差速輪自動引導運輸車運動底盤設計與控制

胡振

摘要： 隨著我國工業生產智能化水平的日益提高以及AGV應用領域不斷地擴大和普及，AGV在工業領域中的需求越來越多。本文以發動機生產企業實際需求為引導，介紹了磁導航兩輪差速式AGV底盤的設計過程，設計過程以科學計算及行業標準為原則，并加以多年AGV行業設計經驗為輔助，此車設計完成后得到了成功的應用。

Abstract： With the increasing level of intelligence in China's industrial production and the continuous expansion and popularization of AGV applications， AGVs are in increasing demand in the industrial field. Guided by the actual needs of engine manufacturers， this article introduces the design process of the magnetic navigation two-wheel differential AGV chassis. The design process is based on the principles of scientific calculation and industry standards， and with the assistance of many years of AGV industry design experience， the design of this vehicle is completed， and has a successful application.

關鍵詞： 自動運輸車;磁導航;兩輪差速;西門子PLC;運動控制

Key words： automatic transport vehicle;magnetic navigation;two-wheel differential;Siemens PLC;motion control

中圖分類號：U469.6+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0020-02

1? 自動運輸車簡介

1.1 自動運輸車（AGV）簡介? AGV（Automatic Guided Vehicle）屬于輪式移動機器人，具有多種機器人單元技術，如智能移動機器人涉及到的環境感知、導航與定位，路徑規劃、運動控制等技術，均在AGV中得到應用，所以也稱它為“搬運機器人”“無人智能導航車”。隨著AGV智能化水平的日益提高以及AGV應用領域不斷地擴大和普及，AGV有廣闊的發展前景[1-2]。

1.2 自動運輸車（AGV）分類及組成? AGV按其導引方式的不同可分為兩大類：固定路徑導引方式和自由路徑（無固定路徑）導引方式。固定路徑導引方式是在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物，AGV通過檢測出它的信息而得到導引;自由路徑（無固定路徑）導引方式是指AGV上儲存著布局上的尺寸坐標，通過識別車體當前方位，自主地決定路徑面的行駛，如行駛路徑軌跡推算導向法導引、慣性導航導引、環境映射法導引等。一臺自動運輸車（AGV）的運動地盤通常包括電池單元，控制單元，導航單元，安全保障單元，動力單元等部分組成。

2? 差速輪驅動形式AGV運動底盤機械設計

本文以已知預定方案為基礎，逐步介紹自動運輸車差速輪運動底盤設計的全過程，包括機械設計和電氣設計兩大主要部分。已知方案需求如下：某汽車發動機裝配車間，需求一臺轉運用AGV，用以搬運發動機半成品至各個工序并進行抽檢，入庫等操作。要求外形尺寸為L1200*W900*H800mm（以內），導航形式為差速輪，通訊形式為WIFI，載重≤500kg，爬坡能力<3°，行駛速度≤30m/min，定位精度為10mm，續航能力6-8小時，運行方向為前進、后退、左轉、右轉。

2.1 驅動方式的選擇

2.1.1 AGV按轉向方式? 舵機轉向式舵機轉向式中，一般使用舵機（步進電機）作為轉向控制電機，舵機上裝有減速機，減速機連接轉向鉸軸，鉸軸另一端連接轉向輪，這樣即實現了舵機控制轉向的目的。有時，可不設置轉向輪，而將驅動輪固定在一盤系上，舵機帶動盤系轉動，也可實現舵機轉向。另外一種方式是差速轉向式，一般用于需要前后雙方向運動的情況中。此時，沒有單獨舵機或其他形式的電機用于控制方向。兩個驅動輪上分別裝有一臺驅動電機，當兩臺驅動電機速度相同時，AGV保持直線行駛，當兩臺電機速度不同時，即存在差速，AGV實現轉向。

