)輸中至關(guān)重要的1個(gè)環(huán)節(jié)，而其效率的高低對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)方面有著直接且深遠(yuǎn)的影響。自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）是現(xiàn)代化生產(chǎn)物流系統(tǒng)的重要設(shè)備，它能夠自動(dòng)沿著規(guī)定路徑將貨物送到指定工作點(diǎn)，完成一系列的任務(wù)[1-2]。雖然AGV移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)非常普遍了，但是國(guó)內(nèi)起步時(shí)間相對(duì)較晚，技術(shù)也還不夠成熟，主要使用技術(shù)含量較低的磁帶導(dǎo)引工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人。相比之下，電磁導(dǎo)引具有更高的可靠性，其工作原理是在AGV規(guī)定的行駛路線上鋪設(shè)專用電纜，然后通過(guò)導(dǎo)通低頻正弦電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，AGV的電磁感應(yīng)傳感器根據(jù)檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)偏差進(jìn)行矯正[3]。盡管國(guó)內(nèi)己經(jīng)開(kāi)發(fā)出電磁導(dǎo)引系統(tǒng)，但是AGV只能在單環(huán)路等簡(jiǎn)單的環(huán)境中運(yùn)行。

AGV混合導(dǎo)引系統(tǒng)采用電磁與RFID混合導(dǎo)引，提高了機(jī)器人的工作精度，解決了電磁導(dǎo)航存在不能適應(yīng)復(fù)雜路徑的問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電池電源、移載系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和一些移動(dòng)機(jī)器人輔助機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AGV的導(dǎo)航、定位和路徑規(guī)劃等技術(shù)的突破。

1 電磁與RFID的混合導(dǎo)引方法

1.1 AGV電磁導(dǎo)引原理

在AGV規(guī)定的行駛路線上鋪設(shè)專用電纜，然后導(dǎo)通低頻正弦電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。AGV的電磁感應(yīng)傳感器由左右2個(gè)感應(yīng)線圈組成，在小車沿線路行走時(shí)輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度差動(dòng)信號(hào)[4]，根據(jù)圖1中電磁感應(yīng)傳感器的輸出信號(hào)與偏移量的關(guān)系，可以計(jì)算AGV的位姿誤差并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的糾偏控制。

圖1 電磁感應(yīng)線圈的感應(yīng)信號(hào)與偏移量的關(guān)系

1.2 RFID定位與導(dǎo)航路徑選擇

在電磁導(dǎo)引的基礎(chǔ)上，采用RFID進(jìn)行AGV定位，定位點(diǎn)設(shè)置在AGV需要進(jìn)行路徑選擇的分岔路口[5-7]。該文提出了3種導(dǎo)航路徑的選擇方法。

1.2.1 預(yù)定軌跡法

如圖2所示，在AVG的行駛路線上預(yù)埋了3條電磁線A、B和C，根據(jù)A、B和C3條電磁線通入的交流信號(hào)頻率的不同，其導(dǎo)航過(guò)程也不同。

圖2 預(yù)定軌跡法示意圖

給預(yù)埋的3條線通入同頻率的交流信號(hào)，工作過(guò)程：AGV沿著電磁線運(yùn)行，其運(yùn)行路徑已通過(guò)AGV集群無(wú)線通信預(yù)置到AGV控制系統(tǒng)中，當(dāng)感應(yīng)到第一個(gè)RFID信號(hào)后，如果預(yù)置是路徑A，那么AGV直行；如果預(yù)置是路徑B，那么AGV左轉(zhuǎn)，再沿著路徑B運(yùn)行；如果預(yù)置是路徑C，那么AGV先直行，感應(yīng)到第二個(gè)左轉(zhuǎn)RFID后再左轉(zhuǎn)。

給預(yù)埋的3條線通入不同頻率的交流信號(hào)，與同頻率信號(hào)線的工作方式不同的是，電磁傳感器除了感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱之外，還需要感應(yīng)信號(hào)的頻率，該頻率信號(hào)可以作為AGV運(yùn)行路徑的導(dǎo)引信號(hào)。設(shè)置A、B和C 3條路徑的導(dǎo)引頻率分別為f1、f2、f3，在主要運(yùn)行路徑A，用頻率f1導(dǎo)引，同時(shí)為了避免干擾，頻率為f2、f3的電磁線采用屏蔽線[8]；在路徑A與路徑 B的交叉處，路徑B上的電磁線轉(zhuǎn)換為非屏蔽的電磁線，此時(shí)存在2種引導(dǎo)頻率信號(hào)，AGV 在感應(yīng)到RFID信號(hào)后，如果預(yù)置是路徑A則自動(dòng)直行，如果是路徑B則沿著頻率為f2的電磁線運(yùn)行。

