經(jīng)濟型模塊化磁引導AGV驅動系統(tǒng)的設計

1、 經(jīng)濟型模塊化磁引導AGV驅動系統(tǒng)的設計陳剛一汽豐田（長春）發(fā)動機有限公司郵編：1300332014年9月12日內(nèi)容提要AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫，意即“自動引導運輸車”，是指裝備有電磁、光學或視覺引導等自動引導裝置，并能夠沿規(guī)定的路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。AGV屬于輪式移動機器人（WMR Wheeled Mobile Robot）的范疇。自動引導運輸車（AGV）系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，系統(tǒng)應用已經(jīng)比較成熟。隨著人工成本的不斷上漲，AGV系統(tǒng)也已經(jīng)開始逐步運用在煙草業(yè)、物流倉儲業(yè)、汽車制造業(yè)、造紙業(yè)等行業(yè)。盡管我國很多行業(yè)對AGV系統(tǒng)

2、都有著很大的需求，但由于其成本高、投資大、研發(fā)周期長等特點也制約了AGV系統(tǒng)的推廣。本文設計開發(fā)了一種經(jīng)濟型模塊化AGV驅動系統(tǒng)。該系統(tǒng)由模塊化的驅動單元和控制單元組成，使用了PLC、繼電器、磁力傳感器等技術性能成熟且低成本的工業(yè)元件，做到了引導、驅動、轉向與緩沖等功能，達到了可以在現(xiàn)場實際使用的設計要求，同時顯著降低了AGV系統(tǒng)的應用成本。關鍵詞：AGV，自動引導運輸車，磁引導，模塊化第一章 緒論1.1AGV自動引導運輸車簡介AGV(AutomaticGuidedVehicle),通常也稱為AGV小車,即自動引導運輸車。它是一種物料搬運設備，是能在指定位置自動進行貨物的裝載，自動行走到另一位

3、置，自動完成貨物的卸載的全自動運輸裝置。AGV是以蓄電池為動力源的一種自動操縱的工業(yè)車輛.一般可透過電腦來控制其行進路線以及行為，或利用電磁軌道(electromagneticpath-followingsystem)來設定其行進路線，電磁軌道粘貼于地面或預先埋設在地面下，AGV則依循電磁軌道所提供的信息進行移動與動作。裝卸與搬運是物流的功能要素之一，在物流系統(tǒng)中使用的頻率很高，占據(jù)物流費用的重要部分。AGV相對人工搬運，有著自動化程度高、使用成本低、觀賞度高、能夠提高企業(yè)形象等優(yōu)點。因此，近年來AGV得到了很大的發(fā)展，廣泛用于鋼鐵、煙草、車輛制造等行業(yè)。 圖1.1新松公司生產(chǎn)的激光引導式AG

4、V 圖1.2日本明電舍生產(chǎn)的多種AGV1.2AGV自動引導運輸車的分類自動引導運輸車分為有軌和無軌兩種。所謂有軌是指有地面或空間的機械式導向軌道。地面有軌小車結構牢固，承載力大，造價低廉，技術成熟，可靠性好，定位精度高。地面有軌小車多采用直線或環(huán)線雙向運行。無軌小車則是一種利用控制系統(tǒng)來控制，能按照一定的程序自動沿規(guī)定的引導路徑行駛，并具有停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種移載裝置的輸送車輛。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢AGV是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、自動化立體倉庫的大規(guī)模應用而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。目前國內(nèi)總體看AGV的應用剛剛開始，相當于國外80年代初的水平。但

5、從應用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有煙草業(yè)、印刷業(yè)、制造業(yè)、家用電器行業(yè)等等。這說明AGV有一個潛在的廣闊市場。（a）AGV在煙草行業(yè)的應用 （b）AGV在汽車制造業(yè)的應用圖1.3 AGV在工業(yè)現(xiàn)場的應用但從AGV的應用行業(yè)分布的比重上看，AGV在國內(nèi)仍然主要應用在煙草和汽車行業(yè)，這是由于AGV的生產(chǎn)、使用成本居高不下所決定的。由此可以見，自主研發(fā)AGV相關技術，降低AGV成本會極大地促進AGV向其他行業(yè)的滲透。從AGV的相關技術角度來看，雖然國內(nèi)的發(fā)展已有一定的規(guī)模，但是多數(shù)公司的驅動系統(tǒng)依然從國外進口。因此，國內(nèi)應用AGV的成本過高，這也是AGV應用在國內(nèi)遲遲得不到推廣的原因。綜上所述，本

