AGV小車(chē)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、AGV小車(chē)設(shè)計(jì)及應(yīng)用1. AGV 小車(chē)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(jiǎn)單的工作中解放出來(lái)。機(jī)器人逐漸替代了人出現(xiàn)在各個(gè)工作崗位 上。機(jī)器人具有可編程、可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點(diǎn)，自動(dòng) 導(dǎo)向小車(chē)（Automated Guided Vehicle 簡(jiǎn)稱AGV便是移動(dòng)機(jī)器人 的一種，是現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備， 主要為儲(chǔ)運(yùn)各類(lèi)物料， 為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運(yùn)行提供了重要保證。AGVb車(chē)構(gòu)成系統(tǒng)圖AGVJ、車(chē)有三個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，運(yùn)行系統(tǒng)、導(dǎo)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(hù)系統(tǒng)等。本文著重介紹AGV小車(chē)的三 個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)。小車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)AG

2、VJ、車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)是由車(chē)輪、減速器、制動(dòng)器、電機(jī)及速度控制 器等部分組成。AGV小車(chē)常設(shè)計(jì)成三種運(yùn)動(dòng)方式：只能向前；能向前 與向后；能縱向、橫向、斜向及回轉(zhuǎn)全方位運(yùn)動(dòng)。本次研究的 AGV小 車(chē)是能夠前進(jìn)、后退及回轉(zhuǎn)全方位運(yùn)動(dòng)。AGV、車(chē)能夠進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 需要有轉(zhuǎn)向裝置。轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有三種：1）前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)三輪車(chē)型。 車(chē)的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)分別由兩個(gè)不 同的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)， 車(chē)體的前部為轉(zhuǎn)向車(chē)輪， 車(chē)體后部為驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 的兩個(gè)輪。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但定位精度較低。前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)三輪車(chē)型2）差速轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)型。 車(chē)體的中部有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，由兩個(gè)電 機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。前后部各有一個(gè)轉(zhuǎn)向輪（自由輪）。通過(guò)控制

3、中部?jī)蓚€(gè)輪 的速度比可實(shí)現(xiàn)車(chē)體的轉(zhuǎn)向，并實(shí)現(xiàn)前后雙向行駛和轉(zhuǎn)向。這種方式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度較高。差速轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)型3）全輪轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)型。車(chē)體的前后部各有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向一 體化車(chē)輪，每個(gè)車(chē)輪分別由各自的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)沿縱向、橫向、 斜向和回轉(zhuǎn)方向任意路線行走，控制較復(fù)雜。全輪轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)型從成本及系統(tǒng)應(yīng)用考慮，本文著重介紹差速轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)型。 兩驅(qū)動(dòng)車(chē)輪由兩伺服驅(qū)動(dòng)器控制，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變兩車(chē)輪的速度 大小、方向，實(shí)現(xiàn)AGW、車(chē)的前進(jìn)、后退、加減速及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。AGVJ、車(chē)通過(guò)伺服控制，很容易實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及加減速， 但如 何通過(guò)改變兩驅(qū)動(dòng)輪的速度差，實(shí)現(xiàn)AGV小車(chē)的轉(zhuǎn)向及糾偏下面，我

4、們首先了解一下差速轉(zhuǎn)向式四輪車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型。AGV、車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及偏差示意圖時(shí)差為 t時(shí)的位姿。AGV車(chē)子的左輪運(yùn)行速度為 Vr、右輪為V, AGV vr小車(chē)沿著A點(diǎn)作圓弧運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑為d?？梢缘茫篟 Vl Vrd圖中虛線表示的車(chē)體為初始位姿，實(shí)線表示的車(chē)體是在和初始2 Vl VrAGV、車(chē)運(yùn)動(dòng)偏移弧度為容易得：Vl Vr-t2VI由式可得AGV、車(chē)運(yùn)動(dòng)偏移弧度與左右輪的速度關(guān)系式:Vl VrAGVJ、車(chē)在做圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(zhuǎn)彎半徑d的關(guān)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(yùn)行速度的關(guān)系式:R

