基于激光導航路徑識別的實驗室自動引導小車（AGV）設計

胡艷

（廣西財經學院，廣西南寧530003）

基于激光導航路徑識別的實驗室自動引導小車（AGV）設計

胡艷

（廣西財經學院，廣西南寧530003）

AGV實訓過程中因導航產生的故障亟待進行技術攻關，本文闡述激光定位與制導的基本原理，并應AGV基本功能和實訓教學之需，提出了基于激光導航路徑識別AGV硬件和軟件系統的設計方案，并對激光導航AGV的實訓應用提出展望性構思。

激光；導航；AGV

為提高學生的動手能力，滿足學生實訓需要，設置機械工程、物流和信息智能等專業的高職院校均創建了實訓實驗室，作為機械工程自動化、物流處理信息化關鍵設備的AGV，則是實訓室的重要實驗設備，對AGV的操控性能的研究不僅具有重要的理論意義，更具有重要的提升實訓效果的現實意義。

1 自動引導小車（AGV）在實訓中存在問題

1.1 AGV介紹

AGV是一種裝備電子信息控制系統和自動導航系統，能導向行使、自動尋址和移交載荷，實現程控或無人駕駛的運輸設備。AGV由于其靈活性、智能化和高效便捷的優勢，得到越來越廣泛的應用，現已成為柔性制造系統的重要設備，也是現代工業自動化物流系統中的關鍵設備之一[1]。

就實訓室的AGV而言，其通常采用四輪式電力驅動模式，通過電子信息控制系統的指令，借助導航系統引導在指定的區域和軌道內移動機械體，實現物料傳送或搬運貨物的自動化。一般而言，AGV系統構造包括電子信息控制系統、通訊系統、導航系統、電源（動力）系統、機械體組成。如圖1所示。

圖1 AGV系統結構圖

1.2 AGV在實訓中的常見故障

通常而言，實訓室中的AGV（實訓版AGV）是應專業設置的需求，按照工業領域的AGV進行縮小設計制造而成。由于設計產生的缺陷和技術尚未攻克的難關所致，AGV在實際運行過程中時常發生一些故障。總體來說，實訓版AGV小車的常見故障有如下幾種：

一是，AGV對任何操作程序和操作按鈕無反應，即進入所謂的死機狀態；

二是，AGV讀取指令錯誤，啟動或停止時間有誤，發生車體碰撞；

三是，因通訊出錯，無法接收操作程序指令，通常有“ERROR”字樣顯示，并伴隨“滴……”的報警聲；

四是，因導航程序出錯或導航失靈，AGV在導航行走過程中上線失敗或地標丟失。

據筆者的實訓教學實踐，導航程序出錯或導航失靈導致的故障占故障總發生率的67%.改進導航技術，實現AGV按指令順利行走成為提高實訓教學效果的迫切之需。激光導航由于其精準性成為改進AGV導航性能首選。

2 激光導航原理

2.1 激光定位原理

激光定位是實現激光路徑導航的重要前提。簡單而言，激光定位就是利用AGV機械體上裝配的高分辨率激光掃描儀或激光雷達等光源傳感設備進行地標掃描，并將掃描獲得的光信號進行精確計算，以確定AGV的位置和方向，從而進行路徑規劃和導向的定位模式。通常進行激光定位時，需要在目標環境中設定若干路標，并基于這些固定的路標，建立坐標系，同時，以激光傳感設備轉動中心建立傳感設備坐標，記錄激光傳感設備描一周所形成的夾角，經精確計算得出目標所處坐標的具體位置。激光定位原理如圖2所示。

圖2 激光定位系統原理

2.2 導航控制原理

無論是工業領域還是實訓室中的AGV，一般而言，其行走路徑大多數為直線，即便是行走路徑中的轉彎，均通過長距離的修改簡化為直線路徑進行代替。正因如此，要對AGV進行導航控制其實就是要對AGV機體運行路徑過程中的位置偏差和航向偏差進行控制[2]。

具體而言，AGV在具體特定區域范圍內行走時，附在其載體上的激光傳感設備對其當前位置和環境以及目標位置和環境進行激光掃描探測，并實時輸出高精度位置坐標信號，以位置坐標為基數進行精準定位，經過精確計算并形成導航路徑信號，最后由電子信息控制系統和通訊系統向AGV下達指令信號，控制AGV載體左右兩輪速度與方向，使其沿著預先設定的路徑運行。如圖3所示。

