激光引導方式下的AGV叉車研究

賀篤貴

（銅陵職業技術學院電氣工程系，安徽銅陵244061）

0 引言

叉車是工廠所必需的一種運輸工具，目前叉車的操縱多為人工完成。而隨著自動化程度普及和提高，對自動導引叉車（Automated Guided Vehi?cle，AGV）的研究越發顯得重要。

自動引導小車是指裝有電磁或者是光學等自動導引設備，能按照規定好的引導路線運行，將貨物來回搬運的運輸車。其以鉛酸蓄電池為能量來源，能夠在自動化物流車間內自行行駛，無須其他人員輔助。通常能夠通過電腦來設定它的行走路線以及在站點內的執行動作，或者通過鋪設電磁導軌來定其路線。目前，自動化引導方式主要有激光、磁帶、視覺等。伴隨著物流運輸系統的高速發展，AGV小車的使用范圍也在不斷地擴展。而對AGV小車的研究上，如何避障路徑規劃相關問題是一個研究重點，為這個問題，有學者將參數化曲線應用于路徑規劃［1］。然而，目前為止學者的研究主要是高自由度的小型車輛，而對大噸位的低自由度叉車研究相對較少［2］。

當前，也有部分學者對AGV叉車進行了研究，如張悅等［3］為提高單目視覺自動導引叉車視覺導引精度，以及叉車對接托盤過程中的實時測距，提出了一種可根據導引色帶進行動態傾斜標定的方法以對傾斜畸變進行校正。研究表明，該方法測量精度高，可精確感知車體托盤距離，魯棒性、實時性較好。呂恩利等［4］結合叉車運行環境特點，為降低由于倉庫通道寬度的影響對干果倉儲智能叉車自主避障誤警率的影響，有效探測叉車行進方向的障礙物，采用激光傳感器，設立了探測范圍隨車速、等效轉向角變化的動態識別區；將獲得的障礙物特征控制點作為分割點，采用四次五階準均勻B樣條曲線，分前后段合并生成滿足叉車最小轉彎半徑、曲率連續、最大轉向輪角速度等多約束條件下的避障路徑；對倉庫中的直行路段和轉彎路段進行避障路徑規劃試驗。研究表明，提出的算法可行，所得避障路徑可滿足各項約束，曲率小于1.06×10-3mm-1，等效轉向角小于60°，等效轉向輪角速度小于1.05 rad/s。

為了進一步促進叉車的自動引導發展，本文以林德某型號叉車為研究對象，對其進行一定改裝，對激光定位方式進行研究，實現由激光引導方式下的AGV技術。通過對控制線路的改造，對小車的行駛路徑、轉向靈活度以及行駛速度進行優化研究，從而提升AGV的工作效率，具有一定的社會效益。

1 小車行走設計

激光具有準確性和不射散性。通過這些特點可以實現對物體的精確定位。而自動引導小車的激光引導控制方式是指通過小車發射的激光來確定自身的絕對位置和相對位置，從而實現小車的自動行駛。

使用激光引導控制方式下的AGV設計如下：在小車行駛場所放置等間隔的、同規格的反光板；在AGV頂部安裝可旋轉的激光探頭；設計行走路徑算法；基于激光引導控制方式的控制電路的簡單改造。

通過上述設計，安排AGV實驗如下：自動行駛的小車，其頂部安裝的旋轉激光探頭發射激光。激光經過反光板后反射回到小車接收裝置。經此一個來回，通過算法計算可以得到反光板的反射角度及行駛距離。由于反光板有多個，因此可以得到多組數值。為了方便算法定位計算，一般需要三組及以上的數據支撐。通過車載計算機的計算，得出小車當前所在的位置，從而對行駛方向進行微調，實現按照規劃路線將貨物送達目的地。

2 AGV軌跡跟蹤算法設計

為了保障小車能夠按照設定的路徑行駛，需要通過激光引導，計算小車坐標，進而過軌跡跟蹤算法對小車行駛角度進行糾偏。為保證AGV的正常行駛，本文提出了兩種軌跡跟蹤算法。

2.1 軌跡跟蹤算法一

AGV根據當前自己的位置(xc,yc)和目標位置(xt,yt)，計算AGV的前進方向誤差ψ，根據當前AGV車體的方向和前向驅動輪的方向，輸出前向驅動輪調整到目標位置(xt,yt)方向的角度θ。方向誤差角度計算如圖1所示：

圖1 AGV行駛軌跡與設定軌跡的方向誤差圖

2.2 軌跡跟蹤算法二

AGV行駛軌跡的確定如圖2所示：

圖2 AGV行駛軌跡的調整原理圖

圖2中有兩個坐標系，一個是全局坐標系，另一個是以AGV為原點的坐標系，簡稱局部坐標系。在局部坐標系中，目標位置為(xt,yt)。AGV的當前位置到目標位置(xt,yt)的直線距離為D。

AGV車體的前方方向與全局坐標系x軸的方向夾角β。直線距離為D與全局坐標系x軸的方向夾角ψ。AGV當前位置點和目標位置點(xt,yt)在一個以r為半徑的圓上。根據圖2的幾何圖形，求半徑r推導如下：