5、VlVr .sin2 Vl VrRVl Vrcos所以，通過(guò)改變Vr及V可以實(shí)現(xiàn)AGW、車(chē)糾偏，轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)輪的變速控制，有多種方法可選擇，包括變頻器控制、步進(jìn)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(zhuǎn)矩控制。在 AGV小車(chē)的運(yùn)動(dòng)模型中，其有干摩擦力矩、慣性轉(zhuǎn)矩、粘性摩擦力矩、重力力矩、彈性力矩等。所以AGV小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)器需要提供不同的力矩， AGW、車(chē)才能 運(yùn)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(hù)等級(jí)以及更好的停車(chē)制動(dòng)功能。所以,伺服控制器作為AGV小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用是更為適合。

6、3.AGV小車(chē)導(dǎo)引系統(tǒng)AG小車(chē)能自動(dòng)運(yùn)行，需要有導(dǎo)引裝置。常用的導(dǎo)引方式分為兩大類(lèi)：車(chē)外預(yù)定路徑和非預(yù)定路徑方式。下面對(duì)兩種方式分別作介紹。1）車(chē)外預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AG通過(guò)檢測(cè)出它的信息而得到導(dǎo)向的導(dǎo)引方式，如電磁導(dǎo)引、色帶導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引（又稱磁性導(dǎo)引）等。 色帶導(dǎo)引示意圖上圖為光學(xué)導(dǎo)引示意圖，這種導(dǎo)引方式是在地面上連續(xù)敷設(shè)一 條帶顏色的帶子，在車(chē)輛的底部中央安裝光源以及在兩邊安裝相同的 色標(biāo)傳感器（如歐姆龍產(chǎn)品E3X-DA1AN-S,它們同時(shí)檢測(cè)色帶反射 回來(lái)的色度值，并將色度值轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給 AGW、車(chē)的中央控制 系統(tǒng)-PLC。當(dāng)AG、車(chē)運(yùn)行在

7、正確的運(yùn)行軌道上時(shí)， 兩放大器反饋給 PLC模擬量的值相同，當(dāng)AGV）、車(chē)偏離軌道時(shí)，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(chē)偏離運(yùn)行軌 道的程度及方向，并通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)控制器使 AGW、車(chē)往正確的軌道運(yùn) 行。色帶導(dǎo)引靈活性較好，地面路線設(shè)置簡(jiǎn)單易行，但對(duì)色帶的污染和機(jī)械磨損十分敏感，對(duì)環(huán)境要求高，導(dǎo)引可靠性較差，精度較低。 在預(yù)定路徑導(dǎo)引方式中，還有電磁導(dǎo)引等。電磁導(dǎo)引是較為傳統(tǒng)的導(dǎo) 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(shè) 磁條，并在磁條上加載導(dǎo)引頻率。磁導(dǎo)航傳感器通過(guò)檢測(cè)磁條上的磁 場(chǎng)，便能判斷出AGV小小車(chē)的運(yùn)行是否偏離軌道

8、。磁導(dǎo)航傳感器工作原理圖上圖為磁導(dǎo)航傳感器的工作原理圖，磁導(dǎo)航傳感器可安裝在外GV磁導(dǎo)航傳感器小車(chē)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(dǎo)航傳感器內(nèi)部每隔10mn排布一個(gè)采樣點(diǎn)，共排布16個(gè) 采樣點(diǎn)， 能夠檢測(cè)出磁條上方的磁場(chǎng)， 每一個(gè)采樣點(diǎn)都有一路對(duì)應(yīng)輸 出。AGV運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的連續(xù)3-5個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)輸出信號(hào)（如圖中磁導(dǎo)航傳感器上黃色條為檢測(cè)到磁場(chǎng)信號(hào)的 采樣點(diǎn)，藍(lán)色條為未能檢測(cè)出磁場(chǎng)的采樣點(diǎn)）。AGV小車(chē)的控制系統(tǒng) 便能依靠 16 路通道中輸出的 3-5 路信號(hào)，可以判斷磁條相對(duì)于磁導(dǎo) 航傳感器的偏離位置，自動(dòng)作出調(diào)整，確保沿磁條前

