AGV小車設計及應用

1、AGV小車設計及應用1. AGV 小車的發(fā)展背景 在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中，提倡高效，快速，可靠，提倡將人從 簡單的工作中解放出來。機器人逐漸替代了人出現(xiàn)在各個工作崗位 上。機器人具有可編程、可協(xié)調作業(yè)和基于傳感器控制等特點，自動 導向小車（Automated Guided Vehicle 簡稱AGV便是移動機器人 的一種，是現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設備， 主要為儲運各類物料， 為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運行提供了重要保證。AGVb車構成系統(tǒng)圖AGVJ、車有三個關鍵系統(tǒng)，運行系統(tǒng)、導引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，其 它還包括有路線系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等。本文著重介紹AGV小車的三 個關鍵系統(tǒng)。小車運行系統(tǒng)AG

2、VJ、車運行系統(tǒng)是由車輪、減速器、制動器、電機及速度控制 器等部分組成。AGV小車常設計成三種運動方式：只能向前；能向前 與向后；能縱向、橫向、斜向及回轉全方位運動。本次研究的 AGV小 車是能夠前進、后退及回轉全方位運動。AGV、車能夠進行回轉運動 需要有轉向裝置。轉向裝置的結構也有三種：1）前輪轉向后輪驅動三輪車型。 車的轉向和驅動分別由兩個不 同的電動機帶動， 車體的前部為轉向車輪， 車體后部為驅動電機驅動 的兩個輪。其結構簡單、成本低，但定位精度較低。前輪轉向后輪驅動三輪車型2）差速轉向式四輪車型。 車體的中部有兩個驅動輪，由兩個電 機分別驅動。前后部各有一個轉向輪（自由輪）。通過控制

3、中部兩個輪 的速度比可實現(xiàn)車體的轉向，并實現(xiàn)前后雙向行駛和轉向。這種方式 結構簡單，定位精度較高。差速轉向式四輪車型3）全輪轉向式四輪車型。車體的前后部各有兩個驅動和轉向一 體化車輪，每個車輪分別由各自的電動機驅動，可實現(xiàn)沿縱向、橫向、 斜向和回轉方向任意路線行走，控制較復雜。全輪轉向式四輪車型從成本及系統(tǒng)應用考慮，本文著重介紹差速轉向式四輪車型。 兩驅動車輪由兩伺服驅動器控制，伺服驅動器通過改變兩車輪的速度 大小、方向，實現(xiàn)AGW、車的前進、后退、加減速及轉向動作。AGVJ、車通過伺服控制，很容易實現(xiàn)前進、后退及加減速， 但如 何通過改變兩驅動輪的速度差，實現(xiàn)AGV小車的轉向及糾偏下面，我

4、們首先了解一下差速轉向式四輪車的運動模型。AGV、車運動狀態(tài)及偏差示意圖時差為 t時的位姿。AGV車子的左輪運行速度為 Vr、右輪為V, AGV vr小車沿著A點作圓弧運動，轉彎半徑為d?？梢缘茫篟 Vl Vrd圖中虛線表示的車體為初始位姿，實線表示的車體是在和初始2 Vl VrAGV、車運動偏移弧度為容易得：Vl Vr-t2VI由式可得AGV、車運動偏移弧度與左右輪的速度關系式:Vl VrAGVJ、車在做圓弧運動時，在 X軸上的變化量是厶X,在Y軸上的變化量是 Y,A XA 丫與轉彎半徑d的關系為:X ds in丫 d(1 cos )將式代入式，可以得出厶X、 丫與左右輪運行速度的關系式:R

5、VlVr .sin2 Vl VrRVl Vrcos所以，通過改變Vr及V可以實現(xiàn)AGW、車糾偏，轉向等運動控制驅動輪的變速控制，有多種方法可選擇，包括變頻器控制、步進控制、伺服控制等。其中變頻器控制及伺服控制除了有高精度的速度控制 外，還能提供靈活的轉矩控制。在 AGV小車的運動模型中，其有干摩擦力矩、慣性轉矩、粘性摩擦力矩、重力力矩、彈性力矩等。所以AGV小車在運行過程中，驅動器需要提供不同的力矩， AGW、車才能 運行得更穩(wěn)定。而伺服控制比變頻器擁有更高的速度控制精度、 更小 的安裝位置、更高的IP防護等級以及更好的停車制動功能。所以,伺服控制器作為AGV小車的運動控制系統(tǒng)使用是更為適合。

6、3.AGV小車導引系統(tǒng)AG小車能自動運行，需要有導引裝置。常用的導引方式分為兩大類：車外預定路徑和非預定路徑方式。下面對兩種方式分別作介紹。1）車外預定路徑導引方式是指在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物，AG通過檢測出它的信息而得到導向的導引方式，如電磁導引、色帶導引、磁帶導引（又稱磁性導引）等。 色帶導引示意圖上圖為光學導引示意圖，這種導引方式是在地面上連續(xù)敷設一 條帶顏色的帶子，在車輛的底部中央安裝光源以及在兩邊安裝相同的 色標傳感器（如歐姆龍產(chǎn)品E3X-DA1AN-S,它們同時檢測色帶反射 回來的色度值，并將色度值轉換成模擬量傳送給 AGW、車的中央控制 系統(tǒng)-PLC。當AG、車運行在