圖3 導航控制原理

3 基于激光導航自動引導小車（AGV）系統設計

3.1 硬件系統設計方案

自動引導小車（AGV）的功能需求和工作環境決定了其設計理念和設計方案，但不論用于何種領域，激光導航自動引導小車（AGV）均包括五個核心部分，即AGV嵌入式微計算機、智能控制系統、導航系統等、無線通信系統以及動力驅動系統。其中，控制系統類似于人類大腦，是最核心的部分；導航系統類似于人類感官，主要滿足AGV內外環境感知與運動操控；無線通信系統主要用于下達控制命令；動力驅動系統主要為滿足驅動AGV機械體之需要，使其能行走自如[3]。激光導航機器人硬件設計方案如圖4所示。

圖4 激光導航AGV硬件設計方案

3.2 軟件系統設計方案

軟件系統的設計必須緊緊圍繞AGV功能需求，使其功能得以充分的實現[4]。根據實訓AGV的需求和硬件設計方案，筆者將軟件設計方案思路鎖定為：AGV軟件系統盡可能簡單實用，同時必須滿足對AGV機械體驅動器、無線通信系統、光電傳感器等硬件系統的控制（包括初始化、控制信號的輸出和返回信號的獲取等），還要實現包括對信息顯示、傳感器信號的處理和模糊控制算法等。

按照這一思路，將AGV軟件系統進行模塊化設計，即AGV軟件系統由系統主程序和各功能子程序組成[5]。主程序主要完成系統初始化、界面的顯示（包括模式選擇界面和模式信息界面等）、各模式之間的切換等功能。各功能子程序主要包括信號獲取和讀取、激光傳感位置獲取、激光導航位置信息顯示、模糊控制算法和自動驅動等子程序[6]。激光導航AGV軟件系統設計方案如圖5所示。

圖5 激光導航機器人軟件系統設計方案

4 激光導航AGV實訓應用測試

4.1 光掃描導引

沿著路徑從高處用光束進行掃描，計算機根據光信息（掃描角度以及掃描裝置標號），精密檢測出AGV現在的位置（如圖6所示）。這種方法路徑變換容易，掃描方式最簡單。

圖6 光掃描引導

4.2 信標方式

這種方式是在路徑上或沿著路徑設置多個標記，標記本身主動發出信號提供有關位置信息。信標方式是從現在位置尋找若干個信標，然后根據其方向和有關信標的位置信息，利用三角測量原理計算出現在的位置，其具體過程如圖7所示。

圖7 信標引導

5 結束語

隨著AGV廣泛應用，其市場需求也隨之不斷增長，激光導航應用可以使AGV實現了虛擬路徑規劃與導向，實現AGV的安全無障礙行走，甚至掀起AGV調度領域的一場革命。筆者提出的基于激光導航路徑識別的實驗室自動引導小車（AGV）設計方案或更能滿足高職院校實訓需求，進一步提升這一方向的實訓效果。

[1]唐文偉.AGV在物流領域中的應用前景分析[J].物流技術，2001（3）：7-8.

[2]OGATA K.現代控制工程[M].美國：普倫蒂斯-霍爾公司，1997.

[3]吳啟平.自動導引車（AGV）關鍵技術現狀及其發展趨勢[J].制造業自動化，2013，35（5）：106-109.

[4]張正義.AGV技術發展綜述[J].物流技術與應用，2005（7）：67-73.

[5]任小龍，溫浩宇，李華.無向Petri網的多AGV最優路徑方法研究[J].西安電子科技大學學報，2008，35（3）：517-522.

[6]馬志遠.智能控制下的AGV路徑規劃研究[J].機械與自動化，2013（10）：98.

Design of Laboratory Automatic Guiding Vehicle（AGV）Based on Laser Navigation Path Identification

HU Yan
（Guangxi University of Finance and Economy，Nanning Guangxi 530003，China）

In the process of AGV practical training，it is urgent to solve the problems caused by navigation.This paper expounds the basic principle of laser positioning and guidance，and puts forward the design of AGV hardware and software system based on laser navigation path recognition applied to AGV basic function and practical training needs，and present expectation to the practical training application of laser navigation AGV.

laser；navigation；AGV

TN249

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0019-03

2017-02-28

胡艷（1979－），女，湖南婁底人，碩士研究生，講師，致力于高校實訓室管理工作，研究方向為數據處理和軟件工程。