周正軍 張 豪 文生平

（1．廣州市井源機電設備有限公司，廣東 廣州 510000；2．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510000）

0 引言

物流是當今社會生產運輸中至關重要的1個環(huán)節(jié)，而其效率的高低對生產過程的各個方面有著直接且深遠的影響。自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）是現(xiàn)代化生產物流系統(tǒng)的重要設備，它能夠自動沿著規(guī)定路徑將貨物送到指定工作點，完成一系列的任務[1-2]。雖然AGV移動機器人的應用在國外已經非常普遍了，但是國內起步時間相對較晚，技術也還不夠成熟，主要使用技術含量較低的磁帶導引工業(yè)移動機器人。相比之下，電磁導引具有更高的可靠性，其工作原理是在AGV規(guī)定的行駛路線上鋪設專用電纜，然后通過導通低頻正弦電流產生磁場，AGV的電磁感應傳感器根據(jù)檢測到的磁場強度對偏差進行矯正[3]。盡管國內己經開發(fā)出電磁導引系統(tǒng)，但是AGV只能在單環(huán)路等簡單的環(huán)境中運行。

AGV混合導引系統(tǒng)采用電磁與RFID混合導引，提高了機器人的工作精度，解決了電磁導航存在不能適應復雜路徑的問題。整個系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、電池電源、移載系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和一些移動機器人輔助機構，實現(xiàn)了對AGV的導航、定位和路徑規(guī)劃等技術的突破。

1 電磁與RFID的混合導引方法

1.1 AGV電磁導引原理

在AGV規(guī)定的行駛路線上鋪設專用電纜，然后導通低頻正弦電流產生磁場。AGV的電磁感應傳感器由左右2個感應線圈組成，在小車沿線路行走時輸出磁場強度差動信號[4]，根據(jù)圖1中電磁感應傳感器的輸出信號與偏移量的關系，可以計算AGV的位姿誤差并對其進行相應的糾偏控制。

圖1 電磁感應線圈的感應信號與偏移量的關系

1.2 RFID定位與導航路徑選擇

在電磁導引的基礎上，采用RFID進行AGV定位，定位點設置在AGV需要進行路徑選擇的分岔路口[5-7]。該文提出了3種導航路徑的選擇方法。

1.2.1 預定軌跡法

如圖2所示，在AVG的行駛路線上預埋了3條電磁線A、B和C，根據(jù)A、B和C3條電磁線通入的交流信號頻率的不同，其導航過程也不同。

圖2 預定軌跡法示意圖

給預埋的3條線通入同頻率的交流信號，工作過程：AGV沿著電磁線運行，其運行路徑已通過AGV集群無線通信預置到AGV控制系統(tǒng)中，當感應到第一個RFID信號后，如果預置是路徑A，那么AGV直行；如果預置是路徑B，那么AGV左轉，再沿著路徑B運行；如果預置是路徑C，那么AGV先直行，感應到第二個左轉RFID后再左轉。

給預埋的3條線通入不同頻率的交流信號，與同頻率信號線的工作方式不同的是，電磁傳感器除了感應信號的強弱之外，還需要感應信號的頻率，該頻率信號可以作為AGV運行路徑的導引信號。設置A、B和C 3條路徑的導引頻率分別為f1、f2、f3，在主要運行路徑A，用頻率f1導引，同時為了避免干擾，頻率為f2、f3的電磁線采用屏蔽線[8]；在路徑A與路徑 B的交叉處，路徑B上的電磁線轉換為非屏蔽的電磁線，此時存在2種引導頻率信號，AGV 在感應到RFID信號后，如果預置是路徑A則自動直行，如果是路徑B則沿著頻率為f2的電磁線運行。

1.2.2 樹枝分岔法

樹枝分岔法在預定軌跡法的基礎上進行了變化，如圖3所示，AGV 有3條運行路徑分別為 A、B和C，但是3條運行路徑都采用1根電磁線導引，其工作過程為：AGV沿著電磁線運行，其運行路徑已通過AGV集群無線通信預置到AGV控制系統(tǒng)中，當感應到第一個RFID信號后，如果預置是路徑A，那么AGV直行；如果預置是路徑B，那么AGV沿著電磁線運行。

在樹枝分叉法中，AGV直行時會出現(xiàn)一段導航盲區(qū)，該盲區(qū)對傳感器和控制的精度有較高要求。

1.2.3 互補電磁傳感器法

圖3 樹枝分岔法示意圖

互補電磁傳感器法是在AGV上安裝2對導航用電磁傳感器，如圖4所示，其導航路徑預埋的電磁線與樹枝分岔法相同，如圖3所示。

2對導航用電磁傳感器分別安裝在AGV的前端和后端，當AGV感應到RFID信號后，如果預置的導航路徑為路徑A，那么AGV在后面一對電磁傳感器的導引下繼續(xù)直行，當后面一對導航電磁傳感器失去導航信號引導時，將導航引導傳感器切換為前面一對導航傳感器，AGV就不會出現(xiàn)導航盲區(qū)；如果預置的導航路徑為路徑B，那么AGV在后面一對電磁傳感器的導引下沿著路徑B行駛。

