基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為滿足機(jī)電工程及智能制造相關(guān)專業(yè)學(xué)生的AGV實(shí)訓(xùn)需求，文章設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)AGV系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度等功能，為學(xué)生提供逼真的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)。平臺(tái)包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過(guò)構(gòu)建虛擬與實(shí)物相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，使學(xué)生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在安全可控的環(huán)境下進(jìn)行編程調(diào)試、任務(wù)執(zhí)行、故障排查及優(yōu)化等實(shí)踐操作。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV） ；數(shù)字化；智能制造；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）01-0133-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle， 簡(jiǎn)稱AGV） ，也稱為自引導(dǎo)車輛或自推進(jìn)車輛，是一種無(wú)人駕駛、計(jì)算機(jī)控制的移動(dòng)運(yùn)輸裝置，其由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，能在無(wú)人監(jiān)督或操作的情況下執(zhí)行任務(wù)。AGV技術(shù)作為自動(dòng)化物流系統(tǒng)的重要組成部分，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)等諸多領(lǐng)域，對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的需求不斷增加，要求也不斷提高[1]。國(guó)外AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，通常具備較高的自動(dòng)化和智能化水平，注重跨學(xué)科研究，將機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)融合在一起，形成綜合性的實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)正處于快速發(fā)展階段，研究與實(shí)踐方面均取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題和不足。比如，技術(shù)更新速度快導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容滯后、實(shí)訓(xùn)設(shè)備成本高導(dǎo)致普及難度大，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單一缺乏綜合性等[2]。

本文基于數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)AGV系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度等功能，為學(xué)生提供逼真的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)。平臺(tái)包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過(guò)構(gòu)建虛擬與實(shí)物相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，使學(xué)生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在安全可控的環(huán)境下進(jìn)行編程調(diào)試、故障排查及優(yōu)化操作等實(shí)踐操作。

1 AGV 技術(shù)概述

AGV機(jī)器人由多個(gè)關(guān)鍵部分組成，包括導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等功。其工作原理可以概括為“感知、規(guī)劃、執(zhí)行”3個(gè)步驟：1） 感知：通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知周圍環(huán)境，獲取自身位置和姿態(tài)信息；2） 規(guī)劃：根據(jù)感知信息和目標(biāo)位置，通過(guò)控制系統(tǒng)計(jì)算出最優(yōu)路徑，并生成行動(dòng)策略：3） 執(zhí)行：通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)AGV按照規(guī)劃路徑移動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境變化，確保精確到達(dá)目的地。AGV常用的導(dǎo)航技術(shù)有激光導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航等?？刂葡到y(tǒng)是AGV智能化、自動(dòng)化的核心，通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括主控制器（如PLC/工業(yè)計(jì)算機(jī)） 、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器、通信模塊等。軟件部分包括導(dǎo)航與定位軟件、運(yùn)動(dòng)控制算法、任務(wù)調(diào)度與管理軟件、安全監(jiān)控軟件等[3]。

2 智能AGV 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和原則

基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)，旨在為學(xué)生提供一個(gè)集理論、實(shí)踐和創(chuàng)新于一體的綜合學(xué)習(xí)環(huán)境。平臺(tái)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和原則主要有以下3 個(gè)方面：1） 以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、軟硬兼施”的智能AGV 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)；2） 對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，突出實(shí)用性和先進(jìn)性；3） 采用模塊化設(shè)計(jì)，便于平臺(tái)擴(kuò)展和升級(jí)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 硬件架構(gòu)

智能AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)基于模塊化，包含中央控制單元、AGV機(jī)器人模塊、機(jī)器視覺(jué)模塊、通信與交互模塊等。其硬件架構(gòu)，如圖1所示。

AGV機(jī)器人模塊通過(guò)Wi-Fi與中央控制單元互聯(lián)，機(jī)器視覺(jué)模塊通過(guò)相機(jī)串行接口（Camera Serial In?terface，簡(jiǎn)稱CSI） 與中央控制單元互聯(lián)，導(dǎo)航管理控制器通過(guò)集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱IIC） 與中央控制單元互聯(lián)，并控制光纖導(dǎo)航模塊和電磁導(dǎo)航模塊，道閘和射頻識(shí)別 （Radio Frequency Identi?fication，簡(jiǎn)稱RFID） 存取車模塊均通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，簡(jiǎn)稱CAN） 與中央控制單元互聯(lián)。

