AGV磁導(dǎo)航設(shè)計(jì)方案

AGV搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案AGV即自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)（AutomatedGuidedVehicle）被作為搬運(yùn)機(jī)器人廣泛使用，應(yīng)用于自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、柔性搬運(yùn)系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)等物流系統(tǒng)。AGV是以蓄電池作為電源，用某種導(dǎo)航方式控制其運(yùn)行路線的自動(dòng)化智能搬運(yùn)設(shè)備。AGV具有良好的柔性和較高的可靠性，可以減少工廠對(duì)勞動(dòng)力的需求，提高產(chǎn)品設(shè)備在運(yùn)送中的安全性且安裝輕易，維護(hù)以便。在AGV的應(yīng)用環(huán)境中，往往由多臺(tái)AGV構(gòu)成自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由AGV、導(dǎo)引系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、?？抗の灰约俺潆姽の坏葮?gòu)成的自動(dòng)化AGVs系統(tǒng)。AGVs的上位機(jī)管理系統(tǒng)通過(guò)通信系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)的AGV通信，優(yōu)化AGV的作業(yè)過(guò)程、控制AGV的運(yùn)行路線、制定AGV的搬運(yùn)計(jì)劃和監(jiān)控AGV的運(yùn)行狀態(tài)。AGVs易于和其他自動(dòng)化系統(tǒng)集成，輕易擴(kuò)展。1、AGV導(dǎo)引方式1）視覺(jué)導(dǎo)航視覺(jué)導(dǎo)引是在AGV的運(yùn)行途徑上設(shè)置導(dǎo)向標(biāo)線，通過(guò)裝在AGV上的攝像機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地獲取導(dǎo)向標(biāo)線圖像，計(jì)算AGV相對(duì)于標(biāo)線的距離和角度偏差，從而控制AGV沿著標(biāo)線運(yùn)行的導(dǎo)引方式。該種導(dǎo)引方式精度較高，途徑變更輕易，但對(duì)地面潔凈度有一定規(guī)定，同步成本相對(duì)較高。2）磁導(dǎo)航磁導(dǎo)航被認(rèn)為是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，重要通過(guò)測(cè)量途徑上的磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)獲取車(chē)輛自身相對(duì)于目的跟蹤途徑之間的位置偏差，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的控制及導(dǎo)航。磁導(dǎo)航具有很高的測(cè)量精度及良好的反復(fù)性，磁導(dǎo)航不易受光線變化等的影響，在運(yùn)行過(guò)程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設(shè)好后，維護(hù)費(fèi)用非常低，使用壽命長(zhǎng)，且增設(shè)、變更途徑較輕易。2、AGV構(gòu)成單元磁導(dǎo)航AGV系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成如圖1所示。重要包括導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、車(chē)體、移載單元、供電單元、安全輔助單元，站點(diǎn)識(shí)別單元，通訊單元和主控單元。其中導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元和主控單元是AGV技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。圖1磁導(dǎo)航AGV系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成圖1）導(dǎo)向單元導(dǎo)向單元采用磁導(dǎo)航傳感器，安裝在AGV車(chē)體前方的底部，磁導(dǎo)航傳感器運(yùn)用其內(nèi)置的6個(gè)采樣點(diǎn)，可以檢測(cè)出磁條上方一定程度的微弱磁場(chǎng)，每一種采樣點(diǎn)均有一路信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出，當(dāng)采樣點(diǎn)采集到磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)，該路信號(hào)就會(huì)輸出低電平，而沒(méi)有采集到磁場(chǎng)信號(hào)的信號(hào)輸出則為高電平。