6、文將著重從降低AGV的使用成本和縮短AGV的開發(fā)周期來研究AGV的相關技術。第二章 AGV引導模塊的設計2.1總體布局AGV驅動單元通常由控制器、驅動電機、以及相關的傳動機構組成，目前多數(shù)AGV的驅動單元與車體采用剛性連接，同時引導傳感器固定在車體上。這樣，驅動單元應用在AGV上時，只需要采用的不同的隨動輪，就可以實現(xiàn)AGV的單向或者雙向運動，如圖2.1所示。驅動輪萬向輪萬向輪圖2.1傳統(tǒng)AGV輪系布局這樣的結構雖然可以實現(xiàn)AGV的基本功能，但是由于車體、驅動系統(tǒng)以及引導單元采用了剛性連接，AGV整車的慣性較大。為了達到AGV運行的精度要求，對控制器的要求極高，增加了控制算法的難度和硬件成本；

7、同時由于車體、驅動系統(tǒng)以及導向單元采用了整體設計開發(fā)，使得應用在不同場合的AGV必須分別設計開發(fā)，造成開發(fā)周期過長。因此本文將AGV的引導與驅動系統(tǒng)整合設計成AGV的驅動引導模塊，進行機電一體化設計。圖2.2所示即引導驅動一體化的模塊結構示意圖。模塊中具有引導裝置與驅動裝置，以滿足AGV運行的基本需求，配合合適的控制器以及車體，就能快速開發(fā)出一臺AGV。如圖2.2所示為引導驅動模塊。該模塊與車體連接處具有一個轉動機構，這樣就可以解決大慣性車體結構由于控制器糾偏原因頻繁擺動的問題。當使用上圖驅動裝置的AGV運行時，盡管模塊底層的驅動部分會由于路徑跟蹤的原因左右擺動。但由于轉動機構的存在，車體不會

8、立即跟隨驅動部分擺動，當驅動部分進入穩(wěn)定狀態(tài)時，車體才逐漸地跟隨驅動部分轉動然后回正，這樣就解決了目前低成本AGV車體可能存在的擺動問題。圖2.2 AGV引導驅動模塊2.2 驅動單元傳動機構AGV驅動裝置的傳動機構是指驅動力矩從驅動電機到驅動輪的傳遞過程中涉及的機構。這個過程包含了轉速的降低、扭矩的放大和傳遞方向的改變，直接關系到AGV的驅動能力和運行的速度，因此合理的傳動機構對AGV是不可或缺的。常見的傳動機構包括齒輪、傳動帶和鏈條等，它們的特點如下：齒輪：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大；但是齒輪傳動要求較高的制造和安裝精度，成本較高；同時齒

9、輪傳動用于AGV傳動過程中需要變向，這樣減速機的尺寸比較大。傳動帶：傳動帶傳動是一種依靠摩擦力來傳遞運動和動力的機械傳動，運動平穩(wěn)無噪音，結構簡單制造容易，安裝和維修方便，成本較低。但是傳動帶不能傳遞大功率，傳動中有滑動，不能保持準確的傳動比，效率較低。而且皮帶磨損較快，壽命較短。 鏈條：相對齒輪傳動而言對主動輪和從動輪的中心距的限制較寬松；主動輪和從動輪的圓周線速度相等；傳動可靠性較皮帶傳動高。同時鏈條傳動使得主動輪與從動輪之間的距離可以靈活設計。根據(jù)以上的分析，本次決定采用鏈條傳動。這樣的驅動機構可以使驅動電機橫向布置，有利于減小驅動模塊的尺寸。同時配合行星齒輪減速機，從電機到減速機、鏈條