需要注意的是，前后兩對電磁傳感器的距離要大于盲區(qū)的距離，如果需要更精確的切換傳感器方法，那么就可以另外設置定位RFID。

圖4 互補電磁傳感器安裝示意圖

2 AGV混合導引系統(tǒng)搭建

2.1 AGV硬件系統(tǒng)開發(fā)

采用單片機系統(tǒng)來對硬件結構進行設計，如圖5所示，硬件系統(tǒng)主要具備電磁信號檢測及處理、運動控制與通信的功能。電磁信號的檢測及處理環(huán)節(jié)與單片機控制器共同構建了AGV硬件系統(tǒng)的主體，極大地簡化了系統(tǒng)的硬件設計流程。

圖5 AGV內部硬件架構圖

硬件系統(tǒng)中各部分功能如下：1） 中央控制模塊。以高性能微控制器為核心，收集傳感器數(shù)據(jù)并對其進行計算和處理，將控制信號傳遞給馬達控制模塊，從而控制馬達的運行狀態(tài)。2） 電磁檢測模塊。在經過信號比較環(huán)節(jié)及處理軟件的處理后，由左、右電磁傳感器對位置進行糾偏，如果采用2對電磁傳感器，那么就需要增加1個比較環(huán)節(jié)。3） 無線局域網模塊。該模塊實現(xiàn)了AGV與上位機、AGV與AGV之間的通信，還實現(xiàn)了對復雜系統(tǒng)的編排工作，它與廣域網聯(lián)網還可以實現(xiàn)異地控制和故障診斷的功能。4） 安全檢測模塊。AGV運行的安全監(jiān)測分為接觸式和非接觸式兩級安全監(jiān)測。5） 馬達控制模塊。該模塊控制馬達的運轉、停止和轉向等。6） 外部I/O模塊。該模塊可以控制輸入和輸出。

2.2 電磁導航低頻信號源設計

電磁導航低頻信號源系統(tǒng)如圖6所示，該系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)模塊、單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、PC機通信模塊、單相H橋式逆變模塊、DDS模塊、SPWM波形生成模塊、信號調理模塊、三角波信號調理模塊、三角波發(fā)生模塊、驅動模塊以及電壓測量模塊等部分組成。其中實線框中的超低頻信號源模塊和虛線框中的大功率電壓源模塊是最基本也是最重要的2個設計模塊。

整個系統(tǒng)的流程如下：1） 信號源的控制核心是單片機控制模塊，它發(fā)送控制指令給DDS模塊，從而改變信號源的頻率，同時能夠實時檢測輸出電壓電流的大小。2） 將DDS模塊的輸出信號發(fā)送給信號調理模塊進行調理。3） 三角波調理模塊對三角波發(fā)生器產生的等腰三角波進行放大調理。4） SPWM波形生成模塊對DDS輸出的正弦超低頻信號和三角波調理模塊輸出的載波三角波進行調制，得到SPWM波。5） 驅動模塊對SPWM波采取整形放大等措施；單相H橋式逆變模塊再對信號的電壓以及功率進行放大；為了滿足微弱信號采集與系統(tǒng)運行的要求，低通濾波器濾除放大后信號中的高頻信號。

在超低頻信號源模塊中，DDS模塊和信號調理模塊主要由AD9834芯片、差分放大、低通濾波和電壓放大等調理電路組成，如圖7所示。接口電路接收單片機MSP430F169發(fā)送的控制信號，DDS輸出符合頻率要求的低頻正弦電流信號。其中，F(xiàn)SYNC為低電平有效控制輸入，SDATA為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為串行時鐘輸入，IOUT和IOUTB為電流輸出。

圖6 電磁導航低頻信號源系統(tǒng)框圖

從DDS輸出的低頻正弦信號需要經過差分放大器的處理，抵消直流分量，并把雙端輸入信號變成單輸出信號[9]。

對DDS輸出的波形進行頻譜分析可以看出，在主頻率之外還存在很多的諧波分量以及數(shù)字模擬轉換器（Digital to analog converter，DAC）的非線性產物，因此必須在DAC之后接入低通濾波器，如圖8所示，其中v1、vA、vp、v0為所在點電壓，C1、C2為電容，R1、Rf為電阻。由于DDS的輸出頻率為超低頻，因此選擇二階壓控低通濾波器[10]，它由1個同相比例放大電路和2節(jié)RC濾波電路組成，同相比例放大電路為壓控電壓源器件，具有體積小、精度高、性能穩(wěn)定且易于調試等優(yōu)點，除此之外，它還具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的優(yōu)良特性，易于級聯(lián)。

