李 琳

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鶴壁 458030)

0 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫(xiě)，意即“自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)”。AGV是裝備有自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的行駛路線，具有自我保護(hù)功能，自動(dòng)準(zhǔn)確的與裝卸機(jī)構(gòu)對(duì)接，具有各種移載功能的運(yùn)輸車(chē)[1]。

第一輛AGV誕生于1953年，AGV扮演物料運(yùn)輸?shù)慕巧呀?jīng)60多年。但隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展,AGV的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展,本AGV系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)了一種基于光電感應(yīng)傳感器的無(wú)人駕駛小車(chē)系統(tǒng)方案。通過(guò)實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求,能夠廣泛運(yùn)用于工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域,具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力,很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識(shí)別能力。

AGV系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的運(yùn)輸系統(tǒng)很好的解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1) 柔韌性問(wèn)題得到解決

傳統(tǒng)的磁導(dǎo)航、色帶導(dǎo)航的柔性比較差，路徑的改變需要重新鋪設(shè)磁條、粘貼色帶，人力成本就會(huì)增加，后期還需要一系列的維護(hù)費(fèi)用。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了柔韌性問(wèn)題，維護(hù)費(fèi)用也大大降低[2]。

2) 成本預(yù)算問(wèn)題得到解決

制造業(yè)的核心問(wèn)題是降低成本，賺取利潤(rùn)，而成本主要來(lái)自于人工、材料、制造費(fèi)用。AGV控制系統(tǒng)可以很好的控制成本，使利潤(rùn)最大化，因此對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)性價(jià)比很高。

3) 精度要求問(wèn)題得到解決

高科技行業(yè)對(duì)精度要求很高，單靠人力無(wú)法與自動(dòng)裝卸機(jī)構(gòu)完美對(duì)接。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了精度問(wèn)題，因此有很好的應(yīng)用前景。

1 基于光電感應(yīng)傳感器AGV的設(shè)計(jì)要求

AGV系統(tǒng)不僅為了解決柔韌性、成本、精度三個(gè)問(wèn)題，同時(shí)也為了解決傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)落后的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的AGV系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) AGV從流水線收到貨物(行程開(kāi)關(guān)檢測(cè))-倉(cāng)庫(kù)-人工卸貨-按開(kāi)始按鈕-返回到流水線等待；

2) 來(lái)回路程：90 m，時(shí)間要求130 s，兩個(gè)拐彎處；

3) 要求放二個(gè)工件，每個(gè)30 kg，共60 kg;

4) 速度、加速度等指標(biāo)可以設(shè)置；

5) 充電由人工推到指定地點(diǎn)充；

6) 光電式檢測(cè)，地下用膠帶粘貼感應(yīng)條。

2 基于光電感應(yīng)傳感器的AGV總體設(shè)計(jì)方案

基于光電感應(yīng)傳感器的AGV總體設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1 AGV總體設(shè)計(jì)方案

2.1 傳感器

要想實(shí)現(xiàn)AGV的智能化，傳感器的信息傳遞至關(guān)重要，傳感器主要包括導(dǎo)向、速度和避障三種傳感器[3]。各傳感器在運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行各自的傳感任務(wù)，其在AGV車(chē)中裝配的位置和類(lèi)型如圖2所示。

圖2 AGV中傳感器的配置和類(lèi)型

2.1.1 速度傳感器

在AGV整個(gè)控制系統(tǒng)中，主要測(cè)量旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，如果需要測(cè)直線速度一般通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度間接測(cè)量，輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持線性關(guān)系。

2.1.2 導(dǎo)向傳感器

在本方案中導(dǎo)向傳感器為光電傳感器。光電傳感器把變量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光電元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)具有速度高、抗干擾、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，多參數(shù)同時(shí)測(cè)量，因其優(yōu)勢(shì)明顯，光電傳感器在自動(dòng)化控制中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.3 避障傳感器

在本方案中采用紅外避障傳感器(以下簡(jiǎn)稱紅外)。紅外具有一對(duì)收發(fā)器，發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物信號(hào)反射，被接收器接收，傳遞到AGV主控模塊，AGV主控模塊經(jīng)過(guò)分析處理，即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化。該傳感器對(duì)環(huán)境光線的適應(yīng)能力比較強(qiáng)。

2.2 電源

電源單元實(shí)現(xiàn)5V/24V直流輸入，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換滿足硬件電路中所需的各級(jí)電壓需求，為AGV的各個(gè)模塊提供所需的不同電壓的電源。

2.3 在線可編程與調(diào)試接口

該接口用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器開(kāi)發(fā)階段的編程與調(diào)試以及以后的軟件升級(jí)。

2.4 警報(bào)

在AGV運(yùn)行過(guò)程中，播放音樂(lè)用于避障提示等。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的AGV主要使用紅外線、轉(zhuǎn)速和光電傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括AGV的速度控制、導(dǎo)向控制與避障自我保護(hù)三個(gè)部分。下面對(duì)三個(gè)控制部分及所需傳感器作簡(jiǎn)單介紹。

3.1 速度控制

AGV運(yùn)行的速度靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)結(jié)果來(lái)推算。為了確保系統(tǒng)速度的穩(wěn)定，采用電機(jī)調(diào)速控制。當(dāng)速度不可控時(shí)，PID控制技術(shù)就成為首選，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和調(diào)試來(lái)確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，PID調(diào)節(jié)可用于直流電機(jī)控制器的算法[4]。(如圖3)。