1.2.2 樹(shù)枝分岔法

樹(shù)枝分岔法在預(yù)定軌跡法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了變化，如圖3所示，AGV 有3條運(yùn)行路徑分別為 A、B和C，但是3條運(yùn)行路徑都采用1根電磁線導(dǎo)引，其工作過(guò)程為：AGV沿著電磁線運(yùn)行，其運(yùn)行路徑已通過(guò)AGV集群無(wú)線通信預(yù)置到AGV控制系統(tǒng)中，當(dāng)感應(yīng)到第一個(gè)RFID信號(hào)后，如果預(yù)置是路徑A，那么AGV直行；如果預(yù)置是路徑B，那么AGV沿著電磁線運(yùn)行。

在樹(shù)枝分叉法中，AGV直行時(shí)會(huì)出現(xiàn)一段導(dǎo)航盲區(qū)，該盲區(qū)對(duì)傳感器和控制的精度有較高要求。

1.2.3 互補(bǔ)電磁傳感器法

圖3 樹(shù)枝分岔法示意圖

互補(bǔ)電磁傳感器法是在AGV上安裝2對(duì)導(dǎo)航用電磁傳感器，如圖4所示，其導(dǎo)航路徑預(yù)埋的電磁線與樹(shù)枝分岔法相同，如圖3所示。

2對(duì)導(dǎo)航用電磁傳感器分別安裝在AGV的前端和后端，當(dāng)AGV感應(yīng)到RFID信號(hào)后，如果預(yù)置的導(dǎo)航路徑為路徑A，那么AGV在后面一對(duì)電磁傳感器的導(dǎo)引下繼續(xù)直行，當(dāng)后面一對(duì)導(dǎo)航電磁傳感器失去導(dǎo)航信號(hào)引導(dǎo)時(shí)，將導(dǎo)航引導(dǎo)傳感器切換為前面一對(duì)導(dǎo)航傳感器，AGV就不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)航盲區(qū)；如果預(yù)置的導(dǎo)航路徑為路徑B，那么AGV在后面一對(duì)電磁傳感器的導(dǎo)引下沿著路徑B行駛。

需要注意的是，前后兩對(duì)電磁傳感器的距離要大于盲區(qū)的距離，如果需要更精確的切換傳感器方法，那么就可以另外設(shè)置定位RFID。

圖4 互補(bǔ)電磁傳感器安裝示意圖

2 AGV混合導(dǎo)引系統(tǒng)搭建

2.1 AGV硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示，硬件系統(tǒng)主要具備電磁信號(hào)檢測(cè)及處理、運(yùn)動(dòng)控制與通信的功能。電磁信號(hào)的檢測(cè)及處理環(huán)節(jié)與單片機(jī)控制器共同構(gòu)建了AGV硬件系統(tǒng)的主體，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程。

圖5 AGV內(nèi)部硬件架構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)中各部分功能如下：1） 中央控制模塊。以高性能微控制器為核心，收集傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和處理，將控制信號(hào)傳遞給馬達(dá)控制模塊，從而控制馬達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)。2） 電磁檢測(cè)模塊。在經(jīng)過(guò)信號(hào)比較環(huán)節(jié)及處理軟件的處理后，由左、右電磁傳感器對(duì)位置進(jìn)行糾偏，如果采用2對(duì)電磁傳感器，那么就需要增加1個(gè)比較環(huán)節(jié)。3） 無(wú)線局域網(wǎng)模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)了AGV與上位機(jī)、AGV與AGV之間的通信，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的編排工作，它與廣域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)異地控制和故障診斷的功能。4） 安全檢測(cè)模塊。AGV運(yùn)行的安全監(jiān)測(cè)分為接觸式和非接觸式兩級(jí)安全監(jiān)測(cè)。5） 馬達(dá)控制模塊。該模塊控制馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止和轉(zhuǎn)向等。6） 外部I/O模塊。該模塊可以控制輸入和輸出。

2.2 電磁導(dǎo)航低頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

電磁導(dǎo)航低頻信號(hào)源系統(tǒng)如圖6所示，該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)模塊、單片機(jī)控制模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、PC機(jī)通信模塊、單相H橋式逆變模塊、DDS模塊、SPWM波形生成模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、三角波信號(hào)調(diào)理模塊、三角波發(fā)生模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及電壓測(cè)量模塊等部分組成。其中實(shí)線框中的超低頻信號(hào)源模塊和虛線框中的大功率電壓源模塊是最基本也是最重要的2個(gè)設(shè)計(jì)模塊。

