基于PLC控制的AGV智能物流輸送系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

吳連偉，王平，司會(huì)萍，鞠濤濤，張世軍，張建

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 一號(hào)工廠，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，以自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV,Automated Guided Vehicle）為代表的新一代智能控制運(yùn)送小車技術(shù)，越來越廣泛地應(yīng)用在各大企業(yè)[1]。

而S7-1200可編程邏輯控制器（PLC,Programmable Logic Controller）集成以太網(wǎng)接口和很強(qiáng)的工藝功能，適合要求簡(jiǎn)單或高級(jí)邏輯、人機(jī)交互(HMI,Human Machine Interface)和網(wǎng)絡(luò)功能的小型自動(dòng)化系統(tǒng)，可用于柔性制造系統(tǒng)的研究與發(fā)展[2]。

本文設(shè)計(jì)了基于PLC控制的自動(dòng)導(dǎo)引小車，設(shè)計(jì)制作AGV車體結(jié)構(gòu)、硬件電路及其外圍控制電路，對(duì)差速原理進(jìn)行論述并研究基于PLC的AGV自動(dòng)運(yùn)送小車控制，可按照既定路線實(shí)現(xiàn)AGV自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)送功能，滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)物流系統(tǒng)、生產(chǎn)車間自動(dòng)搬運(yùn)作業(yè)的高要求。

1 AGV及PLC技術(shù)介紹

1.1 AGV技術(shù)介紹

自動(dòng)引導(dǎo)小車AGV是自動(dòng)化物料倉儲(chǔ)中物料運(yùn)輸和柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[2]，是多種技術(shù)融合的體現(xiàn)，涉及傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等領(lǐng)域[3]。

1.2 PLC技術(shù)介紹

PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域使用最廣泛，擴(kuò)展性最強(qiáng)，程序通用性強(qiáng)，并且以穩(wěn)定性好、可靠性高、擴(kuò)展能力強(qiáng)而著稱，隨著科技的發(fā)展，PLC的功能也來越強(qiáng)大。例如西門子的S7-1200PLC，有非常豐富的接口種類，支持高級(jí)語言編程（SCL，Structured Control Languge），能進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。因此選取PLC作為AGV的車載控制器。

2 AGV原型車設(shè)計(jì)及控制原理

研制基于色帶/磁條的AGV原型車，用來測(cè)試AGV循跡的算法及控制程序；研制激光導(dǎo)航的AGV控制系統(tǒng)，采用視覺成像系統(tǒng)，并對(duì)AGV循跡控制偏差、AGV繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃。

2.1 AGV車體設(shè)計(jì)

自主設(shè)計(jì)AGV車體（如圖1），由視覺導(dǎo)航相機(jī)、電池組、激光防碰、控制柜伺服系統(tǒng)等功能件組成，實(shí)現(xiàn)AGV小車的自動(dòng)運(yùn)行。行駛功能部分采用2輪驅(qū)動(dòng)、4輪輔助行走機(jī)構(gòu)，通過PLC控制、設(shè)計(jì)PID差速變道控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)AGV小車的自動(dòng)運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)直線、轉(zhuǎn)彎行走、遇到障礙自動(dòng)停、手動(dòng)牽引等功能，最大運(yùn)行速度為60 m/min。

圖1 AGV車體

圖2 AGV實(shí)體

2.2 視覺成像原理

AGV運(yùn)行基于視覺成像原理，輔助顏色導(dǎo)軌和位置碼帶，采用位置導(dǎo)引視覺系統(tǒng)PGV100，對(duì)彩色條碼進(jìn)行非接觸式定位，實(shí)行數(shù)據(jù)矩陣控制代碼讀值，設(shè)定通過速度為40 m/min。

