王逞　魏菡

摘 要：自動(dòng)化運(yùn)輸是在組裝、生產(chǎn)以及貨運(yùn)部門中優(yōu)化物流組織中的關(guān)鍵點(diǎn)之一，它能夠提供一個(gè)非常方便的條件以便于完成這項(xiàng)繁瑣的任務(wù)，機(jī)械與電子技術(shù)之間的共同作用結(jié)合產(chǎn)生了AGV多功能多價(jià)值的產(chǎn)物。其包含了自動(dòng)控制、信息處理及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，能夠在各種領(lǐng)域中尤其是物流業(yè)得到了許多認(rèn)可與應(yīng)用。本文結(jié)合以往學(xué)者的研究及相關(guān)資料查閱，提出了一種新的PLC控制AGV小車的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，能夠較好地運(yùn)用到生活中去，同時(shí)也為以后學(xué)者的研究提供了參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC;AVG;自動(dòng)化

0 引言

根據(jù)我國現(xiàn)今企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)水平在不斷提升，對(duì)各種技術(shù)的要求也不斷嚴(yán)格，即技術(shù)水平需盡快跟進(jìn)生產(chǎn)需求，而且對(duì)目前流行的自動(dòng)化技術(shù)同時(shí)需不斷加深。AGV能夠更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)需求，幫助物流自動(dòng)化運(yùn)輸，是達(dá)成一條穩(wěn)定的流水線的關(guān)鍵技術(shù)。AGV在現(xiàn)代物流系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它可以將零件和各種原材料按照計(jì)劃路線運(yùn)輸?shù)叫枰牡胤?，不需要司機(jī)。目前，世界上每個(gè)制造大國都在不斷改革物流結(jié)構(gòu)，降低物流成本。AGV幾乎可以應(yīng)用于任何工廠環(huán)境，可以說它在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

在制造業(yè)領(lǐng)域，就亞洲范圍來說，日本和韓國還是較為發(fā)達(dá)的國家，AGV作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，其發(fā)展速度也是驚人的。此后，日本各大廠商意識(shí)到AGV技術(shù)的巨大生產(chǎn)潛力，都十分重視AGV技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，發(fā)展初期每年有數(shù)十臺(tái)新的AGV機(jī)組投入使用。而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，日本的AGV在產(chǎn)品規(guī)格、AGV型號(hào)、技術(shù)水平和自動(dòng)化程度等方面都得到了完善。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)對(duì)AGV的相關(guān)技術(shù)和控制原理進(jìn)行了充分地研究和分析，總結(jié)了幾種主要的AGV導(dǎo)航方式和驅(qū)動(dòng)方案，并詳細(xì)、全面地比較了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際需求，選擇最佳方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要工作有：

以確?？刂品桨笧榛A(chǔ)，選擇主要的避障模塊、驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)航儀與PLC作為本次AGV小車硬件的主要設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)AGV的供電電路，安裝安全裝置。設(shè)計(jì)AGV的控制運(yùn)算方案，通過運(yùn)用STEP7來進(jìn)行編寫AGV的控制程序。

在前期工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)完成了AGV小車的安裝和制造。車身制造完成后，將PLC連接到計(jì)算機(jī)上，將之前編寫的控制程序下載到PLC上。對(duì)軟件和硬件進(jìn)行了全面的調(diào)試，對(duì)調(diào)試中出現(xiàn)的所有問題逐一分析解決，直到AGV能夠按照設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 控制系統(tǒng)及導(dǎo)引方式選擇

AGV作為控制系統(tǒng)的“心臟”，承擔(dān)著極其重要的任務(wù)，包括處理與信息的采集收集過程。它能夠?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)單元發(fā)出信號(hào)從而控制汽車的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，并通過向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出指令來控制汽車的運(yùn)行狀態(tài)，做出前進(jìn)、停車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等步進(jìn)動(dòng)作。所以需要根據(jù)預(yù)期的I/O點(diǎn)數(shù)、控制內(nèi)容、指標(biāo)等來選擇合適類型的PLC控制器和相應(yīng)的擴(kuò)展模塊。