1） 中央控制單元。中央控制單元即主控制器，采用高性能服務(wù)器支撐，通常由PLC/工業(yè)計(jì)算機(jī)作為硬件設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、決策制定及指令下發(fā)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。中央控制單元實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和引導(dǎo)控制。AGV控制系統(tǒng)分為地面（上層） 控制系統(tǒng)、車輛（單機(jī)） 控制系統(tǒng)和導(dǎo)航/引導(dǎo)系統(tǒng)，其中地面控制系統(tǒng)是指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配、車輛調(diào)度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動(dòng)充電功能；車輛（單機(jī)） 控制系統(tǒng)收到指令后，主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行AGV導(dǎo)航計(jì)算、直接執(zhí)行、車輛、裝卸操作等；導(dǎo)航/引導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算AGV的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預(yù)設(shè)的軌跡或根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息進(jìn)行調(diào)整并完成任務(wù)。地面（上層） 控制系統(tǒng)是AGV 系統(tǒng)的核心，其主要功能是為AGV系統(tǒng)的多套AGV 單機(jī)任務(wù)分配、交通管理、交通管理和通信管理等。車輛（單機(jī)） 控制系統(tǒng)和導(dǎo)航/引導(dǎo)系統(tǒng)在收到命令后，為AGV實(shí)現(xiàn)單機(jī)導(dǎo)航、引導(dǎo)、路徑選擇、車輛駕駛、裝卸操作等功能[4]。

2） AGV機(jī)器人模塊。設(shè)計(jì)中使用的機(jī)器人采用倉(cāng)儲(chǔ)夾抱式，四輪驅(qū)動(dòng)，配備高精度電機(jī)、編碼器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器等硬件設(shè)備，支持前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、循跡、避障等操作，具備無(wú)線局域網(wǎng)通信、聲光報(bào)警、自動(dòng)充電樁充電等功能。

3） 機(jī)器視覺(jué)模塊。該模塊集成高清晰度攝像頭和圖像處理模塊，采用深度學(xué)習(xí)算法，支持物體識(shí)別、形狀檢測(cè)、顏色識(shí)別、二維碼識(shí)別等功能。首先，在視覺(jué)引導(dǎo)方式上，通過(guò)集成攝像頭或傳感器陣列，利用高分辨率攝像頭捕捉環(huán)境特征，通過(guò)算法實(shí)時(shí)處理圖像，確定自身位置。其次，在圖像識(shí)別與處理方面，通過(guò)高清攝像頭獲取環(huán)境圖像，隨后通過(guò)高速處理器進(jìn)行分析，以識(shí)別路徑標(biāo)識(shí)、障礙物以及其他關(guān)鍵環(huán)境特征。再次，在特征提取與物體識(shí)別方面，能夠從環(huán)境中提取特征，并進(jìn)行三維視覺(jué)分析，通過(guò)分析從立體攝像頭或激光掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境的三維模型，從而更準(zhǔn)確地進(jìn)行空間定位。最后，采用深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，允許從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，提高圖像分類和識(shí)別的準(zhǔn)確性[4]。

4） 通信與交互模塊。該模塊利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)AGV機(jī)器人與中央控制單元、用戶終端之間的實(shí)時(shí)信息交換，包含導(dǎo)航管理控制器和RFID存取車模塊。導(dǎo)航管理控制器通過(guò)對(duì)光纖導(dǎo)航模塊，電磁導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的導(dǎo)航，F(xiàn)RID存取車模塊實(shí)現(xiàn)存取車管理。通信與交互模塊基于對(duì)Zig?Bee、Wi-Fi、藍(lán)牙等多種無(wú)線通信方式的支持，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)、其他機(jī)器人之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和指令控制。

2.2.2 軟件架構(gòu)

平臺(tái)設(shè)計(jì)在軟件支持方面采用嵌入式控制系統(tǒng)，基于ARM或Cortex等高性能處理器，實(shí)現(xiàn)AGV的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等功能；在編程方面采用機(jī)器視覺(jué)算法，在開(kāi)發(fā)語(yǔ)言方面根據(jù)需求選擇合適的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，如Java、C++、Python等，實(shí)現(xiàn)圖像處理、特征提取、目標(biāo)跟蹤等算法。此外，開(kāi)發(fā)框架的應(yīng)用層可以采用Spring Boot、Django等成熟的Web開(kāi)發(fā)框架，以提高開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)庫(kù)可選擇MySQL、PostgreSQL等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或MongoDB等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和查詢需求進(jìn)行選型。前端技術(shù)采用React、Vue等現(xiàn)代前端框架，結(jié)合Web?Socket等技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。智能AGV實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的模塊化、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，如圖2所示。

