王冠男+劉偉

摘 要：本文從自動(dòng)物流AGV搬運(yùn)車(chē)要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)出發(fā)，對(duì)AGV的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立物流搬運(yùn)AGV的整體結(jié)構(gòu)。在AGV的混合式體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計(jì)選擇了控制系統(tǒng)中的硬件。

關(guān)鍵詞：物流搬運(yùn)；AGV

1.AGV的驅(qū)動(dòng)形式

（1）單驅(qū)動(dòng)形式

這種車(chē)的結(jié)構(gòu)多用于三輪車(chē)體結(jié)構(gòu)：一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)也是轉(zhuǎn)向輪，兩個(gè)從動(dòng)輪固定（位于在車(chē)體軸線(xiàn)的兩側(cè)）起支撐和轉(zhuǎn)向作用。

（2）差速驅(qū)動(dòng)形式

差速形式的車(chē)體也有三個(gè)輪子和四個(gè)輪子的車(chē)型，兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)輪分別分布在車(chē)體軸線(xiàn)的兩側(cè)，一個(gè)或兩個(gè)從動(dòng)輪起轉(zhuǎn)向和支撐作用。小車(chē)轉(zhuǎn)彎依靠?jī)蓚€(gè)主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）雙驅(qū)動(dòng)形式

這種驅(qū)動(dòng)形式多見(jiàn)于四輪車(chē)型：兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)也是轉(zhuǎn)向輪，兩個(gè)從動(dòng)輪起支撐和轉(zhuǎn)向。這種結(jié)構(gòu)形式的車(chē)型可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)的前進(jìn)、后退、全方位轉(zhuǎn)向行駛。

（4）多輪驅(qū)動(dòng)

這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)形式多用于八輪車(chē)型，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)也是轉(zhuǎn)向輪，四個(gè)從動(dòng)輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，這種類(lèi)型的小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)整體的前進(jìn)，后退和全方向行駛，較多用于重載行業(yè)。

2 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇

2.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型

電動(dòng)機(jī)按工作電源分類(lèi)：可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，其中交流電動(dòng)機(jī)還分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。AGV需要運(yùn)動(dòng)靈活，轉(zhuǎn)向自由，工作范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)，所以一般采用蓄電池供電，因此多采用直流電動(dòng)機(jī)?；谖覀?cè)O(shè)計(jì)的AGV的工作需求，也采用蓄電池供電，因此選用直流電動(dòng)機(jī)。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的AGV的車(chē)體由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)萬(wàn)向輪支承，驅(qū)動(dòng)輪由直流伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直角行星減速器驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不但是AGV行駛的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)又通過(guò)其左右輪的差速實(shí)現(xiàn)AGV的轉(zhuǎn)向。為了保證車(chē)能正常載重運(yùn)行，同時(shí)能夠完成各項(xiàng)動(dòng)作，需要計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，根據(jù)電機(jī)特性等，最終確定小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的大小與減速器減速比。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

AGV自動(dòng)車(chē)采用混合式體系結(jié)構(gòu)、模塊化的設(shè)計(jì)；低層傳感器實(shí)時(shí)采集外面環(huán)境信息，為高層規(guī)劃提供所需要的必要信息，高層規(guī)劃層則為低層的行為提供必要的指導(dǎo)，混合式體系結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。

行為庫(kù)：包括停車(chē)、直線(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、取貨、送貨、避障、跟蹤等基本動(dòng)作，它主要接受兩個(gè)層面的指令，一方面是同層的傳感器信息，另一方面是來(lái)自執(zhí)行層的命令。根據(jù)兩者優(yōu)先級(jí)的高低，在上層命令的指導(dǎo)下，選擇相應(yīng)的行為或者行為組合，并輸出命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。

3.2控制系統(tǒng)硬件解決方案

控制器采用PLC作為整個(gè)小車(chē)的控制中樞，負(fù)責(zé)接收外部傳感器信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)并發(fā)出指令，由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)小車(chē)的行走、定位停車(chē)、緊急避障和搬運(yùn)平臺(tái)的上下貨物。

（1）控制器的選擇

AGV控制系統(tǒng)是AGV的直接中樞，它將小車(chē)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向、采集到的傳感器的信號(hào)處理、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制、AGV小車(chē)的導(dǎo)引與定位、以及無(wú)線(xiàn)通訊等多種功能整合到一起，因此選擇合理的控制器決定著AGV小車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。和單片機(jī)相比，PLC工作可靠，可靠性和抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量都小，本文所設(shè)計(jì)的AGV只控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，選擇PLC還是比較合適。

