AGV控制系統的設計與研究

張松林

(安徽信息工程學院 信息工程系， 安徽 蕪湖 241000)

AGV出現于上世紀70年代，經過多年發展，已經突破了多項技術，并且進入成熟階段。AGV在我國應用空間巨大，在國際市場上也逐漸凸顯其重要性。但是，由于我國工業水平和科技水平低于發達國家，因此，其發展速度較慢，受到的限制較多。隨著改革開放的深入，我國經濟發展速度加快，成為了全球第二大經濟體。2013年，為促進工業化進程，加快工業AGV的快速發展，我國提出了《工業和信息化部關于推進工業機器人產業發展的指導意見》，支持AGV產業的發展。目前，中國已經成為全球AGV市場需求量增速最快的國家，并保持著36%的年增長率。目前，我國將研究重點放在降低AGV生產成本、提高其操作性、擴大其普及范圍等方面，致力于將其應用于我國各行各業，解決勞動力缺乏問題，使我國工業生產更加規范化。

1 AGV控制器的發展現狀

1.1 控制系統發展現狀

AGV能夠裝載一定的物體，從出發地自動運行至目的地。該設備中安裝有自動引導裝置，可以為設備提供自主執行導航、路徑規劃、交通控制、通信、驅動控制、負載艙或工作邏輯控制和安全防護等功能，現在都用激光來引導裝置運行。AGV主要用于制造業和倉儲業，大大節約勞動力，也會減少人為因素造成的商品破損問題。同時，有些服務行業也開始使用AGV設備，例如機場和圖書館等，這些場合工作量大，并且要求較高的服務質量，使用自動化設備既能夠吸引使用者的注意力，也能夠極大地滿足了使用者的需求。由于我國各行各業電子商務發展速度較快，因此，國內物流行業對運動控制器的需求量也越來越高，自動化設備的使用領域增多。

現在市場中常見的是激光引導AGV控制系統，該系統的運動控制器分為PLC控制器、嵌入式控制器和基于計算機的控制器等。又可以將這些運動控制器分為集成式控制器和開放式控制器兩大類，在使用過程中，將其分為三個層次，分別為中央控制中心、作業控制或分布式交通控制。從近些年來激光引導AGV控制系統的情況來看，其集成式控制系統主要是作業控制，由中心控制系統指導整個系統作業，而分散控制系統主要用于分布式交通控制，該系統可以與其他獨立系統相互通信，其工作效率較高。

1.2 AGV系統未來發展趨勢

目前，自動化控制領域控制器發展速度和需求量高于控制系統發展速度和需求量，控制器硬件系統主要是保證設備具有足夠快的執行相應控制算法的速度，使一些傳感器能夠與電腦或其他便攜電子交通設備相連接，便于調試。現在一些高質量的控制器制造技術和相關的調試技術都引進于國外，而硬件設備發展正往減小體積、降低重量、減小成本方向發展。我國電機驅動和控制系統發展速度雖然較快，但是與發達國家之間還存在較大的差距，主要表現在電機制造與裝配還在依賴手工、工藝落后，電機集成度水平不高等方面。近些年來，我國控制器行業迎來新的發展機遇，其銷售量以每年19%的速度增加，許多研發企業與銷售企業合作，深入研究和改善控制器的性能與結構，現在我國PLC控制器市場份額達到55%以上，但是控制器在其通訊、數據傳輸和功能處理等方面還有待提高，學者及技術人員未來應主要在此方面進行深入研究，擴大其生產規模，使設備性能更加靈活，降低我國勞動力成本等。

2 AGV控制系統結構設計

機器人從最開始的單一功能，發展成為多功能的集成機構。現在國外已經研究出能靈活行動和做一些簡單工作的機器人。機器人研究中應重視其結構設計，尤其是質量分布、重心位置和執行機構的選擇等。現在常見的AGV車輪結構有三輪式、四輪式兩種。三輪式結構承載的負荷小，行走速度快，轉向靈活，但是這種結構對于運行算法的精密度要求較高；四輪式結構常用于大型貨物運輸，負荷較大，運行速度慢，轉向能力差，對其運行算法要求也較高，四輪式結構中含有兩個連有驅動電機的車輪，兩個由萬向輪作為支撐和轉向的車輪，能夠使該裝置靈活轉向。靈活度越好，對設計的算法要求越高。