10、以及驅動輪就構成了AGV的傳動系統(tǒng)。2.3 驅動單元的驅動系統(tǒng)布局整個驅動系統(tǒng)由兩個電機、兩個齒輪減速機，兩套鏈條系統(tǒng)和兩個驅動輪組成。常見的驅動結構布局有兩種形式：對稱布局形式和交錯布局形式在選用相同驅動電機和驅動輪的情況下，交錯式結構的驅動單元體積要比對稱布局結果體積小很多。但交錯式布局相對結構復雜，為了控制驅動模塊姿態(tài)的準確，對兩個驅動輪的安裝精度要求較高。為了解決驅動輪的同軸度問題，本次設計的驅動模塊中兩個驅動輪安裝在同一根芯軸，以此來保證同軸度。這樣整個驅動系統(tǒng)的布局結構如圖2.3所示。圖2.3驅動系統(tǒng)布局結構示意圖2.4 驅動單元彈性連接裝置結構根據(jù)本章開始的時候分析得知，自動引導

11、小車的驅動裝置與車體之間的柔性連接是必要的。在綜合考慮自動引導小車的結構問題時候，發(fā)現(xiàn)采用驅動裝置中采用柔性連接的方式不僅能夠起到減震的效果，而且還能解決剛性連接的自動導向小車中各個隨動車輪與驅動輪難以處在同一平面的問題。圖2.4是本文設計的減震緩沖裝置在UG中的三維模型。圖2.4減震緩沖裝置三維模型根據(jù)圖2.4可以發(fā)現(xiàn)，該裝置采用兩個柔性適中的彈簧，可以有效的減少驅動輪引起的上下震動對車體的影響。同時當驅動裝置安裝在自動引導小車的車體上的時候，隨動輪采用可以調(diào)節(jié)高度的結構，這樣只需要調(diào)節(jié)隨動輪的高度，當有負載的時候，該減震裝置受壓后車體下降，直到隨動輪與地面接觸。這樣隨動輪與驅動輪都處于與地

12、面接觸的平面，有效的避免了驅動輪與地面無法良好接觸，而引起的驅動力不足的問題。這種結構與傳統(tǒng)的剛性連接的自動引導小車結構相比，還有一個優(yōu)勢在于，當車體有負載的情況下，負載首先會是彈簧變形，隨動輪下降，直到隨動輪與地面接觸。這樣負載會平均分配在隨動輪與驅動輪子上。而剛性連接的自動引導小車結構中，當負載擺放在車體的不同的位置時候，分配在各個輪子上的載荷是不同的，很有可能會出現(xiàn)負載集中在個別車輪上，引起車輪過載，從而出現(xiàn)故障或過度磨損的情況。2.5 驅動單元與車體轉動機構 上文中已經(jīng)分析提到，為了盡量減小自動引導小車的驅動裝置由于差速糾偏時頻繁左右調(diào)整姿態(tài)而帶來的車體整體擺動，本文將驅動導向單元分為

13、上下兩層的設計，將減震裝置設計在上層，與車體連接，下層則為上文設計的驅動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)通過驅動輪與地面接觸。兩層之間依靠一個平面軸承連接，軸承上套裝了一個扭簧，當上下兩層之間轉動產(chǎn)生角度時，扭簧能夠提供一定的力矩使上層結構回擺。這樣既能夠避免車體的頻繁擺動，又能使車體有效地跟隨驅動裝置，完成路徑跟蹤功能。此外，在兩層結構之間還設置有一個角度傳感器，用來實時測量車體與驅動導向結構之間的相對轉角關系，這樣可以給主控制器提供更全面的信息，使控制器更全面有效的控制AGV的運動軌跡。2.6 AGV驅動力的計算AGV在行駛的過程中通過驅動輪與地面接觸，驅動力矩Tq由電機輸出，通過減速機構放大到驅動輪上的力

