李 琳

(鶴壁職業(yè)技術學院， 河南 鶴壁 458030)

0 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫，意即“自動導引運輸車”。AGV是裝備有自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的行駛路線，具有自我保護功能，自動準確的與裝卸機構對接，具有各種移載功能的運輸車[1]。

第一輛AGV誕生于1953年，AGV扮演物料運輸?shù)慕巧呀?0多年。但隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展,AGV的應用范圍也在不斷擴展,本AGV系統(tǒng)研究設計了一種基于光電感應傳感器的無人駕駛小車系統(tǒng)方案。通過實際硬件實驗,系統(tǒng)能夠達到預期設計要求,能夠廣泛運用于工業(yè)、軍事、交通運輸、電子等領域,具有良好的環(huán)境適應能力,很強的抗干擾能力和目標識別能力。

AGV系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的運輸系統(tǒng)很好的解決以下幾個問題：

1) 柔韌性問題得到解決

傳統(tǒng)的磁導航、色帶導航的柔性比較差，路徑的改變需要重新鋪設磁條、粘貼色帶，人力成本就會增加，后期還需要一系列的維護費用。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了柔韌性問題，維護費用也大大降低[2]。

2) 成本預算問題得到解決

制造業(yè)的核心問題是降低成本，賺取利潤，而成本主要來自于人工、材料、制造費用。AGV控制系統(tǒng)可以很好的控制成本，使利潤最大化，因此對企業(yè)來說性價比很高。

3) 精度要求問題得到解決

高科技行業(yè)對精度要求很高，單靠人力無法與自動裝卸機構完美對接。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了精度問題，因此有很好的應用前景。

1 基于光電感應傳感器AGV的設計要求

AGV系統(tǒng)不僅為了解決柔韌性、成本、精度三個問題，同時也為了解決傳統(tǒng)制造業(yè)技術落后的問題，設計的AGV系統(tǒng)要求實現(xiàn)以下功能：

1) AGV從流水線收到貨物(行程開關檢測)-倉庫-人工卸貨-按開始按鈕-返回到流水線等待；

2) 來回路程：90 m，時間要求130 s，兩個拐彎處；

3) 要求放二個工件，每個30 kg，共60 kg;

4) 速度、加速度等指標可以設置；

5) 充電由人工推到指定地點充；

6) 光電式檢測，地下用膠帶粘貼感應條。

2 基于光電感應傳感器的AGV總體設計方案

基于光電感應傳感器的AGV總體設計方案如圖1。

圖1 AGV總體設計方案

2.1 傳感器

要想實現(xiàn)AGV的智能化，傳感器的信息傳遞至關重要，傳感器主要包括導向、速度和避障三種傳感器[3]。各傳感器在運行過程中執(zhí)行各自的傳感任務，其在AGV車中裝配的位置和類型如圖2所示。

圖2 AGV中傳感器的配置和類型

2.1.1 速度傳感器

在AGV整個控制系統(tǒng)中，主要測量旋轉的運動速度，如果需要測直線速度一般通過旋轉速度間接測量，輸出電壓與轉速保持線性關系。

2.1.2 導向傳感器

在本方案中導向傳感器為光電傳感器。光電傳感器把變量轉換成光信號，通過光電元件把光信號轉換成電信號。光電檢測具有速度高、抗干擾、非接觸等優(yōu)點，多參數(shù)同時測量，因其優(yōu)勢明顯，光電傳感器在自動化控制中得到廣泛應用。

2.1.3 避障傳感器

在本方案中采用紅外避障傳感器(以下簡稱紅外)。紅外具有一對收發(fā)器，發(fā)射器發(fā)射信號，當遇到障礙物信號反射，被接收器接收，傳遞到AGV主控模塊，AGV主控模塊經過分析處理，即可利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。該傳感器對環(huán)境光線的適應能力比較強。

2.2 電源

電源單元實現(xiàn)5V/24V直流輸入，通過電壓轉換滿足硬件電路中所需的各級電壓需求，為AGV的各個模塊提供所需的不同電壓的電源。

2.3 在線可編程與調試接口

該接口用于網(wǎng)絡時間服務器開發(fā)階段的編程與調試以及以后的軟件升級。

2.4 警報

在AGV運行過程中，播放音樂用于避障提示等。

3 控制系統(tǒng)的設計

本設計的AGV主要使用紅外線、轉速和光電傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括AGV的速度控制、導向控制與避障自我保護三個部分。下面對三個控制部分及所需傳感器作簡單介紹。