整個(gè)系統(tǒng)的流程如下：1） 信號(hào)源的控制核心是單片機(jī)控制模塊，它發(fā)送控制指令給DDS模塊，從而改變信號(hào)源的頻率，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)輸出電壓電流的大小。2） 將DDS模塊的輸出信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理。3） 三角波調(diào)理模塊對(duì)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的等腰三角波進(jìn)行放大調(diào)理。4） SPWM波形生成模塊對(duì)DDS輸出的正弦超低頻信號(hào)和三角波調(diào)理模塊輸出的載波三角波進(jìn)行調(diào)制，得到SPWM波。5） 驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)SPWM波采取整形放大等措施；單相H橋式逆變模塊再對(duì)信號(hào)的電壓以及功率進(jìn)行放大；為了滿足微弱信號(hào)采集與系統(tǒng)運(yùn)行的要求，低通濾波器濾除放大后信號(hào)中的高頻信號(hào)。

在超低頻信號(hào)源模塊中，DDS模塊和信號(hào)調(diào)理模塊主要由AD9834芯片、差分放大、低通濾波和電壓放大等調(diào)理電路組成，如圖7所示。接口電路接收單片機(jī)MSP430F169發(fā)送的控制信號(hào)，DDS輸出符合頻率要求的低頻正弦電流信號(hào)。其中，F(xiàn)SYNC為低電平有效控制輸入，SDATA為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為串行時(shí)鐘輸入，IOUT和IOUTB為電流輸出。

圖6 電磁導(dǎo)航低頻信號(hào)源系統(tǒng)框圖

從DDS輸出的低頻正弦信號(hào)需要經(jīng)過(guò)差分放大器的處理，抵消直流分量，并把雙端輸入信號(hào)變成單輸出信號(hào)[9]。

對(duì)DDS輸出的波形進(jìn)行頻譜分析可以看出，在主頻率之外還存在很多的諧波分量以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to analog converter，DAC）的非線性產(chǎn)物，因此必須在DAC之后接入低通濾波器，如圖8所示，其中v1、vA、vp、v0為所在點(diǎn)電壓，C1、C2為電容，R1、Rf為電阻。由于DDS的輸出頻率為超低頻，因此選擇二階壓控低通濾波器[10]，它由1個(gè)同相比例放大電路和2節(jié)RC濾波電路組成，同相比例放大電路為壓控電壓源器件，具有體積小、精度高、性能穩(wěn)定且易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，它還具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的優(yōu)良特性，易于級(jí)聯(lián)。

2.3 AGV軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

混合導(dǎo)引的AGV軟件系統(tǒng)主要包括路徑編輯器和地面管理系統(tǒng)軟件。

2.3.1 路徑編輯器與地面管理系統(tǒng)軟件

路徑編輯器主要用來(lái)對(duì)AGV導(dǎo)航路徑進(jìn)行編輯，編輯器包括動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、路徑編輯與參數(shù)設(shè)置模塊以及無(wú)線通信模塊，通過(guò)路徑編輯器可以預(yù)置AGV 的導(dǎo)航路徑。其中，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊包括小車位姿監(jiān)控（含數(shù)據(jù)顯示和圖形化顯示）、導(dǎo)航通信狀態(tài)顯示以及控制狀態(tài)顯示；路徑編輯與參數(shù)設(shè)置模塊可以通過(guò)該編輯器修改AGV的運(yùn)行路徑，參數(shù)設(shè)置包括通信設(shè)置、AGV自身參數(shù)設(shè)置以及目標(biāo)位置設(shè)置；無(wú)線通信模塊包括地面系統(tǒng)、車載系統(tǒng)與車載系統(tǒng)間的通信[11]。

2.3.2 車載控制系統(tǒng)軟件

車載控制系統(tǒng)軟件包括無(wú)線通信模塊軟件和控制系統(tǒng)模塊軟件。其中，無(wú)線通信模塊軟件包括車載系統(tǒng)軟件與車載系統(tǒng)的通信軟件；控制系統(tǒng)模塊軟件包括手動(dòng)控制軟件、自動(dòng)導(dǎo)航控制軟件、故障檢測(cè)診斷及處理軟件、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及保護(hù)和數(shù)據(jù)更新等軟件。

圖7 DDS與信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)原理圖

圖8 二階壓控低通濾波電路

2.4 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合導(dǎo)引AGV的安全系統(tǒng)采用的是四級(jí)保護(hù)的安全措施，包括防撞桿、紅外傳感器、警笛、警燈及側(cè)門的手動(dòng)操作系統(tǒng)。

