適用于航站樓的交通助運車的研究

張佳鵬 許趙哲 魏明

摘要 根據航站樓交通需求，設計了一款“航站樓助運車”;主要由感知控制系統、電源管理系統、交互系統組成;能夠完成自動尋跡運輸、主動避障、載人行駛、遠程調度、自動充電等多種功能的。為實現航站樓的交通智能化、便利化、人性化提供了理論基礎。

【關鍵詞】航站樓助運車 自動充電 控制系統

自動導航車（Automated Guided Vehicles.AGV）又名無人搬運車，是一種自動化的無人駕駛的智能化搬運設備，是現代工業自動化物流系統如計算機集成制造系統（ CIMS）中的關鍵設備之一。隨著我國工業化水平的發展，自主創新能力的提高，以及互聯時代對大數據發展的推動的，在工業自動化方面AGV小車已經得到了長足的發展。在國內，京東以及阿里等已經將AVG廣泛運用于倉儲運輸等方面。在大眾日常生活方面，AGV小車仍然沒有得到非常好的應用，特別是在航站樓，車站等公共服務領域，許多現代的代步工具無法使用，絕大多數情況下仍然是以傳統的步行為主。

作為交通建筑，提高旅客快捷而方便的通行效率一直是航站樓設計致力追求的目標，縮小旅客步行距離也是整個航站區規劃設計的主導原則，航站樓一方面強化航站樓的旅客流程和行李流程設計，另一方面是引導航站樓內外的旅客運營系統朝著容量大、效率高、換乘方便的方向發展。目前許多航站樓都裝有一定長度的自動人行道，但還不能夠滿足乘客的便攜性，有的自動人行道因為速度偏差過大還存在的安全隱患。因此，把航站樓作為特定區域，研究出能有效輔助旅客出行的助運車，包括助運車的外形結構、軟件系統、硬件組成、信息智能化處理等關鍵性技術所討論，分析其特有的優勢。

1 系統組成

航站樓助運車的設計所包含的主要系統包括如下幾個方面：電源管理系統、電機驅動電路、感知系統（紅外循跡、超聲波、攝像頭視覺電路）以及交互系統（藍牙模塊、Zigbee網絡模塊、交互控制流程軟件）組成，系統方案如圖1所示。

為了提高系統快速響應及可靠性，攝像頭視覺系統采用獨立處理器完成;電源管理系統主要負責監控電池的溫度、能量估算、運行距離估算、自動充電等任務;軟件交互系統配合調度中心及用戶控制終端完成路線規劃等任務。

2 助運車的外形結構

本文所提出的航站樓助運車為單人使用的代步工具。作為航站樓內部的主要運輸工具，其包含了支撐結構、動力系統、傳感器陣列、中央處理單元、智能電源管理系統等部分。如圖2所示。

“助運車”外觀結構主要包括了座椅、扶手、護欄、置物區、動力系統等部分，座椅設置有扶手，可方便不同人士并將根據實際情況和安全因素進行修改和完善。“助運車”的前兩個輪子為固定方向的主動輪，根據兩個主動輪的速度差控制“助運車”方向，后面兩個輪子為萬向輪，配合主動輪轉動。

3 電源及管理系統

航站樓助運車作為一個獨立運行的自動化設備，一個穩定而又高效的供電系統是必不可少的。在電源的選擇方面，考慮到航站樓助運車的工作環境以及工作對象，往往需要中速率供電以及大電流快速充電，因而鉛酸電池無法滿足實際應用的要求;鎳鎘電池由于其容量小壽命短等缺點;目前，最為環保和高效的是鋰電池，鋰電池在輸出等量電壓的情況下鋰電池使用的單個電池組合數目較少，重量和體積也大大減少，必要重要的是放電率極低，無記憶性。