AGV運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的持續(xù)1~3個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)輸出信號(hào)，依托輸出的這幾路信號(hào)，可以判斷磁條相對(duì)于磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置，當(dāng)AGV的行駛與導(dǎo)引軌跡一致時(shí)，由于此時(shí)磁導(dǎo)航傳感器恰好處在磁條軌跡的上方，傳感器正中間的檢測(cè)元件測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，因而中間的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器輸出低電平信號(hào)，控制器I/O口采集到這幾路信號(hào)，比較發(fā)現(xiàn)目前AGV處在途徑中間，控制器將不對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行處理，AGV保持原行駛軌跡；當(dāng)AGV偏離磁條軌跡時(shí)，由于檢測(cè)到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器不再處在磁導(dǎo)航傳感器的中間，傳感器將該低電平信號(hào)輸出至控制器，控制器I/O口采集到這幾路低電平信號(hào)，比較發(fā)現(xiàn)目前AGV位置與途徑位置有所偏差，據(jù)此AGV控制系統(tǒng)自動(dòng)做出調(diào)整，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)差速糾偏，保證AGV沿磁條前進(jìn)。磁導(dǎo)航原理圖如下圖2所示。圖2磁導(dǎo)航傳感器原理2）驅(qū)動(dòng)單元AGV驅(qū)動(dòng)單元的性能直接決定了AGV的車(chē)體運(yùn)動(dòng)性能。驅(qū)動(dòng)單元重要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、差速控制系統(tǒng)和減速剎車(chē)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由主控單元控制，接受主控單元發(fā)出的控制信號(hào)，繼而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出對(duì)應(yīng)的加減速以及剎車(chē)等動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)直接決定了AGV的動(dòng)力性能。差速控制系統(tǒng)好壞可以影響AGV行走尤其是轉(zhuǎn)向時(shí)的平穩(wěn)度與運(yùn)行精度。3）車(chē)體單元采用后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；前、后輪作為萬(wàn)向輪，只起支撐作用，隨本體而動(dòng)。該構(gòu)造轉(zhuǎn)向依托后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪差速完畢，轉(zhuǎn)彎中心位于兩驅(qū)動(dòng)輪之間，能實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎控制精度高。該機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)樸，便于控制，是目前應(yīng)用最多的一種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。在前后設(shè)計(jì)安裝兩自由輪保持整車(chē)平衡，同步也提高AGV整體載荷能力。AGV輪式移動(dòng)構(gòu)造如下圖3所示。圖3輪式移動(dòng)驅(qū)動(dòng)構(gòu)造AGV車(chē)架重要功能是進(jìn)行貨品承載，安放多種AGV部件，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)電路、供電電池以及檢測(cè)用的傳感器等。因此車(chē)架應(yīng)當(dāng)包括可以放置控制電路的空間、顧客操作界面和運(yùn)載貨品的平臺(tái)。