2.1.2 AGV輪系種類? AGV按輪系分，常分為：三輪式、四輪式、六輪式等。三輪式AGV輪系結構簡單，能夠滿足一般常規性運行。四輪式分析較復雜，主要問題在于輪系于地面接觸上，但四輪式承載能力強，運用也較廣泛。六輪式與四輪式基本情況類似，也是用于高承載低速度的情況下，其運行較為平穩，分析方法同四輪式相近。

2.2 底盤形式選擇? 方案分析，根據AGV尺寸和載重要求，主要考慮車體高度和制造成本，本方案計劃采用差速輪形式底盤，差速輪為主動力單元，負責為整車提供動力，前后輔助輪作用為提供支撐。具有如下優點：如使底盤沿驅動輪輪軸中線前后對稱，運行平穩可靠;差速驅動對實現雙向運行較為簡便，相比較其它的方法，減少了電機數量，節約了設計和生產的成本;差速驅動的雙電機驅動方式，有效提高了電機的使用效率，使電機提供的能量均作為動力，增強了小車的驅動力，適合需要小型重載AGV的場所[3]。

2.3 電機及減速機選擇

2.3.1 參數計算? 已知負載重量（m1）500kg，車身重量（m2）500kg，輪徑（D）200mm，驅動輪數量（j）2個，最大爬坡角度（α）3°，電機轉速（n）3000rmp，減速機減速比（i）50，聚氨酯輪和地面滾動摩擦系數（μ）取值0.04，電機選取安全系數（k）1.3;①計算底盤負載運行時整體重量（m）：m=m1+m2=1000kg;②坡面總的牽引力（f）：坡面總的牽引力為重力在坡度方向的分力（f1）與摩擦力（f2）之和，即f=f1+f2=mg*sinα+μmg*cosα=904N;③每個輪牽引力分力（f輪）：f輪=f/2=452N;④AGV的線速度（v）：v=πDn=37.7m/min;⑤減速機輸出端扭矩（M）：M=f輪*（D/2/1000）=45.2N*m;⑥電機輸出扭矩（M電）：M電=M/i=0.904N*m;⑦電機額定扭矩參考值（M額）：M額=M電*k=1.176N*m。

2.3.2 電機及減速機選取? 目前差速輪式AGV底盤驅動電機通常選取直流無刷電機或直流伺服電機兩種，隨著國產伺服電機的發展，目前市面上的優質伺服電機價格區間出現了較大的降幅，并且伺服電機具備精度高、轉速高、適應性好、穩定性高、及時性好、舒適性好等特點。因此，國產直流供電伺服電機成為了本項目的選擇方案。根據廠家提供的電機選型樣本，選取電機型號為SMC60S-0040-30MAK-3DSU，額定扭矩1.27N·m可以滿足2.3.1中的要求?？紤]底盤寬度和伺服電機的長度，為節省AGV寬度方向空間，本方案選取L型減速機，減速比選取1：50，根據減速機輸出端扭矩計算結果，選取減速機型號為：TAD090L2-50-P2-OP2-14-42-50-70-M5 i3，保證減速機輸出端扭矩能滿足2.3.1中的要求。

3? AGV底盤運動控制設計

3.1 電氣件選擇? 主要電氣件清單見表1。

3.2 繪制電氣原理圖及編寫控制程序? 本項目電氣圖紙繪制軟件為EPLAN Electric P8 2.7（X64），編程軟件為TIA_V16。

3.3 供電單元設計? 供電電源為48V40AH磷酸鐵鋰電池。供電電路設計思路為，電池放電端接到48V端子臺，從端子臺出來三路分回路，分別對應穩壓電源供電、左輪伺服驅動供電和右側伺服驅動供電，每一處回路增加電路安全保護設備，保護設備額定電流值大于回路電流額定值的1.25倍。為電池設計好電量反饋和手動充電回路。其中手動充電回路直接由電池充電端接到充電插座上，充電插座安裝到車體上以方便充電。電量反饋端為模擬量通訊直接接到PLC上。

3.4 控制單元設計? S7-1200控制器是西門子近些年新推出產品的核心， SIMATIC S7-1200控制器實現了模塊化和緊湊型設計，可擴展性強、靈活度高的設計，可實現高標準工業通信的通信接口以及一整套強大的集成技術功能，使該控制器成為完整、全面的自動化解決方案的重要組成部分。通過分析能夠勝任本項目的所有需求。

