停車AGV 液壓控制系統的設計與研究

馬立超

（上海羿弓精密科技有限公司，上海200232）

隨著國民經濟水平的提升，我國車輛保有量大幅度上升，“停車難”是城市發展一直以來的重點問題，在醫院、商場和機場等區域都面臨用戶找車位難、停車效率低、車位數量少等問題[1]。停車機器人是一種在無人停車庫中進行車輛搬運的重載AGV（Automated Guide Vehicle），可以按照設定的路線運行實現自動泊車的功能。現有的智能停車庫中的停車機器人多數為有軌運行，結合橫移平臺實現汽車的搬運，運行方式單一，自由度差[2]。

圖1 為本文設計的停車機器人的工作模式。每次搬運需要兩臺AGV 協作完成，主從兩臺AGV 依據激光雷達的點云數據識別車輪的位置進行移動，進行位置的微調直至車輪對準左右兩側抱臂的中心點，由液壓驅動四個抱臂夾持輪胎底部，最后液壓懸掛系統整體抬升，使得汽車輪胎離開地面。每個AGV 由四個差速舵輪控制全向移動，可以實現直行、轉彎、斜移、自轉等多種運動模式[3]。

圖1 停車機器人的工作方式

1 液壓系統設計

圖2 為AGV 的液壓系統示意圖，頂升01~04 液壓缸負責AGV 四個輪組的液壓抬升與下降，其中頂升03 和頂升04 并聯與另外兩個液壓缸共同構成整車的液壓懸掛系統，可以適應地面的不平整性。無論當AGV 運行在抬升狀態或是降低狀態時，液壓缸都不運行到極限位置，留出5mm 的余量作為適應地面不平整性的補償量。所設計的液壓缸全行程為40mm，因此當AGV 運行在降低狀態時，控制液壓缸運動到5mm 行程的位置；當AGV 運行在抬升狀態時，控制液壓缸運動到35mm 行程的位置。液壓缸的行程可通過超聲波傳感器獲得。左01 和02 液壓缸負責左側抱臂的伸縮運動，右01 和02 液壓缸負責右側抱臂的伸縮運動。

圖2 停車機器人液壓回路

如表1 所示，相關數據為液壓系統的主要參數。可以看出，決定系統流量的為液壓閥，因此液壓缸的動作時間（s）為：

表1 液壓系統參數

V/（Qvalve/n）×60，

式中，V-對應液壓缸容積，Qvalve-液壓閥最大流量，n-一個液壓閥控制的液壓缸數量。

升降運動中，每個液壓閥對應1 個液壓缸；伸縮運動中，每個液壓閥對應2 個液壓缸。因此，抬升時間為6s，下降時間為4.2s，抱臂伸開時間為18.24s，抱臂收回時間為11.64s。

2 結構設計

圖3 為停車機器人驅動輪組機械結構，每個停車機器人有四個驅動輪組，整個AGV 包括AGV 抬起汽車的重量通過驅動支撐框架加載在液壓缸上。圖3（a）為整車降低狀態，當AGV 潛伏入汽車底盤的時候，系統工作在降低狀態；圖3（b）圖為整車抬升狀態，當AGV 抬起汽車時由泵電機帶動齒輪泵驅動液壓缸頂桿向上抬升，直至抬升至預設位置。而液壓缸的運動行程由超聲波傳感器間接測量得到。

圖3 停車機器人驅動輪組

由圖3 可知，當AGV 處于降級狀態時，超聲波傳感器測得與驅動支撐的距離為H0——理論值52.5mm；抬升時，控制系統應當通過控制邏輯使得頂桿上升30mm，使得超聲波傳感器與驅動支撐的距離達到H1——理論值82.5mm。

所選用的超聲波傳感器能夠將20~250mm 的距離信息轉換為4~20mA 的電流信號輸出，選擇249Ω 的采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號傳入ADC 采集引腳。因此，高度數據與電壓信號的換算關系為：

