自動引導小車的設計

康迎曦 劉曉東 李延平

一、引言

物料運輸是一項繁重復雜的工作，傳統的物料運輸方式是由人工操作，不僅浪費人力資源，而且危險系數高。自動引導小車，簡稱AGV（Automated Guided Vehicle），裝備有自動引導裝置，作為新興的物料運輸方式，現場無需人工操控即可完成搬運、避障、裝載等工作。自動導引車系統（AGVS）集傳感器、信號處理、自動控制、圖像處理等多種技術于一體，是現代物流系統中的關鍵設備。隨著科學技術的發展，物流技術在制造業、第三方物流、電子商務等方面迅速發展，AGV在縮短生產周期和提高經濟效益等方面都有著顯著的作用，因此得到了越來越廣泛的應用[1]。

二、自動引導小車的發展歷史及現狀

1953年，美國Barrett Electric公司制造了世界上第1臺采用埋線電磁感應方式跟蹤路徑的自動導向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。到了 20世紀70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應用并被引入到美國。這些自動導向車主要用于自動化倉儲系統和柔性裝配系統的物料運輸。在20世紀70年代和20世紀80年代初，AGV的應用領域擴大而且工作條件也變得多樣化，因此，新的導向方式和技術得到了更廣泛的研究與開發[2]。20世紀80年代中期，57%的AGV用于汽車制造業。另外，根據對國外公司物料搬運系統裝備類型的統計，采用自動導向車、有軌搬運車、起重機、輥子輸送機、懸掛運輸機的比例分別占41%、29%、9%、10%和11%。

AGV在我國的研究及應用起步較晚。20世紀70年代后期，北京起重運輸機械研究所研制了三輪式AGV。20世紀80年代后期，北京機械工業自動化研究所為二汽研制了應用在立體化倉庫中的AGV，沈陽自動化研究所為金杯汽車公司研制了汽車發動機裝配專用AGV。20世紀90年代，清華大學國家CIMS工程中心將從國外引進的AGV成功地應用于CIMS的實驗研究；清華大學計算機技術應用系研制了用于郵政中心的AGV；昆明船舶設備研究所研制了激光導向式AGV以及吉林工業大學智能車輛課題組為汽車裝配線研制了視覺導向AGV等。目前國內一些AGV技術正趕超國際層面，比如沈陽新松機器人公司，廣東地區也有不少廠家AGV迅速發展。

總之，我國的AGV發展速度雖然在穩步提升，但與國際水平還有著明顯的差距，需要各研究機構和企業的研發部門加強自主研發或引進一些國外的先進技術[3]。

三、自動引導小車的技術優勢

AGV的發展如此迅速，是因為它與其他物料搬運方式相比有很多優點，主要表現在導向柔性、空間利用、運行安全性以及使用費用等方面，具體情況如下表所示。

四、自動引導小車系統的設計

1.總體方案設計

物流中心AGV控制系統由車體、車上控制器、驅動裝置、蓄電池、信息采集子系統、轉向裝置、狀態顯示系統、避障系統等組成。工作過程是通過接入互聯網的手機或者微機客戶端通過無線網絡向遠程的AGV發送控制指令代碼，期間傳輸信號由發送端使用加密狗加密。當信號經互聯網發送到接收終端時，AGV網絡模塊把接受的指令傳送到處理器，處理器指示驅動模塊驅動AGV執行動作。運動的同時監視模塊把采集到的圖像通過無線互聯網傳輸到客戶機端，其基本結構如圖1所示：

（1）車體：由車架和相應的機械裝置所組成，是AGV的基礎部分，是其他總成部件的安裝基礎。

（2） 電力儲存及充電裝置：AGV經常使用24V和48V直流電池供電，電池供電應保持其 8小時的連續工作。

（3）驅動裝置：由車輪、減速器、電機及電機驅動器等部分組成。其運行指令由計算機或人工控制器發出，運行速度、方向、制動的調節分別由計算機控制。為了安全，在斷電時制動裝置靠機械實現制動。

（4）導向裝置：接受導引系統的方向信息，通過轉向裝置來實現轉向動作。

（5）車上控制器：接受控制中心的指令并執行相應的指令，同時將本身的狀態（如位置、速度等）及時反饋給控制中心。

（6）通信裝置：實現AGV與地面控制站及地面監控設備之間的信息交換。

（7）安全保護裝置：包括對AGV本身的保護、對人或其他設備的保護等方面。

（8）移載裝置：與所搬運貨物直接接觸，實現貨物轉載的裝置。

（9）信息傳輸與處理裝置：對AGV進行監控，監控AGV所處的地面狀態，并與地面控制站實時進行信息傳遞。

2.控制系統的設計

從AGV的總體結構敘述來看，AGV的控制系統是核心部分，采用Atmel公司的 8位系列最高配置單片機ATmega128作為控制器的處理器，其他主要模塊包括：電磁檢測模塊、電源檢測模塊、避障報警裝置、電機驅動模塊、液晶顯示模塊及無線網絡通信模塊（藍牙通信）部分組成。控制模塊框架如圖2所示：

（1）ATmega128單片機：作為控制器的處理器，負責和藍牙通信模塊、檢測模塊、驅動模塊、數據存儲、鍵盤、紅外、顯示屏等模塊進行數據通信和對無線網絡客戶端發送的信號進行采集和處理。

（2）無線通信模塊。AGV無線網絡通信模塊是AGV通信信號傳輸的重要組成部分，由Wi-Fi、GPRS或藍牙模塊來實現處理器與客戶端的通信連接。

（3）電機驅動模塊。AGV驅動模塊是通過可編碼的直流電機來驅動的。當處理器接收到客戶端傳來的指令，處理器就會對驅動模塊信號進行處理，從而實現AGV的全方位移動。

（4） 路徑檢測及避障模塊。AGV通過單片機驅動舵機實現全方位的監視，通過在AGV的行駛路徑上埋設金屬導線，并加載低頻、低壓電流，使導線周圍產生磁場，AGV上的感應線圈通過對導航磁場強弱的識別和跟蹤，實現AGV的導引。避障模塊可以判斷小車前方是否有障礙物并確定小車與障礙物之間的距離、障礙物的位置。為了確保小車在行駛過程中避免撞到障礙物，系統需要利用傳感器檢測出障礙物與小車之間的距離，使小車做出正確的動作，避免與障礙物相撞。

（5） 電源模塊。 電源部分采用的是12V直流鋰電池，功率為10W。對各個模塊部分進行分別供電。穩壓管采用的是7805，由于GPRS對電源要求特別高，所以單獨采用一個LM2941S對其供電。

五、結語

本文設計的自動引導小車系統，可以實現AGV的遠程控制及工作環境實時監控。結合運輸機械裝置可以實現在特殊工作環境下的智能遠程控制搬運工作，在物流中心等一些環境較差的場所可以代替人工工作，實現更多的功能，為貨物搬運工作帶來便利。

近年來AGV和AGVS技術發展很快，我國的AGV發展也已經取得了迅速發展和可喜成就，越來越多的自動引導小車在各行各業得到了應用。AGV的出現和大量使用，促進了科技和生產的發展，提高了生產率，AGV必將為將來的工業發展做出重要的貢獻[4]。

參考文獻：

[1]于連國，李 偉，王妍瑋.基于單片機的智能小車設計[J].林業機械與木工設備，2011（4）：39-40，42.

[2]聶 茹.基于單片機的WIFI智能小車系統[J].微型電腦應用，2016（10）：77-79.

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

[4]姚 培，張李堅，周晶香.基于單片機控制的智能循跡避障小車[J].機電信息，2010（12）：192-193.