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技術(shù)交流報告書 AGV 小車設(shè)計及應(yīng)用 1 AGV 小車的發(fā)展背景 在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中 提倡高效 快速 可靠 提倡將人從 簡單的工作中解放出來 機器人逐漸替代了人出現(xiàn)在各個工作崗位 上 機器人具有可編程 可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點 自 動導(dǎo)向小車 Automated Guided Vehicle 簡稱 AGV 便是移動機器人 的一種 是現(xiàn)代化工業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備 主要為儲運各類物 料 為系統(tǒng)柔性化 集成化 高效運行提供了重要保證 AGV 小車構(gòu)成系統(tǒng)圖 AGV 小車有三個關(guān)鍵系統(tǒng) 運行系統(tǒng) 導(dǎo)引系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 其它還包括有路線系統(tǒng)及安全保護系統(tǒng)等 本文著重介紹 AGV 小車 的三個關(guān)鍵系統(tǒng) 技術(shù)交流報告書 2 AGV 小車運行系統(tǒng) AGV 小車運行系統(tǒng)是由車輪 減速器 制動器 電機及速度控 制器等部分組成 AGV 小車常設(shè)計成三種運動方式 只能向前 能 向前與向后 能縱向 橫向 斜向及回轉(zhuǎn)全方位運動 本次研究的 AGV 小車是能夠前進 后退及回轉(zhuǎn)全方位運動 AGV 小車能夠進行 回轉(zhuǎn)運動需要有轉(zhuǎn)向裝置 轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有三種 1 前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動三輪車型 車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動分別由兩個 不同的電動機帶動 車體的前部為轉(zhuǎn)向車輪 車體后部為驅(qū)動電機 驅(qū)動的兩個輪 其結(jié)構(gòu)簡單 成本低 但定位精度較低 前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動三輪車型 2 差速轉(zhuǎn)向式四輪車型 車體的中部有兩個驅(qū)動輪 由兩個 電機分別驅(qū)動 前后部各有一個轉(zhuǎn)向輪 自由輪 通過控制中部兩個 輪的速度比可實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向 并實現(xiàn)前后雙向行駛和轉(zhuǎn)向 這種 方式結(jié)構(gòu)簡單 定位精度較高 技術(shù)交流報告書 差速轉(zhuǎn)向式四輪車型 3 全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型 車體的前后部各有兩個驅(qū)動和轉(zhuǎn)向 一體化車輪 每個車輪分別由各自的電動機驅(qū)動 可實現(xiàn)沿縱向 橫向 斜向和回轉(zhuǎn)方向任意路線行走 控制較復(fù)雜 全輪轉(zhuǎn)向式四輪車型 從成本及系統(tǒng)應(yīng)用考慮 本文著重介紹差速轉(zhuǎn)向式四輪車型 兩驅(qū)動車輪由兩伺服驅(qū)動器控制 伺服驅(qū)動器通過改變兩車輪的速 度大小 方向 實現(xiàn) AGV 小車的前進 后退 加減速及轉(zhuǎn)向動作 AGV 小車通過伺服控制 很容易實現(xiàn)前進 后退及加減速 但 如何通過改變兩驅(qū)動輪的速度差 實現(xiàn) AGV 小車的轉(zhuǎn)向及糾偏 下 面 我們首先了解一下差速轉(zhuǎn)向式四輪車的運動模型 技術(shù)交流報告書 AGV 小車運動狀態(tài)及偏差示意圖 圖中虛線表示的車體為初始位姿 實線表示的車體是在和初始 時差為 t 時的位姿 AGV 車子的左輪運行速度為 Vr 右輪為 Vl AGV 小車沿著 A 點作圓弧運動 轉(zhuǎn)彎半徑為 d 可以得 rlVRd 2 AGV 小車運動偏移弧度為 容易得 trl 由 式可得 AGV 小車運動偏移弧度 