圖3 控制原理框圖

3.2 轉(zhuǎn)向控制

工作過(guò)程中的AGV , 會(huì)因?yàn)橥饨绲母蓴_產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)路徑的偏離, 因此必須通過(guò)轉(zhuǎn)向控制保證運(yùn)行方向的正確性。軌道檢測(cè)方法欲采用有線式導(dǎo)向方法中的光電傳感器，目前預(yù)選用FR 20 RG-PSM4。通過(guò)差速對(duì)小車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。通過(guò)兩個(gè)光電傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行增減速切換控制，但如果切換頻繁會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行糾偏轉(zhuǎn)向控制的次數(shù)和幅度過(guò)多，引起AGV擺動(dòng), 甚至轉(zhuǎn)向振蕩。因此，本設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)向控制當(dāng)中欲采用Fuzzy模糊控制的手法，通過(guò)對(duì)調(diào)控量與震蕩頻率的傳遞函數(shù)的學(xué)習(xí)，來(lái)生成能夠進(jìn)一步保證AGV穩(wěn)定性的控制器。在轉(zhuǎn)彎處，通過(guò)光電檢測(cè)來(lái)預(yù)先進(jìn)入轉(zhuǎn)向狀態(tài)，通過(guò)預(yù)測(cè)前饋控制與轉(zhuǎn)向反饋控制的結(jié)合來(lái)保證AGV按軌道轉(zhuǎn)向[5]。

3.3 定?？刂?/h3>

在貨物搬運(yùn)過(guò)程中, AGV 應(yīng)能在所要求的工位或貨位上與裝卸機(jī)構(gòu)自動(dòng)準(zhǔn)確對(duì)接。裝配的配合精度是一項(xiàng)很重要的參數(shù)，而裝配精度取決于定停精度，定停精度受控于導(dǎo)向和相關(guān)控制技術(shù)。本設(shè)計(jì)當(dāng)中的定停將采用光電傳感器來(lái)檢測(cè)出停止標(biāo)志，開(kāi)始執(zhí)行停止命令，同時(shí)輔以轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)反饋來(lái)推測(cè)制動(dòng)距離，從而完成高精度定?？刂芠6]。

3.4 避障保護(hù)

安全避障模塊用于識(shí)別障礙物并通過(guò)躲避對(duì)自身進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)要求小車(chē)在距離障礙物90cm的位置開(kāi)始減速或停車(chē)，躲避障礙物。前面提到的紅外傳感器作為避障傳感器，在AGV的前部和后部各安裝一個(gè)。通過(guò)電壓信號(hào)辨別距離的遠(yuǎn)近，電壓信號(hào)輸入主控制模塊，當(dāng)檢測(cè)到距離障礙物90 cm時(shí)速度減慢同時(shí)報(bào)警，當(dāng)距離小于35 cm時(shí)小車(chē)停車(chē)。

4 主控板設(shè)計(jì)

主控板結(jié)構(gòu)如圖4所示主要由轉(zhuǎn)速傳感器接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、紅外線傳感器接口、光電傳感器接口、波形整形單元、顯示驅(qū)動(dòng)單元、液晶顯示屏、音樂(lè)單元、揚(yáng)聲器接口、矩陣鍵盤(pán)、鍵盤(pán)接口單元、啟動(dòng)停止按鈕和微控制器(MCU)等組成[7]。

圖4 主控板結(jié)構(gòu)

◆電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口：設(shè)計(jì)中提供了四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口，兩個(gè)供目前使用，另外兩個(gè)供以后擴(kuò)展功能使用。

◆顯示驅(qū)動(dòng)單元：顯示驅(qū)動(dòng)單元負(fù)責(zé)為顯示系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

◆液晶顯示屏：液晶顯示屏顯示人機(jī)交互的相關(guān)信息。

◆音樂(lè)單元：音樂(lè)單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生提示音樂(lè)。

◆揚(yáng)聲器接口：揚(yáng)聲器接口負(fù)責(zé)連接揚(yáng)聲器。

◆矩陣鍵盤(pán)：矩陣鍵盤(pán)提供0-9的數(shù)字鍵和相應(yīng)的操作按鍵，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互。

◆啟動(dòng)/停止按鈕：?jiǎn)?dòng)停止按鈕負(fù)責(zé)啟動(dòng)和停止小車(chē)工作。

◆微處理器(MCU)：微控制器主要處理傳感器信號(hào)、控制算法、按鍵的信號(hào)處理等。

5 軟件體系設(shè)計(jì)

5.1 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互的軟件部分主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶的按鍵進(jìn)行識(shí)別并作相應(yīng)的處理、同時(shí)在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的提示。在用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，可以顯示相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置菜單和參數(shù)的設(shè)置值、用戶可用上下箭頭按鍵移動(dòng)、用Enter鍵進(jìn)入相應(yīng)的菜單、用數(shù)字鍵設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。設(shè)置完之后可通過(guò)Menu鍵使設(shè)置的參數(shù)生效。

5.2 控制算法設(shè)計(jì)

控制算法主要根據(jù)各傳感器感知的信號(hào)采用PID控制算法，控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及啟動(dòng)停止等工作狀態(tài)，同時(shí)在檢測(cè)到障礙物時(shí)能夠停止并進(jìn)行報(bào)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于光電傳感器的AGV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。伴隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，AGV行業(yè)發(fā)展前景光明，尤其是對(duì)人體有害的工作環(huán)境。AGV技術(shù)已經(jīng)滲入到我們的日常生活中，憑借其自身的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。