徐文斌,蔡容華,林科榮,孫廣大,陳彥波,譚 柱

(華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣東 廣州510800)

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，中國成為世界的加工、裝配中心，跨國物流設(shè)備企業(yè)紛紛進(jìn)入中國市場，同時企業(yè)對裝配機(jī)器人的要求越來越高，使得國內(nèi)裝配機(jī)器人市場的競爭愈演愈烈[1]。然而國內(nèi)的AGV(Automated Guide Vehicle)裝配機(jī)器人發(fā)展相對國外較晚，AGV關(guān)鍵的傳感技術(shù)仍然依靠進(jìn)口，制約了AGV機(jī)器人的應(yīng)用普及。本文設(shè)計了一套基于工控機(jī)的雙舉升AGV，并應(yīng)用在汽車生產(chǎn)線裝配領(lǐng)域。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1所示為AGV控制系統(tǒng)示意圖。AGV控制單元采用工控機(jī)模式，數(shù)據(jù)處理單元采用高速數(shù)據(jù)處理器DSP，人機(jī)界面采用與工控機(jī)配套的觸摸屏，傳感單元采用磁帶導(dǎo)航以及PSD位置檢測模塊，伺服運(yùn)動控制采用伺服電機(jī)與舵輪電機(jī)組合的方式，安全防護(hù)措施采用PBS扇形檢測、PX-2梅花狀檢測以及防撞條三重安全防護(hù)措施。無線數(shù)據(jù)傳輸單元采用無線網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議。

圖1 AGV控制系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件控制平臺設(shè)計

2.1 硬件平臺總體設(shè)計

基于工控機(jī)的雙舉升AGV裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用磁導(dǎo)航傳感器尋線完成左右運(yùn)動的位置檢測，PSD同步跟蹤模塊完成前后運(yùn)動的位置檢測。系統(tǒng)有7路伺服電機(jī)完成各部分運(yùn)動功能，其中動力源電機(jī)及舵輪電機(jī)采用模擬量速度伺服控制模式，舉升電機(jī)采用模擬量位置伺服控制模式。配備了無線網(wǎng)卡的AGV通過WiFi接入網(wǎng)絡(luò)的方式,將運(yùn)行過程數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，AGV終端與監(jiān)控中心之間通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。圖2所示為AGV控制系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 工控機(jī)選型及I/O擴(kuò)展

工業(yè)控制計算機(jī)具有較高的防磁、防塵、防沖擊能力，在復(fù)雜工況下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。本文采用固高GUC-T系列8軸一體化運(yùn)動控制器，其中嵌入式工業(yè)計算機(jī)為Intel處理器主頻1 GHz，內(nèi)存256 MB，底層數(shù)據(jù)處理器為DSP運(yùn)動控制器。I/O擴(kuò)展主要完成尋線傳感器、PSD同步跟蹤、安全防護(hù)及操作面板等。

圖2 AGV控制系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 AGV動力輪電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計

雙舉升AGV動力輪采用位置環(huán)的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，使得AGV在重負(fù)載的情況下能與流水線上的汽車車體保持高同步精度[2-3]。利用安裝于動力輪電機(jī)軸上的增量式編碼器產(chǎn)生的脈沖，通過工控機(jī)驅(qū)動控制板的平滑濾波處理和電子齒輪計算指令作為位置環(huán)的輸入，工控機(jī)的控制指令設(shè)定目標(biāo)速度和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過速度環(huán)的PID調(diào)節(jié)，構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)。

2.3.2 AGV舵機(jī)角度伺服系統(tǒng)的設(shè)計

雙舉升AGV舵機(jī)轉(zhuǎn)向采用差分電壓信號伺服系統(tǒng)，該閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠方便地設(shè)置舵機(jī)的零點(diǎn)位置以及AGV斷電重啟后,能準(zhǔn)確獲知舵機(jī)角度的所在位置。當(dāng)舵輪轉(zhuǎn)動時，安裝在舵機(jī)轉(zhuǎn)盤上電位器的線性電阻產(chǎn)生反饋電壓U0，工控機(jī)發(fā)出電壓輸出指令,將輸出目標(biāo)電壓值U1與反饋電壓U0進(jìn)行差分處理。差分信號通過PID調(diào)節(jié),使得反饋電壓U0不斷接近目標(biāo)電壓值U1,在控制過程中把測量得到的目標(biāo)電壓U1和對應(yīng)的角度量化，從而控制車輪的轉(zhuǎn)向。

2.3.3 AGV雙舉升電機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計

AGV雙舉升電機(jī)采用閉環(huán)定位伺服系統(tǒng)。其原理是∶利用增量式編碼器作為舉升缸體移動的位置傳感器，通過編碼器產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)，作為速度環(huán)和位置環(huán)的負(fù)反饋信號，再通過工控機(jī)PID調(diào)節(jié)，得到目標(biāo)速度和位置。

