覃才瓏，林義忠，黃文玲

（1．廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004;2．廣西大學計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

自動導引小車（AGV）是指按照預先規(guī)劃行走路線進行一系列自動作業(yè)的智能化搬運機器人，工作范圍廣，工作環(huán)境復雜，需要各種避障和防撞傳感器為工作過程進行安全保護。AGV的避障傳感器通常采用非接觸類傳感器，如超聲波傳感器、激光傳感器等［1］。由于超聲波本身性質，在工作空間較為狹窄，或貨架較多的倉庫或生產線，聲音信號經障礙物過多反射使得誤信號增多，不太適合這類工作環(huán)境應用;激光傳感器探測精度高，但其價格過于昂貴，不方便實際應用。國內外對防撞保護通常選擇防撞傳感器，此類傳感器一般采用機械結構設計，配置觸動開關。由于其采用機械結構設計，AGV與障礙物發(fā)生碰撞時產生碰撞力較大，有時會對AGV或者被碰撞物產生較大損壞。

針對以上問題，本文提出采用紅外傳感器和壓電電纜作為AGV避障防撞傳感器。由于紅外信號不會因工作空間復雜而發(fā)生多次反射，且具有類似激光傳感器高精度、高靈敏、價格低廉的特點［2］，可滿足AGV避障要求;壓電電纜對擾動信號反應靈敏，觸發(fā)力度較小，設計安裝簡單。經測試，紅外與壓電電纜構成綜合防護系統(tǒng)具有較高靈敏度和良好的保護性能，符合實際工作要求。

1 AGV紅外傳感器與壓電電纜工作原理

紅外傳感器由紅外發(fā)射管、紅外接收管及檢測回路構成，通過紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光;接收管接收的光強隨反射物體的距離變化，據(jù)此判斷前方是否有障礙物，并根據(jù)接收信號強弱判斷物體的距離［3］。

壓電電纜通常采用PVDF壓電材料制作，由金屬編織芯線、壓電材料和金屬外殼制成同軸結構。當電纜受到振動、擠壓、彎曲等擾動，利用壓電材料性質，擠壓產生電荷Q經電荷放大器放大

經放大后的電荷信號經過一系列放大穩(wěn)壓過程，最終反饋到 AGV 控制系統(tǒng)［4～6］。

2 AGV綜合防護系統(tǒng)總電路設計

AGV安全防護系統(tǒng)總電路設計主要分成兩部分:1）紅外避障電路設計;2）壓電電纜防撞電路設計。

2．1 紅外避障電路設計

安全防護系統(tǒng)紅外避障電路設計如圖1，在安全避障電路設計采用4只紅外開關。電路采用NPN開路設計，紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光，若前方無障礙物，接收管沒有接收到反射的紅外光線，接收管管內截止，輸出端輸出為高電平;若前方存在障礙物，接收管接收到障礙物發(fā)射回來的紅外線，管內導通，輸出端接地，輸出低電平。調節(jié)調距電阻器改變發(fā)射管的輸入電流大小可調節(jié)檢測距離，整個電路設計簡單，信號輸出穩(wěn)定，響應時間快。

圖1 紅外避障電路Fig 1 Obstacle avoidance circuit of the infrared sensor

2．2 壓電電纜防撞電路設計

壓電電纜電路設計如圖2所示，壓電電纜當受到擠壓或者碰撞的情況，產生的微小電壓UQ，經過分壓電阻和電路濾波后輸出電壓Uo1為

式中UQ為電路中12 V電壓輸入;Uo1為壓電電纜輸出的電壓值。

圖2 壓電電纜防撞電路Fig 2 Collision avoidance circuit of piezoelectric cable

經第一次放大的電壓信號穩(wěn)定性較差，為獲得較好的電壓信號采取在第二級放大電路加入電容PI調節(jié)，通過PI調節(jié)減小系統(tǒng)信號振蕩，提高信號平穩(wěn)性。因此，經過PI調節(jié)第二級放大電壓Uo2

式中i9為經過電容C9的電流。

放大Uo1帶有噪聲干擾，使得信號盡可能帶入干擾信號較少。第三級采用滯回電壓比較器，當Uo2+U5＞U6=5 V，第三極放大電路輸出飽和電壓

因為滯回電壓比較可使電平交換加快，所以，系統(tǒng)響應速度快，提高抵抗電路抗干擾能力。電路可通過調節(jié)U5電壓值調節(jié)電路的靈敏度，最后放大的電壓Uo驅動一個小型繼電器K1，通過繼電器的閉合實現(xiàn)信號高低電平翻轉，使得輸入AGV控制系統(tǒng)的信號物理上進行信號濾波設計，使得最后的信號更為可靠。

壓電電纜采用與海綿或其它緩沖物包裹形式在AGV包裹車體周圍。在AGV行駛碰撞到物體時，包裹的緩沖物既能在保護碰撞過程物理上的破壞，同時因為緩沖過程使壓電電纜變形量增大，產生信號較為穩(wěn)定，消除誤干擾。

3 實驗與結果分析

按上述設計的AGV，總質量為125 kg，行駛速度最高為12 m/min。實驗測試軟件采用QLV型多功能虛擬式分析儀器庫（包括 QLVPR—3波形顯示記錄儀和 QLVSA—3型FFT頻譜分析儀，由重慶大學測試中心開發(fā)），32位PCI總線，14位分辨率采樣頻率可設置，最高采樣率250 kS/s，采樣點數(shù)連續(xù)可調，最高達2 048點，輸入電壓范圍:±5 V。分別對紅外避障系統(tǒng)和壓電電纜防撞系統(tǒng)進行信號采集和數(shù)據(jù)分析。

