AGV小車設(shè)計(jì)應(yīng)用

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1、 AGV小車設(shè)計(jì)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(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（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)各類物料，為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運(yùn)行提供了重要保證。 A

2、GV小車構(gòu)成系統(tǒng)圖 AGV小車有三個(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小車的三個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)。 2.AGV小車運(yùn)行系統(tǒng) AGV小車運(yùn)行系統(tǒng)是由車輪、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小車是能夠前進(jìn)、后退及回轉(zhuǎn)全方位運(yùn)動(dòng)。AGV小車能夠進(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)三輪車型。 車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)分別由兩個(gè)不同的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，車體的前部為轉(zhuǎn)向車輪，車體后部為驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩

3、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)三輪車型 2) 差速轉(zhuǎn)向式四輪車型。 車體的中部有兩個(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)控制中部?jī)蓚€(gè)輪的速度比可實(shí)現(xiàn)車體的轉(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)向式四輪車型 3) 全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型。 車體的前后部各有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向一體化車輪，每個(gè)車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。

4、 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(dòng)車輪由兩伺服驅(qū)動(dòng)器控制，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變兩車輪的速度大小、方向，實(shí)現(xiàn)AGV小車的前進(jìn)、后退、加減速及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。 AGV小車通過(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小車的轉(zhuǎn)向及糾偏？下面，我們首先了解一下差速轉(zhuǎn)向式四輪車的運(yùn)動(dòng)模型。 Vr Vl AGV小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及偏差示意圖 圖中虛線表示的車體為初始位姿，實(shí)線表示的車體是在和初始時(shí)差為Δt時(shí)的位姿。AGV

5、車子的左輪運(yùn)行速度為Vr、右輪為Vl，AGV小車沿著A點(diǎn)作圓弧運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑為d?？梢缘茫? ① AGV小車運(yùn)動(dòng)偏移弧度為Δθ，容易得： ② 由??式可得AGV小車運(yùn)動(dòng)偏移弧度Δθ與左右輪的速度關(guān)系式： ③ AGV小車在做圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，在X軸上的變化量是ΔX，在Y軸上的變化量是ΔY，ΔX、ΔY與轉(zhuǎn)彎半徑d的關(guān)系為： ④ ⑤ 將①式代入④⑤式，可以得出ΔX、ΔY與左右輪運(yùn)行速度的關(guān)系式： ⑥ ⑦ 所以，通過(guò)改變Vr及Vl可以實(shí)現(xiàn)AGV

6、小車糾偏，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小車在運(yùn)行過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)器需要提供不同的力矩，AGV小車才能運(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)以及更好的停車制動(dòng)功能。所以，伺服控制器作為AGV小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用是更為適合。 3. AGV小車導(dǎo)引系統(tǒng) AGV小車能自動(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：

7、車外預(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，AGV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-DA□AN-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AGV小車的中央控制系統(tǒng)--PLC。當(dāng)AGV小車運(yùn)行在正

8、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小車偏離軌道時(shí)，兩放大器反饋給PLC的值便有差別，PLC根據(jù)兩模擬量的差值便能判斷出AGV小車偏離運(yùn)行軌道的程度及方向，并通過(guò)控制運(yùn)動(dòng)控制器使AGV小車往正確的軌道運(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的行駛路徑上埋設(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小車的運(yùn)行是否偏離軌道。 磁條 磁導(dǎo)航傳感

9、器 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AGV小車的底部中央，距離磁條表面20-40mm，磁條寬度為30-50mm，厚度1mm。磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部每隔10mm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

10、傳感器的偏離位置，自動(dòng)作出調(diào)整，確保沿磁條前行。 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小車在運(yùn)行到特定位置時(shí)，能做出加速、減速、停車、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)，小車控制系統(tǒng)便能掌握小車運(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。 AGV小車系統(tǒng)還可以使用RFID標(biāo)簽作為位置標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽?zāi)艽鎯?chǔ)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(qiáng)。RFID讀寫器安裝在AGV小車前方底部，對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，并通過(guò)控制系統(tǒng)控制小車的下一步動(dòng)作。

11、 歐姆龍公司擁有成熟的RFID系列產(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(guò)RS232/485接口與PLC通訊；天線V680-HS63，天線的讀寫距離為7.0~30.0mm，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)為填充樹脂，形狀為40404.5mm。下圖為AGV小車RFID系統(tǒng)工作原理圖。 AGV小車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(duì)聲光無(wú)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(diǎn)是路徑難以更改擴(kuò)

12、展，對(duì)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，其自主性更高。 2）非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指AGV小車在運(yùn)行中沒有固定的路徑，其通過(guò)激光、視覺、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行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過(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

13、，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小車控制系統(tǒng) AGV小車系統(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小車能做出需要的動(dòng)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(hào)或開關(guān)量信號(hào)；它可以安裝RS232、RS422/485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AGV小車運(yùn)行中需用到的PID等高級(jí)命令。所以CP1H非常適合用于AGV小車的中央控制器。 小結(jié) AGV小車系統(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，本文對(duì)AGV各系統(tǒng)的介紹都是很表面及簡(jiǎn)單，離實(shí)現(xiàn)AGV小車控制還有很遠(yuǎn)的距離。以后我還需要研究“如何通過(guò)模糊PID控制AGV小車兩輪的速度差，使AGV小車的運(yùn)行更穩(wěn)定”、“AGV小車在各運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的力矩情況”、“如何使用梯形圖編寫AGV小車運(yùn)行程序”等課題，使AGV小車設(shè)計(jì)及應(yīng)用更趨完善。