與左右輪的速度關(guān) 系式 tRVrl AGV 小車在做圓弧運動時 在 X 軸上的變化量是 X 在 Y 軸 上的變化量是 Y X Y 與轉(zhuǎn)彎半徑 d 的關(guān)系為 sindX Vl Vr 技術(shù)交流報告書 cos1 dY 將 式代入 式 可以得出 X Y 與左右輪運行速度的 關(guān)系式 sin2rlVRX co1 rlY 所以 通過改變 Vr 及 Vl 可以實現(xiàn) AGV 小車糾偏 轉(zhuǎn)向等運動控 制 驅(qū)動輪的變速控制 有多種方法可選擇 包括變頻器控制 步 進控制 伺服控制等 其中變頻器控制及伺服控制除了有高精度的 速度控制外 還能提供靈活的轉(zhuǎn)矩控制 在 AGV 小車的運動模型中 其有干摩擦力矩 慣性轉(zhuǎn)矩 粘性摩擦力矩 重力力矩 彈性力矩 等 所以 AGV 小車在運行過程中 驅(qū)動器需要提供不同的力矩 AGV 小車才能運行得更穩(wěn)定 而伺服控制比變頻器擁有更高的速度 控制精度 更小的安裝位置 更高的 IP 防護等級以及更好的停車制 動功能 所以 伺服控制器作為 AGV 小車的運動控制系統(tǒng)使用是更 為適合 3 AGV 小車導(dǎo)引系統(tǒng) AGV小車能自動運行 需要有導(dǎo)引裝置 常用的導(dǎo)引方式分為 兩大類 車外預(yù)定路徑和非預(yù)定路徑方式 下面對兩種方式分別作 介紹 1 車外預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的 信息媒介物 AGV通過檢測出它的信息而得到導(dǎo)向的導(dǎo)引方式 如 電磁導(dǎo)引 色帶導(dǎo)引 磁帶導(dǎo)引 又稱磁性導(dǎo)引 等 技術(shù)交流報告書 色帶導(dǎo)引示意圖 上圖為光學(xué)導(dǎo)引示意圖 這種導(dǎo)引方式是在地面上連續(xù)敷設(shè)一 條帶顏色的帶子 在車輛的底部中央安裝光源以及在兩邊安裝相同 的色標(biāo)傳感器 如歐姆龍產(chǎn)品E3X DA AN S 它們同時檢測色帶反 射回來的色度值 并將色度值轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給AGV小車的中央 控制系統(tǒng) PLC 當(dāng)AGV 小車運行在正確的運行軌道上時 兩放大器 反饋給PLC模擬量的值相同 當(dāng) AGV小車偏離軌道時 兩放大器反饋 給PLC的值便有差別 PLC根據(jù)兩模擬量的差值便能判斷出 AGV小車 偏離運行軌道的程度及方向 并通過控制運動控制器使AGV小車往 正確的軌道運行 色帶導(dǎo)引靈活性較好 地面路線設(shè)置簡單易行 但對色帶的污 染和機械磨損十分敏感 對環(huán)境要求高 導(dǎo)引可靠性較差 精度較 低 在預(yù)定路徑導(dǎo)引方式中 還有電磁導(dǎo)引等 電磁導(dǎo)引是較為傳 統(tǒng)的導(dǎo)引方式之一 目前仍被許多系統(tǒng)采用 它是在 AGV 的行駛路 徑上埋設(shè)磁條 并在磁條上加載導(dǎo)引頻率 磁導(dǎo)航傳感器通過檢測 技術(shù)交流報告書 磁條上的磁場 便能判斷出 AGV 小車的運行是否偏離軌道 磁導(dǎo)航傳感器工作原理圖 上圖為磁導(dǎo)航傳感器的工作原理圖 磁導(dǎo)航傳感器可安裝在 AGV 小車的底部中央 距離磁條表面 20 40mm 磁條寬度為 30 50mm 厚度 1mm 磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部每隔 10mm 排布一個采樣點 共排布 16 個采樣點 能夠檢測出磁條上方的磁場 每一個采樣點都 有一路對應(yīng)輸出 AGV 運行時 磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方 的連續(xù) 3 5 個采樣點會輸出信號 如圖中磁導(dǎo)航傳感器上黃色條為 檢測到磁場信號的采樣點 藍(lán)色條為未能檢測出磁場的采樣點 AGV 小車的控制系統(tǒng)便能依靠 16 路通道中輸出的 3 5 路信號 可以 判斷磁條相對于磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置 自動作出調(diào)整 確保沿 磁條前行 擁有了運行路徑后 還需要在每個工位及節(jié)點設(shè)置位置標(biāo)簽 使 AGV 小車在運行到特定位置時 能做出加速 減速 停車 拐彎 等動作 如在每個工位敷設(shè)不同顏色的色條 