AGV小車設(shè)計及應(yīng)用

1、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。AG'*卜命遠卻策第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)2.A

2、GV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。III廠_|l_L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

3、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。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，控制較復雜。匚二 i- n-匚二匸全輪轉(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

4、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。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V1，AGV小車沿著A點作圓弧運動，轉(zhuǎn)彎半徑為d。可以得:,R Vl Vr d2 Vl VrAGV小車運動偏移弧度為,容易得:由 式可得AGV小車運動偏移弧度與左右輪的速度關(guān)系式:Vl VrRAGV小車在做圓弧運動時，在X軸上的變化量是厶X,在Y軸上 的變化量是、 X、A 丫與轉(zhuǎn)彎半徑d的關(guān)系為:X ds in丫 d(1 cos )將式代入式，可以得出 X>A

5、丫與左右輪運行速度的關(guān)系式： RViVr.Xsin2 ViVr、/RViVr.、(1 cos )2 ViVr所以，通過改變 Vr及V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

6、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小車導引系統(tǒng)AGV小車能自動運行，需要有導引裝置。常用的導引方式分為兩 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)定路徑導引方式是指在行駛的路徑上設(shè)置導引用的信 息媒介物，AGVS過檢測出它的信息而得到導向的導引方式，如電磁 導引、色帶導引、磁帶導引（又稱磁性導引）等。放大器 光源 放犬器色帶導引示意圖上圖為光學導引示意圖，這種導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 色標傳感器（如歐姆龍產(chǎn)品E3X-DAAN-S，它們同時檢測色帶反射回 來

7、的色度值，并將色度值轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給 AGVJ、車的中央控制系 統(tǒng)-PLC當AGVJ、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AGV、車偏離軌道時，兩放大器反饋給 PLC勺值 便有差別，PLC艮據(jù)兩模擬量的差值便能判斷出 AGV、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、車往正確的軌道運 行。色帶導引靈活性較好，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，導引可靠性較差，精度較低。 在預(yù)定路徑導引方式中，還有電磁導引等。電磁導引是較為傳統(tǒng)的導 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

8、上加載導引頻率。磁導航傳感器通過檢測磁條上的 磁場，便能判斷出AGV小車的運行是否偏離軌道。磁導航傳感器工作原理圖上圖為磁導航傳感器的工作原理圖，磁導航傳感器可安裝在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（如圖中磁導航傳感器上黃色條為檢測到磁 場信號的采樣點，藍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

9、路信號，可以判斷磁條相 對于磁導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， 當色標傳感器檢測出到 顏色信號時，小車控制系統(tǒng)便能掌握小車運行的位置。色條作為位置 標簽，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標簽作為位置標簽。RFID標簽?zāi)?存儲大量的位置信息，并能多次讀寫，RFID標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，對標簽信息 進

10、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標簽，可通過RS23/485接口與 PLC通訊；天線 V680-HS63天線的讀寫距離為 7.030.0mm, ID標簽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 X 40 x 4.5mm。下圖為AGV小車RFID系統(tǒng)工作原理圖AGV小車PLCRFID控制器AGV小車RFID系統(tǒng)工作原理圖電磁導引引線隱蔽，不易污染和破損，便于控制，對聲光無干擾，制造成本低。但所有車外預(yù)定路

11、徑導引方式都存在共同缺點是路 徑難以更改擴展，對復雜路徑的局限性大。與車外預(yù)定路徑導引相反, 非預(yù)定路徑導引方式?jīng)]有固定路徑，其自主性更高2）非預(yù)定路徑導引方式是指 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引方式。其中，較常用的是激光導引方式。激光導引是在 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的導弓I非預(yù)定路徑導引方式優(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，

12、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)及導引系統(tǒng)外，還需要 有中央控制系統(tǒng)，它能采集導引系統(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 可以接收導引系統(tǒng)返回的模擬信號或開關(guān)量信號；它可以安裝RS232RS422/485 接插件，通過串行通訊方式與 RFID 控制器通訊，采集 ID 標簽的位置信息；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)AG