4）供電單元供電單元用以給主控單元、導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、移載機(jī)構(gòu)等設(shè)備提供電能，是AGV一切設(shè)備正常運(yùn)行的保證，一般包括蓄電池、電壓隔離模塊、電壓采集系統(tǒng)。蓄電池為一般的工業(yè)蓄電池或者汽車(chē)蓄電池，一般規(guī)定可以保證8小時(shí)持續(xù)工作時(shí)間。電壓采集模塊通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)采集目前AGV電源電量，并將電壓值反饋至控制器，由控制器來(lái)監(jiān)控目前電壓。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)目前電源電壓值即將低于正常工作電壓時(shí)，將該信息反饋給地面控制中心上位機(jī)，同步AGV報(bào)警顯示電量局限性，并在完畢目前任務(wù)后自行回到充電站充電，當(dāng)AGV充電完畢后，解除報(bào)警信號(hào)并告知上位機(jī)，回到正常運(yùn)行途徑并接受來(lái)自上位機(jī)的任務(wù)指令。5）移載單元移載裝置是為了滿足多種生產(chǎn)線上物件的分流、合流、移交、轉(zhuǎn)向和搬運(yùn)功能的一種裝置。而在物流生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)AGV與移載機(jī)構(gòu)的結(jié)合可以到達(dá)物流順暢、途徑最優(yōu)、時(shí)間最短、速度最快以及效率最高的目的。采用叉車(chē)式AGV實(shí)現(xiàn)移載，貨品通過(guò)AGV倒車(chē)裝卸，可以在高下差很大的站臺(tái)以及地面間裝卸貨品，在使用多層貨架或者駛?cè)胧较锏赖膫}(cāng)庫(kù)中裝卸貨品具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，車(chē)身窄，重心低，作業(yè)靈活，合用范圍廣。初步選用側(cè)叉式AGV，如下圖4所示。其安裝有兩級(jí)或者三級(jí)傳動(dòng)比例的伸縮叉，工位上設(shè)有站臺(tái)，站臺(tái)上安裝有無(wú)動(dòng)力的臺(tái)架，當(dāng)AGV抵達(dá)指定工位后?？吭谡九_(tái)一側(cè)，運(yùn)用升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮叉與貨品的離合，從而實(shí)現(xiàn)貨品的裝卸。側(cè)叉式AGV安全性好，移載原理比較簡(jiǎn)樸，貨品可以通過(guò)伸縮叉裝卸且能在不一樣高度站臺(tái)作業(yè)。圖4叉車(chē)式AGV6）安全輔助單元安全輔助單元重要包括障礙物接觸緩沖器、靠近監(jiān)測(cè)裝置、警示裝置、停車(chē)按鈕和緊急停車(chē)按鈕，重要為了防止AGV之間、AGV與周?chē)矬w以及AGV與人的碰撞，是保證AGV安全運(yùn)行的保證系統(tǒng)。障礙物接觸緩沖器是用來(lái)防止AGV前后左右側(cè)障礙物的碰撞，以免對(duì)AGV和障礙物導(dǎo)致不必要的傷害。一般在AGV的前后左右安裝安全擋圈，在安全擋圈上安裝多種檢測(cè)傳感器，一旦任意一種傳感器觸發(fā)，AGV就采用急停動(dòng)作。在AGV車(chē)體前設(shè)置安全擋板，通過(guò)彈簧彈性連接到兩個(gè)接觸開(kāi)關(guān)傳感器，彈性連接具有一定的緩沖作用，可以在一定程度下保證車(chē)體和障礙物在碰撞中不會(huì)受到損傷，正常工作時(shí)接觸開(kāi)關(guān)傳感器電平狀態(tài)都為高電平，當(dāng)任意一種接觸開(kāi)關(guān)傳感器發(fā)出低電平信號(hào)傳遞到控制器I/O口時(shí)，控制器就發(fā)出急停指令同步發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將該信號(hào)傳遞給地面控制系統(tǒng)，只有當(dāng)障礙物清除后該信號(hào)才復(fù)位。靠近檢測(cè)裝置一般有紅外區(qū)域掃描、激光測(cè)距掃描和超聲探測(cè)三種方式，用來(lái)檢測(cè)AGV運(yùn)行方向與否存在障礙物。