3．1 AGV紅外避障實驗

AGV紅外避障剎車實驗原理如圖3所示。AGV采用不同的速度行駛，當紅外傳感器檢測到障礙物時，AGV控制系統(tǒng)進行剎車處理，通過測量AGV剎車距離可反映整個紅外避障系統(tǒng)是否反應靈敏，是否滿足留有足夠空間距離來保證不與障礙物發(fā)生碰撞工作反應能力和穩(wěn)定性，實驗實際過程如圖3。

紅外傳感器標定測量距離為0．80 m，AGV在50 kg負載行駛速度選擇不同速度行駛，每個不同速度測試10次，獲得平均剎車距離d（d=D－l）和AGV停止平均響應時間進行列表，結果如表1。

圖3 AGV紅外避障實驗原理圖Fig 3 Principle diagram of AGV infrared obstacle avoidance experiment

表1 AGV紅外避障系統(tǒng)不同速度剎車距離Tab 1 The braking distances at different speeds of AGV infrared obstacle avoidance system

實驗表明:滿載行走AGV紅外避障傳感器探測障礙物時有效平均剎車距離為0．025 m，最大值為0．041 m（見表1），在實際應用中正常速度一般不達到10m/mim，因此，該紅外避障系統(tǒng)可保證剎車距離能在0．05 m范圍內，實際響應平均時間0．28 ms（圖4）。在實際工作過程AGV探測障礙物避障要求大于0．5 m，并且一般AGV常用超聲波傳感器的探測距離通常在0．5～1．2 m之間，響應時間為5 ms（以德國CANKEY公司U系列超聲波，其響應時間為5～10 ms，倍加福UB500系列，響應時間在50 ms以內），紅外傳感器響應時間比超聲波傳感器縮短了94%，因此，在相對復雜需要高應急能力工作環(huán)境下，紅外傳感器可替代超聲波傳感器作為AGV的非接觸類避障傳感器。

圖4 紅外避障系統(tǒng)檢測到障礙物時輸出信號變化Fig 4 Output signal changes of infrared obstacle avoidance system when obstacle is detected

3．2 AGV壓電電纜防撞系統(tǒng)碰撞力與靈敏度實驗

當AGV行駛過程中發(fā)生碰撞情況，控制系統(tǒng)必須判斷該碰撞是否會產生對車體，或被碰撞的物體物理上損傷，及時報警并停止當前運動阻止碰撞加劇。實驗原理如圖5所示，AGV車體外圍裹覆防撞緩沖物，壓電電纜包裹在里面，與S型力傳感器進行碰撞，通過采集碰撞過程傳感器輸出電壓變化計算碰撞時力的大小，同時將壓電電纜響應輸出信號進行采集分析碰撞過程中壓電電纜輸出信號關系。

圖5 AGV壓電電纜碰撞實驗原理圖Fig 5 Principle diagrm of AGV piezoelectric cable collision experiments

對AGV防撞系統(tǒng)識別靈敏度和碰撞力檢驗，本實驗采取將AGV以不同速度對裝載有傳感器的固定物體進行碰撞力與響應時間實驗。傳感器選用S型拉壓傳感器，量程100 kgf，激勵電壓輸入為10 V，輸出靈敏度為2．0 mV/V，綜合精度0．2%～0．5%。實驗過程，因傳感器輸出電壓值較小，所以，傳感器輸出要采用電壓變送，變送輸出值0～5 V，實驗以與障礙物發(fā)生接觸開始計時采樣，每次不同速度均測試10次，10次平均測試值如表2所示。

表2 AGV壓電電纜防撞系統(tǒng)碰撞力與響應時間Tab 2 The collision force and response time of AGV piezoelectric cable collision avoidance system

通過表2可知，AGV壓電電纜防撞系統(tǒng)響應觸發(fā)的碰撞力傳感器均值輸出為2．030 V，換算為本實驗AGV加速度為3．19 m/s2，碰撞力為40．6gn（gn為當?shù)刂亓铀俣龋畲笈鲎擦?4．18gn，對一般碰撞不會造成損壞。通常AGV常用壓電機械式防撞系統(tǒng)觸發(fā)閾值一般為100gn（以由中國電子科技集團公司第十三研究所生產MCS001～004系列碰撞傳感器為例，觸發(fā)最小開關力度為70～100gn;其他常規(guī)碰撞傳感器設計均在100～1000gn范圍［7，8］），因此，壓電電纜防撞系統(tǒng)比常規(guī)壓電機械防撞系統(tǒng)靈敏度要高59．4%，更能有效保護AGV車體和被碰撞物。

4 結論

本文提出了基于紅外光電開關傳感器來設計避障系統(tǒng)和基于壓電電纜的防撞系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)電路設計和實現(xiàn)。實驗結果表明:紅外傳感器與壓電電纜構成的AGV安全防護系統(tǒng)可以滿足工業(yè)應用的要求，響應時間比超聲波傳感器縮短了94%，所驅動的車體在發(fā)生碰撞時碰撞力比壓電機械式系統(tǒng)減少了59．4%。整個防護系統(tǒng)設計生產成本比較低，安裝方便。現(xiàn)整個安全防護系統(tǒng)已安裝并調試完成，并在實驗AGV上運行，整系統(tǒng)運行良好，碰撞、避障防護均達到實際運行要求。

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