2.4 基于WiFi的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本文所設(shè)計的雙舉升AGV通過無線WiFi與上位監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在工業(yè)現(xiàn)場WiFi全面覆蓋以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實(shí)際需求。設(shè)計實(shí)現(xiàn)WiFi無線終端和無線接入點(diǎn)以搭建通信的橋梁。本文雙舉升AGV無線wifi采用的是Infrastructure模式，即AP模式。組成結(jié)構(gòu)至少包括一個無線接入點(diǎn)AP，無線站點(diǎn)通過AP與現(xiàn)有的骨干網(wǎng)相連接，組成一個基本服務(wù)組(BSS)。在BSS中，所有站點(diǎn)都使用相同的無線頻率。AGV的工控機(jī)通過車載WiFi模塊與工業(yè)現(xiàn)場無線路由器建立連接，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，以確保無線通信系統(tǒng)的運(yùn)作。

2.5 系統(tǒng)安全性能設(shè)計

2.5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)安全設(shè)計

本文所設(shè)計的雙舉升AGV的舵機(jī)需限制舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度最大轉(zhuǎn)角不超過210°，以保護(hù)電機(jī)線路以及舵機(jī)電位器的正常使用。對于其舉升電機(jī)而言，需限制缸體運(yùn)動的上下限，以防止缸體的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械精度因過重負(fù)載的沖擊受到損傷。

雙舉升AGV屬于輪式移動機(jī)器人的范疇，必須具有對人體和自身的安全保護(hù)功能。對其車體前后安裝北陽PBS障礙物檢測器以及松下PX-2梅花狀障礙物檢測傳感器，車體底盤外圍加裝塑料防撞護(hù)欄，構(gòu)成三層安全防護(hù)措施，進(jìn)而更為有效地防止意外發(fā)生。

2.5.2 電量不足報警及自動充電系統(tǒng)

雙舉升AGV在檢測到電力不足時，首先通過車載無線設(shè)備向上位監(jiān)控中心發(fā)送充電請求信號，再由監(jiān)控中心對充電車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度處理。從監(jiān)控中心的無線設(shè)備發(fā)送充電允許指令到AGV工控機(jī)上，讓AGV自動導(dǎo)航到充電區(qū)域進(jìn)行充電[4]。AGV能夠控制充電站的輸電系統(tǒng)，達(dá)到自主充電的目的。當(dāng)AGV底盤的接觸充電電刷移動到充電器電刷極板上時，AGV準(zhǔn)備好充電姿態(tài)后，發(fā)出輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，控制信號閉合，AGV進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)AGV充電完畢后，便會向監(jiān)控中心發(fā)送返航請求，進(jìn)行后續(xù)的工作。

2.5.3 導(dǎo)航脫軌以及同步脫靶防護(hù)處理

通常情況下，AGV出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象時，若不能自動停車處理，極易造成意外發(fā)生。如果有AGV在工作航道上處于導(dǎo)航脫軌或者同步脫靶狀態(tài)，則AGV立即自動停車，等待人工處理，并通過車載無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送處理請求，監(jiān)控中心提醒操作人員前往處理。

本文設(shè)計的雙舉升AGV應(yīng)用在汽車總裝流水線上，需要與流水線上移動的吊裝汽車同步移動，并舉升汽車發(fā)動機(jī)和汽車后橋，輔助裝配人員完成安裝工作。同步的精度要求為±5 mm，如果同步跟蹤傳感器連續(xù)5 s沒有檢測到信號，則視為同步跟蹤脫靶，AGV緊急停車，并將脫靶信號發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心作出，停止流水線的緊急處理。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的AGV軟件系統(tǒng)總體分為11個模塊，包括：運(yùn)行故障控制算法、站點(diǎn)識別控制算法、前主動輪伺服控制、前舵輪伺服控制、后主動輪伺服控制、后舵輪伺服控制、前磁導(dǎo)航循跡算法、后磁導(dǎo)航循跡算法、前后輪速度差算法、模擬量數(shù)據(jù)采集算法、串口通信算法，實(shí)現(xiàn)了AGV的不同功能AGV在啟動階段對所有傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，在所有傳感器工作狀態(tài)良好的前提下，AGV才會進(jìn)入啟動界面，達(dá)到開機(jī)自檢的目的。采用RFID卡為地標(biāo)建立電子地圖站點(diǎn)，為AGV行駛過程中的關(guān)鍵位置提供信息。