14、矩為Tt： Tt=IgTg （2.1）其中Ig為整個傳動系統(tǒng)的減速比，為整個傳動系統(tǒng)的機械效率。驅動輪與地面作用產(chǎn)生的驅動力Ft：Ft=Tt/R=IgTg/R （2.2）其中R為驅動輪半徑。AGV行駛過程中需要克服各種阻力，主要有：滾動阻力Ff，空氣阻力Fw，坡度阻力Fy，加速阻力Fa等，所以驅動AGV需要的總驅動力為：Ft=Ff+Fw+Fy+Fa （2.3）（1）滾動阻力FtAGV通過輪子與地面接觸，因此滾動摩擦力取決于滾動摩擦系數(shù)與AGV整車質量與載重：Ff=fMmaxg+fmg （2.4）式中f為滾動摩擦系數(shù)，根據(jù)本文中選用的AGV驅動輪材料，取值為0.02；g為重力加速度常數(shù)，因此得出

15、最大Ff為117.6N。（2）加速阻力Fa加速阻力主要是在AGV啟動時的加速過程中產(chǎn)生的，由AGV載重和加速度決定，本文設計的AGV最大加速度為0.5m/s因此得出的Fa峰值為150N。 （3）坡道阻力Ft與空氣阻力Fw因為AGV通常工作在車間里面，地面平整性較高，因此坡道阻力忽略不計。同時，由于AGV的車速通常不會超過100mm/s，而空氣阻力與車速度平方成正比，因此空氣阻力Fw也是非常小的，可以忽略不計。 上面的分析可得，通常自動引導小車運行過程中需要克服的最大阻力發(fā)生在其滿載且以最大加速度啟動時候，此時本文設計的單驅動單元AGV的目標載重500KG，因此驅動電機需要提供的最大驅動力Ft為

16、267.6N。 2.7 驅動電機選型 目前AGV使用的驅動電機通常是直流伺服電機和步進電機兩大類，其中步進電機由于非線性較強，不易實現(xiàn)高性能的閉環(huán)控制，所以極少使用。直流伺服電機主要分為有刷直流伺服電機和無刷直流伺服電機，有刷直流伺服電機的結構簡單，成本低，啟動時轉矩大，調(diào)速范圍寬，控制比較容易，但由于碳刷存在損耗，所以需要維護，同時有刷直流伺服電機會產(chǎn)生電磁干擾，對應用的環(huán)境有所要求，適用于需求成本較低的民用場合和普通工業(yè)。無刷直流伺服電機重量輕、體積小、響應快、出力大、速度快、慣量小、力矩穩(wěn)定、轉動平滑。比較容易實現(xiàn)智能化，且不需要維護、效率高、運行時溫度低、噪聲小、電磁輻射小、壽命長、應

17、用環(huán)境廣。根據(jù)以上分析，本次決定采用無刷直流減速電機電機。根據(jù)式（2.2）以及上文分析得到的阻力數(shù)據(jù)，決定選用東方電機生產(chǎn)的直流減速電機，電機型號為BLHM5100K-GFH5G30。該型號電機額定功率為100W，額定轉矩1.3Nm，額定轉速3000r/min，減速比30:1，完全符合本文設計需求。 第三章 驅動單元的電氣設計3.1 磁引導AGV驅動單元控制系統(tǒng)總體設計 AGV驅動單元的控制系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面： （1）檢測AGV的運行路徑 AGV的路徑偏差主要通過檢測磁引導傳感器的輸出，通過控制器的輸入I/O進行檢測。 （2）實現(xiàn)路徑跟蹤算法 路徑跟蹤算法是根據(jù)檢測到的路徑偏差來計

18、算驅動電機的速度差，從而調(diào)整AGV的運行姿態(tài)。 （3）控制驅動電機 本文設計的磁引導AGV驅動單元所采用的伺服驅動電機具有多種控制方式，主控制器需要根據(jù)驅動單元的需要進行相關的控制方式選擇，并且滿足控制方式的接口電路要求。 （4）與外部設備通信AGV在運行時需要與AGV的系統(tǒng)控制平臺或者其他設備進行數(shù)據(jù)交換，因此控制系統(tǒng)必須帶有通信接口。 根據(jù)上述功能要求，磁引導AGV的控制系統(tǒng)如圖3.1所示。 圖3.1磁引導AGV控制系統(tǒng)功能示意圖在控制系統(tǒng)最核心的控制器選擇上，通常有PLC、ARM、DSP三種最常用的解決方案。PLC是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controll

