基于數字化技術的智能AGV 實訓平臺設計與實現

摘要：為滿足機電工程及智能制造相關專業學生的AGV實訓需求，文章設計了一種基于數字化技術的智能AGV實訓教學平臺。該平臺融合物聯網、大數據、人工智能等技術，可實現AGV系統的遠程監控、數據分析、智能調度等功能，為學生提供逼真的實訓體驗。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構建虛擬與實物相結合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統架構及關鍵技術，并在安全可控的環境下進行編程調試、任務執行、故障排查及優化等實踐操作。

關鍵詞：自動導引車（AGV） ；數字化；智能制造；物聯網；人工智能；實訓平臺

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0133-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

自動導引車（Automated Guided Vehicle， 簡稱AGV） ，也稱為自引導車輛或自推進車輛，是一種無人駕駛、計算機控制的移動運輸裝置，其由電動機提供動力，能在無人監督或操作的情況下執行任務。AGV技術作為自動化物流系統的重要組成部分，已被廣泛應用于工業制造、物流倉儲等諸多領域，對相關專業人才的需求不斷增加，要求也不斷提高[1]。國外AGV實訓教學平臺的研究起步較早，技術相對成熟，通常具備較高的自動化和智能化水平，注重跨學科研究，將機械工程、電子工程、計算機科學等多個領域的知識融合在一起，形成綜合性的實訓教學體系。當前，國內AGV實訓教學平臺的研發正處于快速發展階段，研究與實踐方面均取得了顯著進展，但仍存在一些問題和不足。比如，技術更新速度快導致教學內容滯后、實訓設備成本高導致普及難度大，實訓內容單一缺乏綜合性等[2]。

本文基于數字化技術設計了一種智能AGV實訓教學平臺，融合物聯網、大數據、人工智能等技術，可實現AGV系統的遠程監控、數據分析、智能調度等功能，為學生提供逼真的實訓體驗。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構建虛擬與實物相結合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統架構及關鍵技術，并在安全可控的環境下進行編程調試、故障排查及優化操作等實踐操作。

1 AGV 技術概述

AGV機器人由多個關鍵部分組成，包括導航系統、傳感器系統、執行系統、電源系統、通信系統、控制系統等功。其工作原理可以概括為“感知、規劃、執行”3個步驟：1） 感知：通過傳感器系統感知周圍環境，獲取自身位置和姿態信息；2） 規劃：根據感知信息和目標位置，通過控制系統計算出最優路徑，并生成行動策略：3） 執行：通過執行系統驅動AGV按照規劃路徑移動，同時實時調整以適應環境變化，確保精確到達目的地。AGV常用的導航技術有激光導航、電磁導航、磁帶導航、慣性導航、視覺導航等。控制系統是AGV智能化、自動化的核心，通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括主控制器（如PLC/工業計算機） 、伺服驅動器、傳感器、通信模塊等。軟件部分包括導航與定位軟件、運動控制算法、任務調度與管理軟件、安全監控軟件等[3]。

2 智能AGV 實訓教學平臺設計

2.1 平臺設計指導思想和原則

基于數字化技術的智能AGV實訓教學平臺設計，旨在為學生提供一個集理論、實踐和創新于一體的綜合學習環境。平臺設計指導思想和原則主要有以下3 個方面：1） 以OBE教育理念為指導，以學生為中心，以產出為導向，構建“虛實結合、軟硬兼施”的智能AGV 實訓教學平臺；2） 對接產業需求，將新技術、新工藝、新規范融入實訓教學內容，突出實用性和先進性；3） 采用模塊化設計，便于平臺擴展和升級。

2.2 系統架構

2.2.1 硬件架構

智能AGV實訓教學平臺系統的整體設計基于模塊化，包含中央控制單元、AGV機器人模塊、機器視覺模塊、通信與交互模塊等。其硬件架構，如圖1所示。

AGV機器人模塊通過Wi-Fi與中央控制單元互聯，機器視覺模塊通過相機串行接口（Camera Serial In?terface，簡稱CSI） 與中央控制單元互聯，導航管理控制器通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，簡稱IIC） 與中央控制單元互聯，并控制光纖導航模塊和電磁導航模塊，道閘和射頻識別 （Radio Frequency Identi?fication，簡稱RFID） 存取車模塊均通過控制器局域網總線（Controller Area Network，簡稱CAN） 與中央控制單元互聯。

