孟寶星，王成勤，邢方方

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

隨著制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始規(guī)劃和實(shí)施智能制造工程，從數(shù)字化車間到智能化車間在各行各業(yè)不斷涌現(xiàn)。作為智能物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行設(shè)備。AGV，也隨之得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，適應(yīng)于各種場(chǎng)景的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)出來(lái)。按照引導(dǎo)方式劃分，AGV 小車的種類主要有直接坐標(biāo)導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、圖象識(shí)別導(dǎo)引、GPS 導(dǎo)引等[1]。

本文根據(jù)徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地改造升級(jí)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款基于SMT32 的磁導(dǎo)循跡小車，用于車間內(nèi)多區(qū)域多工位的物料運(yùn)輸。實(shí)訓(xùn)基地長(zhǎng)198 m、寬33 m，運(yùn)輸路程較遠(yuǎn)，而且實(shí)訓(xùn)材料以鋼件為主，質(zhì)量較大，為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度和對(duì)車間進(jìn)行數(shù)字化改造，開(kāi)發(fā)了一款基于SMT32 的嵌入式AGV自動(dòng)循跡小車。嵌入式系統(tǒng)具有成本低、易維護(hù)、靈活方便，循跡方式采用磁導(dǎo)式，抗干擾能力和精度較高的特點(diǎn)。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。本設(shè)計(jì)采用SMT32 作為主控制單元，利用RFⅠD 模塊、磁導(dǎo)航傳感器、避障傳感器將采集的信息傳遞給SMT32 主控制器，SMT32 根據(jù)采集的信息判斷當(dāng)前工位、小車相對(duì)于磁條的位置、有無(wú)障礙，結(jié)合小車的呼叫缺料工位，通過(guò)Ⅰ/O（輸入/輸出）模塊控制2 個(gè)輪轂電機(jī)，調(diào)節(jié)小車的行駛方向和行駛速度，使AGV 小車始終可以沿著磁條方向行進(jìn)，并將物料送到指定地點(diǎn)。物料被取走后，AGV 小車可以自動(dòng)進(jìn)行下個(gè)工位的送料動(dòng)作，或返回倉(cāng)庫(kù)中。

圖1 AGV 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 主控制單元

本設(shè)計(jì)采用SMT32 作為主控制單元。SMT32 是由意法半導(dǎo)體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種高性能控制器系列，專為高要求、低成本、低功耗的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而SMT32F4 系列具有兼容性更好、運(yùn)行速度更快的優(yōu)點(diǎn)。SMT32F4 采用了90 nm 工藝和ART 自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，頻率可達(dá)到168 MHz，提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和控制，能夠滿足本設(shè)計(jì)的控制和計(jì)算要求[2]。

1.2 電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器

本設(shè)計(jì)采用ZLTECH 智能機(jī)器人輪轂式電機(jī)作為小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)內(nèi)置編碼器、光柵、熱敏電阻等電子器件，結(jié)構(gòu)小巧、連接簡(jiǎn)便、性能優(yōu)異，能保證精確度，電機(jī)的載質(zhì)量在50 kg 以上，滿足運(yùn)載剛性材料的需求[3]。

AGV 小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用了ZLAC706 低壓伺服驅(qū)動(dòng)器控制運(yùn)行。該驅(qū)動(dòng)器支持多種控制方式及多種輸入方式，具有大峰值轉(zhuǎn)矩、低速運(yùn)行平滑、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)器電路如圖2 所示。

圖2 左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

1.3 避障傳感器

在AGV 前端安裝避障傳感器，以檢測(cè)前方物體。本文采用RPLⅠDAR A1 360°激光掃描測(cè)距雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)在二維平面12 m 范圍內(nèi)進(jìn)行360°全方位激光測(cè)距掃描，從而獲得周圍環(huán)境輪廓圖。在給子系統(tǒng)供電后，測(cè)距核心將開(kāi)始按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)掃描，精準(zhǔn)繪圖，實(shí)時(shí)避障。