19、er）的簡稱。相對于ARM（這里是泛指ARM架構處理器，包含8位的單片機和16/32位的ARM處理器）和DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理器），PLC有著系統(tǒng)元件成熟穩(wěn)定、可擴展性高、研發(fā)及編程簡單直觀等優(yōu)點。因此本案在控制器的選擇上選擇了PLC。由于本案需要用到I/O輸入輸出、模擬量控制、串口通信等功能。故PLC主單元選擇的是三菱FX3UC-32MT/D的小型直流供電主單元。擴展模塊方面，根據(jù)需要選用了FX2NC-32EX以及FX2NC-16EYR-T通用擴展模塊。至于特殊功能模塊，則選用了FX2NC-2DA、FX3U-485-ADP-MB等特殊功能模塊

20、。至于多車通信部分，則采用國產(chǎn)西安達泰電子制造的DTD434M2型無線通信單元。通過433KHz無線通訊實現(xiàn)多車通信聯(lián)動。3.2 傳感器測試實驗3.2.1引導方式的選擇目前AGV的引導方式有很多，不同的引導方式所采用的傳感器不同，對AGV的精度以及成本也有很大的影響。 （1）電磁感應引導 電磁引導是應用最早的引導方式之一。電磁感應引導的方式采用了物理學中通電電纜會產(chǎn)生磁場的電磁感應原理，在自動引導車預定的行駛路徑下面事先鋪設已經(jīng)設定的通電電纜線，在鋪設的電線中通上低頻的正弦波交流電，使得導線在周圍產(chǎn)生能夠被檢測到的強度范圍內(nèi)的電磁場。在AGV上安裝上能夠檢測該電磁場的電磁感應的傳感器，通過比較

21、傳感器檢測的磁場強弱來控制小車的運動方向。電磁感應引導方式原理清晰，控制簡單；但是其電磁感應對環(huán)境要求較高，工廠復雜的電磁環(huán)境容易對其產(chǎn)生較大的影響，從而影響其控制精度。（2）磁條引導磁條引導采用在地面貼上固定的磁帶或者磁條，在AGV上安裝磁引導傳感器檢測磁條的磁場強度，以此來控制小車的行駛方向。磁條引導的主要優(yōu)勢在于其路徑容易改變，方便維護，控制方式簡單。也由于目前磁引導的相關技術發(fā)展比較成熟，磁條引導的成本相對低廉，因此它在AGV上也得到了廣泛的應用。但是磁條引導方式的控制精度略低于視覺引導；并且由于需要將磁條鋪設于地表，磁條在使用中磨損較快，需要定期維護。（3）視覺引導基于視覺引導的AG

22、V引導方式是：通過裝載在自動引導小車上的CCD攝像頭來獲取路徑的圖像信息。經(jīng)過處理，得到自動引導小車與目標路徑的距離偏差和角度偏差。然后將這些偏差和角度偏差數(shù)據(jù)傳遞給自動引導小車的運動控制器，運動控制器控制驅動部分做出方向修正，從而實現(xiàn)自動引導小車的自動跟蹤路徑的功能。視覺引導方式的優(yōu)點是目標路徑設置簡單，更改方便，同時視覺更接近人的引導模式，理論上引導的柔性程度高；視覺得到的信息量大，可選的控制方式多。但是視覺引導對軟、硬件要求極高，研發(fā)成本高昂；而且此種引導方式容易受到周圍環(huán)境影響，對車間清潔程度及環(huán)境光源要求較高。因此視覺引導方案在AGV領域實際應用的案例不多。（4）激光引導激光引導是在

23、AGV車上安裝激光發(fā)射和接受裝置，在AGV運行環(huán)境周圍布置大量的激光反射板?？刂破鞲鶕?jù)激光發(fā)射器發(fā)射與接受回來的光速時間差，并通過幾何原理計算出AGV的位置和姿態(tài)，然后確定AGV的運行軌跡。這種引導方式定位精度高且不需要設置地面路徑，系統(tǒng)較為靈活；但是這種引導方式對環(huán)境要求也極高，反射板要保持清潔，否則會影響AGV運行精度。由于激光傳感器昂貴以及對廠房要求高，因此使用此種導航方式的成本較高，也沒有在實際生產(chǎn)中得到大規(guī)模應用。 根據(jù)上文的引導方式分析得知，磁條引導的方式，精度雖然不如激光引導，但是只要配合適當?shù)妮o助定位方式，同樣可以滿足目前國內(nèi)多數(shù)企業(yè)對物料輸送的需求，因此本文決定采用磁條引導的

