張佳鵬 許趙哲 魏明

摘要 根據(jù)航站樓交通需求，設(shè)計(jì)了一款“航站樓助運(yùn)車”;主要由感知控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、交互系統(tǒng)組成;能夠完成自動(dòng)尋跡運(yùn)輸、主動(dòng)避障、載人行駛、遠(yuǎn)程調(diào)度、自動(dòng)充電等多種功能的。為實(shí)現(xiàn)航站樓的交通智能化、便利化、人性化提供了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】航站樓助運(yùn)車 自動(dòng)充電 控制系統(tǒng)

自動(dòng)導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicles.AGV）又名無(wú)人搬運(yùn)車，是一種自動(dòng)化的無(wú)人駕駛的智能化搬運(yùn)設(shè)備，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)如計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ CIMS）中的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著我國(guó)工業(yè)化水平的發(fā)展，自主創(chuàng)新能力的提高，以及互聯(lián)時(shí)代對(duì)大數(shù)據(jù)發(fā)展的推動(dòng)的，在工業(yè)自動(dòng)化方面AGV小車已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在國(guó)內(nèi)，京東以及阿里等已經(jīng)將AVG廣泛運(yùn)用于倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)确矫妗Ｔ诖蟊娙粘Ｉ罘矫?，AGV小車仍然沒(méi)有得到非常好的應(yīng)用，特別是在航站樓，車站等公共服務(wù)領(lǐng)域，許多現(xiàn)代的代步工具無(wú)法使用，絕大多數(shù)情況下仍然是以傳統(tǒng)的步行為主。

作為交通建筑，提高旅客快捷而方便的通行效率一直是航站樓設(shè)計(jì)致力追求的目標(biāo)，縮小旅客步行距離也是整個(gè)航站區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主導(dǎo)原則，航站樓一方面強(qiáng)化航站樓的旅客流程和行李流程設(shè)計(jì)，另一方面是引導(dǎo)航站樓內(nèi)外的旅客運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)朝著容量大、效率高、換乘方便的方向發(fā)展。目前許多航站樓都裝有一定長(zhǎng)度的自動(dòng)人行道，但還不能夠滿足乘客的便攜性，有的自動(dòng)人行道因?yàn)樗俣绕钸^(guò)大還存在的安全隱患。因此，把航站樓作為特定區(qū)域，研究出能有效輔助旅客出行的助運(yùn)車，包括助運(yùn)車的外形結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、硬件組成、信息智能化處理等關(guān)鍵性技術(shù)所討論，分析其特有的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成

航站樓助運(yùn)車的設(shè)計(jì)所包含的主要系統(tǒng)包括如下幾個(gè)方面：電源管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、感知系統(tǒng)（紅外循跡、超聲波、攝像頭視覺(jué)電路）以及交互系統(tǒng)（藍(lán)牙模塊、Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊、交互控制流程軟件）組成，系統(tǒng)方案如圖1所示。

為了提高系統(tǒng)快速響應(yīng)及可靠性，攝像頭視覺(jué)系統(tǒng)采用獨(dú)立處理器完成;電源管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的溫度、能量估算、運(yùn)行距離估算、自動(dòng)充電等任務(wù);軟件交互系統(tǒng)配合調(diào)度中心及用戶控制終端完成路線規(guī)劃等任務(wù)。

2 助運(yùn)車的外形結(jié)構(gòu)

本文所提出的航站樓助運(yùn)車為單人使用的代步工具。作為航站樓內(nèi)部的主要運(yùn)輸工具，其包含了支撐結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器陣列、中央處理單元、智能電源管理系統(tǒng)等部分。如圖2所示。

“助運(yùn)車”外觀結(jié)構(gòu)主要包括了座椅、扶手、護(hù)欄、置物區(qū)、動(dòng)力系統(tǒng)等部分，座椅設(shè)置有扶手，可方便不同人士并將根據(jù)實(shí)際情況和安全因素進(jìn)行修改和完善。“助運(yùn)車”的前兩個(gè)輪子為固定方向的主動(dòng)輪，根據(jù)兩個(gè)主動(dòng)輪的速度差控制“助運(yùn)車”方向，后面兩個(gè)輪子為萬(wàn)向輪，配合主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 電源及管理系統(tǒng)