AGV需要配備很好地實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，故其導(dǎo)航模式是必不可少的。AGV導(dǎo)航裝置主要是由導(dǎo)航與其他傳感器共同構(gòu)成的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)將路面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量或者數(shù)字量。當(dāng)前較為成熟的AGV導(dǎo)航技術(shù)包括磁帶導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等等，在這些導(dǎo)航當(dāng)中，磁帶導(dǎo)航是目前運(yùn)用最廣泛最為成熟的技術(shù)，即本設(shè)計(jì)中也同樣使用磁帶導(dǎo)航。

磁帶引導(dǎo)是指在預(yù)驅(qū)動(dòng)路徑上直接鋪設(shè)一條寬約50 mm、

厚約1 mm3 mm的磁帶。磁帶周圍會(huì)形成一個(gè)固定的磁場(chǎng)。通過磁傳感器采集磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)汽車姿態(tài)的校正和汽車在預(yù)駕駛路徑上的自引導(dǎo)功能。磁條可分為表面粘結(jié)磁條和埋置磁條兩種，表面粘結(jié)磁條和埋置磁條都是由鐵氧體粉末和合成橡膠復(fù)合材料粘結(jié)在一起，然后將這兩種材料復(fù)合成新材料，通過擠出成型等一系列復(fù)雜工藝制成。這些磁條是柔軟的彈性磁條，并且磁條有兩個(gè)極性，相同的磁場(chǎng)和相反的磁場(chǎng)，因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中需要分別使用相同的磁場(chǎng)和相反的磁場(chǎng)。

通過地面上的磁條由相應(yīng)的磁導(dǎo)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果AGV運(yùn)行在正確的軌道上，磁導(dǎo)設(shè)備中的感應(yīng)信號(hào)應(yīng)向中間的幾個(gè)信號(hào)發(fā)出信息。當(dāng)AGV發(fā)生偏差時(shí)，磁導(dǎo)設(shè)備的感應(yīng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生偏差。AGV通過實(shí)時(shí)接收信號(hào)來判斷AGV是否偏離路徑。如果有偏差，AGV通過轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)來引導(dǎo)。

2.2 差速驅(qū)動(dòng)模塊

AGV的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊由兩部分組成：彈簧懸掛機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)模塊底盤。當(dāng)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊位于磁道上方時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器會(huì)通過差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊檢測(cè)到3～5個(gè)數(shù)字信號(hào)。通過其內(nèi)部獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)通道，數(shù)字信號(hào)將被發(fā)送到PLC，由PLC對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，分析和判斷當(dāng)前車身相對(duì)于磁軌的位置。如果磁道不在車身中間，則PLC將向差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送信號(hào)。該信號(hào)會(huì)不斷調(diào)整兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，使兩個(gè)輪以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而使車身隨時(shí)可調(diào)，直到磁道位于中央的行進(jìn)方向。而一旦磁道到達(dá)車體中心，PLC就會(huì)加速。驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送信號(hào)，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且AGV沿著指定的軌道運(yùn)行。AGV差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊本身作為標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械機(jī)構(gòu)，不能獨(dú)立運(yùn)行。這種差異速度驅(qū)動(dòng)模塊通常安裝在四輪車的底盤下方，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和承載能力。AGV的底盤通過彈簧懸掛機(jī)構(gòu)連接到驅(qū)動(dòng)單元的底盤。通過彈簧懸掛機(jī)構(gòu)的伸縮功能可以微調(diào)驅(qū)動(dòng)輪的高度，此功能可保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪始終接觸地面。因此磁性導(dǎo)航傳感器可以隨時(shí)收集磁道信號(hào)，同時(shí)它還可以始終控制AG的方向。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊的安裝和維護(hù)非常簡單，另外，其操作可靠性仍然很高，并且轉(zhuǎn)向速度快速且靈活。普通物料車經(jīng)過簡單修改后，增加了該驅(qū)動(dòng)程序模塊的安裝也可以成為AGV。