7、正確的運行軌道上時， 兩放大器反饋給 PLC模擬量的值相同，當AGV）、車偏離軌道時，兩放大器反饋給 PLC勺 值便有差別，PLC艮據(jù)兩模擬量的差值便能判斷出AGW、車偏離運行軌 道的程度及方向，并通過控制運動控制器使 AGW、車往正確的軌道運 行。色帶導引靈活性較好，地面路線設置簡單易行，但對色帶的污染和機械磨損十分敏感，對環(huán)境要求高，導引可靠性較差，精度較低。 在預定路徑導引方式中，還有電磁導引等。電磁導引是較為傳統(tǒng)的導 引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV勺行駛路徑上埋設 磁條，并在磁條上加載導引頻率。磁導航傳感器通過檢測磁條上的磁 場，便能判斷出AGV小小車的運行是否偏離軌道

8、。磁導航傳感器工作原理圖上圖為磁導航傳感器的工作原理圖，磁導航傳感器可安裝在外GV磁導航傳感器小車的底部中央卞離磁條表面 20-40mm磁條寬度為05Omn磁條度1mm磁導航傳感器內(nèi)部每隔10mn排布一個采樣點，共排布16個 采樣點， 能夠檢測出磁條上方的磁場， 每一個采樣點都有一路對應輸 出。AGV運行時，磁導航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的連續(xù)3-5個采樣點會輸出信號（如圖中磁導航傳感器上黃色條為檢測到磁場信號的 采樣點，藍色條為未能檢測出磁場的采樣點）。AGV小車的控制系統(tǒng) 便能依靠 16 路通道中輸出的 3-5 路信號，可以判斷磁條相對于磁導 航傳感器的偏離位置，自動作出調整，確保沿磁條前

9、行。擁有了運行路徑后，還需要在每個工位及節(jié)點設置位置標簽，使AGV小車在運行到特定位置時，能做出加速、減速、停車、拐彎等 動作。如在每個工位敷設不同顏色的色條， 當色標傳感器檢測出到顏 色信號時， 小車控制系統(tǒng)便能掌握小車運行的位置。 色條作為位置標 簽，使用簡單、方便，但對外部環(huán)境要求較高，容易產(chǎn)生誤檢測，可 靠性差。AGVJ、車系統(tǒng)還可以使用 RFID標簽作為位置標簽。RFID標簽能 存儲大量的位置信息，并能多次讀寫，RFID標簽的體積較小安裝方便，抗干擾能力強。RFID讀寫器安裝在AGV小車前方底部，對標簽 信息進行讀取，并通過控制系統(tǒng)控制小車的下一步動作。歐姆龍公司擁有成熟的RFID系

10、列產(chǎn)品。RFID主推產(chǎn)品有V680 系列，包括有讀寫器 V680-CA5D01-V2能讀寫ID標簽，可通過 RS232/485接口與PLC通訊；天線V680-HS63天線的讀寫距離為, ID標簽V680-D2KF67M使用FRAM用來作為存儲器，不需要電池，外 殼材質為填充樹脂，形狀為40X 40X。下圖為AGVJ、車RFID系統(tǒng)工 作原理圖。AGW、車RFID系統(tǒng)工作原理圖電磁導引引線隱蔽，不易污染和破損，便于控制，對聲光無干 擾，制造成本低。 但所有車外預定路徑導引方式都存在共同缺點是路 徑難以更改擴展， 對復雜路徑的局限性大。 與車外預定路徑導引相反， 非預定路徑導引方式?jīng)]有固定路徑，其

11、自主性更高。2）非預定路徑導引方式是指 AGVJ、車在運行中沒有固定的路徑， 其通過激光、視覺、GPS等方式，掌握運行中所處的位置，并自主地 決定行駛路徑的導引方式。其中，較常用的是激光導引方式。激光導引是在AGV亍駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGVS過激光掃描器發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束， 來確定其當前的位置和航向，并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn) AGV 的導引。激光掃描器工作示意圖非預定路徑導引方式優(yōu)點是：AGV定位精確，地面無需其他定位 設施，行駛路徑靈活多變， 適合多種現(xiàn)場環(huán)境。但它有一個很大的缺 點是制造成本高，所以在本文不作重點討論。4.AGV小車控制系統(tǒng)A

12、GVJ、車系統(tǒng)除了上文提及的運行系統(tǒng)及導引系統(tǒng)外，還需要有中央控制系統(tǒng)，它能采集導引系統(tǒng)返回的位置信息，通過運算轉換， 反作用于運行系統(tǒng)，使AGV小車能做出需要的動作。歐姆龍CP1H系列PLC便可以作為AGV小車的中央控制器，它可以接收導引系統(tǒng)返回的模擬信號或開關量信號；它可以安裝RS232RS422/485接插件，通過串行通訊方式與 RFID控制器通訊，采集ID 標簽的位置信息；它能輸出控制伺服運行的脈沖信號或模擬量信號； CP1H的編程命令較簡單，程序修改方便，而且還自帶有AGVJ、車運行中需用到的PID等高級命令。所以CP1H非常適合用于AGV小車的 中央控制器。小結AGV、車系統(tǒng)是一個較復雜、跨學科、多系統(tǒng)的運動控制課 題，因為本人知識底子較淺