航站樓助運(yùn)車作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的自動(dòng)化設(shè)備，一個(gè)穩(wěn)定而又高效的供電系統(tǒng)是必不可少的。在電源的選擇方面，考慮到航站樓助運(yùn)車的工作環(huán)境以及工作對(duì)象，往往需要中速率供電以及大電流快速充電，因而鉛酸電池?zé)o法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求;鎳鎘電池由于其容量小壽命短等缺點(diǎn);目前，最為環(huán)保和高效的是鋰電池，鋰電池在輸出等量電壓的情況下鋰電池使用的單個(gè)電池組合數(shù)目較少，重量和體積也大大減少，必要重要的是放電率極低，無(wú)記憶性。

由于鋰電池過(guò)充時(shí)，過(guò)量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無(wú)法再釋放，而過(guò)放電時(shí)，電極脫嵌過(guò)多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，都大大地縮短了電池的壽命，所以在助運(yùn)車的控制系統(tǒng)中要加入電池的管理系統(tǒng)（BMS管理系統(tǒng)）來(lái)避免過(guò)充、過(guò)放、過(guò)載、過(guò)熱。通過(guò)處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器，監(jiān)視電池工作電流和輸出端電壓，實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)監(jiān)視，并在給出剩余電量指示，通過(guò)溫度采集芯片18820監(jiān)視運(yùn)行過(guò)程及充電過(guò)程的電池溫度，也有利于延長(zhǎng)電池壽命和系統(tǒng)安全;

在充電方面，傳統(tǒng)的充電方式往往是通過(guò)建立充電塢利用手動(dòng)插線對(duì)AGV進(jìn)行充電。而對(duì)于航站樓助運(yùn)車而言，由于其自主尋跡的功能，因此當(dāng)AGV小車檢測(cè)到自身電力不足時(shí)會(huì)自主運(yùn)行到充電塢充電。在確認(rèn)進(jìn)入到相應(yīng)位置之后，伸出的充電接口可通過(guò)電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)正負(fù)極對(duì)應(yīng)連接，即可進(jìn)行自動(dòng)充電。

以24V 10A對(duì)鋰電池為例，設(shè)計(jì)了鋰電池充電電路，電路原理圖如圖3所示。

該充電系統(tǒng)，采用被動(dòng)啟動(dòng)工作方式，即充電電路由助運(yùn)車電池供電后啟動(dòng)，這樣有利于節(jié)省長(zhǎng)時(shí)間通電待機(jī)損耗。

4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

航站樓助運(yùn)車的主要作用為對(duì)客及行李的運(yùn)輸，因此強(qiáng)有力同時(shí)又靈活的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必不可少。其控制系統(tǒng)主要包由電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、基于傳感器導(dǎo)引系統(tǒng)組成。在航站樓助運(yùn)車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，電機(jī)是整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的樞紐。目前，市面上絕大數(shù)AGV小車常用的是普通的輪邊電機(jī)，具有體積笨重且不易于控制的缺陷，其效率也很低;而輪轂電機(jī)則是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接與車輪相連，中間不需要差速器和減速器，減化了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率，同時(shí)提高了可利用的空間。助運(yùn)車采用獨(dú)立的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩都獨(dú)立可控，增加了控制自由度，從而可以非常靈活方便地實(shí)現(xiàn)車身穩(wěn)定控制。結(jié)合助運(yùn)車載客載物的主要工作，速度不能太快，主要選用大扭矩慢速運(yùn)行的輪轂電機(jī)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)選用AQMD3610NS直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其具有以下特性：電機(jī)回路電流精確檢測(cè)技術(shù)、有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速自檢測(cè)技術(shù)、再生電流恒電流制動(dòng)（或稱剎車）技術(shù)和強(qiáng)大的PID調(diào)節(jié)技術(shù)，可完美地控制電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)（剎車）、換向過(guò)程和堵轉(zhuǎn)保護(hù);電機(jī)響應(yīng)時(shí)間短，且反沖力小;輸出電流實(shí)時(shí)監(jiān)控防止過(guò)流，有效保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。并可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)或串口配置電機(jī)額定電流，可使電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)、堵轉(zhuǎn)電流均限定在電機(jī)額定電流范圍以內(nèi)，高效而安全。這些特性，配合32位ARM高速處理器，能夠充分展現(xiàn)出來(lái)，平穩(wěn)地控制助運(yùn)車的運(yùn)行。