24、方式。此外磁引導所需要的傳感器技術成熟，傳感器價格相對于激光傳感器，視覺傳感器，成本上有較大的優(yōu)勢；同時磁條引導方式的控制方法簡單實用，也簡化了控制器的設計要求，降低了開發(fā)成本。3.2.2 引導傳感器測試實驗 磁引導傳感器是AGV檢測路徑的主要工具，因此磁引導傳感器工作的穩(wěn)定性對AGV控制至關重要。本文設計的AGV選擇國產(chǎn)沈陽軍航電器有限公司生產(chǎn)的型號為JH-16的磁引導傳感器。該傳感器既可以檢測N極磁場，也可以檢測S極磁場，因此對磁鐵的極性沒有要求。該傳感器的具體參數(shù)如表3.1所示。表3.1 磁引導傳感器性能參數(shù)該傳感器需要DC 10-36V供電，本文設計的AGV給傳感器DC 24V供電，可

25、以保證工作電壓穩(wěn)定。傳感器的16路輸出與傳感器距離磁鐵高度，傳感器也磁鐵的夾角等都有密切關系；為了得到最穩(wěn)定的輸出，本文設計了以下的實驗檢測磁傳感器性能。實物圖如圖3.2所示。圖3.2 磁傳感器實驗圖實驗的具體內(nèi)容如下所述： 給傳感器24V直流供電；保證傳感器與磁鐵平行，磁條與傳感器垂直，改變傳感器與磁條的距離；實驗環(huán)境圖如圖4.3所示。圖3.3傳感器檢測實驗示意圖實驗數(shù)據(jù)如表3.2所示：表3.2 磁引導傳感器實驗數(shù)據(jù)實驗過程中發(fā)現(xiàn)當傳感器距離磁條過近時，檢測到的點較多，無法準確分辨方向；傳感器與磁條距離過遠的時候則無法檢測到磁條。根據(jù)表3.2可知，當角度傳感器與磁條距離在20mm到25mm時

26、，傳感器的輸出點比較穩(wěn)定且保持可以檢測到四個點。因此本文設計的AGV在安裝磁引導傳感器時，將其與地面距離設定為25mm。 3.2.3 傳感器角度反饋測試實驗本文在上一節(jié)中介紹過引導傳感器為16路輸出，直線行駛時為中間四路有輸出信號，而在經(jīng)過彎道時該傳感器實時16路輸出信號輸出值變化，以提供車體與引導磁條之間的實際角度偏差給控制器。因此需要設計試驗驗證傳感器的輸出值與實際偏差角度之間的關系。 首先，磁引導傳感器輸出的16位I/O信號可以通過PLC寄存器換算為ASCII碼，每一種ASCII碼代表一種狀態(tài)輸出。再根據(jù)車體長度及傳感器安裝位置，可以計算出AGV車體靜態(tài)角度反饋信息。在AGV車運轉中，通

27、過監(jiān)控傳感器輸出值可以監(jiān)控AGV車動態(tài)角度反饋信息。通過靜態(tài)值與動態(tài)值的對比，可以驗證計算信息的準確性。表3.3為理論角度與實際位置之間的關系。表3.3傳感器檢測數(shù)據(jù)為了驗證控制器對曲線路徑的跟蹤能力，我們又跟蹤了直線和曲線AGV運行軌跡，結果如圖3.4所示。圖中目標路徑由開始的直線與后階段的曲線組成。由圖中可知，直線部分與上面圖中結果一致，曲線部分一開始存在遲滯與超調(diào)，隨著小車的運行，基本能跟上目標路徑，說明在較低速度下該控制方案可以很好的跟蹤曲線路徑。 圖3.4 曲線路徑效果圖3.3 驅動電機控制方式研究本文選取的電機為東方電機公司生產(chǎn)的直流無刷電機，型號為BLHM5100K。為了高效快速