2.3 AGV軟件系統(tǒng)開發(fā)

混合導引的AGV軟件系統(tǒng)主要包括路徑編輯器和地面管理系統(tǒng)軟件。

2.3.1 路徑編輯器與地面管理系統(tǒng)軟件

路徑編輯器主要用來對AGV導航路徑進行編輯，編輯器包括動態(tài)實時監(jiān)控模塊、路徑編輯與參數(shù)設置模塊以及無線通信模塊，通過路徑編輯器可以預置AGV 的導航路徑。其中，動態(tài)實時監(jiān)控模塊包括小車位姿監(jiān)控（含數(shù)據(jù)顯示和圖形化顯示）、導航通信狀態(tài)顯示以及控制狀態(tài)顯示；路徑編輯與參數(shù)設置模塊可以通過該編輯器修改AGV的運行路徑，參數(shù)設置包括通信設置、AGV自身參數(shù)設置以及目標位置設置；無線通信模塊包括地面系統(tǒng)、車載系統(tǒng)與車載系統(tǒng)間的通信[11]。

2.3.2 車載控制系統(tǒng)軟件

車載控制系統(tǒng)軟件包括無線通信模塊軟件和控制系統(tǒng)模塊軟件。其中，無線通信模塊軟件包括車載系統(tǒng)軟件與車載系統(tǒng)的通信軟件；控制系統(tǒng)模塊軟件包括手動控制軟件、自動導航控制軟件、故障檢測診斷及處理軟件、數(shù)據(jù)儲存及保護和數(shù)據(jù)更新等軟件。

圖7 DDS與信號調理模塊設計原理圖

圖8 二階壓控低通濾波電路

2.4 安全系統(tǒng)設計

混合導引AGV的安全系統(tǒng)采用的是四級保護的安全措施，包括防撞桿、紅外傳感器、警笛、警燈及側門的手動操作系統(tǒng)。

車體頭部的障礙物檢測裝置裝載有紅外線傳感器，通過預置停車和減速距離，達到避免出現(xiàn)小車發(fā)生意外碰撞的情況。同時考慮到紅外設備自身可能會發(fā)生故障，可以在車體前端設置防撞護欄，如果發(fā)生碰撞就會觸發(fā)報警裝置，在一定程度上能夠起到緩沖作用。紅外線與機械雙重避障的設計可以更加實時精確地檢測出障礙物，并及時采取避障策略。車體側方設有緊急停車開關，任何時刻按下開關，車輛就會立即停止動作。在AGV作業(yè)的過程中，紅外傳感器會通過閃光、聲響的形式提醒現(xiàn)場操作人員。

如果控制中心因操作不當或者突發(fā)情況而斷電，車輛可以實時檢測控制信號，實現(xiàn)自動停車，防止小車因偏離路線而發(fā)生碰撞。

3 系統(tǒng)測試

3.1 導引定位系統(tǒng)測試

首先使用單個感應線圈在電磁場中進行檢測。測得單個感應線圈在一定角度、偏移位移下的感應電動勢，并對得到的感應電動勢數(shù)據(jù)進行一維插值[12]，將其與理想的感應電動勢進行對比，從而驗證系統(tǒng)的可靠性。前向角度分別為 0 °、30 °以及60 °時感應線圈的感應電動勢如圖9～圖11所示。

在不同偏移狀態(tài)下對雙線圈電磁導引小車進行試驗測定，將實驗值與理想值進行對比，對比結果見表1，表1中e1、e2分別為左右兩線圈的感應電動勢，θ為AGV前向角度，x是AGV的偏移位移。

受測量儀器的精度以及人為誤差等因素的限制，雖然單線圈的試驗結果與理想曲線有偏差，但是它們的趨勢基本是一樣。總得來說，該文所設計的電磁導引系統(tǒng)能達到很好的導引定位的效果，前向角度偏差和水平偏移位移的誤差都保持在1個較低的水平。

3.2 低頻信號源測試

該文采用的DDS芯片為AD9834，其輸出頻率公式[12]如公式（1）所示。

在測試過程中，選取輸出信號頻率f為1000 Hz，并測量該頻率的穩(wěn)定性，利用5位半數(shù)字萬用表對實際產生的輸出信號頻率進行測量，測量間隔時間為10 min，測量次數(shù)為25次，測量數(shù)據(jù)見表2。

再對輸出信號的電流電壓進行測試，其期望值分別為0.1 A、2 V，實際測得的輸出電流、電壓值記錄見表3。

表1 不同狀態(tài)時的試驗測定與誤差計算

表2 測量頻率值記錄

表3 輸出電流、電壓值的測量記錄

4 結語

圖9 θ=0 °的一維插值曲線

圖10 θ=30 °的一維插值曲線

圖11 θ =60 °的一維插值曲線

該文針對國內AGV導航技術落后及電磁導航應用的局限性設計了結合電磁導引與RFID定位的AGV混合導引系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地下預埋電磁線，通過電磁線與RFID的定位配合，選擇3種路徑導航方法進行驅動控制。系統(tǒng)極大地簡化了AGV控制器的硬件結構，同時為了保證系統(tǒng)的精度及可靠性，該文對AGV硬件電路及導航信號源進行了多級的信號處理設計。軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了便捷的人機交互、高效的無線通信和快速的數(shù)據(jù)處理，安全系統(tǒng)的開發(fā)設計實現(xiàn)了四級保護，進一步保障了AGV的運行安全。AGV混合導引系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，在導航、定位和路徑規(guī)劃上實現(xiàn)了對技術的突破，將有效推動現(xiàn)代物流的進一步發(fā)展。