小車運(yùn)行為轉(zhuǎn)角速度控制，根據(jù)視覺導(dǎo)航反饋的角度及時(shí)調(diào)節(jié)兩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)速度差來修正運(yùn)行軌跡。電動(dòng)機(jī)速度是輪速度與變比乘積后與輪周長的一個(gè)比值。當(dāng)AGV在一定范圍內(nèi)直線行走時(shí)，PGV視覺導(dǎo)航傳感器掃描色帶傳回偏移量信號(hào)，設(shè)定左輪（右輪）速度不變，右輪（左輪）速度為左輪（右輪）速度與偏移量的差值，從而實(shí)現(xiàn)AGV小車轉(zhuǎn)向行駛。其中，偏移量的差值附帶三次測(cè)定系數(shù)。

2.3 AGV循跡方案設(shè)計(jì)

運(yùn)行中左右輪的速度關(guān)系計(jì)算：假設(shè)AGV右主動(dòng)輪和左主動(dòng)輪與地面僅僅存在純滾動(dòng)接觸，其中O點(diǎn)為AGV瞬間回轉(zhuǎn)中心。當(dāng)AGV向左向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要使AGV右輪速度大于左輪速度，因右主動(dòng)輪和左主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)軌跡系一段圓弧，如圖3所 示，A 點(diǎn)為AGV旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，根據(jù)角速度相等得

圖3 AGV循跡計(jì)算邏輯

式中：vL為AGV左主動(dòng)輪速度；vR為AGV右主動(dòng)輪速度；vC為AGV速度；D為兩驅(qū)動(dòng)輪輪距；R為AGV轉(zhuǎn)彎半徑；w為AGV轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

兩輪中心到A點(diǎn)的距離轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)為R。則左右輪轉(zhuǎn)彎半徑為R，其AGV速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度計(jì)算公式如下：

在AGV行駛過程中，需要使用電動(dòng)機(jī)控制器對(duì)AGV的左右輪進(jìn)行不同的速度控制，以實(shí)現(xiàn)六輪AGV的軌跡調(diào)整，本文的AGV采用的是差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)控制器對(duì)AGV的左右主動(dòng)輪進(jìn)行不同的速度控制，4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪用來保證AGV運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。通過電動(dòng)機(jī)控制器對(duì)AGV的左右主動(dòng)輪進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)AGV小車的直行、轉(zhuǎn)彎、原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)方式。其中，AGV不同的左右主動(dòng)輪速度對(duì)應(yīng)著不同的AGV運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

也許，這才是人間煙火氣吧。易非想。陳留的腳會(huì)臭嗎？他看起來那么潔凈，都像有潔癖似的，肯定不會(huì)。若會(huì)，我會(huì)強(qiáng)迫他換襪子的，上午換一雙，下午再換一雙……想到這兒，易非笑了，笑過之后，倒在黑暗中不好意思的紅了臉，盡管這黑暗中的胡思亂想沒有人能察覺到。

當(dāng)vL-vR=0且vL≠0時(shí)，

此時(shí)，右輪速度大于左輪速度，AGV為右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)vL-vR=0＜0、vL＜vc＜vR時(shí)，

此時(shí)，右輪速度大于左輪速度，AGV為左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)vL+vR=0時(shí)，vL=-vR，R=0，此時(shí)，AGV做原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

本文AGV采用差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，首先對(duì)AGV差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的理論進(jìn)行分析，其次是通過將理論應(yīng)用到實(shí)際，通過電動(dòng)機(jī)控制器控制AGV左右輪的運(yùn)動(dòng)速度，最終實(shí)現(xiàn)AGV直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

本文的AGV是沿著色帶二維碼進(jìn)行識(shí)別運(yùn)動(dòng)，在AGV底部安裝一個(gè)視覺圖像信息采集傳感器，該傳感器通過獲取AGV當(dāng)前的位置信息并對(duì)該位置信息做出判斷。在最初小車行走過程中，AGV會(huì)發(fā)生一些抖動(dòng)，輪子軌跡會(huì)出現(xiàn)位置偏差，AGV不能自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生位置偏移，因此需要對(duì)位置偏移做出判斷，判斷AGV是左偏移還是右偏移，并通過PLC對(duì)驅(qū)電動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行控制，對(duì)其運(yùn)動(dòng)偏差進(jìn)行計(jì)算，使其能夠穩(wěn)定地沿著色帶二維碼運(yùn)行。AGV控制流程如圖4所示。