AGV結構如圖1所示，其中1是超聲波傳感器，主要分布在裝置的扇形區表面，能夠360度檢測裝置周圍的信號，2是萬向輪，主要負責裝置轉向的零部件，3是電機驅動輪，其連有一個伺服電機，4是電池，5是直流無刷伺服電機，6是伺服電機控制器，7是激光掃描儀。三輪式AGV結構與四輪式AGV結構的差異在于電機驅動輪的個數，個數越多，載負越大，移動過程中越平穩。

圖1 AGV結構示意圖

圖2 AGV系統組成示意圖

AGV結構中的主要模塊如圖2所示。從圖中可以看出，主控制單元可以控制設備運行加減速以及原地滑動和轉彎等操作，電機控制器控制驅動單元的驅動電機運行方向和速度，AGV在運行過程中，會經歷直行、拐彎和接近停位點等，這些操作需要運動控制器的軟件輔助進行，工控機在接收到轉彎或者是停車指令后，將信息反饋給軟件控制系統，軟件控制系統修改現行的代碼，并將新的代碼發布給速度控制端口，工控機在修改運行速度的同時也控制電機運動狀態，并將狀態反饋給主控制單元，主控制單元將信息反饋給安全與輔助單元，以此識別前方是否存在障礙，并預防事故發生。

3 控制系統硬件設計與開發

3.1 激光導引控制系統

控制系統是控制AGV設備的運行，并且是該系統的主要控制中心，現在常用的控制系統是Beagle Bone AM335X開發板安裝Ubuntu系統和ROS機器人平臺作為上層的操作系統，兩大系統聯合起來發布各種運行指令，保證設備平穩，安全運行。如圖3控制系統硬件結構組成圖所示，兩大結構組成的控制系統使整個結構的軟硬件具有無關性，并且可以通過遠程終端來控制整個機器運行過程。

圖3 控制系統硬件結構組成框圖

3.2 掃描系統

現在電子商務發展速度加快，物流行業已進入一個前所未有的發展高峰，為減少服務行業中勞動力缺乏問題，在行業內大量引入激光引導機器人，推動我國AGV車體控制系統發展逐漸趨于成熟。通過AGV在我國的發展情況來看，其引導方式成為生產行業和物流行業選擇該設備類型的主要指標，AGV的引導方式決定該結構能在什么樣的環境下工作，目前最多的是使用高精度激光掃描儀引導設備運行，設備用于室外時，掃描儀會檢測周圍環境，在系統內部形成一幅地圖，并且實時更新，系統內部會根據掃描的地圖規劃行走路徑。與普通的掃描儀不同，高精度掃描儀掃描的圖像是3D形式的，不同的顏色代表不同的像素值，而像素值與距離相關。激光掃描儀的基本技術是通過紅外激光二極管發射紅外線，使用傳統的紅外敏感相機，接收不同位置的反射光線，描述成一張圖像信息。激光掃描儀對障礙的識別能力強，反應速度快，使運行設備能夠在狹小的空間內迅速規避障礙，安全運行。

3.3 驅動系統

圖4 AGV驅動轉向系統示意圖

現在各行各業對于AGV設備的功能需求不同，因此，對其驅動裝置要求較高。驅動系統是車動作的控制部分，一般是由兩個驅動輪、兩個萬向輪組成，再安裝直流伺服電機、霍爾傳感器等裝置來控制加速和減速過程。AGV的驅動系統伺服電機、減速器、車輪的構成方式如圖4所示，該組成結構中，車體結構主要采用鋁制品材料，使整個車體的質量在原有的基礎上得到降低，整個車體運行的阻力減少，降低電力資源浪費。