（2）激光安全區(qū)域掃描

激光安全保護(hù)裝置是一種新型區(qū)域掃描傳感器，其主要特點(diǎn)是：保護(hù)區(qū)域范圍廣泛，而且可以設(shè)置掃描區(qū)域數(shù)量，掃描角度大，與傳統(tǒng)的超聲波和光電傳感器相比，克服了直線(xiàn)掃描的缺點(diǎn)。這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo)航小車(chē)、出入站口、自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)器人的安全裝置、自動(dòng)立體化化車(chē)庫(kù)、加工中心等多個(gè)地方。本AGV選定激光安全保護(hù)傳感器。它的外形緊湊，安裝方便，可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置。該傳感器分為二級(jí)安全監(jiān)測(cè)，他的監(jiān)測(cè)區(qū)域分為減速區(qū)和停止區(qū)兩部分。當(dāng)人和物進(jìn)入減速區(qū)時(shí)，AGV小車(chē)會(huì)按照預(yù)先設(shè)置速度減速運(yùn)行；當(dāng)障礙物進(jìn)入停止區(qū)時(shí)，AGV小車(chē)會(huì)即刻停車(chē)。因此，具有在AGV小車(chē)運(yùn)行前方0～5m內(nèi)的障礙物探測(cè)功能，具體的減速區(qū)和停止區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍及形狀可根據(jù)實(shí)際要求，在軟件客戶(hù)端可以靈活地進(jìn)行變更。通常減速區(qū)為2米，停止區(qū)為1米。傳感器還可設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域，可根據(jù)具體的運(yùn)行路線(xiàn)進(jìn)行改變。

（3）伺服控制系統(tǒng)的選擇

本課題設(shè)計(jì)的AGV伺服控制系統(tǒng)，采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)調(diào)速方案，整個(gè)伺服系統(tǒng)原理圖如3.2所示：

整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是：磁傳感器檢測(cè)小車(chē)偏離磁帶的位置，將采樣數(shù)據(jù)送給PLC控制器，PLC根據(jù)采樣值判斷小車(chē)偏離磁帶的情況，然后內(nèi)部計(jì)算發(fā)出指令給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)速度差調(diào)整小車(chē)位置，直到小車(chē)運(yùn)行到正確的位置上。伺服電機(jī)通常有三種控制模式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。

位置控制模式是通過(guò)控制給電機(jī)輸入脈沖的頻率來(lái)確定控制電機(jī)速度，控制脈沖個(gè)數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)脈沖方向控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，基于位置控制模式對(duì)速度和位置的準(zhǔn)確控制，一般多應(yīng)用于精準(zhǔn)的定位設(shè)備。

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)控制給伺服電機(jī)輸入模擬量或直接地址賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩的大小。速度模式通過(guò)模擬量的輸入來(lái)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，速度控制有兩種方式：一是通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定可以選擇多段速度運(yùn)行，二是選擇連續(xù)速度控制模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

（4）鎳鎘快充電池

選用鎳鎘快充電池具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

a.電池充放電循環(huán)可靠性高；

b.電池內(nèi)阻低；

c.電池充電時(shí)間短；

d.維護(hù)使用方便；

e.電化學(xué)性能穩(wěn)定；

鎳鎘快充蓄電池完全滿(mǎn)足AGV對(duì)電池的高循環(huán)能力、高性能、易于維護(hù)等方面的要求?？斐湫铍姵靥貏e適合于間歇式的快充模式，采用比鉛酸電池大10倍的電流進(jìn)行充電，如電池的容量消耗每次限制在10%-15%之間時(shí)，蓄電池循環(huán)充放電約12000次后，電池的實(shí)際容量逐步下降到75%，但仍可正常循環(huán)使用約4000次。

結(jié)論

控制系統(tǒng)是AGV的核心，是AGV自動(dòng)化、智能化的大腦，在小車(chē)的運(yùn)動(dòng)中起著舉足輕重的作用，本文依據(jù)驅(qū)動(dòng)形式選取控制系統(tǒng)中的硬件部分，包括：控制器，安全區(qū)域掃描，直流電源等AGV關(guān)鍵硬件。

參考文獻(xiàn)

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