圖4 AGV控制流程圖

2.4 AGV循跡控制偏差

在小車前后運(yùn)動(dòng)過程中，以驅(qū)動(dòng)輪中心點(diǎn)為中心，小車兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪中心在運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)于引導(dǎo)線的中心位置會(huì)發(fā)生變化，通過傳傳感器測(cè)量方式可知：小車朝向右偏時(shí)，偏移角度為負(fù)，即θ1為負(fù)；小車朝向左側(cè)偏移時(shí)，偏移角度為正，即θ2為正，當(dāng)傳感器在碼帶左邊時(shí)偏移量Y值為正，傳感器在碼帶右邊時(shí)偏移量Y值為負(fù)。因?yàn)樵诎惭b過程中，傳感器與小車兩驅(qū)動(dòng)輪連線的中心點(diǎn)并不重合，兩者之間的距離為d，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

同理可證，當(dāng)傳感器在碼帶右邊時(shí)，即偏移量Y值為負(fù)時(shí)，小車驅(qū)動(dòng)輪連線中點(diǎn)的實(shí)際偏差量計(jì)算公式為

經(jīng)研究論證，通過此方法修正小車運(yùn)行過程中的偏移量，能夠大大提高小車在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性。

2.5 增量式PID控制算法

PID（Proportion Integration Differentiation）控制器是以比例、積分、微分3種運(yùn)算聯(lián)合并組合成控制量進(jìn)行偏差控制，通過對(duì)Ki、Kp、Kd等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)軌跡偏差的控制軌跡。如圖6所示，給定一個(gè)輸入值r（t），最后輸出一個(gè)輸出值y（t），并將輸入值和實(shí)際輸出值進(jìn)行做差，獲取偏差值，通過PID 算法進(jìn)行偏差值控制，最終獲取一個(gè)控制量輸出u（t）。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理框圖

式中，Ti為積分時(shí)間常數(shù)。

增量式PID（Proportion Integration Differentiation）在控制運(yùn)動(dòng)偏差方面應(yīng)用較廣，該算法在PID算法的基礎(chǔ)上將當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的控制量進(jìn)行做差計(jì)算，通過對(duì)差值進(jìn)行分析以提高控制精度。如圖7所示，給定一個(gè)輸入值r（t），最后輸出一個(gè)輸出值y（t），并將輸入值和實(shí)際輸出值進(jìn)行做差以獲取偏差值，而增量式控制是以當(dāng)前時(shí)刻輸出的控制量和上一時(shí)刻輸出的控制量做差，以此不斷進(jìn)行遞推，不需要進(jìn)行累計(jì)積分計(jì)算，便于計(jì)算。

圖7 PID 控制流程圖

進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要將PID模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號(hào)的形式，因此需要進(jìn)行離散化采樣，設(shè)T為采樣周期，n為離散自變量，則離散化后的PID數(shù)學(xué)表達(dá)式為

u（n）為在當(dāng)前時(shí)刻的誤差控制量輸出值，則PID在n-1時(shí)刻的增量式控制量輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式為