3.4 防碰撞系統

圖5 超聲波測距示意圖

AGV的防碰撞系統由急停開關、碰撞開關、超聲波傳感器和激光四部分組成。超聲波傳感器主要用來掃描周圍環境，超聲波測距示意圖如圖5所示。超聲波傳感器連接微控制器，占用一個I/O口，該設備不斷發出固定頻率的超聲波信號，當超聲波與周圍障礙物接觸時，超聲波會受到阻礙，其波長發生變化，該信息會被設備所監測到，同時記錄障礙物的距離和大小，誤差在2厘米到3厘米之間。由于超聲波傳感器自身的特性，其聲波入射角度超過20度，傳感器的讀數常常會發生跳變或接收不到正確的傳感數據。

4 控制器硬件設計

4.1 控制器硬件設計方案

可編程邏輯(PLD)的邏輯功能是用戶根據自身需要，依據編程邏輯器件編程設立的系統開發人員使用該行業專用的軟件工具對其進行開發、仿真和測試，優化可編程邏輯。PLD可以對設計階段的各個數據進行修改和儲存，將修改的數據經過專業軟件進行測試并優化，達到最符合要求的編輯邏輯。該過程可以降低系統開發的成本，減少工作量等。AGV的直流無刷伺服電機控制器方案如圖6所示。該控制電機具有適應性強、功能多、操作簡便等特點，經過試驗證明，以該電機控制方案制造出來的設備其反應時間較短，靈敏度高，性價比高。

圖6 AGV的直流無刷電機控制方案

4.2 直流伺服電機驅動

現在AGV設備中常使用FN3788電機驅動設備，能夠驅動高壓元器件，但是，由于其芯片承載負荷較小，在發展中受到限制。FN3788電機驅動設備可以運用于電壓低于600伏以下的電子驅動系統中，并且該設備自帶保護系統，當電壓過高或者是電流過高時，可切換進入保護狀態，并且在整個過程中其耗電量較低，整個電路系統較為簡潔，后期檢修工作較簡單。

4.3 速度環

圖7 無刷直流電機的驅動與測速

速度環與設備的轉速相關，對速度環的控制精度越高，整個設備運行越平穩，并且其抗干擾能力較強。在AGV控制系統中，使用霍爾傳感器精確控制伺服電機的轉速，并且整個系統的控制指令也是由霍爾傳感器傳遞給伺服電機驅動器，以此形成封閉的速度環，如圖7所示。霍爾器件作為電子轉換器件，當系統發生轉變時，霍爾器件可以控制電路的運行方向，從而達到切換指令的目的。并且從圖中可以看出，霍爾器件受到磁鐵的影響，其工作狀態也受到影響，當旋轉磁場的南極經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器就切換到工作狀態，當旋轉磁場的北極經過霍爾傳感器時，霍爾傳感器切換到釋放狀態。除了上述3個重要的硬件外，控制器硬件還包括位置環、通訊設備以及控制系統軟件，這些已經受到很多學者的研究，技術已經達到成熟。本文重點研究了我國AGV控制系統的硬件部分，強調各個零部件之間的相互影響，介紹零部件的重要性。

5 結語

目前，研究出性價比高、操作簡便且運行靈活的AGV設備是很多學者集中研究的課題之一，也是社會發展的必然選擇，物流行業對運輸貨物的完整程度要求較高，工作人員會因為身體疲勞而對貨物產生損傷，并且工作人員的負荷也較高，引進AGV設備是現在物流行業必然選擇。本文對此進行深入研究，重點闡述AGV控制系統的硬件部分進行敘述，為該設備發展提供理論資料，由于其測試軟件現在也較為成熟，因此未對其進行深入探究。

參考文獻：

[1] 孫凌. AGV遠程控制系統設計與實現[D].南京：南京郵電大學,2015.

[2] 王忠海. 激光導引AGV控制系統的研究與設計[D].南昌：江西理工大學,2015.

[3] 胡蝶. 自動導引車(AGV)控制系統的研究與設計[D].武漢：湖北工業大學,2014.

[4] 張歡,秦剛. AGV自動引導車控制系統的設計與研究[J]. 企業導報,2012(21):297.

[5] 廖洵. 自動導向車(AGV)控制與檢測系統的研究與設計[D].武漢：湖北工業大學,2012.