基于激光雷達導引方式下的AGV叉車設計

尹玉梅，田東亮

（荊州理工職業(yè)學院，湖北荊州，434000）

0 引言

AGV自動導引車是指裝有傳感器自動導引的設備，可以按照預先設定好的路線運行，其動力源多以鉛酸蓄電池或鋰電池等為能量來源，在自動化物流車間內(nèi)自行行駛，一般情況下，無須人員干預運行。通常采用PC設定行走地圖路線或者通過鋪設電磁導軌來制定其行走路線，并在設定區(qū)域內(nèi)執(zhí)行相關的動作。目前，AGV自動導引車的導引方式主要有磁路、激光、視覺等[1]。

本文根據(jù)某公司的實際要求，以林德某叉車為研究對象，對其進行一定升級改造，設計了一款新型自動導引叉車。該自動導引車采用激光雷達傳感技術，可以適應更高的載荷要求、更為復雜和嚴苛的工作環(huán)境，并且可以在較復雜的工況下連續(xù)24小時工作，從而較大的提高了企業(yè)的工作效率，具有一定的社會效益。

1 硬件設計

由于自動導引叉車應用于承載較大工業(yè)環(huán)境中，所以選用抗干擾能力較強的專用控制器，自動導引叉車采用激光雷達掃描外界環(huán)境信息，根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)，確定車輛每一時刻的位置，再根據(jù)用戶制定的地圖，在指定區(qū)域的內(nèi)行駛，并根據(jù)指令執(zhí)行相應的動作。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、避障模塊、人機界面、無線通訊和驅(qū)動模塊幾部分組成[2]，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 數(shù)據(jù)采集、導航模塊設計

考慮到工況條件的復雜性，數(shù)據(jù)采集、導航模塊選用可靠性較高的德國倍加福公司生產(chǎn)的R2300 3-D LiDAR傳感器，該傳感器基于脈沖測距技術（PRT），提供可靠的且極其精確的測量，產(chǎn)品同時具備高精度和響應時間短的特性。PRT技術發(fā)出極短但高能量的光脈沖，計算脈沖從發(fā)送到接收之間的持續(xù)時間，同時以光的速度為常數(shù)連續(xù)測量目標的距離。發(fā)射區(qū)和接收區(qū)之間的機械隔離意味著極高的耐污染性。3-D LiDAR傳感器的每條掃描線有1000個掃描點并且最快可達50kHz的掃描速率，適用于廣泛的工業(yè)自動化應用。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制作的地圖如圖2所示。

圖2 制作地圖

1.2 避障模塊的設計

考慮到現(xiàn)場實際環(huán)境會出現(xiàn)無法預測的變化，并且白天和夜晚光線變化較大等多種因素的影響，為了提高自動導引叉車抗干擾和糾錯能力，分別在車輛的前后左右，采用了若干個紅外避障傳感器進行補償，以達到對周圍環(huán)境的探測的最佳效果，從而提高了車輛運行的可靠性。

1.3 觸摸屏界面設計

在AGV自動導引車上，配有觸摸屏HMI，方便工作人員直接對導引車進行數(shù)據(jù)觀察，以及切換至手動控制模式。觸摸屏界面設計采用三菱觸摸屏編程調(diào)試軟件GTDesigner3，該軟件可編緝多款系列觸摸屏，同時可與三菱、歐姆龍、富士、松下、西門子等可編程控制器通信連接。通過軟件可進行工程和畫面創(chuàng)建、圖形繪制、對象配置和設置、公共設置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌Ｍㄟ^該軟件設計的觸摸屏界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏設計界面

1.4 行走路徑的規(guī)劃

根據(jù)貨倉的實際位置情況，選取若干點作為行走節(jié)點，如圖4所示。規(guī)劃行走路徑時，任一行走節(jié)點和目標站點之間盡可能保證兩個對象間光順連續(xù)，曲率盡可能做到G2連續(xù)，以確保載重自動導引車穩(wěn)定行駛。

圖4 行走路徑規(guī)劃

2 AGV承載行走測試

通過對叉車的升級改造，最終完成了以R2300 3-D LiDAR傳感器導引方式下自動導引車，載重行走測試如圖5所示，車輛在輕載時速度可達1.8 m/s。由于R2300每次掃描可達4000像素，實際中只要工作環(huán)境內(nèi)無較大光線變化或者環(huán)境中物體變化不大的情況下，車輛的定位精度最高可達±10mm，同時在其工作的范圍內(nèi)，AGV自動導引車以任意的角度停留在任意位置時，均可按預先設定的程序找正方向并回到初始點。在測試過程中，發(fā)現(xiàn)自動導引車若是速度很快的話，貨叉到達指定高度附近，會出現(xiàn)反復上升和下降的情況，這種上下震蕩的情況，可以通過PID控制器，合理的調(diào)節(jié)P、I、D的值，最終得已解決。實踐證明，升級改造后的自動導引叉車可以按照預先編寫的任務程序，在指定的路徑下，實現(xiàn)從一個點到另一個進行取放貨，貨叉提升高度由拉線式位移傳感器定位，且提升高度可以根據(jù)需求設置。調(diào)度系統(tǒng)可以根據(jù)倉庫和貨載信息，對AGV自動導引車進行靈活調(diào)度，實現(xiàn)無人化生產(chǎn)[3]。

圖5 車輛載重行走圖

3 結論

本文選用倍加福 R2300多層掃描器等傳感器，對某公司叉車進行了升級改造，并進行了觸摸屏界面設計，最后通過設計的車載軟件，實現(xiàn)了AGV自動導引車按給定的路徑行走和貨物的搬運。結合實際實驗測試，結果表明，車輛可以可靠、高效地完成貨物牽引工作。車輛行走靈活，系統(tǒng)安全可靠、調(diào)度方便，可以較好地輔助人類進行自動化生產(chǎn)工作，具有一定的社會意義和經(jīng)濟價值。