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文檔簡介
1、AGV小車設(shè)計及應(yīng)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(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點,自動 導(dǎo)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(shè)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(gòu)成系統(tǒng)圖AGVJ、車有三個關(guān)鍵系統(tǒng),運行系統(tǒng)、導(dǎo)引系統(tǒng)、控制系統(tǒng),其 它還包括有路線系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等。本文著重介紹AGV小車的三 個關(guān)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(shè)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(zhuǎn)全方位運動。本次研究的 AGV小 車是能夠前進、后退及回轉(zhuǎn)全方位運動。AGV、車能夠進行回轉(zhuǎn)運動 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)動三輪車型。 車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動分別由兩個不 同的電動機帶動, 車體的前部為轉(zhuǎn)向車輪, 車體后部為驅(qū)動電機驅(qū)動 的兩個輪。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但定位精度較低。前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動三輪車型2)差速轉(zhuǎn)向式四輪車型。 車體的中部有兩個驅(qū)動輪,由兩個電 機分別驅(qū)動。前后部各有一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向,并實現(xiàn)前后雙向行駛和轉(zhuǎn)向。這種方式 結(jié)構(gòu)簡單,定位精度較高。差速轉(zhuǎn)向式四輪車型3)全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型。車體的前后部各有兩個驅(qū)動和轉(zhuǎn)向一 體化車輪,每個車輪分別由各自的電動機驅(qū)動,可實現(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)向式四輪車型。 兩驅(qū)動車輪由兩伺服驅(qū)動器控制,伺服驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動輪的速度差,實現(xiàn)AGV小車的轉(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(zhuǎn)彎半徑為d。可以得:R 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(guān)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(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、 丫與左右輪運行速度的關(guān)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(zhuǎn)向等運動控制驅(qū)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(zhuǎn)矩控制。在 AGV小車的運動模型中,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小車在運行過程中,驅(qū)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(dǎo)引系統(tǒng)AG小車能自動運行,需要有導(dǎo)引裝置。常用的導(dǎo)引方式分為兩大類:車外預(yù)定路徑和非預(yù)定路徑方式。下面對兩種方式分別作介紹。1)車外預(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通過檢測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,它們同時檢測色帶反射 回來的色度值,并將色度值轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給 AGW、車的中央控制 系統(tǒng)-PLC。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)引靈活性較好,地面路線設(shè)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(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(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(yīng)輸 出。AGV運行時,磁導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo) 航傳感器的偏離位置,自動作出調(diào)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(shè)置位置標(biāo)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(shè)不同顏色的色條, 當(dāng)色標(biāo)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(biāo) 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(biāo)簽作為位置標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽?zāi)?存儲大量的位置信息,并能多次讀寫,RFID標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽V680-D2KF67M使用FRAM用來作為存儲器,不需要電池,外 殼材質(zhì)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(dǎo)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(yù)定路徑導(dǎo)引方式都存在共同缺點是路 徑難以更改擴展, 對復(fù)雜路徑的局限性大。 與車外預(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(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(dāng)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(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)點是:AGV定位精確,地面無需其他定位 設(shè)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(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,通過運算轉(zhuǎn)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(dǎo)引系統(tǒng)返回的模擬信號或開關(guān)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(biāo)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(jié)AGV、車系統(tǒng)是一個較復(fù)雜、跨學(xué)科、多系統(tǒng)的運動控制課 題,因為本人知識底子較淺
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