設(shè)vL（n）與vR（n）分別是在第n個(gè)控制周期內(nèi)AGV兩個(gè)左右驅(qū)動(dòng)輪的速度，左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在每一個(gè)控制周期內(nèi)的速度偏差量可以采用增量PID控制算法進(jìn)行計(jì)算，以此周期不斷循環(huán)計(jì)算，最終用來實(shí)現(xiàn)AGV循跡的目的。PID算法是將當(dāng)前時(shí)刻輸出的控制量u（n）和上一時(shí)刻輸出的控制量u（n－1）進(jìn)行做差從而獲得Δu（n），從上式Δu（n）中可以看出Ki（比例系數(shù)）、Kp（積分系數(shù)）、Kd（微分系數(shù)）之間的直接關(guān)系。因此需要將3個(gè)誤差采樣值e（n）、e（n－1）和e（n－2）存儲(chǔ)起來，其中，e（n）是第n個(gè)控制周期內(nèi)AGV相對(duì)于地面二維碼引導(dǎo)線出現(xiàn)的位置偏差值，Δu（n）為AGV在第n個(gè)周期內(nèi)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度增量輸出。

3 基于PLC控制的AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PID糾偏設(shè)計(jì)

本文通過設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AGV的直線行走、變速、變向、變向拐彎、定位、任務(wù)分配等功能；自主設(shè)計(jì)PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)藍(lán)色尋跡運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)直線、變速、變向、視覺掃描識(shí)別二維碼定位、任務(wù)分配等功能。AGV在沿著二維碼運(yùn)行的過程中，以兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為連線的中心點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于行走線路中心的左右抖動(dòng)偏差。為實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行軌跡，本文通過視覺系統(tǒng)采集地面引導(dǎo)AGV運(yùn)行的二維碼信息，將AGV視覺系統(tǒng)采集到的位置信息與二維碼引導(dǎo)線實(shí)際的位置信息的偏差作為PID控制器的輸入，采用增量PID控制算法對(duì)每個(gè)控制周期內(nèi)的偏差不斷循環(huán)計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)AGV循跡的目的。

如圖8所示，在小車沿著直線前后運(yùn)動(dòng)的過程中，存在Y值突變的問題，是由于傳感器的測(cè)量Y值測(cè)量范圍太小導(dǎo)致的，并且小車糾偏過程振蕩過大不利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，于是本文采用PID算法控制小車在運(yùn)動(dòng)過程中的Y值突變問題。

圖8 小車運(yùn)動(dòng)過程Y值突變

小車運(yùn)行過程趨于平緩但仍然存在較大振蕩，原因是傳感器測(cè)量的Y值并不是實(shí)際的小車偏差值。因此需要判定Y值是否在限定值之內(nèi)，如果在限定值之內(nèi)，就初始化驅(qū)動(dòng)輪左輪和驅(qū)動(dòng)輪右輪的速度，如果Y值大于限定值上限并且小于測(cè)量范圍上限，就增加驅(qū)左輪速度并降低右輪速度，因此對(duì)Y值突變建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)Y值判定的程序流程如圖9所示。

圖9 Y值突變流程圖

3.2 設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)

AGV控制系統(tǒng)使用S7-1200PLC型號(hào)循跡傳感器，其中PGV模塊采用倍加福的PGV100，它們之間的通信方式是PROFINET通信。

其初始化差速循跡代碼程序如下：

增量PID程序代碼如下：

其實(shí)現(xiàn)的增量PID控制功能模塊如圖10所示。其Y值突變PLC仿真流程主程序代碼如下：

圖10 增量PID程序代碼

其PLC 控制的AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖11所示。

圖11 AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

程序設(shè)計(jì)編寫功能塊使用增量PID算法循跡，新建一個(gè)FB塊輸入接口：PGV反饋、速度、Kp、Ki、Kd等參數(shù)的輸出接口為左右輪的速度輸出。局部變量為當(dāng)前誤差e（n）、上次誤差e（n－1）、上上次誤差e（n－2）及計(jì)算結(jié)果Yv程序按照增量PID的算法，其算法流程采用SCL編程。

FB塊（如圖12）寫好后在循環(huán)中斷塊OB31中進(jìn)行定時(shí)調(diào)用，OB31這里設(shè)置的是1 ms調(diào)用一次，這樣保證了小車的姿態(tài)調(diào)整的及時(shí)性。