采用光電傳感器安裝在磁導(dǎo)航AGV車(chē)體正前方中部距離地面150mm處，該傳感器擁有兩級(jí)I/O輸出，二級(jí)檢測(cè)區(qū)域分為左中右三個(gè)區(qū)域，分別能在0~3m內(nèi)調(diào)整，當(dāng)該級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)出障礙物時(shí)，該檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的輸出電路輸出低電平信號(hào)，AGV控制器接受到該低電平信號(hào)后立即控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，同步發(fā)出警告信號(hào)并反饋給地面控制中心，告知前方障礙物離開(kāi)，直到障礙解除才恢復(fù)正常速度行駛；一級(jí)臨近檢測(cè)區(qū)域較二級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域短，但兩側(cè)檢測(cè)范圍較二級(jí)檢測(cè)區(qū)域大，同樣具有左中右三個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，分別可以在0~1m內(nèi)調(diào)整，當(dāng)該級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)出障礙物時(shí)，該路對(duì)應(yīng)的輸出電路輸出低電平信號(hào)，AGV控制器接受到該低電平信號(hào)后立即發(fā)出急停指令同步報(bào)警并告知地面控制中心，直至障礙物解除。警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)正在靠近的AGV并采用對(duì)應(yīng)的措施。停車(chē)按鈕用于AGV的受控停車(chē)，該按鈕按下之后AGV應(yīng)當(dāng)安全可靠地停止運(yùn)行，并且該方式停車(chē)可以通過(guò)人工操作簡(jiǎn)樸迅速地使AGV恢復(fù)運(yùn)行，該按鈕用以保證AGV周?chē)呐R時(shí)工作人員的安全，采用停車(chē)按鈕停車(chē)方式可以不切斷AGV的驅(qū)動(dòng)電源。磁導(dǎo)航AGV在地面控制中心、AGV車(chē)用遙控器和AGV車(chē)身側(cè)面等三處均設(shè)置停車(chē)按鈕，以便操作人員采用停車(chē)措施。緊急停車(chē)按鈕用以在緊急狀況下中斷AGV的運(yùn)行，為便于緊急狀況下操作，磁導(dǎo)航AGV在地面控制中心、AGV車(chē)用遙控器和AGV車(chē)身兩側(cè)設(shè)置紅色的急停按鈕。當(dāng)緊急停車(chē)按鈕按下后，AGV切斷一切設(shè)備的動(dòng)力供應(yīng)，啟動(dòng)制動(dòng)器并報(bào)警，在排除緊急停車(chē)原因之前AGV維持停止?fàn)顟B(tài)。7）站點(diǎn)識(shí)別單元將射頻識(shí)別技術(shù)作為站點(diǎn)識(shí)別技術(shù)，事先將唯一的地址ID存入EPC卡（電子標(biāo)簽）中，同一應(yīng)用環(huán)境的任意兩張EPC卡中的地址ID都不相似。AGV系統(tǒng)工作時(shí)，地面控制中心可以通過(guò)AGV的ID號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)向某一臺(tái)AGV發(fā)送電子地圖，該電子地圖包括需變化運(yùn)行狀態(tài)的地址ID以及在這一地址ID指定的EPC卡所在站點(diǎn)需要進(jìn)行的動(dòng)作，當(dāng)指定的磁導(dǎo)航AGV接受這一電子地圖后，將這一電子地圖存儲(chǔ)至控制單元內(nèi)部存儲(chǔ)器中。當(dāng)磁導(dǎo)航AGV行駛在途徑中，讀卡器讀到區(qū)域中的EPC卡并將該EPC卡中的地址ID發(fā)送至控制單元，控制單元比對(duì)該地址ID與電子地圖中的地址ID，若該地址ID不存在目前電子地圖中時(shí)，磁導(dǎo)航AGV忽視該EPC卡所在站點(diǎn)并繼續(xù)以目前狀態(tài)行駛；若該地址存在于目前電子地圖中時(shí)，控制單元讀取電子地圖中在該地址ID所應(yīng)當(dāng)執(zhí)行的動(dòng)作并控制磁導(dǎo)航AGV執(zhí)行這一動(dòng)作。電子地圖中的執(zhí)行動(dòng)作詳細(xì)包括AGV以高速狀態(tài)行駛、AGV以中速狀態(tài)行駛、AGV以低速狀態(tài)行駛、AGV在該站點(diǎn)停靠等待、AGV在該站點(diǎn)取貨、AGV在該站點(diǎn)卸貨、AGV在分歧途徑處左、右轉(zhuǎn)、等。這些動(dòng)作基本可以覆蓋磁導(dǎo)航AGV在汽車(chē)生產(chǎn)線中應(yīng)用的所有動(dòng)作，且控制系統(tǒng)和上位機(jī)可以隨時(shí)增、刪功能，系統(tǒng)的適應(yīng)能力比較強(qiáng)。射頻識(shí)別技術(shù)作為磁導(dǎo)航的站點(diǎn)識(shí)別技術(shù)的作用還在于當(dāng)控制單元接受來(lái)自讀卡器的地址ID信息，在比對(duì)電子地圖中的地址ID的同步，無(wú)論該地址ID與否存在于目前任務(wù)電子地圖中，都會(huì)將該地址ID發(fā)送給地面控制中心，地面控制中心可以根據(jù)由磁導(dǎo)航AGV發(fā)送的AGV的ID號(hào)和地址ID號(hào)，來(lái)確定該ID指向的磁導(dǎo)航AGV所處的位置，這有助于地面控制中心對(duì)磁導(dǎo)航AGV的監(jiān)督與控制。