5 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)對(duì)于航站樓助運(yùn)小車而言就相當(dāng)于小車的眼睛和耳朵，準(zhǔn)確的定位以及對(duì)障礙物的有效地避讓是關(guān)系到助運(yùn)小車安全性能的關(guān)鍵一環(huán)。

實(shí)現(xiàn)航站樓助運(yùn)車的視覺(jué)和接近覺(jué)功能有多種方式：

（1）可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識(shí)別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖象識(shí)別等領(lǐng)域;

（2）電容式接近傳感器，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化;

（3）超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度;

（4）反射式紅外光電傳感器，一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收。

在航站樓內(nèi)部，其地面上往往會(huì)有指引方向的引導(dǎo)線。根據(jù)此特點(diǎn)，可以利用光電尋跡模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)主干道及支路的尋跡引導(dǎo)功能。在光電尋跡模塊的安裝方面對(duì)于單線線軌跡，可以采取一字型排列的方式，當(dāng)中心光電模塊檢測(cè)到黑線時(shí)，發(fā)射端發(fā)射的光線全部被黑線吸收，接收端收不到任何信號(hào)，則光電三極管不會(huì)導(dǎo)通。若邊緣光電模塊則沒(méi)有檢測(cè)到黑線，發(fā)射端發(fā)射的光線背白紙反射回接收端，接收端導(dǎo)通導(dǎo)致接收端電位被拉低。高低電平被傳送到處理器進(jìn)行處理，給出實(shí)時(shí)的路線修正，最終達(dá)到沿著單黑線走即尋跡的目的。但是單線一字型排列的模式在小車轉(zhuǎn)彎時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)脫離線路的情況。因而可以考慮使用鋪設(shè)雙邊線以及多重光電模塊的尋跡模式，上下排用于旋轉(zhuǎn)掃描邊線，前排固定用于輔助掃描邊線以確保在任何時(shí)候都可以準(zhǔn)確的尋找到正確的路徑，傳感器布局如圖4所示。

此外，航站樓助運(yùn)車是一種集各種機(jī)械裝置、傳感器、計(jì)算機(jī)等于一體的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型很困難，傳統(tǒng)的基于模型的控制方法很難適用，而基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模糊邏輯控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型且控制的魯棒性較好，所以可以通過(guò)模糊邏輯來(lái)對(duì)助運(yùn)車進(jìn)行控制。

除尋跡之外，考慮到可能發(fā)生的一些意外狀況，還需要添加相應(yīng)的避障功能。避障方式由超聲波避障與紅外避障混合構(gòu)成，能夠有效減少誤判率。超聲波傳感器一般作用距離較短，在近距離處存在一定的盲區(qū)且傳播速度較慢，同時(shí)對(duì)于被測(cè)物體表面的性質(zhì)要求較高，須為平面且不能為吸音材質(zhì)。紅外傳感器速度快，但是受陽(yáng)光干擾較大。考慮到航站樓助運(yùn)車主要應(yīng)用在室內(nèi)且紅外線在傳播時(shí)具備不擴(kuò)散的性質(zhì)，在使用時(shí)助運(yùn)車相互之間的影響較小，因而實(shí)用性較高。綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)，感知系統(tǒng)以紅外探測(cè)為主判斷（循跡最快）、以視覺(jué)系統(tǒng)為第二輔助判斷（壁障較好，輔助循跡）、以超聲波探測(cè)為第三輔助（受光線影響條件下，壁障較準(zhǔn)）的形式。

6 交互系統(tǒng)

航站樓助運(yùn)車，在整個(gè)航站樓運(yùn)輸系統(tǒng)中雖各自獨(dú)立工作，但依然隸屬于一個(gè)整體的綜合調(diào)度中心系統(tǒng)。一方面，各臺(tái)助運(yùn)車之間首先需按照既定好的路線運(yùn)行，彼此之間的互補(bǔ)干擾;另一方面，助運(yùn)車還需要接收來(lái)自乘客所發(fā)出的指令，來(lái)完成各自獨(dú)立的任務(wù)。

本文選用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總控室對(duì)助運(yùn)車的統(tǒng)一控制，或是助運(yùn)車單車與整個(gè)系統(tǒng)之間信息的交換。組網(wǎng)方式采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，所有端節(jié)點(diǎn)智能與協(xié)調(diào)器通信，需要在一定距離安裝協(xié)調(diào)器，助運(yùn)車分時(shí)復(fù)用方式與調(diào)度中心通訊，有效防止節(jié)點(diǎn)數(shù)量飽和。