1.4 磁導(dǎo)航傳感器

AGV 小車通過(guò)底部安裝的磁導(dǎo)航傳感器感應(yīng)地面的磁條，將磁條的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量信號(hào)并進(jìn)行輸出，給主控器提供所需要的磁條信號(hào)。磁帶導(dǎo)引靈活性較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)也相對(duì)簡(jiǎn)單。但此導(dǎo)引方式易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)的干擾，由于磁帶外露，易被污染難以避免機(jī)械損傷，因此導(dǎo)引的可靠性受外界因素影響較大，適合于環(huán)境條件較好、地面無(wú)金屬物質(zhì)干擾的場(chǎng)合。

D-MNSV6-X16 是專為AGV 磁條導(dǎo)航設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)航傳感器，具有16 點(diǎn)信號(hào)輸出，相鄰2 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)距離10 mm，檢測(cè)精度較高。通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器感應(yīng)到地面的磁條信號(hào)，在1—16 通道產(chǎn)生信號(hào)，將信號(hào)傳送給主控制器。磁導(dǎo)航傳感器連接電路如圖3 所示。

圖3 磁導(dǎo)航傳感器連接電路

1.5 工位讀取RFID 電路設(shè)計(jì)

AGV 底部裝有RFⅠD 讀寫(xiě)器，通過(guò)在地面設(shè)計(jì)RFⅠD 標(biāo)簽來(lái)定義AGV 運(yùn)行的工位信息。RFⅠD 讀寫(xiě)設(shè)備采用RFⅠD_485_125 低頻無(wú)線RFⅠD 讀寫(xiě)器，工作在125 kHz 低頻段，具有穿透性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)干擾要求較高的場(chǎng)合。

RFⅠD_485_125 讀寫(xiě)器采用RS485 通信接口，帶有忙閑檢測(cè)信號(hào)，既可以通過(guò)輪詢方式控制設(shè)備，也可以通過(guò)中斷模式控制。

AGV 系統(tǒng)設(shè)計(jì)一組RS485 通信接口連接RFⅠD 模塊，其連接電路如圖4 所示。

圖4 RFID 模塊連接電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件程序運(yùn)行流程圖

本軟件程序運(yùn)行流程如圖5 所示。當(dāng)某工位發(fā)生缺料情況時(shí)，工位呼叫倉(cāng)庫(kù)送料。倉(cāng)庫(kù)啟動(dòng)AGV 并設(shè)定目標(biāo)工位，AGV 啟動(dòng)后開(kāi)始沿著預(yù)先貼附的磁條前進(jìn)。AGV 每到一個(gè)工位，由RFⅠD 系統(tǒng)掃描工位磁片，將掃描得到的信息和倉(cāng)庫(kù)設(shè)定的工位信息進(jìn)行比較。信息如果相等，則停車卸料；如果不相等，說(shuō)明尚未到達(dá)指定工位，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，直到行駛至目標(biāo)工位。完成卸料后，小車根據(jù)是否有新的送料請(qǐng)求，判讀是否繼續(xù)送料或是返回倉(cāng)庫(kù)。

圖5 程序運(yùn)行流程圖

2.2 AGV 小車控制方式

本設(shè)計(jì)中AGV 小車采用的是兩級(jí)PⅠD（比例-積分-微分）串聯(lián)的形式[4]。其中第一層控制為車輪速度控制，AGV 轉(zhuǎn)向采用的是左右兩輪差速控制的方式，車速控制采用的是增量式PⅠD 控制，PⅠD 的輸出為實(shí)際電機(jī)的PWM（脈寬調(diào)制）輸出增量，輸入為電機(jī)實(shí)際要到達(dá)的速度，通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并進(jìn)行反饋。第二層控制為AGV 的尋磁位置控制，AGV通過(guò)尋磁模塊檢測(cè)AGV 在磁導(dǎo)軌上的偏移，根據(jù)AGV的車速，輸出AGV 應(yīng)該輸出的左右輪差速值，最終和AGV 本身的車速PⅠD 控制進(jìn)行串聯(lián)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)AGV的尋磁調(diào)控，其AGV 的整體控制模型如圖6 所示。