3.1 速度控制

AGV運行的速度靠電機的轉速檢測結果來推算。為了確保系統(tǒng)速度的穩(wěn)定，采用電機調速控制。當速度不可控時，PID控制技術就成為首選，通過經驗和調試來確定系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)，PID調節(jié)可用于直流電機控制器的算法[4]。(如圖3)。

圖3 控制原理框圖

3.2 轉向控制

工作過程中的AGV , 會因為外界的干擾產生運動路徑的偏離, 因此必須通過轉向控制保證運行方向的正確性。軌道檢測方法欲采用有線式導向方法中的光電傳感器，目前預選用FR 20 RG-PSM4。通過差速對小車進行轉向控制。通過兩個光電傳感器的監(jiān)測結果，可以對兩個直流電機進行增減速切換控制，但如果切換頻繁會導致單位時間內進行糾偏轉向控制的次數(shù)和幅度過多，引起AGV擺動, 甚至轉向振蕩。因此，本設計在轉向控制當中欲采用Fuzzy模糊控制的手法，通過對調控量與震蕩頻率的傳遞函數(shù)的學習，來生成能夠進一步保證AGV穩(wěn)定性的控制器。在轉彎處，通過光電檢測來預先進入轉向狀態(tài)，通過預測前饋控制與轉向反饋控制的結合來保證AGV按軌道轉向[5]。

3.3 定?？刂?/h3>

在貨物搬運過程中, AGV 應能在所要求的工位或貨位上與裝卸機構自動準確對接。裝配的配合精度是一項很重要的參數(shù)，而裝配精度取決于定停精度，定停精度受控于導向和相關控制技術。本設計當中的定停將采用光電傳感器來檢測出停止標志，開始執(zhí)行停止命令，同時輔以轉速傳感器的數(shù)據(jù)反饋來推測制動距離，從而完成高精度定停控制[6]。

3.4 避障保護

安全避障模塊用于識別障礙物并通過躲避對自身進行保護。本系統(tǒng)要求小車在距離障礙物90cm的位置開始減速或停車，躲避障礙物。前面提到的紅外傳感器作為避障傳感器，在AGV的前部和后部各安裝一個。通過電壓信號辨別距離的遠近，電壓信號輸入主控制模塊，當檢測到距離障礙物90 cm時速度減慢同時報警，當距離小于35 cm時小車停車。

4 主控板設計

主控板結構如圖4所示主要由轉速傳感器接口、電機驅動接口、紅外線傳感器接口、光電傳感器接口、波形整形單元、顯示驅動單元、液晶顯示屏、音樂單元、揚聲器接口、矩陣鍵盤、鍵盤接口單元、啟動停止按鈕和微控制器(MCU)等組成[7]。

圖4 主控板結構

◆電機驅動接口：設計中提供了四個電機驅動接口，兩個供目前使用，另外兩個供以后擴展功能使用。

◆顯示驅動單元：顯示驅動單元負責為顯示系統(tǒng)提供驅動信號。

◆液晶顯示屏：液晶顯示屏顯示人機交互的相關信息。

◆音樂單元：音樂單元負責產生提示音樂。

◆揚聲器接口：揚聲器接口負責連接揚聲器。

◆矩陣鍵盤：矩陣鍵盤提供0-9的數(shù)字鍵和相應的操作按鍵，方便用戶進行參數(shù)設置等人機交互。

◆啟動/停止按鈕：啟動停止按鈕負責啟動和停止小車工作。

◆微處理器(MCU)：微控制器主要處理傳感器信號、控制算法、按鍵的信號處理等。

5 軟件體系設計

5.1 人機交互設計

人機交互的軟件部分主要負責對用戶的按鍵進行識別并作相應的處理、同時在液晶顯示屏上顯示相應的提示。在用戶進行參數(shù)設置時，可以顯示相應的參數(shù)設置菜單和參數(shù)的設置值、用戶可用上下箭頭按鍵移動、用Enter鍵進入相應的菜單、用數(shù)字鍵設置相應的參數(shù)。設置完之后可通過Menu鍵使設置的參數(shù)生效。

5.2 控制算法設計

控制算法主要根據(jù)各傳感器感知的信號采用PID控制算法，控制兩個驅動電機的轉速以及啟動停止等工作狀態(tài)，同時在檢測到障礙物時能夠停止并進行報警。

6 結束語

本文提出了一種基于光電傳感器的AGV系統(tǒng)的設計思路，通過該設計實現(xiàn)相關功能。伴隨著工業(yè)4.0時代的到來，AGV行業(yè)發(fā)展前景光明，尤其是對人體有害的工作環(huán)境。AGV技術已經滲入到我們的日常生活中，憑借其自身的優(yōu)勢，將會得到越來越廣泛的應用。