由于鋰電池過充時，過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中，無法再釋放，而過放電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導致晶格坍塌，都大大地縮短了電池的壽命，所以在助運車的控制系統中要加入電池的管理系統（BMS管理系統）來避免過充、過放、過載、過熱。通過處理器內部模數轉換器，監視電池工作電流和輸出端電壓，實現上述狀態監視，并在給出剩余電量指示，通過溫度采集芯片18820監視運行過程及充電過程的電池溫度，也有利于延長電池壽命和系統安全;

在充電方面，傳統的充電方式往往是通過建立充電塢利用手動插線對AGV進行充電。而對于航站樓助運車而言，由于其自主尋跡的功能，因此當AGV小車檢測到自身電力不足時會自主運行到充電塢充電。在確認進入到相應位置之后，伸出的充電接口可通過電磁鐵來實現正負極對應連接，即可進行自動充電。

以24V 10A對鋰電池為例，設計了鋰電池充電電路，電路原理圖如圖3所示。

該充電系統，采用被動啟動工作方式，即充電電路由助運車電池供電后啟動，這樣有利于節省長時間通電待機損耗。

4 電機及驅動系統

航站樓助運車的主要作用為對客及行李的運輸，因此強有力同時又靈活的運動系統必不可少。其控制系統主要包由電機及驅動器、基于傳感器導引系統組成。在航站樓助運車運動系統當中，電機是整個能量轉換的樞紐。目前，市面上絕大數AGV小車常用的是普通的輪邊電機，具有體積笨重且不易于控制的缺陷，其效率也很低;而輪轂電機則是將驅動電機直接與車輪相連，中間不需要差速器和減速器，減化了驅動結構，提高了傳動效率，同時提高了可利用的空間。助運車采用獨立的輪轂電機驅動，因此每個驅動輪的轉矩都獨立可控，增加了控制自由度，從而可以非常靈活方便地實現車身穩定控制。結合助運車載客載物的主要工作，速度不能太快，主要選用大扭矩慢速運行的輪轂電機。

電機驅動器的型號選用AQMD3610NS直流電機驅動器，其具有以下特性：電機回路電流精確檢測技術、有刷直流電機轉速自檢測技術、再生電流恒電流制動（或稱剎車）技術和強大的PID調節技術，可完美地控制電機啟動、制動（剎車）、換向過程和堵轉保護;電機響應時間短，且反沖力小;輸出電流實時監控防止過流，有效保護電機和驅動器。并可通過撥碼開關或串口配置電機額定電流，可使電機啟動、制動、堵轉電流均限定在電機額定電流范圍以內，高效而安全。這些特性，配合32位ARM高速處理器，能夠充分展現出來，平穩地控制助運車的運行。

5 感知系統

感知系統對于航站樓助運小車而言就相當于小車的眼睛和耳朵，準確的定位以及對障礙物的有效地避讓是關系到助運小車安全性能的關鍵一環。

實現航站樓助運車的視覺和接近覺功能有多種方式：

（1）可使用CCD攝像頭進行圖象采集和識別方法，但是不適用在小體積系統使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領域;

（2）電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化;

（3）超聲波傳感器，根據波從發射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度;

（4）反射式紅外光電傳感器，一個發射，一個接收。

在航站樓內部，其地面上往往會有指引方向的引導線。根據此特點，可以利用光電尋跡模塊來實現主干道及支路的尋跡引導功能。在光電尋跡模塊的安裝方面對于單線線軌跡，可以采取一字型排列的方式，當中心光電模塊檢測到黑線時，發射端發射的光線全部被黑線吸收，接收端收不到任何信號，則光電三極管不會導通。若邊緣光電模塊則沒有檢測到黑線，發射端發射的光線背白紙反射回接收端，接收端導通導致接收端電位被拉低。高低電平被傳送到處理器進行處理，給出實時的路線修正，最終達到沿著單黑線走即尋跡的目的。但是單線一字型排列的模式在小車轉彎時可能會出現脫離線路的情況。因而可以考慮使用鋪設雙邊線以及多重光電模塊的尋跡模式，上下排用于旋轉掃描邊線，前排固定用于輔助掃描邊線以確保在任何時候都可以準確的尋找到正確的路徑，傳感器布局如圖4所示。