3.5 傳感器接線設計及獲取磁條位置? 磁導航數據獲取通訊模塊分為兩部分，其中SEND_PTP模塊負責向磁導航傳感器發送獲取位置信息請求，數據信息儲存在數據塊DB2中共8個字節;功能塊RCV_PTP用于接收磁導航反饋的位置信息，并將數據信息儲存在數據塊DB2中，共16個字節。

3.6 伺服電機輸出控制? 伺服驅動控制可以有多種方案，如RS232或RS485、CAN總線等，本項目選用的控制方案為脈沖控制，脈沖控制有如下優點，可靠性高，信號抗干擾性能好，對于本項目成本低，不用增加額外的控制模塊。電機速度控制模塊可以通過Velocity參數的賦值數據轉換成對應的脈沖數據發送給伺服驅動，進而實現對伺服電機的差速控制。

3.7 底盤速度控制程序舉例? 控制程序總體思路如下：首先通過磁導航傳感器獲取AGV相對于磁條的位置，通過位置信息判斷AGV是否偏離磁條中心區域，如果偏離需要對AGV的運行狀態進行調整，使AGV重新回到磁條中心區域位置運行。通過調整兩輪的差速值使車快速回歸軌道中心區域，如左輪速度大于右輪，則AGV會向右側轉彎。本文通過建立差速值與速度、偏離量等因素的數學模型實現了對車輛的精確控制。如示例程序，參數介紹，“EMG”急停信號;“Auto_PB”手動自動狀態信號;“RM_Vel_ModifyValue”車輪速度調整值;“RM1_Base_Speed”輪1基礎速度;“RM2_Base_Speed”輪2基礎速度;“RM1_Auto_Velocity”輪1實際輸出速度;“RM2_Auto_Velocity”輪2實際輸出速度;“AQ_i、AR_i”為安全系數;“RM_Differential_TRight”輪需要向右調節信號，“RM_Differential_TLeft”輪需要向左調節信號。

IF "EMG" AND "Auto_PB" AND （"RM_Vel_ModifyValue"<="RM1_Base_Speed"） AND （"RM_Vel_ModifyValue" <= "RM2_Base_Speed"） THEN

IF? "RM_Differential_TRight"? THEN

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed" - "RM_Vel_ModifyValue"） * "AQ_i" * "AR_i";

ELSIF? "RM_Differential_TLeft"? THEN

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed" - "RM_Vel_ModifyValue"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

ELSE

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

END_IF;

END_IF;

程序解析，當滿足急停和手動自動狀態等基礎條件時，開始對兩輪速度進行調整，輪基礎速度由系統給定，當AGV偏向磁條左側時，通過減少右側輪的實際速度就可以實現對AGV的矯正，當AGV偏向磁條右側時，通過減少左側輪的實際速度就可以實現對AGV的矯正;“AQ_i、AR_i”為安全系數，當觸發某一安全條件時，可直接將安全系數變為0，這樣就可以使車實際輸出速度為0，同時還會配合急停等多種保護，確保AGV停止運行。

4? 總結

以市場實際項目需求為指導，本文設計了AGV的整體運動底盤方案，包括：驅動方式的選擇，底盤形式的選擇，電機及減速機的參數計算及型號選擇，減震結構的設計，車體底盤整體三維模型的設計，運動控制電氣件的選擇，電氣原理圖的繪制，運動控制程序的編寫。

參考文獻：

[1]金鑫.AGV小車的發展現狀與應用趨勢[J].北京工業職業技術學院學報，2021，20（1）：10-13.

[2]武啟平，金亞萍，任平，查振元.自動導引車（AGV）關鍵技術現狀及其發展趨勢[J].制造業自動化，2013，35（5）：106-109，121.

[3]楊先龍.磁導航式差速AGV的結構及控制設計[D].合肥：合肥工業大學，2014.