當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測出 到顏色信號時 小車控制系統(tǒng)便能掌握小車運行的位置 色條作為 磁導(dǎo)航傳感器 磁條 技術(shù)交流報告書 位置標(biāo)簽 使用簡單 方便 但對外部環(huán)境要求較高 容易產(chǎn)生誤 檢測 可靠性差 AGV 小車系統(tǒng)還可以使用 RFID 標(biāo)簽作為位置標(biāo)簽 RFID 標(biāo)簽 能存儲大量的位置信息 并能多次讀寫 RFID 標(biāo)簽的體積較小安裝 方便 抗干擾能力強 RFID 讀寫器安裝在 AGV 小車前方底部 對標(biāo) 簽信息進行讀取 并通過控制系統(tǒng)控制小車的下一步動作 歐姆龍公司擁有成熟的 RFID 系列產(chǎn)品 RFID 主推產(chǎn)品有 V680 系列 包括有讀寫器 V680 CA5D01 V2 能讀寫 ID 標(biāo)簽 可通過 RS232 485 接口與 PLC 通訊 天線 V680 HS63 天線的讀寫距離為 7 0 30 0mm ID 標(biāo)簽 V680 D2KF67M 使用 FRAM 用來作為存儲器 不需要電池 外殼材質(zhì)為填充樹脂 形狀為 40 40 4 5mm 下圖 為 AGV 小車 RFID 系統(tǒng)工作原理圖 AGV 小車 RFID 系統(tǒng)工作原理圖 電磁導(dǎo)引引線隱蔽 不易污染和破損 便于控制 對聲光無干 技術(shù)交流報告書 擾 制造成本低 但所有車外預(yù)定路徑導(dǎo)引方式都存在共同缺點是 路徑難以更改擴展 對復(fù)雜路徑的局限性大 與車外預(yù)定路徑導(dǎo)引 相反 非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式?jīng)]有固定路徑 其自主性更高 2 非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式是指 AGV 小車在運行中沒有固定的路 徑 其通過激光 視覺 GPS 等方式 掌握運行中所處的位置 并 自主地決定行駛路徑的導(dǎo)引方式 其中 較常用的是激光導(dǎo)引方式 激光導(dǎo)引是在 AGV 行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板 AGV 通過激光掃描器發(fā)射激光束 同時采集由反射板反射的激光束 來確定其當(dāng)前的位置和航向 并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn) AGV 的導(dǎo)引 激光掃描器工作示意圖 非預(yù)定路徑導(dǎo)引方式優(yōu)點是 AGV 定位精確 地面無需其他定 位設(shè)施 行駛路徑靈活多變 適合多種現(xiàn)場環(huán)境 但它有一個很大 的缺點是制造成本高 所以在本文不作重點討論 4 AGV 小車控制系統(tǒng) AGV 小車系統(tǒng)除了上文提及的運行系統(tǒng)及導(dǎo)引系統(tǒng)外 還需要 技術(shù)交流報告書 有中央控制系統(tǒng) 它能采集導(dǎo)引系統(tǒng)返回的位置信息 通過運算轉(zhuǎn) 換 反作用于運行系統(tǒng) 使 AGV 小車能做出需要的動作 歐姆龍 CP1H 系列 PLC 便可以作為 AGV 小車的中央控制器 它 可以接收導(dǎo)引系統(tǒng)返回的模擬信號或開關(guān)量信號 它可以安裝 RS232 RS422 485 接插件 通過串行通訊方式與 RFID 控制器通訊 采集 ID 標(biāo)簽的位置信息 它能輸出控制伺服運行的脈沖信號或模擬 量信號 CP1H 的編程命令較簡單 程序修改方便 而且還自帶有 AGV 小車運行中需用到的 PID 等高級命令 所以 CP1H 非常適合用于 AGV 小車的中央控制器 小結(jié) AGV 小車系統(tǒng)是一個較復(fù)雜 跨學(xué)科 多系統(tǒng)的運動控制課題 因為本人知識底子較淺 本文對 AGV 各系統(tǒng)的介紹都是很表面及簡 單 離實現(xiàn) AGV 小車控制還有很遠(yuǎn)的距離 以后我還需要研究 如 何通過模糊 PID 控制 AGV 小車兩輪的速度差 使 AGV 小車的運行更 穩(wěn)定 AGV 小車在各運行狀態(tài)時的力矩情況 如何使用梯形圖 編寫 AGV 小車運行程序 等課題 使 AGV 小車設(shè)計及應(yīng)用更趨完善