28、的實現(xiàn)對電機速度的控制，同時選配了該公司一款相應的直流伺服驅動器來控制電機，其型號為BLHD100K，如圖3.5所示。 圖3.5驅動器簡介該驅動器通過采用了高速浮點DSP、電流環(huán)死區(qū)補償技術、以及高速速度檢測模塊等，使得其響應帶寬，響應迅速以及定位精度高。該驅動器能對電機實現(xiàn)轉矩、速度和位置的反饋控制，其控制方式可以通過外部I/O切換。同時在模擬量速度控制的基礎上，增加了脈沖控制的速度模式，提高了抗干擾能力。在控制方式上了除了傳統(tǒng)的模擬量和脈沖控制，該驅動器還提供了豐富的通訊接口，其中包含RS232和RS485接口，最高速率達到115Kbps，支持Modbus協(xié)議；支持光電隔離的CAN接口，抗

29、干擾能力更強，通訊速率可達到1Mbps。同時該驅動器開放了上述總線的通訊協(xié)議，使得該驅動器可以更簡易的與PLC、單片機及ARM等控制器進行通信。在電機控制方面，采用了速度和位置的雙PID參數(shù)，可根據(jù)實際的運行環(huán)境(轉矩、速度和位置)實現(xiàn)自動切換，也可以通過外部I/O端口人工切換。雙PID參數(shù)可以更好的適配運行環(huán)境，提高電機的響應時間和穩(wěn)定性。獲得諸如高速高響應、低速高穩(wěn)定性的控制性能。 3.3.1 驅動器接口簡介驅動器電源接口包括給驅動器供電的直流正負接口，以及驅動器向電機供電的三項電接口，還有接受電機編碼器反饋信號的編碼器接口，連接控制器的I/O接口，還有一個兼容RS232/RS485的通訊

30、接口，連接示意圖如圖3.6所示。 圖3.6驅動器接口3.4 電源監(jiān)控電路整個磁引導AGV的供電由一組蓄電池完成，因此蓄電池電壓對于整個控制器以及電機驅動器的正常工作至關重要。因此需要主控制器實時檢測蓄電池的電壓，當其電壓低于某一下限時，在AGV顯示器上顯示報警，提醒用戶進行更換電池或者進行充電。 然后電池電壓遠遠高于控制器最小系統(tǒng)工作電壓，也超過PLC的A/D模塊的量程；同時電池電壓的波動比較大，直接檢測會影響最小系統(tǒng)的正常工作。所以需要設計一個轉換電路完成電壓轉換工作，這個電路既要能將檢測電壓縮小到適合比較的電壓范圍內(nèi)，又能保證電壓的波動不影響最小系統(tǒng)正常工作。 通過反復試驗和比較，本文最終

31、決定首先將電源電壓通過一個電源穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓至一個穩(wěn)定的比較值，這個比較值不受電源電壓的降低而波動，同時在另一路電路中將電源電壓通過精密電路分壓，這樣分壓后的電壓是與電源實時電壓成線性關系的。然后將穩(wěn)壓與分壓后的電壓通過電壓比較器進行比較，再將比較后的結果通過光耦進行隔離輸入到PLC中，這樣既能避免了電壓波動對最小系統(tǒng)的影響，又能及時檢測到電源電壓的下降情況，這部分電路原理圖如圖圖3.7 電源電壓監(jiān)控電路3.5 控制器軟件開發(fā)本文的控制軟件設計遵循結構化和層次化的思想，在前面設計的硬件的平臺上，利用PLC系統(tǒng)以及各類驅動，具體實現(xiàn)上文設計的磁引導AGV的路徑跟蹤算法以及其他各項輔助功能。PLC控

