面向硫磺生產線的粉塵適應性AGV系統設計

摘要：在硫磺生產線的特殊環境下，尤其是硫磺粉塵對自動化引導車輛（AGV）系統功能的影響，為自動化運輸系統帶來了前所未有的挑戰。文章聚焦硫磺生產線中自動引導車（AGV）系統的設計與優化，旨在克服粉塵對AGV運行的負面影響，提出了一套基于超寬帶（UWB）技術和多傳感器融合的定位與避障解決方案。方案優化了AGV的路徑規劃和智能避障機制，并通過集成的粉塵監測傳感器提高了作業安全性。測試結果證明，系統能有效適應硫磺粉塵環境，確保穩定和安全的硫磺運輸。

關鍵詞：硫磺生產線；AGV；超寬帶（UWB）定位；多傳感器融合；智能避障；粉塵影響

中圖分類號：TP29

文獻標志碼：A

0 引言

針對硫磺生產線中粉塵環境對AGV系統功能的嚴重影響，本文設計了一種新型AGV系統，旨在提高處于該環境下的AGV運行效率和穩定性。硫磺生產線的特殊工作環境，尤其是大量粉塵的存在^［1］，為AGV系統的運行帶來了前所未有的挑戰，傳統的AGV系統在這樣的環境下往往無法保持高效和準確的導航^［2］。因此，本文設計了一套新型協同AGV系統，提出了基于超寬帶（UWB）技術和TDoA方法的定位技術^［3-5］、復雜避障機制、精密粉塵監測系統以及電量自檢系統的AGV設計方案^［6］。這些創新的技術集成使得AGV能夠在粉塵豐富的硫磺生產線中，實現更高效、更穩定的運行。

實驗驗證，本文設計的新型AGV系統在提高硫磺生產效率和安全性方面有顯著優勢，為硫磺生產線的自動化升級提供了可靠的技術支持，并為其他工業環境中AGV系統的應用提供了寶貴經驗。

1 系統整體設計

1.1 多AGV協調系統設計

如圖1所示的多AGV協同系統架構中，中央控制單元（上位機）負責對所有AGV進行實時監控，并基于生產線的實際運作狀況進行動態任務分配。通過UWB通信模塊的支持，系統實現了與各個AGV間的高效數據交換。系統可以向每一輛AGV發送精確的導航坐標和任務信息，并收集AGV的狀態反饋，比如AGV的位置、速度、載荷狀況等關鍵參數。

1.2 單輛AGV小車設計

在硫磺生產線中，本款AGV智能小車的硬件設計融合了多項技術，旨在提供一個針對硫磺生成線全面自動化運輸的解決方案。小車為微控制器，負責整合各個傳感器和模塊的數據，并執行復雜的運算處理。系統架構如圖2所示。

小車上的灰度傳感器可以對路線進行精確跟蹤，以確保AGV沿著正確的路徑行駛，這種光學導引的加入成功補償了時間差分定位（TDoA）帶來的輕微偏差，顯著提高了導航的準確性和可靠性。

AGV的基站標簽是實時數據通信的關鍵，它不斷收集AGV的二維坐標、速度和載荷信息，并通過UWB網絡將這些數據實時傳輸至中央基站。這保證了運輸過程的流暢性和響應的及時性。

為了識別潛在的環境威脅以提升安全性，AGV配備了Openmv攝像頭和粉塵傳感器。Openmv攝像頭通過運行先進的神經網絡模型識別人員，并在檢測到化學泄漏時啟動安全預警系統，及時提醒周圍的人員撤離。粉塵傳感器專門監測硫磺粉塵濃度，一旦檢測到異常，即刻觸發化學泄漏警報。另外，本研究中AGV還集成了紅外熱成像技術，使得AGV庫不斷監測車輛周圍的溫度，一旦檢測到溫度異常，系統將迅速響應，并采取適當的冷卻措施。

障礙物的檢測由TOF測距模塊負責。TOF測距模塊可以實時監測AGV前方是否存在障礙，以便令AGV及時調整路徑，防止碰撞。此外，AGV還搭載了無線充電模塊，當車輛電量不足時，其可以自動導航至充電站進行無線充電，保證了AGV系統的持續運行。