8）無(wú)線通信單元無(wú)線通信單元是磁導(dǎo)航AGV與地面控制中心上位機(jī)通信的中介，是AGV系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。磁導(dǎo)航AGV通過(guò)無(wú)線通信單元接受上位機(jī)的指令，這些指令包括上位機(jī)手動(dòng)控制時(shí)的AGV啟動(dòng)指令、AGV停止指令、AGV加速指令、AGV減速指令、AGV急停指令和全自動(dòng)運(yùn)行是的AGV電子地圖指令等，同步，磁導(dǎo)航AGV通過(guò)無(wú)線通信單元將AGV的實(shí)時(shí)狀態(tài)包括目前站點(diǎn)、目前動(dòng)作、運(yùn)行速度、啟停狀況和報(bào)警信號(hào)等反饋給上位機(jī)，以便于上位機(jī)對(duì)目前AGV系統(tǒng)的監(jiān)控與調(diào)度。采用ZigBee模塊作為磁導(dǎo)航AGV的無(wú)線通信單元，可使用一款RS232轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)透明傳播的通信模塊。ZigBee與藍(lán)牙類(lèi)似，是一種新興的短距離無(wú)線技術(shù)。它基于IEEE802.15.4原則的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，具有距離短、復(fù)雜度低、自組織性強(qiáng)、功耗和數(shù)據(jù)傳播速率低以及成本低等長(zhǎng)處。重要合用于遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制領(lǐng)域，應(yīng)用范圍廣。模塊具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，當(dāng)所有模塊上電后即自動(dòng)組網(wǎng)，而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的模塊如掉電，則網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能，運(yùn)用該模塊顧客通過(guò)串口即可在任一節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播且數(shù)據(jù)傳播透明，顧客在使用時(shí)不需要考慮ZigBee協(xié)議，如同使用一般串口線同樣即可使用無(wú)線模塊。9）主控單元主控單元是磁導(dǎo)航AGV的關(guān)鍵，對(duì)外，它通過(guò)無(wú)線通信單元接受地面控制中心的控制與調(diào)度，通過(guò)遙控器接受工作人員的手動(dòng)控制，運(yùn)用磁導(dǎo)航傳感器接受判斷目前行駛狀態(tài)，接受射頻讀卡器傳遞而來(lái)的地址ID分析判斷目前站點(diǎn)信息，通過(guò)安全輔助傳感器接受判斷外界狀況等；對(duì)內(nèi)、對(duì)外界條件進(jìn)行綜合判斷后控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器到達(dá)對(duì)磁導(dǎo)航AGV的行駛控制，并將AGV實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示于液晶屏上。主控單元是AGV系統(tǒng)得以順利運(yùn)行的關(guān)鍵。3、磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是磁導(dǎo)航AGV的關(guān)鍵部分，通過(guò)它才能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)航AGV迅速平穩(wěn)安全運(yùn)行。磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重要包括控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)。磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)硬件的構(gòu)造框圖，如圖5所示。圖5磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)硬件構(gòu)造框圖主控芯片采用ARM9系列的三星S3C2440（或者選用FPGA）。系統(tǒng)接受來(lái)自DC/DC模塊隔離產(chǎn)生的24V與5V電壓，24V電源用于外接傳感器的供電和繼電器