式中，H-超聲波測得的高度，V-電壓幅值，Rsample-采樣電阻的值。

3 控制系統設計

3.1 電氣系統設計

圖4 為本文電氣系統的框圖。主控芯片選擇ST 公司的STM32F407 芯片，主頻最高可達168MHz，模數轉換芯片選擇TI 的ADS8688 芯片，采樣電壓范圍±10V、分辨率16 位，最高采樣頻率可達500K，通過SPI 總線與主控芯片通信。泵電機為Kinco 的1kW 伺服電機，額定扭矩3.18Nm，額定轉速3000rpm，通過Can 總線與主控芯片通信。超聲波傳感器為Pepperl+Fuchs 的UC250，測量范圍250mm，死區范圍20mm，測量精度0.1%FS。由GPIO 驅動MOSFET，從而控制電磁閥的通斷實現液壓控制。

圖4 停車機器人電氣系統

3.2 軟件設計

泵電機的啟停控制以及轉速轉矩的讀取完全通過CanOpen 協議，CanOpen 是工業控制中常用的現場總線，通常通過SDO 進行請求式數據通信和通過PDO 進行觸發式數據通信。通過電子數據表（EDS 文件）對通信內容進行配置，實現主站和從站對通信數據結構的統一映射[4]。

表2 為CanOpen-PDO 設置。電機的轉速和電流以事件觸發的方式通過TPDO1 發送至CanOpen 主站。當數值有變化時，驅動器主動發送數據。電機的使能與去使能則通過SDO 寫入參數的方式進行控制。

表2 CanOpen 設置

圖5 為整車升降控制的流程圖，當系統收到升降命令后首先啟動電機，然后依據升降來打開相應的閥組。抬升命令則打開U01~U04，下降命令則打開D01~D02。然后通過超聲波傳感器得到的hight[i]數據判斷升降是否到位，如果到位則關閉相應閥組。因為03 和04 閥組對應的是并聯的兩路液壓回路，其高度會隨著地面不平整度動態調整，因此需滿足兩者的平均值達到預設高度才整體關閉閥組。當所有閥組都關閉后停止電機，升降任務完成。

圖5 升降控制流程圖

圖6 為夾持和松開輪胎的流程圖。為了簡化控制電路，本文沒有依賴接近開關或到位開關等器件來判斷抱臂是否已經完成夾持，而是通過實時監測電機扭矩和轉速來進行判斷。當系統收到夾持指令后，啟動電機并打開S01 和S02 閥組，此時左右抱臂同時開始動作。當其中一個抱臂到位后，所有的流量將集中到另一個抱臂的液壓回路中，速度得到提升，因此左右兩個抱臂到位的時間非常接近。當兩個閥組都到位后液壓系統的壓力瞬間增加，電機將無法維持在設定的轉速運行，轉而切換至設定的扭矩限幅以恒扭矩模式運行。這時電機的轉速將接近于零速，扭矩將接近額定扭矩，為了防止干擾引起誤判，程序判斷上述狀態持續300ms 后認為左右抱臂已經到位，于是關閉閥組停止電機。

圖6 抱臂控制流程圖

4 實驗測試

圖7 為抱臂收回過程中實測的電流和轉速變化曲線。因電流和扭矩直接相關，在分析的時候可以用電流的變化趨勢來等效電機輸出扭矩的變化。可以看到在200ms 以前的時間里抱臂處于收縮狀態，電機的電流和轉速基本保持恒定；從270ms 開始，抱臂到達限位，電機轉速下降，在PID 控制器的調解下驅動電流開始增加；而從400ms 開始，電機電流達到峰值40A，電機開始工作在恒扭矩模式下，電機轉速繼續下降；700ms 時，系統判斷抱臂已經到位，于是停止電機，電流下降為0A，轉速下降為0rpm。

圖7 抱臂收回測試

5 結束語

本文設計了停車AGV 的液壓系統，用4 個雙作用液壓缸控制AGV 的升降并提供整車的液壓懸掛系統，用兩組雙作用液壓缸控制AGV 左右兩邊的抱臂，通過抱臂的收縮來夾持和釋放汽車。應用超聲波傳感器測量輪組與驅動支撐之間的距離來輔助控制AGV 液壓懸掛30mm行程的切換。通過CanOpen 協議實時獲取齒輪泵驅動電機的轉速和電流，由轉速和電流的組合關系判斷抱臂是否運動到位，并通過實驗驗證了當抱臂到位后電流維持在限幅40A，轉速從額定轉速持續下降至0rpm。