2.3 驅(qū)動(dòng)方案及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大多數(shù)采用雙驅(qū)動(dòng)模式的AGV都是四輪車型。AGV有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪兼作方向盤。兩個(gè)輪子都配備了電機(jī)，以提供動(dòng)力輸出，并可以自由轉(zhuǎn)向，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)自由輪保持平衡。這類AGV可以實(shí)現(xiàn)向前逃生、向后和全方位駕駛等功能，其最突出的特點(diǎn)是在駕駛過程中可以根據(jù)要求自由控制自己的身體姿勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)直線、斜線運(yùn)行。因此，它可用于狹窄的人行橫道或運(yùn)動(dòng)方向非常明確的環(huán)境中。雙驅(qū)動(dòng)AGV的缺點(diǎn)與差速驅(qū)動(dòng)的四輪AGV相似。它對(duì)地面的平整度有非常嚴(yán)格的要求。由于某些地面有突出物，很容易造成其中一個(gè)車輪懸空，使導(dǎo)航儀無法檢測(cè)到磁導(dǎo)，影響導(dǎo)航，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。另外，雙驅(qū)動(dòng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)比單驅(qū)動(dòng)和差速驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜，因此生產(chǎn)成本更高。

本次設(shè)計(jì)的AGV差速驅(qū)動(dòng)是位于磁軌道的上方，能夠?qū)Ш絺鞲衅鞑z測(cè)出的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到PLC中去，繼而PLC又將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過一系列的處理與分析小車與軌道之間的相對(duì)位置，PLC可以給差速驅(qū)動(dòng)不斷發(fā)送信號(hào)，從而不斷調(diào)整小車的前進(jìn)方向，使得AGV是沿著軌道正常行駛。

供電系統(tǒng)是整個(gè)AGV的電源保障，一般由蓄電池、充電裝置和安全裝置組成。AGV的整體電源是基于多對(duì)象的，可根據(jù)不同對(duì)象的電源需求提供電源。

本文設(shè)計(jì)中AGV小車采用了鋰電池作為電源。選取鋰電池有以下幾個(gè)原因：（1）鋰電池的儲(chǔ)存能量高，可達(dá)到450 Wh/kg～600 Wh/kg。（2）鋰電池使用的壽命較長，減少更換時(shí)的成本費(fèi)用。（3）鋰電池具有很好的溫度適應(yīng)性，能夠承受的溫度達(dá)到60℃以下正常工作。（4）鋰電池充電速度較快。

2.4 避讓方法設(shè)計(jì)

AGV小車的設(shè)計(jì)中包含設(shè)計(jì)了避讓模塊，它也是在小車行駛過程中一個(gè)必要的組成部分。當(dāng)AGV小車在道路中行駛遇到一些障礙物時(shí)，其內(nèi)部的避讓模塊會(huì)檢測(cè)出障礙物的存在，并立刻發(fā)送信號(hào)到控制模塊中，經(jīng)過控制模塊的分析，電機(jī)將立刻采取剎車，避免小車的碰撞從而造成不必要的損失。

本文設(shè)計(jì)采用了PX-2松下障礙物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其具有檢測(cè)距離長、防干擾功能、睡眠模式及體積小的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 PLC信息處理

PLC通過I/O口獲取磁導(dǎo)航傳感器的信號(hào)。16個(gè)數(shù)字代表16個(gè)磁探頭的輸出信號(hào)。一般采集到的磁信號(hào)為高電平，未采集到的磁信號(hào)為低電平。PLC同時(shí)采集15個(gè)輸入信號(hào)的電平值，通過識(shí)別哪些磁探頭檢測(cè)到磁信號(hào)，進(jìn)而判斷其是否偏離。如果出現(xiàn)偏差，多個(gè)端口的電平信號(hào)也可以判斷AGV是向右移動(dòng)還是向右移動(dòng)。向左偏移，依次進(jìn)行相應(yīng)的處理。