圖6 AGV 串聯(lián)PID 控制模型

3 AGV 小車通信

3.1 AGV 上位機(jī)部分

通過(guò)RS232 與AGV 網(wǎng)關(guān)通信，內(nèi)置AGV 調(diào)度控制邏輯及算法，通過(guò)以太網(wǎng)連接至MES（控制執(zhí)行系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)控制AGV 定點(diǎn)、路徑規(guī)劃監(jiān)控等功能。

3.2 AGV 網(wǎng)關(guān)控制

采用STM32 作為主控，內(nèi)置無(wú)線射頻模塊，通過(guò)RS232 連接AGV 上位機(jī)，內(nèi)置通信協(xié)議冗余算法，保證AGV 控制通信實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。

3.3 AGV 本體控制

采用STM32F103 作為主控組合，2 組閉環(huán)電機(jī)控制、12 組光電循跡導(dǎo)航、RFⅠD 定位，采用Ⅰ/O 模塊作為機(jī)器人控制部分，通過(guò)閉環(huán)馬達(dá)控制其背負(fù)傳輸帶，采用無(wú)線射頻通信。AGV 小車與上位機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 AGV 小車與上位機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖

3.4 AGV 通信協(xié)議

3.4.1 通信機(jī)制

AGV 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，由一個(gè)網(wǎng)關(guān)、多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。將網(wǎng)關(guān)視為主機(jī)，節(jié)點(diǎn)為從機(jī)，所有通信通過(guò)主機(jī)詢問(wèn)從機(jī)應(yīng)答的方式完成，一次通信一問(wèn)一答[5]。

3.4.2 協(xié)議格式

設(shè)置AGV 小車與上位機(jī)的通信格式如表1 所示。

表1 通信協(xié)議格式

根據(jù)控制需要，設(shè)置常用的命令碼如表2 所示。

表2 命令碼及功能

AGV 小車的基本信息包包括當(dāng)前模式、狀態(tài)標(biāo)志、最近一次檢測(cè)到的RFⅠD 和該卡動(dòng)作、2 個(gè)輪的速度、磁導(dǎo)航數(shù)據(jù)、測(cè)距模塊數(shù)據(jù)、2 個(gè)輪的積分、電量、傳送帶狀態(tài)等信息。

AGV 小車的狀態(tài)包括障礙物、脫離軌道、手動(dòng)急停、遠(yuǎn)程急停、完成?？?、RFⅠD 傳感器異常、測(cè)距傳感器異常、電量過(guò)低、傳送帶狀態(tài)等。

AGV 小車設(shè)置的參數(shù)包括清除設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)ⅠD、設(shè)備的ⅠD、車速、輪速PⅠD、導(dǎo)航PⅠD、避障距離、電量報(bào)警值、基本信息包使能、聲光報(bào)警開(kāi)關(guān)、避障使能開(kāi)關(guān)等。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試運(yùn)行，AGV 小車預(yù)先設(shè)定的主要功能已經(jīng)可以較好實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)度軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行路線的規(guī)劃，完成車間內(nèi)的物料輸送任務(wù)。地面布置的磁條導(dǎo)軌可以引導(dǎo)小車完成行進(jìn)、轉(zhuǎn)向、停車及掉頭等動(dòng)作。AGV 小車在運(yùn)輸過(guò)程中遇到特殊情況，如前方有障礙物、脫離軌道報(bào)警、電量不足報(bào)警等時(shí)，可以按照設(shè)定進(jìn)行下一步?jīng)Q策。

本設(shè)計(jì)為智能小車的循跡增加了一種新的思路和方法，克服了光電傳感器受強(qiáng)光影響較大的缺點(diǎn)，可應(yīng)用在灰塵、污垢和潮濕等惡劣環(huán)境中，具有一定的實(shí)用價(jià)值。