車體頭部的障礙物檢測(cè)裝置裝載有紅外線傳感器，通過(guò)預(yù)置停車和減速距離，達(dá)到避免出現(xiàn)小車發(fā)生意外碰撞的情況。同時(shí)考慮到紅外設(shè)備自身可能會(huì)發(fā)生故障，可以在車體前端設(shè)置防撞護(hù)欄，如果發(fā)生碰撞就會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，在一定程度上能夠起到緩沖作用。紅外線與機(jī)械雙重避障的設(shè)計(jì)可以更加實(shí)時(shí)精確地檢測(cè)出障礙物，并及時(shí)采取避障策略。車體側(cè)方設(shè)有緊急停車開(kāi)關(guān)，任何時(shí)刻按下開(kāi)關(guān)，車輛就會(huì)立即停止動(dòng)作。在AGV作業(yè)的過(guò)程中，紅外傳感器會(huì)通過(guò)閃光、聲響的形式提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員。

如果控制中心因操作不當(dāng)或者突發(fā)情況而斷電，車輛可以實(shí)時(shí)檢測(cè)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，防止小車因偏離路線而發(fā)生碰撞。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 導(dǎo)引定位系統(tǒng)測(cè)試

首先使用單個(gè)感應(yīng)線圈在電磁場(chǎng)中進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)得單個(gè)感應(yīng)線圈在一定角度、偏移位移下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維插值[12]，將其與理想的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。前向角度分別為 0 °、30 °以及60 °時(shí)感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖9～圖11所示。

在不同偏移狀態(tài)下對(duì)雙線圈電磁導(dǎo)引小車進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，將實(shí)驗(yàn)值與理想值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，表1中e1、e2分別為左右兩線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，θ為AGV前向角度，x是AGV的偏移位移。

受測(cè)量?jī)x器的精度以及人為誤差等因素的限制，雖然單線圈的試驗(yàn)結(jié)果與理想曲線有偏差，但是它們的趨勢(shì)基本是一樣。總得來(lái)說(shuō)，該文所設(shè)計(jì)的電磁導(dǎo)引系統(tǒng)能達(dá)到很好的導(dǎo)引定位的效果，前向角度偏差和水平偏移位移的誤差都保持在1個(gè)較低的水平。

3.2 低頻信號(hào)源測(cè)試

該文采用的DDS芯片為AD9834，其輸出頻率公式[12]如公式（1）所示。

在測(cè)試過(guò)程中，選取輸出信號(hào)頻率f為1000 Hz，并測(cè)量該頻率的穩(wěn)定性，利用5位半數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)實(shí)際產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量間隔時(shí)間為10 min，測(cè)量次數(shù)為25次，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

再對(duì)輸出信號(hào)的電流電壓進(jìn)行測(cè)試，其期望值分別為0.1 A、2 V，實(shí)際測(cè)得的輸出電流、電壓值記錄見(jiàn)表3。

表1 不同狀態(tài)時(shí)的試驗(yàn)測(cè)定與誤差計(jì)算

表2 測(cè)量頻率值記錄

表3 輸出電流、電壓值的測(cè)量記錄

4 結(jié)語(yǔ)

圖9 θ=0 °的一維插值曲線

圖10 θ=30 °的一維插值曲線

圖11 θ =60 °的一維插值曲線

該文針對(duì)國(guó)內(nèi)AGV導(dǎo)航技術(shù)落后及電磁導(dǎo)航應(yīng)用的局限性設(shè)計(jì)了結(jié)合電磁導(dǎo)引與RFID定位的AGV混合導(dǎo)引系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地下預(yù)埋電磁線，通過(guò)電磁線與RFID的定位配合，選擇3種路徑導(dǎo)航方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了AGV控制器的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了保證系統(tǒng)的精度及可靠性，該文對(duì)AGV硬件電路及導(dǎo)航信號(hào)源進(jìn)行了多級(jí)的信號(hào)處理設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了便捷的人機(jī)交互、高效的無(wú)線通信和快速的數(shù)據(jù)處理，安全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四級(jí)保護(hù)，進(jìn)一步保障了AGV的運(yùn)行安全。AGV混合導(dǎo)引系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，在導(dǎo)航、定位和路徑規(guī)劃上實(shí)現(xiàn)了對(duì)技術(shù)的突破，將有效推動(dòng)現(xiàn)代物流的進(jìn)一步發(fā)展。