由于磁導(dǎo)的制導(dǎo)過程是按照固定的軌道進(jìn)行的，所以修整和矯直過程是在不偏離磁條的前提下，在磁導(dǎo)系統(tǒng)液位控制器中檢測(cè)到的，確定了AGV的電流方向和偏離程度，如果右側(cè)的磁導(dǎo)航傳感器信號(hào)為高電平，則AGV應(yīng)向右轉(zhuǎn)，直到磁導(dǎo)向系統(tǒng)的電平信號(hào)返回至頭部的中部為高電平為止，表示AGV的路徑軌跡與建立后，當(dāng)前向前移動(dòng)，AGV必須向左移動(dòng)，為了恢復(fù)AGV狀態(tài)，應(yīng)轉(zhuǎn)向左側(cè)，直到AGV返回給定的軌跡，因此AGV的磁導(dǎo)過程是不斷調(diào)整的過程車身。從微觀上看，AGV一直在做本地工作。

3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行

3.1 測(cè)試環(huán)境

本次項(xiàng)目所測(cè)試的AGV小車在一個(gè)鋪設(shè)封閉環(huán)境下軌道50 m，拐彎處半徑為0.6 m的圓弧型狀，其主要目的是測(cè)試小車在運(yùn)行過程中的方位引導(dǎo)能力、避讓方式以及其小車供電運(yùn)行速度是否達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)的指標(biāo)。

3.2 引導(dǎo)能力測(cè)試

方法：關(guān)閉AGV，用手撥動(dòng)小車使其重心線脫離軌道行駛，待小車完全偏離軌道時(shí)啟動(dòng)AGV，觀察小車是否能夠回到運(yùn)行軌道中。

結(jié)果：在啟動(dòng)AGV后小車的路徑感應(yīng)器接收到信號(hào)，小車能夠在較短的時(shí)間內(nèi)回到運(yùn)行軌道中，但其歸回過程比較曲折。

3.3 避讓方法測(cè)試

方法：小車在運(yùn)行的軌道中任意放置一定的障礙物（板磚、行人、鐵桶），將小車AGV啟動(dòng)并運(yùn)行，觀測(cè)小車的在運(yùn)行軌道上當(dāng)遇到障礙物時(shí)是否及時(shí)停止，觀測(cè)小車上報(bào)警器是否報(bào)警，并測(cè)量出小車在遇到障礙物停止時(shí)距離障礙物的距離長度。

結(jié)果：AGV小車在運(yùn)行過程中并不區(qū)分板磚、行人及鐵桶，在距離各類障礙物5 m左右時(shí)開始減速并報(bào)警器開始報(bào)警，當(dāng)距離障礙物2 m左右時(shí)停止運(yùn)行，即小車滿足避讓障礙物的要求。

3.4 小車供電運(yùn)行速度測(cè)試

方法：小車在運(yùn)行軌道中正常運(yùn)行，在蓄電池充滿電情況下，每隔1小時(shí)測(cè)一次小車的運(yùn)行速度，直至鋰電池消耗完畢，記錄出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

結(jié)果：小車鋰電池共供電18.6 h電池消耗完畢，滿足鋰電池的性能要求。小車的運(yùn)行速度在前14 h運(yùn)行速度基本保持不變，當(dāng)超過14 h后，隨著鋰電池的消耗，電壓不足使得小車在軌道中運(yùn)行速度減慢，即小車在運(yùn)行過程中超過一定的時(shí)間時(shí)應(yīng)更換電池。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是在前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)磁帶導(dǎo)引AGV小車的控制方式進(jìn)行了系統(tǒng)而全面地闡述。可根據(jù)車體與磁道的相對(duì)位置進(jìn)行換車，保證磁道位于車的中心位置。該車響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性好，在試運(yùn)行過程中，AGV具有良好的可控性和較高的性價(jià)比，可為今后的研發(fā)提供一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉光明.AGV智能小車電池管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2019.

[2]湯良宇.基于PLC的送料小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村實(shí)用技術(shù)，2019（10）：45.

[3]張昭，辛鑫，李志.基于AGV智能小車的通信模塊設(shè)計(jì)[J].數(shù)碼世界，2019（1）：22.

[4]陳健.AGV移動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[5]高天宇.基于PLC的自動(dòng)往返送料小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（3）：7+10.

[6]何鋼.基于PLC的車體運(yùn)送小車無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連交通大學(xué)，2016.