1） 中央控制單元。中央控制單元即主控制器，采用高性能服務器支撐，通常由PLC/工業計算機作為硬件設備，負責數據處理、決策制定及指令下發，確保系統運行的穩定性和高效性。中央控制單元實現導航、路徑規劃和引導控制。AGV控制系統分為地面（上層） 控制系統、車輛（單機） 控制系統和導航/引導系統，其中地面控制系統是指AGV系統的固定設備，主要負責任務分配、車輛調度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動充電功能；車輛（單機） 控制系統收到指令后，主機系統進行AGV導航計算、直接執行、車輛、裝卸操作等；導航/引導系統負責計算AGV的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預設的軌跡或根據實時環境信息進行調整并完成任務。地面（上層） 控制系統是AGV 系統的核心，其主要功能是為AGV系統的多套AGV 單機任務分配、交通管理、交通管理和通信管理等。車輛（單機） 控制系統和導航/引導系統在收到命令后，為AGV實現單機導航、引導、路徑選擇、車輛駕駛、裝卸操作等功能[4]。

2） AGV機器人模塊。設計中使用的機器人采用倉儲夾抱式，四輪驅動，配備高精度電機、編碼器、激光雷達、超聲波傳感器等硬件設備，支持前進、后退、轉向、循跡、避障等操作，具備無線局域網通信、聲光報警、自動充電樁充電等功能。

3） 機器視覺模塊。該模塊集成高清晰度攝像頭和圖像處理模塊，采用深度學習算法，支持物體識別、形狀檢測、顏色識別、二維碼識別等功能。首先，在視覺引導方式上，通過集成攝像頭或傳感器陣列，利用高分辨率攝像頭捕捉環境特征，通過算法實時處理圖像，確定自身位置。其次，在圖像識別與處理方面，通過高清攝像頭獲取環境圖像，隨后通過高速處理器進行分析，以識別路徑標識、障礙物以及其他關鍵環境特征。再次，在特征提取與物體識別方面，能夠從環境中提取特征，并進行三維視覺分析，通過分析從立體攝像頭或激光掃描儀獲得的數據，構建環境的三維模型，從而更準確地進行空間定位。最后，采用深度學習與神經網絡，允許從經驗中學習，提高圖像分類和識別的準確性[4]。

4） 通信與交互模塊。該模塊利用無線網絡和標準化通信協議實現AGV機器人與中央控制單元、用戶終端之間的實時信息交換，包含導航管理控制器和RFID存取車模塊。導航管理控制器通過對光纖導航模塊，電磁導航模塊實現對機器人的導航，FRID存取車模塊實現存取車管理。通信與交互模塊基于對Zig?Bee、Wi-Fi、藍牙等多種無線通信方式的支持，實現機器人與上位機、其他機器人之間的高速數據傳輸和指令控制。

2.2.2 軟件架構

平臺設計在軟件支持方面采用嵌入式控制系統，基于ARM或Cortex等高性能處理器，實現AGV的運動控制、數據處理和無線通信等功能；在編程方面采用機器視覺算法，在開發語言方面根據需求選擇合適的開發語言，如Java、C++、Python等，實現圖像處理、特征提取、目標跟蹤等算法。此外，開發框架的應用層可以采用Spring Boot、Django等成熟的Web開發框架，以提高開發效率和系統穩定性。數據庫可選擇MySQL、PostgreSQL等關系型數據庫或MongoDB等非關系型數據庫，根據數據特點和查詢需求進行選型。前端技術采用React、Vue等現代前端框架，結合Web?Socket等技術實現實時數據交互。智能AGV實訓平臺軟件架構采用分層設計，以確保系統的模塊化、可擴展性和可維護性，如圖2所示。

總體架構可以分為以下3 個層次：1） 操作系統層：為上層應用提供統一的運行環境，包括實時操作系統（RTOS） 或通用操作系統（如Linux、Windows等） 。操作系統層負責任務調度、資源管理、中斷處理等底層功能；2） 中間件層：提供一系列通用的服務和接口，如網絡通信、數據交換、任務調度等。中間件層是連接應用層和操作系統層的橋梁，使得上層應用可以更加專注于業務邏輯的實現；3） 應用層：包括各種面向用戶的軟件應用，如AGV監控與管理系統、任務分配系統、路徑規劃系統等。應用層通過調用中間件層提供的服務和接口，實現具體的業務功能[5]。

2.3 功能模塊設計

本研究在功能模塊設計上融合控制、通信交互和用戶接入三大功能。通過完整的培訓項目，使學生能夠全面了解AGV系統的工作原理及研發過程，熟悉并掌握各個環節的知識與技能，以培養和提高學生分析解決問題、實踐操作、團隊合作和創新思維等綜合能力。