此外，航站樓助運車是一種集各種機械裝置、傳感器、計算機等于一體的非線性復雜系統，對其建立數學模型很困難，傳統的基于模型的控制方法很難適用，而基于經驗知識的模糊邏輯控制器不需要精確的數學模型且控制的魯棒性較好，所以可以通過模糊邏輯來對助運車進行控制。

除尋跡之外，考慮到可能發生的一些意外狀況，還需要添加相應的避障功能。避障方式由超聲波避障與紅外避障混合構成，能夠有效減少誤判率。超聲波傳感器一般作用距離較短，在近距離處存在一定的盲區且傳播速度較慢，同時對于被測物體表面的性質要求較高，須為平面且不能為吸音材質。紅外傳感器速度快，但是受陽光干擾較大。考慮到航站樓助運車主要應用在室內且紅外線在傳播時具備不擴散的性質，在使用時助運車相互之間的影響較小，因而實用性較高。綜合上述優缺點，感知系統以紅外探測為主判斷（循跡最快）、以視覺系統為第二輔助判斷（壁障較好，輔助循跡）、以超聲波探測為第三輔助（受光線影響條件下，壁障較準）的形式。

6 交互系統

航站樓助運車，在整個航站樓運輸系統中雖各自獨立工作，但依然隸屬于一個整體的綜合調度中心系統。一方面，各臺助運車之間首先需按照既定好的路線運行，彼此之間的互補干擾;另一方面，助運車還需要接收來自乘客所發出的指令，來完成各自獨立的任務。

本文選用ZigBee組網技術，實現總控室對助運車的統一控制，或是助運車單車與整個系統之間信息的交換。組網方式采用星型拓撲網絡結構由網絡協調器和多個終端設備組成，所有端節點智能與協調器通信，需要在一定距離安裝協調器，助運車分時復用方式與調度中心通訊，有效防止節點數量飽和。

在人機交互的方式也是乘客使用體驗的一個重要衡量指標，工業3.0時代向工業4.0時代的過渡，實質上是現有的工業自動化向工業智能化、網絡化轉型，而這其中人工智能和人機交互技術將會起到至關重要的作用。特別是像機場航站樓這類面向公共服務的設施，人機交互的質量更是一種無法回避的問題。人機交互的大致解決方案如下：首先，隨著智能手機的普及，借助藍牙等無線通信技術，可以通過手機應用的形式來實現乘客與助運車之間信息交互的個性化，從而進一步提高助運車的操作性和用戶體驗。其次，得益于語音識別技術的發展，通過人機之間的對話也給乘客帶來較好的用戶體驗。再者，結合近年來飛速發展虛擬現實技術與智能穿戴設備，也可以推出相關的增強型現實的人與助運車之間的人機交互方式。

7 總結

本文根據航站樓實際交通需要，結合當今工業AGV小車的特性及人們生活習慣，提出了航站樓助運車這一概念性的代步工具，其主要優勢表現在：

（1）相對于傳統固定直行道而言，助運車具有無可比擬的靈活性、秩序性;一方面，在主干道上，助運車車之間可以自動保持一定的距離按照主干道有序行進;另一方面，在支路口小車可以獨立地根據自己預先設定好的目的地前往不同的分支，或者按照乘客的意愿前往不同的區域。

（2）相對于傳統運輸方式，助運車可提供坐椅以及置物區且為一人一車，其設計更加人性化;同時，在人機交互的模式下，以手機作為控制終端，實現對小車的遠程遙控、智能跟隨等控制。

（3）控制系統集成度提高，且采用模塊化結構，提高了系統的兼容性和擴展性、易操作性、易維護等。總之，隨著各項技術的發展，這種技術在民用及公共服務領域會得到普遍的應用，具有很大的研究空間。

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