計算可得：

可計算出驅動輪的角度θ：

式（3）中w是AGV前后輪的距離。

目標位置點(xt,yt)的計算：

3 控制電路的改造

由于本文中AGV采用激光引導方式，因此需要對現有的控制電路進行適當的改造，保障激光引導方式下，AGV行駛路徑的正常。

3.1 控制柜原理

車體的外部控制線路主要分布在控制柜內?？刂乒駜炔恐饕脑骷泄た貦C、開關電源、交換機、PLC、繼電器、端子排等。其安裝液晶顯示器，用來查看小車當前的工作狀態；鑰匙開關，主要負責對控制柜通電的開與斷；手自動旋鈕，用于小車的手自動切換。電源指示燈，控制柜內通電會有指示燈顯示，通上電時，指示燈發亮。控制柜上方安裝有激光導航儀和工業無線。整個控制柜內部的布局如圖3：

圖3 控制柜底板圖

3.2 控制柜內器件設計

對于車體控制柜內的改造，主要涉及以下幾個方面：

1）開關電源

2）交換機

3）光陽PLC

4）工控機

5）繼電器線路

3.3 車體器件和電路設計

對于車體自身器件和內部電路的改造設計，主要涉及以下幾個方面：

1）激光導航儀

2）激光防撞儀和觸邊

3）行走控制器

4）轉向控制器

5）提升控制器

通過上述改造設計，可以完成激光引導方式下AGV的硬件改造，為小車高效、可靠、穩定的自動行駛創造條件。

4 軟件設計

4.1 PLC控制程序設計

程序的編寫主要依據是PLC的IO分配表。光陽PLC有24個數字信號輸入口和16個數字輸出口，再外加擴展的8通道的模擬量輸入和4通道的模擬量輸出。其主要程序設計如下：

1）模擬量和計數器初始化

2）模擬量輸入暫存

3）提升編碼器歸零

4）手柄信號控制

4.2 AGV調度管理系統設置

AGV系統的控制是通過上位調度系統、AGV地面控制系統及AGV車載控制系統三者之間的相互協作完成的。這三個系統可以通俗地用三個例子來表示，它們可以分別對應客戶、客戶中心、出租車司機。AGV軟件流程如圖4、圖5所示：

圖4 任務流程圖

4.3 網絡互聯設計

激光引導方式下AGV小車系統之間存在通訊需求。如PLC和工控機之間采用以太網方式通訊；叉車光電信號主要進入PLC的輸入端等。圖6為AGV小車系統的信息交互方式。

圖5 TSK文件格式圖

圖6 系統網絡互聯圖

5 小車行走實驗

經過本文中對車體線路分析及改造，機械設計以及系統軟件測試，最終改造完成的激光引導方式下AGV的整體示意圖如圖7。

圖7 整車外形圖

叉車總體改造完成后，經測試其行走速度最快可達1.1 m/s。由于NAV350定位精度為±5 mm，實際只要工作車間內無較大光線干擾的話，小車定位精度可達±10 m，而且在整個全局坐標系中，小車到達站點時的車身位置的擺放可以是任意角度。

在貨叉實際提升過程中，若是速度很快的話，貨叉到達指定高度附近，會出現反復上升和下降的情況，原因是貨叉快升到指定的高度時沒有減速，并且沒有設置一個合適誤差范圍，才使得貨叉在指定高度附近上下震蕩。貨叉在指定位置附近時速度一般控制在0.2 m/s以內，誤差范圍可以是50 mm以內，可以根據不同的速度來確定提升精度。在任務程序編寫時，可以將貨叉提升動作指令后的range值賦予50，表示此次提升動作誤差最大范圍是50 mm。小車拐彎時，以兩固定從動輪中點為轉彎圓心，前驅動輪到兩從動輪之間連線距離為轉彎半徑，拐彎弧度比較平滑，速度最高也可達0.8 m/s。

由于電壓自身會有一定的波動、PLC本身控制精度不足，從而導致小車行走路徑有一定的偏移?？梢酝ㄟ^穩壓電源穩定輸出電壓，以及優化PLC程序或者采用抗干擾強的PLC等方式提高小車運行的可靠性。

綜上所述，實驗證明，改造后的自動叉車完全可以按照編寫的任務程序來執行動作，能實現從一個點到另一個進行取放貨，貨叉提升高度由拉線編碼器定位，且提升高度可以自由設置。調度系統可以根據倉庫和貨載信息，對小車進行靈活調度，實現無人化生產。

6 結論

本文綜合分析了使用激光引導方式下的AGV系統。從激光引導原理、軌跡跟蹤算法、控制電路的改造、軟件設計等多方面出發，結合實際實驗測試結果，發現使用激光引導的AGV可以可靠、高效地完成貨物牽引工作。使用靈活，系統可靠、調度方便，較好地實現無人化生產工作，具有一定的社會意義、經濟價值和研究潛力。