2.3.1 控制功能

AGV控制功能由中央控制單元實現導航、路徑規劃和引導控制。AGV控制系統分為地面（上層） 控制系統、車輛（單機） 控制系統和導航/引導系統，其中地面控制系統主要負責任務分配、車輛調度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動充電功能；車輛（單機） 控制系統收到指令后，主機系統進行AGV導航計算、直接執行、車輛、裝卸操作等；導航/引導系統負責計算AGV 的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預設的軌跡或根據實時環境信息進行調整并完成任務。運動控制由運動控制伺服系統實現，其工作原理為由運動控制模塊將控制信號（如脈沖信號和脈沖頻率、脈沖方向或模擬電壓等） 發送給伺服驅動單元，伺服驅動單元將接收到的信號轉換為驅動信號，將驅動信號輸出為角位移或角速度，可以調節電機的扭矩，使其按照預定的控制拖動機械運動。

2.3.2 通信交互功能

通信交互功能通過無線通信來實現，采用廣泛應用的RS232或RS485通信，選擇無線數據傳輸模塊實現AGV與主機的通信。當無線數據傳輸模塊接收到上層機密數據時，先將數據發送到發送緩沖區，同時將模塊的狀態由接收狀態轉換為啟動狀態，完成狀態轉換后開始發送打包過程。發送打包的應用程序將緩沖區中的數據轉換為適合無線傳輸的數據包，并將控制信令動態插入數據包中，然后將數據包發送到模塊調制口。當無線數據傳輸模塊接收到數據時，會按照規定將串口的幀格式和速率傳輸到PC串口。無線數據傳輸模塊通常提供標準的RS-232、RS-485 和UART（TTL電平） 3種接口模式，與計算機、用戶設備、RS-485單片機或其他使用UART設備直接連接[6]。

2.3.3 用戶接入功能

學生通過用戶界面通過接入中央控制單元，進入實訓平臺。平臺提供友好的用戶界面，學生可以通過PC或移動設備遠程控制AGV，進行編程調試、參數設置、數據采集等操作。實訓環境的構建可包含多種障礙和路徑的實訓場地，模擬真實工廠或倉庫環境。也可以通過虛擬仿真系統，提供虛擬仿真環境，讓學生在虛擬場景中進行AGV的編程和調試。首先，要使用網線、串口線或無線網絡等方式接入用戶界面，將用戶終端與中央控制單元建立物理連接。其次，配置網絡參數，需要確保用戶終端與中央控制單元在同一局域網內，并配置正確的IP地址、子網掩碼、網關等網絡參數。最后，在用戶終端上啟動控制軟件，根據軟件提示輸入必要的登錄信息（如用戶名、密碼） 以完成登錄。此外，還可以在用戶終端上構建在線學習平臺，結合數字化教學平臺，提供課程資料、教學視頻、在線測試等資源，支持學生的自主學習和遠程學習。

3 結束語

本文以OBE教育理念為指導構建了一個“虛實結合、軟硬兼施”的智能AGV實訓教學平臺，對接產業需求，將新技術、新工藝、新規范融入實訓教學內容。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構建虛擬與實物相結合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解和學習AGV的工作原理、系統架構及關鍵技術，并在實訓環境下進行編程調試、任務執行、故障排查及優化等實踐操作。展望未來，AGV實訓教學平臺的開發應更加注重引入虛擬現實技術以及智能化的實訓項目，以實現與新技術的緊密融合，不斷提升學生的知識水平、實踐技能和創新能力。

參考文獻：

[1] 江涵.產線智能復合機器人控制系統研究[D].濟南：山東交通學院，2024.

[2] 楊文華.談談AGV的技術標準[J].起重運輸機械，2024（13）：14-16.

[3] 栗文濤，鄭繼強，徐進壯.自動導引車路徑規劃技術研究[J].裝備機械，2024（2）：47-51.

[4] 陳紀欽，謝智陽，陳斌，等.基于搬運AGV的智能停車教學臺架設計[J].廣東交通職業技術學院學報，2019，18（3）：72-76.

[5] 張毓蘭，田海蘭，宋夢悅，等.基于智能物流的AGV路徑優化研究[J].長江信息通信，2024，37（6）：100-101，139.

[6] 成威.基于5G移動機器人遠程控制網絡系統實時性研究[D].北京：北方工業大學，2024.

【通聯編輯：聞翔軍】

基金項目：2024 年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目，項目名稱：《基于數字化技術的智能AGV 實訓教學平臺設計》（項目文號：桂教科研〔2024〕1 號；項目編號：2024KY1545）