9、行。擁有了運(yùn)行路徑后，還需要在每個(gè)工位及節(jié)點(diǎn)設(shè)置位置標(biāo)簽，使AGV小車(chē)在運(yùn)行到特定位置時(shí)，能做出加速、減速、停車(chē)、拐彎等 動(dòng)作。如在每個(gè)工位敷設(shè)不同顏色的色條， 當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測(cè)出到顏 色信號(hào)時(shí)， 小車(chē)控制系統(tǒng)便能掌握小車(chē)運(yùn)行的位置。 色條作為位置標(biāo) 簽，使用簡(jiǎn)單、方便，但對(duì)外部環(huán)境要求較高，容易產(chǎn)生誤檢測(cè)，可 靠性差。AGVJ、車(chē)系統(tǒng)還可以使用 RFID標(biāo)簽作為位置標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽?zāi)?存儲(chǔ)大量的位置信息，并能多次讀寫(xiě)，RFID標(biāo)簽的體積較小安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)。RFID讀寫(xiě)器安裝在AGV小車(chē)前方底部，對(duì)標(biāo)簽 信息進(jìn)行讀取，并通過(guò)控制系統(tǒng)控制小車(chē)的下一步動(dòng)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(xiě)器 V680-CA5D01-V2能讀寫(xiě)ID標(biāo)簽，可通過(guò) RS232/485接口與PLC通訊；天線V680-HS63天線的讀寫(xiě)距離為, ID標(biāo)簽V680-D2KF67M使用FRAM用來(lái)作為存儲(chǔ)器，不需要電池，外 殼材質(zhì)為填充樹(shù)脂，形狀為40X 40X。下圖為AGVJ、車(chē)RFID系統(tǒng)工 作原理圖。AGW、車(chē)RFID系統(tǒng)工作原理圖電磁導(dǎo)引引線隱蔽，不易污染和破損，便于控制，對(duì)聲光無(wú)干 擾，制造成本低。 但所有車(chē)外預(yù)定路徑導(dǎo)引方式都存在共同缺點(diǎn)是路 徑難以更改擴(kuò)展， 對(duì)復(fù)雜路徑的局限性大。 與車(chē)外預(yù)定路徑導(dǎo)引相反， 非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式?jīng)]有固定路徑，其

11、自主性更高。2）非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指 AGVJ、車(chē)在運(yùn)行中沒(méi)有固定的路徑， 其通過(guò)激光、視覺(jué)、GPS等方式，掌握運(yùn)行中所處的位置，并自主地 決定行駛路徑的導(dǎo)引方式。其中，較常用的是激光導(dǎo)引方式。激光導(dǎo)引是在AGV亍駛路徑的周?chē)惭b位置精確的激光反射板，AGVS過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束， 來(lái)確定其當(dāng)前的位置和航向，并通過(guò)連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn) AGV 的導(dǎo)引。激光掃描器工作示意圖非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式優(yōu)點(diǎn)是：AGV定位精確，地面無(wú)需其他定位 設(shè)施，行駛路徑靈活多變， 適合多種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。但它有一個(gè)很大的缺 點(diǎn)是制造成本高，所以在本文不作重點(diǎn)討論。4.AGV小車(chē)控制系統(tǒng)A

12、GVJ、車(chē)系統(tǒng)除了上文提及的運(yùn)行系統(tǒng)及導(dǎo)引系統(tǒng)外，還需要有中央控制系統(tǒng)，它能采集導(dǎo)引系統(tǒng)返回的位置信息，通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換， 反作用于運(yùn)行系統(tǒng)，使AGV小車(chē)能做出需要的動(dòng)作。歐姆龍CP1H系列PLC便可以作為AGV小車(chē)的中央控制器，它可以接收導(dǎo)引系統(tǒng)返回的模擬信號(hào)或開(kāi)關(guān)量信號(hào)；它可以安裝RS232RS422/485接插件，通過(guò)串行通訊方式與 RFID控制器通訊，采集ID 標(biāo)簽的位置信息；它能輸出控制伺服運(yùn)行的脈沖信號(hào)或模擬量信號(hào)； CP1H的編程命令較簡(jiǎn)單，程序修改方便，而且還自帶有AGVJ、車(chē)運(yùn)行中需用到的PID等高級(jí)命令。所以CP1H非常適合用于AGV小車(chē)的 中央控制器。小結(jié)AGV、車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)較復(fù)雜、跨學(xué)科、多系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制課 題，因?yàn)楸救酥R(shí)底子較淺