所有硬件組件的數據將匯集到中央控制單元，中央控制單元使用A*路徑規劃算法和基于優先級的任務調度算法對數據進行處理，然后做出最優的AGV路徑規劃調度^［7］。

2 硬件設計

2.1 主控硬件設計

AGV主控為STM32F407ZET6， 基于 ARM Cortex-M4 內核^［8］，具有浮點運算單元，主頻可達168 MHZ，包含以太網、USB、IIC、SPI、USART等多種接口，同時具有高性能的ADC，能夠滿足AGV小車的所有需求。

2.2 電機驅動設計

電機驅動為BTN型電機驅動。BTN型電機驅動可以滿足AGV在硫磺運輸中需要具備的強大載荷能力，以適應重負荷下的持續運作。BJTs和MOSFETs的高速切換特性使它們能夠支持高頻脈寬調制（PWM）信號，這對于精細控制電機速度至關重要。這種精確的速度調節有助于減少由于速度不穩定或突變而導致的意外事故。此外，N型MOSFET由于其較低的導通電阻，有助于降低功率損耗，這不僅提高了AGV的能效，還減少了熱量產生，從而增強了系統的穩定性和持久性。

2.3 無線充電模塊

無線充電模塊以PW4053為核心，結合了集成的功率MOSFET和異步開關架構，工作頻率高達500 kHz，這樣的設計使得模塊能夠達到90%的轉換效率。該模塊內嵌了自適應調節環，能夠智能調整充電電流，確保了與其他任何連接適配器的兼容性，減少了因電流過大而帶來的風險。此外，PW4053還提供了一系列的保護措施，包括輸出過壓保護、短路保護以及輸入欠壓和過壓保護。這些保護功能確保了無線充電模塊在電壓不穩定以及接觸不良等各種條件下都能安全運行，提升了AGV硫磺運輸車的穩定性。

3 軟件設計

3.1 主控單片機程序設計

主控STM32F4單片機程序架構并沒有采取常規的裸機架構程序，而是采用了RTOS實時操作系統。FreeRTOS是一個開源的實時操作系統^［9］，為復雜任務提供了高效、可靠的管理。在硫磺運輸這一具有挑戰性的應用場景中，FreeRTOS的多任務處理能力使得AGV能夠同時處理循跡、障礙物檢測和粉塵安全監控等多個任務，不會出現資源沖突或任務延遲。FreeRTOS的實時性確保了任務的及時響應，這對于隨時可能出現危險情況的硫磺生產線至關重要。例如，當AGV的化學泄漏傳感器檢測到潛在的化學風險時，系統可以立即調整AGV的行為，優先處理安全相關的任務。因此，FreeRTOS的這一特性增強了AGV系統對環境變化的適應能力，使得硫磺運輸過程更加安全可靠。

3.2 循跡算法設計

在硫磺生產線上，高效準確的循跡算法對于AGV的操作至關重要。本AGV系統采用了一種結合了二維定位和灰度傳感器的循跡算法，以確保小車在硫磺運輸過程中路徑選擇的精確性。

如圖3所示，AGV的基站標簽實時接收基站發送的目標點的二維坐標。這些二維坐標為AGV提供了大致的路徑規劃，即使在硫磺生產線這種復雜的工業環境中，AGV也能夠依據這些坐標點進行初始路徑選擇。然后系統利用搭載于AGV上的8路灰度傳感器進行精細的路徑修正。灰度傳感器通過檢測地面上的導航線，提供更為精確的路徑校正信息，從而對路徑進行實時修正，確保AGV沿著最優路徑行駛，減少了因路徑偏差而帶來的額外行駛時間和資源消耗。最終AGV通過串級PID控制器計算輪速差，實現精確的速度控制和轉向調整。串級PID控制器的引入，使得AGV在轉向和速度調節上更加靈敏和準確，大大提高了小車在硫磺生產線上的運輸效率和安全性。本研究提出的循跡算法，使得AGV系統在硫磺生產線上的運輸效率更高，并能夠應對多變的生產環境，可確保硫磺的連續安全運輸。

3.3 粉塵監測任務軟件流程設計

在硫磺運輸AGV小車系統中，引入了精密的粉塵監測流程，確保作業環境符合安全標準。此流程如圖4所示，首先，粉塵傳感器實時捕捉空氣中硫磺粉塵的濃度，其次濃度數據通過模數轉換器（ADC）轉化為數字信號，最后利用直接內存訪問（DMA）技術高效地傳輸至主控單片機。這一連貫的數據處理流程，顯著提升了系統對環境變化的響應速度，并顯著降低了對中央處理器（CPU）的依賴，從而優化了資源分配。

