慣性導航AGV小車控制系統設計

陳媛媛，張守興，陳菁

（海口經濟學院，海南海口，571100）

0 引言

近年來，國內AGV發展及其迅速，涌現出大量AGV廠家。目前，AGV已大規模應用在煙草、物流、汽車、新聞等行業，其中自動化物流和智能裝配車間應用最為廣泛。近年來，一些新技術、新設備、新發明的出現，使得高級智能AGV進入很多企業[1]。在物流倉儲搬運裝卸物流的時候，耗時長、所需費用大，為了降低成本并提高效率，自動搬運技術的采用勢在必行，因而慣性導航的發展受到越來越多的關注。AGV作為載體，配合整體物流系統實現貨物的自動傳輸和運輸，AGV慣性導航的應用實現倉儲物流或工廠的自動化、智能化、信息化管理，大大提高管理效率，降低出錯率。

我國各制造業加快轉型升級步伐，自動化生產也逐漸被企業重視與應用，不斷推動著工業4.0的發展進程[2]。AGV技術作為工廠智能化、自動化的重要核心組成部分，成為該行業重點關注對象之一[3]。AGV小車具有較好的靈活性、智能化且重組方便，可滿足生產過程的柔性化運輸。可節約人工成本，減輕勞動強度，降低生產風險，提高生產效率，滿足各行各業的發展需求[4]。目前，我國面臨著人口老齡化逐漸增加，勞動力成本大幅攀升，產業工人缺乏、招工難等問題越來越多，國內企業對工業機器人的需求空前高漲[5]。由于慣性導航AGV小車不受工作環境的限制，可以隨時改變路線，應用更加靈活多變，更加被市場認可。

AGV自動引導小車，是集光電、自動控制、計算機及電子信息技術等多種先進技術為一體的綜合性控制系統，具有智能化、柔性化、數字化、網絡化和信息化等特點[6]。慣性導航系統是一種自主、無軌導航方式，通過獲取移動載體的慣性角速度和加速度，利用牛頓運動定律，計算載體的瞬時速度和位移，通過精度較高的傳感器測得小車的具體位置信息，并按照不同的參考點測定其具體行駛距離，并將AGV小車的具體位置信息、角速度、線速度及姿態角等參數返回給控制系統，實現對小車的連續慣性導航[7]。無需任何導航臺站裝置，具有“不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾、隱蔽性好、自主性、無源性、實時性、全參量”等特點。與已知的規定行駛線路進行比較，可實現AGV的自動導引功能。

本文研究慣性導航AGV小車控制系統，可滿足現代生產對物流系統、生產車間自動搬運作業的高要求。為我國AGV小車導航技術的研究奠定一定的理論、實驗基礎。

1 AGV控制系統的硬件結構設計

本文設計的慣性導航AGV小車控制系統由主控制模塊、車體控制模塊、導航模塊、電源模塊及安全輔助模塊組成。其中車體控制模塊是AGV小車的核心控制部分，由控制系統、操作面板、導航及網絡通信系統和電機驅動系統構成。通過單片機、可編程控制技術（PLC）來實現對小車的整體控制。采用慣性導航技術實現對AGV小車車體位置的精準測定，使其按正確的路線行駛。網絡通信模塊采用RS232接口與計算機鏈接，可實現AGV小車與控制中心之間信息傳輸。通過無線通信及光通信等形式使主控中心進行精準定位，通過操作面板實現對AGV小車各種指令的輸入及相關信息的顯示。電源模塊采用蓄電池，通過直流電動機、步進電機及伺服電機等實現對AGV小車的驅動。硬件系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件的總體框圖

■1.1 主控制器的選擇

AGV小車的主控制系統由主控制芯片和簡單外圍電路組成。本文選用STM32微控制器作為主控制模塊，來實現對各個模塊之間的數據處理及功能指令的傳達。該模塊具有性能高、低成本、低功耗等特點，并且具有龐大的資源，運算速度快，能很好地滿足AGV控制系統的需求。

■1.2 電源模塊

按照電路設計基本要求，在進行電源模塊硬件電路設計時，為避免AGV小車因地面不平、顛簸或人為操作等不可控因素導致出現的電壓不穩、雜波或瞬時電壓過大等情況，要對電源電壓進行濾波、去耦和穩壓等處理。同時，需引出不同電壓值輸出端子為各個模塊供電。

■1.3 電機驅動模塊

AGV小車電機的選擇要考慮啟動性好，通用性較強的電機。本文選用的無刷直流電機具有較好的啟動特性及調速性能，輸出轉矩比交流電機大且通用性較強便于維修。步進電機采用開環控制，且具有優異的伺服特性，步進電機驅動器要求脈沖信號一般為TTL電平兼容的方波信號。本文采用THB6128作為電機驅動芯片，具有高電壓、高電流、低電阻，雙路全橋MOSFET式驅動等優點，可以滿足AGV小車的工作需求。

■1.4 傳感器導航模塊

AGV小車在工作過程中，通過傳感器導航模塊對其實際位置定位、運行速度、角速度及姿態信息等數據的獲取，同時也將小車實際外界信息傳送給主控中心。本文采用ADIS16445慣性傳感器同時加入一個輔助糾正誤差的輔助傳感器YF-9016，實現AGV小車的慣性自主導航運動和定位功能。具有較高的精度和穩定性，較強的抗干擾能力，體積小、重量輕、價格便宜等優點。

2 AGV控制系統的軟件設計

軟件系統，主要實現對慣性導航傳感器數據的采集處理以及AGV小車的運動控制。本文軟件系統主要包括：初始化模塊、數據采集、數據處理、顯示模塊、運動控制模塊、安全避障模塊、通訊模塊、人機接口模塊、視覺導引模塊和遠程控制模塊等。軟件系統總體設計流程圖如圖2所示。

圖2 系統總體流程圖

3 試驗結果分析

搭建好系統硬件平臺后，按照軟件系統的設計，將慣性導航傳感器模塊與單片機連接調試后測試結果如下：

（1）順向轉彎測試。按照設計的順向連續轉彎路徑測試，重復100次×7天測試，測試期間小車未出軌道，正常；（2）非順向轉彎測試。按照設計的非順向連續轉彎（S彎）路徑測試，重復100次×7天測試，測試期間小車未出軌道，正常；（3）單一站點正向對接測試。按照設計的單一站點正向對接的路徑測試，小車正常運行，橫向偏移度在±15 mm以內，縱向偏移度在±10 mm以內；（4）連續站點正向對接測試。按照設計的路徑測試要求，AGV小車在與同一直線上的連續多個對接工位進行對接，行駛路段長度大于25M，直線行駛時分別設定15、25、30、40（m/min）4種速度進行測試，測試結果顯示，小車在行駛速度為25 m/min時為最優速度，車體中心最大擺動幅度不超過±50 mm。

4 結論

本文研究一種基于慣性導航AGV小車的控制系統，結合視覺導引模塊，按照設計的研究測試路線，最終實現AGV小車在給定初試條件后，無需外部參照就可以確定物體的位置、方向，同時能不斷測量位置變化，實現對物體的動態精準定位。