圖12 FB模塊

3.3 設(shè)計(jì)AGV導(dǎo)航系統(tǒng)

設(shè)計(jì)基于視覺成像的AGV導(dǎo)航系統(tǒng)（如圖13），通過輔助顏色軌帶和位置碼帶（如圖14），采用位置引導(dǎo)視覺系統(tǒng)PGV100，對(duì)彩色條碼進(jìn)行非接觸定位。設(shè)定二維碼數(shù)值在作業(yè)操作范圍內(nèi)，包括減速定位值、定位值，當(dāng)AGV小車到達(dá)加速定位值后，AGV小車行駛速度設(shè)置為5 m/min，直至行駛到定位值處，AGV停止行駛。當(dāng)AGV作業(yè)完畢時(shí)，實(shí)施到位賦值（賦值為0），此時(shí)AGV重新出發(fā)。

圖13 視覺系統(tǒng)

圖14 應(yīng)用效果

4 AGV系統(tǒng)與機(jī)器人通信技術(shù)研究

AGV上的車載機(jī)器人采用埃夫特ER3B-C60型號(hào)的機(jī)器人，小車和機(jī)器人的信號(hào)交互是通過現(xiàn)場(chǎng)總線MODBUS TCP來實(shí)現(xiàn)的。圖14為機(jī)器人讀取數(shù)據(jù)指令的模塊流程，圖15為寫數(shù)據(jù)指令模塊。對(duì)Modbus TCP服務(wù)的Modbus查詢，REQ的參數(shù)設(shè)置可以受到等級(jí)控制，當(dāng)對(duì)REQ引腳輸入?yún)?shù)設(shè)置成（REQ=true）時(shí)，就會(huì)觸發(fā)指令發(fā)送通信請(qǐng)求。Modbus查詢開始后，背景數(shù)據(jù)塊將鎖定，其它客戶端無法使用。如果在服務(wù)器出現(xiàn)響應(yīng)之前或者在服務(wù)器輸出錯(cuò)誤消息之前對(duì)輸入的REQ數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行更改，更改的數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)不會(huì)生效。若是在Modbus請(qǐng)求期間重新設(shè)置REQ相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，此時(shí)的讀寫數(shù)據(jù)傳輸將不會(huì)再進(jìn)行。其MB_DATA_ADDR取決于MB_MODE選擇Modbus的請(qǐng)求模式（讀取、寫入或診斷）或直接選擇Modbus功能。

圖15 機(jī)器人讀取數(shù)據(jù)指令的模塊流程圖

圖16 機(jī)器人與AGV系統(tǒng)通信模塊寫指令

圖14和15模塊引腳是對(duì)應(yīng)的，當(dāng)MB_MODE引腳設(shè)置為0時(shí)，表示機(jī)器人讀取輸入的是數(shù)據(jù)指令，當(dāng)MB_MODE 引腳設(shè)置為1時(shí)，表示正在向機(jī)器人寫數(shù)據(jù)指令。

5 結(jié)語

本文主要研究了AGV循跡計(jì)算邏輯、AGV循跡控制偏差、增量式PID控制算法，通過系統(tǒng)的理論計(jì)算，結(jié)合MATLAB 仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)制造AGV機(jī)械本體，圍繞各類算法和PLC控制系統(tǒng)，結(jié)合視覺成像和導(dǎo)航技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)AGV導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。并通過關(guān)鍵接口實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作與AGV控制系統(tǒng)的耦合，最終獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)基于PLC控制的AGV智能物流輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

目前設(shè)計(jì)的AGV已應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)曲軸智能輸送、缸體自動(dòng)輸送、各類零部件的智能投料等場(chǎng)景。隨著AGV技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其技術(shù)的協(xié)同作用將越來越廣泛，將對(duì)智能物流起到關(guān)鍵的作用。