當單片機對數據分析處理后，如果發現粉塵濃度超過預定閾值，系統將即刻激活Openmv模塊，該模塊負責對周邊環境進行人體存在檢測，判斷是否有工作人員在附近。若存在工作人員，系統將通過語音播報發出警告，促使人員迅速撤離以規避潛在危險。若監測區域內無工作人員，系統則自動置位化學泄漏標志位，并同步至中央控制單元。中央控制單元隨后在軟件層面進行區域標記，并觸發綜合安全警報，確保整條生產線都響應該警報。這一綜合安全管理策略，確保了生產線即使在不進行人為監控時也能不斷安全運行。

3.4 電量自檢系統軟件設計

在硫磺生產線上部署的AGV小車配備了電量自檢系統，這是一項至關重要的技術，旨在通過實時監控電池電量來確保運輸作業的連續性和安全性。該系統依賴于實時的模擬-數字信號轉換以及高效的數據傳輸技術。借助ADC（模擬-數字轉換器）組件，電量信息被轉換成數字信號，然后通過DMA（直接存儲器訪問）技術快速傳輸給單片機進行分析和處理。

當單片機檢測到電量降至預設的臨界值以下時，它會立即通過串行通信接口更新這一狀態信息到AGV的基站標簽，從而激活電量不足的警報機制。此后，基站標簽通過UWB（超寬帶）技術發送含有電量不足警告和AGV當前狀態的數據包至中央控制系統。一旦中央控制系統接收到這些數據，便會對AGV進行智能調度，確保電量即將耗盡的AGV能夠及時回到充電站充電。同時，系統還會評估是否需要動用備用AGV，以保證硫磺運輸的無縫進行。

4 測試

如圖5所示，圖的右下方為上位機實時畫面，其中有3個點構成一個等腰三角形，此3點為布置的基站，而中間的點為AGV車的實際位置?？梢钥吹紸GV可在二維定位的情況下進行循跡，并可在上位機顯示實時位置。結合了灰度循跡后，AGV循跡行駛如圖6所示。當粉塵超標時，如圖7所示，上位機會標出超標位置及范圍，圓圈內為危險泄漏區，2個圈之間為可能存在危險區域。

5 結語

本研究的主要貢獻在于開發了一款創新的自動化引導車輛（AGV）系統，該系統專為應對硫磺生產線特有的粉塵挑戰而設計。通過整合先進的多傳感器融合技術與智能算法，本研究中的AGV系統能夠在極端的硫磺粉塵條件下保持出色的性能，這是傳統AGV系統難以達到的。該創新設計不僅極大提升了硫磺生產線上的物流效率，還顯著增強了操作過程的安全性。

此外，本研究還展現了在具有挑戰性的工業環境中實施高度自動化解決方案的可行性。通過在現實環境中的應用，AGV系統不僅優化了硫磺的生產流程，而且還提供了對如何在相似工業場景中部署自動化技術的重要見解。因此，本文的研究不僅對提高硫磺生產的效率具有重要價值，也為自動化技術在其他極端工業環境中的應用奠定了實踐基礎。

參考文獻

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［9］何高清，賈辰昊，彭良霖.基于FreeRTOS的桶裝水搬運機器人控制系統研究［J］.機械工程師，2024（1）：10-14.

（編輯 沈 強）

Design of a dust-adaptive AGV system for sulfur production lines

Li" Haining

（Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）Abstract： In the unique environment of the sulfur production line， especially the impact of sulfur dust on the functionality of Automated Guided Vehicle （AGV） systems， presents unprecedented challenges to the automated transportation system. This article focuses on the design and optimization of the AGV system in sulfur production lines， aiming to overcome the negative effects of dust on AGV operations. We propose a set of positioning and obstacle avoidance solutions based on Ultra-Wideband （UWB） technology and multisensor fusion， optimizing the AGV’s route planning and intelligent obstacle avoidance mechanisms， and enhancing operational safety through integrated dust monitoring sensors. Test results prove that the system can effectively adapt to the sulfur dust environment， ensuring stable and safe sulfur transportation.

Key words：sulfur production line; AGV; Ultra-Wideband （UWB） positioning; multisensor fusion; intelligent obstacle avoidance; dust impact