3.2 工控機(jī)界面設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的多線程性、程序的良好分裝性以及實(shí)時性，本文設(shè)計的AGV控制采用VC++語言。AGV控制系統(tǒng)主界面分為6大功能區(qū)域：(1)速度參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行速度大小的調(diào)節(jié)，并設(shè)有固定的4檔變速按鈕；(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行對前后輪電機(jī)與舵機(jī)的PID調(diào)節(jié)；(3)軌跡參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行電子地圖的建立，設(shè)置站點(diǎn)和站點(diǎn)的指令；(4)開始運(yùn)行：系統(tǒng)進(jìn)入自主循跡與同步跟蹤狀態(tài)；(5)手動模式：考慮車體較大，移動不方便，在安裝調(diào)試時可啟動手動模式，進(jìn)行手動控制行走狀態(tài)；(6)遠(yuǎn)程端控制：將AGV的定位地址和基本信息反饋到中央控制系統(tǒng)，方便中央控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

3.3 磁導(dǎo)航循線設(shè)計

由于磁導(dǎo)航傳感器的檢測精度、抗干擾性能及經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)勢，能夠更方便地應(yīng)用于磁導(dǎo)系統(tǒng)，因此AGV采用磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，車體地盤采用雙驅(qū)動輪加舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制。

3.3.1 車體直線運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)

如果AGV車體偏離磁條的導(dǎo)航軌跡，通過磁傳感器可以檢測到如下相對應(yīng)的偏離情況：整車平行偏移、后輪單獨(dú)偏移、前輪單獨(dú)偏移和前后輪同時偏移不同距離。采用的解決方式為：前后輪分別獨(dú)立針對自身對應(yīng)的傳感器偏移量進(jìn)行PID控制。前輪根據(jù)前排傳感器反饋的偏移量進(jìn)行PID運(yùn)算結(jié)果，調(diào)整前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向，矯正車頭；后輪根據(jù)后排傳感器反饋的偏移量進(jìn)行PID運(yùn)算結(jié)果，調(diào)整后輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向，矯正車尾。通過前后的配合，當(dāng)前后的傳感器都處于磁條中心位置時，車體處于同一直線上，實(shí)現(xiàn)了車體的直線運(yùn)行和對車體姿態(tài)的控制。

3.3.2 車體漂移控制實(shí)現(xiàn)

圖3所示為車體漂移控制原理圖，車體進(jìn)行漂移運(yùn)動時，前后輪舵機(jī)同時轉(zhuǎn)動90°。車體橫向移動時，前后傳感器都感應(yīng)到磁條的存在，則切換進(jìn)入巡線或者其他模式。假如車體左漂移，此時車體沿后退方向(前進(jìn)方向)進(jìn)行巡線。前后舵機(jī)應(yīng)當(dāng)是順時針(逆時針)轉(zhuǎn)動 90°，主驅(qū)動輪往后轉(zhuǎn)動，車體向左漂移。當(dāng)檢測到磁條時，舵機(jī)慢慢回位到0°。由于主動輪是往后轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了往后巡線的功能。

圖3 車體漂移控制原理圖

3.4 基于PSD的裝配線同步設(shè)計

對于流水線的裝配，AGV裝配機(jī)器人與頂部流水線的同步跟蹤定位是至關(guān)重要的部分，本文采用PSD位置同步跟蹤傳感器，實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)行[5]。圖4所示為PSD位置檢測原理圖，當(dāng)光源發(fā)出的光通過透鏡聚光照射到物體上時，受光透鏡接收到來自物體的反射光，在位置感應(yīng)元件(PSD)上聚光，將物體在PSD上成像的中心位置換算成物體實(shí)際的距離，物體的實(shí)際位置與PSD的成像之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。在流水線上對應(yīng)的裝配位置配置一個斜坡，通過PSD檢測到相應(yīng)的位置就可以判斷出AGV裝配機(jī)器人與流水線的相對位置,實(shí)現(xiàn)同步跟蹤。

圖4 PSD位置檢測原理圖

3.5 基于RFID站點(diǎn)識別設(shè)計

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立的機(jī)械或光學(xué)接觸信號。標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流的能量發(fā)送存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。本文所設(shè)計的站點(diǎn)采用FRID作為標(biāo)簽卡，將站點(diǎn)信息存入卡中。通過讀卡可以獲取相應(yīng)的漂移、減速、停止等信息，讀卡器解讀信息后，通過串口發(fā)送給上位機(jī)。串口通信采用Modbus通信協(xié)議，包含起始位、卡號、數(shù)據(jù)區(qū)、停止位和CRC校驗(yàn)位。

利用AGV在流動的生產(chǎn)線中進(jìn)行測試,完成了各部分功能的測試與運(yùn)動控制,實(shí)現(xiàn)了AGV與裝配流水線的同步跟蹤。AGV重復(fù)定位精度為1 mm，同步跟蹤精度為0.3 mm，通過輔助舉升結(jié)構(gòu)的柔性化浮動盤，達(dá)到了AGV裝配的精度要求。

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