32、制形式通常分為使用觸摸屏系統(tǒng)和不使用觸摸屏系統(tǒng)這兩大類。通常如果程序規(guī)模不大，同時程序需要實現(xiàn)的功能簡單的情況下，PLC設計時不帶有觸摸屏系統(tǒng)，這樣編譯后的代碼量較小，節(jié)省PLC的Flash空間。但是當程序的結構較為復雜，需要實現(xiàn)較為多的功能，并且有很多需要調(diào)整的變量時，觸摸屏系統(tǒng)不僅能夠簡化程序設計過程，還能優(yōu)化PLC的利用率，最大程度上提高PLC的使用率。故本次設計中使用了以三菱GOT1045QSBD為硬件的觸摸屏系統(tǒng)。整個PLC軟件的編程過程中，是以控制決策任務為中心展開，分為傳感器數(shù)據(jù)采集、控制和上位機通信三大塊。其中為控制任務提供數(shù)據(jù)的傳感器任務的優(yōu)先級必然要高于其他任務，控制任務優(yōu)

33、先級要高于上位機監(jiān)測任務，綜合各方面考慮以及反復試驗，最終優(yōu)先級確定如表3.4。表3.4命令優(yōu)先級列表第四章 總結與展望本章對全文工作進行了回顧，總結已取得的主要研究成果的成功之處，提出有待進一步研究和解決的問題，期望在今后的工作中進一步地完善。4.1 研究內(nèi)容總結本文通過查閱國內(nèi)外資料以及分析國內(nèi)外現(xiàn)有AGV結構特點的基礎上，設計了一種經(jīng)濟型模塊化磁引導AGV驅動系統(tǒng)，該驅動系統(tǒng)采用合適的車體結構以及具體的應用機構，即可投入到具體的應用當中，不僅降低了AGV的使用成本，而且縮短了AGV的開發(fā)周期。同時本文根據(jù)磁引導AGV的運動特點，提出了一種適合磁引導AGV的控制算法。最后開發(fā)了整個磁引導A

34、GV的控制系統(tǒng)以及磁引導AGV的實驗平臺。本文在磁引導AGV實驗平臺上又進行了磁引導AGV的相關實驗研究，既檢驗了經(jīng)濟型模塊化磁引導AGV驅動單元的結構性能，又驗證本文的基于磁引導傳感器的AGV控制算法，同時也驗證了基于PLC系統(tǒng)的磁引導AGV控制器性能。本文具體的研究內(nèi)容如下：（1）基本功能據(jù)AGV的定義可知，AGV的基本功能是能夠沿著已經(jīng)規(guī)定好的導向路徑進行行駛。本文設計的驅動單元，包含引導傳感器、控制器、驅動系統(tǒng)，并且通過實驗驗證，完全能夠實現(xiàn)AGV的基本功能。同時通過實驗可知，在本文采用的磁引導傳感器以及控制器的引導下，AGV的運行精度可以控制在10mm內(nèi)，配合適當?shù)妮o助定位功能，完全

35、能夠滿足物料輸送的需求。圖4.1 AGV車實物圖（2）使用成本 本文從傳感器的選擇，電氣設計等方面降低了AGV的使用成本。通過使用性能穩(wěn)定、成本更低的磁引導傳感器，研發(fā)、維護成本更低的PLC等器件，極大的降低了AGV的制造和使用成本。上圖（圖4.1）所示的具有完整功能的AGV，其制造成本僅7萬元。相比具有同功能的進口產(chǎn)品-日本明電舍MCAT基本型AGV，高達20萬元的售價，本文的設計方案在經(jīng)濟性上有著明顯優(yōu)勢。（3）開發(fā)周期 無論從國外的AGV發(fā)展歷史，還是國內(nèi)各公司AGV的應用情況，都可以發(fā)現(xiàn)，AGV的引導技術和控制方式需要一個較長時間的積累和實驗研究，因此從產(chǎn)生AGV的使用需求到將AGV投入實際應用，需要一個較長的時間周期。而本文是設計的驅動系統(tǒng)，解決了AGV核心的引導控制問題，這從很大程度上減少了AGV使用者的研發(fā)實驗時間，使用者只需要根據(jù)自身的需求設計車體以及相關輔助功能就可以在較短時間內(nèi)將AGV投入到實際使用當中。4.2 展望盡管本文已經(jīng)成功地設計了磁引導AGV驅動單元以及一種適用于這種單元的控制算法，但是由于時間限制和經(jīng)驗有限，還有