淺談AGV轉運系統在高功率固體激光裝置中的應用

黎沁++高東++蘇春洲++劉飛+范乃吉

摘 要：AGV（Automatic Guided Vehicle）轉運系統是移動式機器人的一個重要分支，具有高自動化程度、應用靈活、安全可靠、無人操作、施工簡單及維護方便等諸多優點，被廣泛應用于汽車制造業、煙草行業、工程機械行業、機場等物資運輸場所。該文主要從設計要求、基本結構以及關鍵技術等方面對應用于某高功率固體激光裝置中的AGV轉運系統進行介紹，為后續相關領域的研究提供了參考。

關鍵詞：AGV 高功率固體激光裝置 轉運系統

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0064-04

大型高功率固體激光裝置如美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的點火裝置（其功率高達W）所需的大口徑光學元件數目數以千計，且種類繁多、規格不一。根據這些光學元件的不同功能、結構、裝校及維護特性，需將其與一定的機械件組合構成各類模塊形成在線可替換單元（LRU）。根據模塊在光路中的不同位置、安裝方式和基于光機潔凈精密裝校的考慮，模塊主要分為下裝模塊（即模塊從下往上安裝到激光裝置中）和側裝模塊（即模塊側面裝到激光裝置中）。兩類模塊均是高功率固體激光裝置中的重要關鍵件，其安裝和拆卸的精度、潔凈度和效率，均直接影響激光系統準直度、元件損傷風險、輸出光束質量和高功率固體激光裝置的工作效率。

而AGV轉運系統作為一種自動化物料搬運設備，以其具有的高自動化程度、應用靈活、安全可靠、無人操作、施工簡單及維護方便等諸多優點，被廣泛應用于汽車制造業、煙草行業、工程機械行業、機場等物資運輸場所。基于上述原因，該所聯合重慶大學一同研制了該文介紹的應用于某高功率固體激光裝置的AGV轉運系統。

1 AGV轉運系統的設計要求

為實現高功率固體激光裝置中所有下裝類模塊的安裝、拆卸及其在潔凈間與激光大廳各模塊位置之間的運輸，同時滿足模塊裝卸全過程的功能及潔凈度要求以確保模塊能夠準確安裝到位并在整個裝接過程中不被污染，AGV轉運系統的設計要求如表1所示。

2 AGV轉運系統的基本結構

為滿足上述設計要求，該套AGV轉運系統主要由導航控制系統、車架、能源系統、驅動單元等組成，其結構圖如圖1所示。

2.1 車體

AGV轉運系統的車體主要是由車架（如圖2所示）、安裝在車架上的萬向輪和電控柜組成，其主要是在整個轉運系統中起承載作用。車體的機械調試需要滿足在焊接和校正表面處理后外形尺寸滿足不大于2 000 mm×2 000 mm×1 400 mm；最小回轉半徑為1 000 mm；最低點離地面高度不大于30 mm；蓄電池單次充電時間不大于12 h，連續工作時間不小于8 h；滿負載2 500 kg的條件下爬坡能力為2%（5 m）。

2.2 驅動單元

AGV轉運系統的驅動單元主要由驅動電機、減速器、彈簧和折彎板組成，其結構圖如圖3所示。AGV轉運系統共有兩個驅動單元，每個驅動單元都是由兩個伺服電機進行控制的。通過特定的運動算法的實現來控制電機的運動，4個電機的耦合運動來實現系統所需要的運動。在調試過程中需要滿足：直、側行額定速度為0.5 m/s；啟動和制動過程中加速度不大于0.1 m/s2；能夠實現自動引導定位，AGV小車的整體定位誤差不大于5 mm。

3 AGV轉運系統的關鍵技術

為滿足高功率固體激光裝置的裝校要求，在AGV轉運系統的設計過程中主要解決了以下3個關鍵技術：自主定位及導航技術、控制技術以及安全防護技術。

3.1 AGV轉運系統的自主定位及導航技術

雖然AGV轉運系統的導航方式很多，但目前得到應用或具有應用前景的導引方式主要包括以下9種類型：電磁感應導航技術、激光導航技術、慣性導航技術、光帶感應導航技術、磁力感應導航技術、直接坐標導航技術、圖像識別導航技術、GPS導航技術以及超聲波導航技術。

由于激光導航技術具有定位精度高、地面無需其他輔助定位、路徑靈活、變更方便、適合多種環境、適應復雜路徑和狹窄通道以及系統兼容性和擴展性好等優點，該套AGV轉運系統最終采用的導航技術為激光導航技術。

該種導航方式的基本工作原理：在AGV轉運系統行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，然后利用安裝在AGV轉運系統上的激光導航儀發射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回來的信號，再根據三角幾何運算來確定其當前的位置和方向，最終實現AGV轉運系統的定位及導航，其導航示意圖如圖4所示。

3.2 AGV轉運系統的控制技術

AGV控制系統是AGV轉運系統的核心，其主要負責完成人機交互、路徑規劃、任務執行、定位和導航控制、電源管理、自主避障、安全信息提示以及反饋AGV轉運系統當前狀態等任務。AGV控制系統的性能和可靠性直接影響了AGV轉運系統的性能和可靠性。

該系統采用工業控制微機作為主控制器，安裝了Windows XP操作系統，以Microsoft Visual C++ 6.0作為開發平臺，使用MFC進行程序開發。在系統程序的編寫過程中，考慮到Windows系統是搶先式的多任務操作系統，因此在實時控制系統中，采用多線程技術編程，提高程序響應實時操作的能力。

該系統主要包括如下7個模塊，已完成對AGV轉運系統的控制，其結構圖如圖5所示。

（1）數據庫模塊：存儲目標點坐標和角度信息，并提供編輯和查看功能。

（2）連接控制器模塊：連接運動控制器，與運動控制器通信。

（3）連接導航儀模塊：與導航儀通信，處理導航數據。

（4）主控制模塊：AGV 3種主要控制模式。

（5）自動導航：通過激光導航儀數據，在指定區域，控制小車自動到達目標點。

（6）手動控制：用戶直接在屏幕上控制小車運動。

（7）手操器控制（對應串口通信）：利用手操器控制小車運動。

3.3 AGV轉運系統的安全防護技術

安全防護技術是保證AGV轉運系統正常運行的重要問題之一。該系統采用的是非接觸式兩級安全防護技術，利用均勻分布在AGV轉運系統四周的8個超聲波雷達實時檢測AGV轉運系統周圍的障礙物狀況。

當超聲波雷達檢測到一定距離范圍內的障礙物時，系統會測量出實時的接近速度，并通過控制器控制AGV轉運系統以合適的速度運行，減小慣性，并同時閃爍位于車體上方的兩個紅色報警器以提示操作人員注意。當超聲波雷達檢測到更近距離范圍內的障礙物時，系統會迫使AGV轉運系統停機，以保護系統的安全。緊急或意外情況下，操作人員也可以利用緊急按鈕迫使AGV轉運系統在短距離內及時停止運動。

4 結語

該文通過對應用于某大型高功率固體激光裝置中的AGV轉運系統的研究，介紹了該系統的主要設計要求、基本構成及在研制過程中遇到的3個關鍵技術。目前，該系統已經投入使用4年，各項性能指標良好，為后續相關領域的AGV轉運系統的開發和應用提供了一定參考。

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