黃岳泉，甄帥

（上汽大眾汽車有限公司儀征分公司，上海 211400）

機器人技術(shù)是人類智慧的結(jié)晶，引起了國際社會的廣泛關注。各國科研人員廣泛開展了機器人及其技術(shù)的研究，并開發(fā)了各式各樣的機器人來替代人類完成枯燥、危險的工作，其機器人類型主要包括地面機器人、飛行機器人、水下機器人，以及水陸甚至水陸空等多棲機器人。機器人技術(shù)的發(fā)展與應用，改變了人們的生活和生產(chǎn)方式，使得人們不僅可以從危險的工作環(huán)境中解放出來，而且還能大大提高作業(yè)效率，促進生產(chǎn)力的發(fā)展。目前，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的主要應用領域包括機器人制造、機器人運輸?shù)?。AGV即是用于企業(yè)物料轉(zhuǎn)運的一類特殊機器人，是智能制造不可或缺的重要組成部分。隨著市場競爭的日漸激烈，企業(yè)紛紛引進AGV技術(shù)來替代人工進行物料轉(zhuǎn)運，這不僅提高了企業(yè)的物料轉(zhuǎn)運速度，節(jié)省人力成本，降低了生產(chǎn)制造成本，對提高市場份額具有重要意義。

1 AGV系統(tǒng)模型及其導航方式

1.1 AGV運動模型

通常情況下，AGV為四輪小車，后輪驅(qū)動，前輪導向，后兩輪分別由一個直流伺服電機驅(qū)動，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速差可控制AGV進行轉(zhuǎn)向。AGV的轉(zhuǎn)向示意圖如圖1所示。

圖1 AGV下車轉(zhuǎn)向示意圖

假設AGV的左驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為ωl，右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為ωr，A點為位于車體上的驅(qū)動輪的中心點，則通過驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速可計算出A點的轉(zhuǎn)向角速度ω以及A點的轉(zhuǎn)向速度V：

其中，R表示驅(qū)動輪的半徑，H表示輪距。

而AGV小車在運行過程中的t時刻，車體中心線與目標航向之間的夾角可以用a表示：

其中，a0表示初始時刻車體的轉(zhuǎn)彎角度。

于是可得t時刻，車體上A點在2個坐標軸上的速度分量：

t時刻，車體A點的坐標可表示為：

根據(jù)式（1）、（2）、（4）、（5）可以得到機器人的運動狀態(tài)方程：

1.2 AGV導航模式

AGV導航就是根據(jù)目標路徑，對小車進行實時的路徑規(guī)劃，從而根據(jù)約束條件和目標函數(shù)生成一條無碰撞的最優(yōu)路徑。根據(jù)導航信號的獲得方式，可將AGV導航分為磁導航、激光導航、視覺導航等。磁導航是通過在目標路徑上鋪設磁釘、磁條或者在地下埋線等方式，使得AGV小車能夠?qū)崟r檢測當前位置與目標位置之間的偏差，從而實現(xiàn)AGV小車的控制。磁導航模式的可靠性和精度都較高，但需要對工作場地進行鋪設磁信號發(fā)生裝置等改造，增加了系統(tǒng)費用。此外，當工作環(huán)境布局改變后，需要重新對導航路徑進行改變或擴充。AGV激光導航是通過激光定位掃描器對周圍環(huán)境進行掃描，從而生成工作地圖，如柵格圖等，進而在地圖上實時規(guī)劃小車的運動路徑。激光導航定位的精度高，可實時生成工作路徑，以減少運行路線長度和運行時間，提高工作效率。但激光導航對工作環(huán)境的要求較高，且制造成本高，當采用多AGV協(xié)同作業(yè)時，其成本將大幅度增加。視覺導航是利用機器視覺技術(shù)，采用攝像頭感知周圍的環(huán)境，并實時生成運動路徑的導航模式。隨著機器視覺技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，基于視覺導航的AGV得到了快速發(fā)展。AGV視覺導航對計算速度和路徑規(guī)劃算法的要求較高。機器視覺實時生成的是局部地圖，需要在算法上保證路徑規(guī)劃不至于陷入局部的最優(yōu)解。

圖2 AGV控制系統(tǒng)

2 基于微控制器的AGV控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是AGV小車的核心，它關系著整個AGV智能化水平的高低，決定了系統(tǒng)的預定功能能否實現(xiàn)。AGV小車的動作包括：前進、轉(zhuǎn)向、避障、報警等，這些動作都是在控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和監(jiān)管下完成的。一個良好的控制系統(tǒng)，不僅能夠使得AGV在工作時的能量消耗最少、工作效率最高，而且還應使得系統(tǒng)具有良好的擴展性，方便系統(tǒng)升級改造。由于微控制器具有體積小、能耗和成本低、可擴展性強等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的核心部件。為此，本文選用ATMEGAl6型微控制器作為AGV小車的控制核心，從而完成各種信息的采集、運算與決策。通過對AGV所擔負功能的分析，設計了如圖2所示的AGV控制系統(tǒng)。其中，光電編碼器模塊是系統(tǒng)用于檢測自身位置的模塊；紅外傳感器和超聲波傳感器是用于避障的模塊；遙操作模塊使得機器人既可按照預先編程的路徑運動，也可以根據(jù)遙操作信號來完成指令控制。

運動過程中，目標路徑上可能存在移動或靜止的障礙物，若AGV不能正確識別障礙物、不能判斷移動障礙物的運動意圖，則AGV會與障礙物發(fā)生碰撞，從而損壞AGV機體或者對人等移動障礙物造成傷害。因此，障礙物的檢測與判斷對AGV來說至關重要。國內(nèi)外成熟的AGV產(chǎn)品大多采用紅外傳感器和超聲波傳感器進行障礙檢測。紅外傳感器和超聲波傳感器各有優(yōu)劣，其中，紅外傳感器的方向性好，但對障礙物的顏色靈敏，一般用作近距離探測；而超聲波傳感器的方向性差，不能提高障礙物的邊界信息。為此，很多AGV以及自主導航機器人均采用上述兩種傳感器來進行障礙物的檢測，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。本文所設計的AGV控制系統(tǒng)就是采用紅外傳感器與超聲波傳感器組合成的避障模塊，紅外傳感器用于近距離障礙物，超聲波傳感器則用于檢測較遠距離的障礙物。

3 結(jié)語

AGV的應用可以大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，本文主要介紹了AGV小車的發(fā)展現(xiàn)狀，建立了AGV小車的運動學模型，進而對常見的基于磁信號、激光、視覺等導航模式進行了簡要介紹，然后基于微控制器設計了AGV小車的控制系統(tǒng)，并著重介紹了基于紅外傳感器和超聲波傳感器的AGV導航與避障模塊。將AGV應用到企業(yè)中，是智能制造發(fā)展的大勢所趨。