在人機(jī)交互的方式也是乘客使用體驗(yàn)的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，工業(yè)3.0時(shí)代向工業(yè)4.0時(shí)代的過(guò)渡，實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化向工業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型，而這其中人工智能和人機(jī)交互技術(shù)將會(huì)起到至關(guān)重要的作用。特別是像機(jī)場(chǎng)航站樓這類面向公共服務(wù)的設(shè)施，人機(jī)交互的質(zhì)量更是一種無(wú)法回避的問(wèn)題。人機(jī)交互的大致解決方案如下：首先，隨著智能手機(jī)的普及，借助藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)乘客與助運(yùn)車之間信息交互的個(gè)性化，從而進(jìn)一步提高助運(yùn)車的操作性和用戶體驗(yàn)。其次，得益于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)人機(jī)之間的對(duì)話也給乘客帶來(lái)較好的用戶體驗(yàn)。再者，結(jié)合近年來(lái)飛速發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與智能穿戴設(shè)備，也可以推出相關(guān)的增強(qiáng)型現(xiàn)實(shí)的人與助運(yùn)車之間的人機(jī)交互方式。

7 總結(jié)

本文根據(jù)航站樓實(shí)際交通需要，結(jié)合當(dāng)今工業(yè)AGV小車的特性及人們生活習(xí)慣，提出了航站樓助運(yùn)車這一概念性的代步工具，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：

（1）相對(duì)于傳統(tǒng)固定直行道而言，助運(yùn)車具有無(wú)可比擬的靈活性、秩序性;一方面，在主干道上，助運(yùn)車車之間可以自動(dòng)保持一定的距離按照主干道有序行進(jìn);另一方面，在支路口小車可以獨(dú)立地根據(jù)自己預(yù)先設(shè)定好的目的地前往不同的分支，或者按照乘客的意愿前往不同的區(qū)域。

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，助運(yùn)車可提供坐椅以及置物區(qū)且為一人一車，其設(shè)計(jì)更加人性化;同時(shí)，在人機(jī)交互的模式下，以手機(jī)作為控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遠(yuǎn)程遙控、智能跟隨等控制。

（3）控制系統(tǒng)集成度提高，且采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性、易操作性、易維護(hù)等。總之，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)在民用及公共服務(wù)領(lǐng)域會(huì)得到普遍的應(yīng)用，具有很大的研究空間。

參考文獻(xiàn)

[1]徐清.自動(dòng)導(dǎo)引小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2006.

[2]歐陽(yáng)杰，蔣作舟，我國(guó)機(jī)場(chǎng)航站樓的現(xiàn)狀特征及發(fā)展趨勢(shì)[J].華中建筑，2005 （01）：76-77+80.

[3]姬永紅，機(jī)場(chǎng)自動(dòng)旅客輸送系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望[J].城市軌道交通研究，2011，14 （03）：10-14.

[4]黃磊，機(jī)場(chǎng)行李輸送設(shè)備管理及節(jié)能改造[J].智能建筑與城市信息，2013 （05）：114- 115.

[5]靳學(xué)婷，自動(dòng)扶梯或自動(dòng)人行道速度偏差計(jì)算方法研究[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2017 （12）：45-46.

[6]丁瑩，王小鐸，趙瑋，馮作鵬.AGV供電系統(tǒng)綜述[J].機(jī)械研究與應(yīng)，2014， 27 （03）：179-182.

[7]冉嘉.基于ADVISOR的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型AGV性能仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53 （10）：41-45.

[8]李樂(lè)，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[9]任仁凱，沈世斌，黃鳳良，光電導(dǎo)航智能小車雙邊尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，201 3，32 （10）： 56-59.

[10]廖華麗，周祥，董豐，王廷旗，基于模糊控制的AGV尋跡算法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005 （07）： 896-898.

[11]于繼棟，Joy Weiss.工業(yè)4.01機(jī)器人：人工智能和人機(jī)交互技術(shù)將會(huì)起到至關(guān)重要的作用[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23 （01）：10-11.

[12]王興昌，人機(jī)交互設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2016 （07）：100+102.