總體架構(gòu)可以分為以下3 個(gè)層次：1） 操作系統(tǒng)層：為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 或通用操作系統(tǒng)（如Linux、Windows等） 。操作系統(tǒng)層負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、資源管理、中斷處理等底層功能；2） 中間件層：提供一系列通用的服務(wù)和接口，如網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)交換、任務(wù)調(diào)度等。中間件層是連接應(yīng)用層和操作系統(tǒng)層的橋梁，使得上層應(yīng)用可以更加專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)；3） 應(yīng)用層：包括各種面向用戶的軟件應(yīng)用，如AGV監(jiān)控與管理系統(tǒng)、任務(wù)分配系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)等。應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用中間件層提供的服務(wù)和接口，實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)功能[5]。

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

本研究在功能模塊設(shè)計(jì)上融合控制、通信交互和用戶接入三大功能。通過(guò)完整的培訓(xùn)項(xiàng)目，使學(xué)生能夠全面了解AGV系統(tǒng)的工作原理及研發(fā)過(guò)程，熟悉并掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的知識(shí)與技能，以培養(yǎng)和提高學(xué)生分析解決問(wèn)題、實(shí)踐操作、團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新思維等綜合能力。

2.3.1 控制功能

AGV控制功能由中央控制單元實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和引導(dǎo)控制。AGV控制系統(tǒng)分為地面（上層） 控制系統(tǒng)、車輛（單機(jī)） 控制系統(tǒng)和導(dǎo)航/引導(dǎo)系統(tǒng)，其中地面控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配、車輛調(diào)度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動(dòng)充電功能；車輛（單機(jī)） 控制系統(tǒng)收到指令后，主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行AGV導(dǎo)航計(jì)算、直接執(zhí)行、車輛、裝卸操作等；導(dǎo)航/引導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算AGV 的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預(yù)設(shè)的軌跡或根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息進(jìn)行調(diào)整并完成任務(wù)。運(yùn)動(dòng)控制由運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其工作原理為由運(yùn)動(dòng)控制模塊將控制信號(hào)（如脈沖信號(hào)和脈沖頻率、脈沖方向或模擬電壓等） 發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)單元將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出為角位移或角速度，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩，使其按照預(yù)定的控制拖動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

2.3.2 通信交互功能

通信交互功能通過(guò)無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用廣泛應(yīng)用的RS232或RS485通信，選擇無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)AGV與主機(jī)的通信。當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到上層機(jī)密數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)狀態(tài)，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換后開(kāi)始發(fā)送打包過(guò)程。發(fā)送打包的應(yīng)用程序?qū)⒕彌_區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并將控制信令動(dòng)態(tài)插入數(shù)據(jù)包中，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到模塊調(diào)制口。當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)按照規(guī)定將串口的幀格式和速率傳輸?shù)絇C串口。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊通常提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、RS-485 和UART（TTL電平） 3種接口模式，與計(jì)算機(jī)、用戶設(shè)備、RS-485單片機(jī)或其他使用UART設(shè)備直接連接[6]。

2.3.3 用戶接入功能

學(xué)生通過(guò)用戶界面通過(guò)接入中央控制單元，進(jìn)入實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。平臺(tái)提供友好的用戶界面，學(xué)生可以通過(guò)PC或移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制AGV，進(jìn)行編程調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等操作。實(shí)訓(xùn)環(huán)境的構(gòu)建可包含多種障礙和路徑的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，模擬真實(shí)工廠或倉(cāng)庫(kù)環(huán)境。也可以通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)，提供虛擬仿真環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行AGV的編程和調(diào)試。首先，要使用網(wǎng)線、串口線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等方式接入用戶界面，將用戶終端與中央控制單元建立物理連接。其次，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，需要確保用戶終端與中央控制單元在同一局域網(wǎng)內(nèi)，并配置正確的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。最后，在用戶終端上啟動(dòng)控制軟件，根據(jù)軟件提示輸入必要的登錄信息（如用戶名、密碼） 以完成登錄。此外，還可以在用戶終端上構(gòu)建在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)，提供課程資料、教學(xué)視頻、在線測(cè)試等資源，支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)構(gòu)建了一個(gè)“虛實(shí)結(jié)合、軟硬兼施”的智能AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范融入實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容。平臺(tái)包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過(guò)構(gòu)建虛擬與實(shí)物相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，使學(xué)生能夠直觀地理解和學(xué)習(xí)AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在實(shí)訓(xùn)環(huán)境下進(jìn)行編程調(diào)試、任務(wù)執(zhí)行、故障排查及優(yōu)化等實(shí)踐操作。展望未來(lái)，AGV實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)應(yīng)更加注重引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及智能化的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)與新技術(shù)的緊密融合，不斷提升學(xué)生的知識(shí)水平、實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力。

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【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項(xiàng)目：2024 年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：《基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)》（項(xiàng)目文號(hào)：桂教科研〔2024〕1 號(hào)；項(xiàng)目編號(hào)：2024KY1545）