馬立超

（上海羿弓精密科技有限公司，上海200232）

隨著國民經(jīng)濟水平的提升，我國車輛保有量大幅度上升，“停車難”是城市發(fā)展一直以來的重點問題，在醫(yī)院、商場和機場等區(qū)域都面臨用戶找車位難、停車效率低、車位數(shù)量少等問題[1]。停車機器人是一種在無人停車庫中進行車輛搬運的重載AGV（Automated Guide Vehicle），可以按照設(shè)定的路線運行實現(xiàn)自動泊車的功能?，F(xiàn)有的智能停車庫中的停車機器人多數(shù)為有軌運行，結(jié)合橫移平臺實現(xiàn)汽車的搬運，運行方式單一，自由度差[2]。

圖1 為本文設(shè)計的停車機器人的工作模式。每次搬運需要兩臺AGV 協(xié)作完成，主從兩臺AGV 依據(jù)激光雷達的點云數(shù)據(jù)識別車輪的位置進行移動，進行位置的微調(diào)直至車輪對準左右兩側(cè)抱臂的中心點，由液壓驅(qū)動四個抱臂夾持輪胎底部，最后液壓懸掛系統(tǒng)整體抬升，使得汽車輪胎離開地面。每個AGV 由四個差速舵輪控制全向移動，可以實現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、斜移、自轉(zhuǎn)等多種運動模式[3]。

圖1 停車機器人的工作方式

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

圖2 為AGV 的液壓系統(tǒng)示意圖，頂升01~04 液壓缸負責AGV 四個輪組的液壓抬升與下降，其中頂升03 和頂升04 并聯(lián)與另外兩個液壓缸共同構(gòu)成整車的液壓懸掛系統(tǒng)，可以適應(yīng)地面的不平整性。無論當AGV 運行在抬升狀態(tài)或是降低狀態(tài)時，液壓缸都不運行到極限位置，留出5mm 的余量作為適應(yīng)地面不平整性的補償量。所設(shè)計的液壓缸全行程為40mm，因此當AGV 運行在降低狀態(tài)時，控制液壓缸運動到5mm 行程的位置；當AGV 運行在抬升狀態(tài)時，控制液壓缸運動到35mm 行程的位置。液壓缸的行程可通過超聲波傳感器獲得。左01 和02 液壓缸負責左側(cè)抱臂的伸縮運動，右01 和02 液壓缸負責右側(cè)抱臂的伸縮運動。

圖2 停車機器人液壓回路

如表1 所示，相關(guān)數(shù)據(jù)為液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)。可以看出，決定系統(tǒng)流量的為液壓閥，因此液壓缸的動作時間（s）為：

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

V/（Qvalve/n）×60，

式中，V-對應(yīng)液壓缸容積，Qvalve-液壓閥最大流量，n-一個液壓閥控制的液壓缸數(shù)量。

升降運動中，每個液壓閥對應(yīng)1 個液壓缸；伸縮運動中，每個液壓閥對應(yīng)2 個液壓缸。因此，抬升時間為6s，下降時間為4.2s，抱臂伸開時間為18.24s，抱臂收回時間為11.64s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 為停車機器人驅(qū)動輪組機械結(jié)構(gòu)，每個停車機器人有四個驅(qū)動輪組，整個AGV 包括AGV 抬起汽車的重量通過驅(qū)動支撐框架加載在液壓缸上。圖3（a）為整車降低狀態(tài)，當AGV 潛伏入汽車底盤的時候，系統(tǒng)工作在降低狀態(tài)；圖3（b）圖為整車抬升狀態(tài)，當AGV 抬起汽車時由泵電機帶動齒輪泵驅(qū)動液壓缸頂桿向上抬升，直至抬升至預(yù)設(shè)位置。而液壓缸的運動行程由超聲波傳感器間接測量得到。

圖3 停車機器人驅(qū)動輪組

由圖3 可知，當AGV 處于降級狀態(tài)時，超聲波傳感器測得與驅(qū)動支撐的距離為H0——理論值52.5mm；抬升時，控制系統(tǒng)應(yīng)當通過控制邏輯使得頂桿上升30mm，使得超聲波傳感器與驅(qū)動支撐的距離達到H1——理論值82.5mm。

所選用的超聲波傳感器能夠?qū)?0~250mm 的距離信息轉(zhuǎn)換為4~20mA 的電流信號輸出，選擇249Ω 的采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳入ADC 采集引腳。因此，高度數(shù)據(jù)與電壓信號的換算關(guān)系為：

式中，H-超聲波測得的高度，V-電壓幅值，Rsample-采樣電阻的值。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

圖4 為本文電氣系統(tǒng)的框圖。主控芯片選擇ST 公司的STM32F407 芯片，主頻最高可達168MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇TI 的ADS8688 芯片，采樣電壓范圍±10V、分辨率16 位，最高采樣頻率可達500K，通過SPI 總線與主控芯片通信。泵電機為Kinco 的1kW 伺服電機，額定扭矩3.18Nm，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，通過Can 總線與主控芯片通信。超聲波傳感器為Pepperl+Fuchs 的UC250，測量范圍250mm，死區(qū)范圍20mm，測量精度0.1%FS。由GPIO 驅(qū)動MOSFET，從而控制電磁閥的通斷實現(xiàn)液壓控制。

圖4 停車機器人電氣系統(tǒng)

3.2 軟件設(shè)計

泵電機的啟?？刂埔约稗D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的讀取完全通過CanOpen 協(xié)議，CanOpen 是工業(yè)控制中常用的現(xiàn)場總線，通常通過SDO 進行請求式數(shù)據(jù)通信和通過PDO 進行觸發(fā)式數(shù)據(jù)通信。通過電子數(shù)據(jù)表（EDS 文件）對通信內(nèi)容進行配置，實現(xiàn)主站和從站對通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一映射[4]。

表2 為CanOpen-PDO 設(shè)置。電機的轉(zhuǎn)速和電流以事件觸發(fā)的方式通過TPDO1 發(fā)送至CanOpen 主站。當數(shù)值有變化時，驅(qū)動器主動發(fā)送數(shù)據(jù)。電機的使能與去使能則通過SDO 寫入?yún)?shù)的方式進行控制。

表2 CanOpen 設(shè)置

圖5 為整車升降控制的流程圖，當系統(tǒng)收到升降命令后首先啟動電機，然后依據(jù)升降來打開相應(yīng)的閥組。抬升命令則打開U01~U04，下降命令則打開D01~D02。然后通過超聲波傳感器得到的hight[i]數(shù)據(jù)判斷升降是否到位，如果到位則關(guān)閉相應(yīng)閥組。因為03 和04 閥組對應(yīng)的是并聯(lián)的兩路液壓回路，其高度會隨著地面不平整度動態(tài)調(diào)整，因此需滿足兩者的平均值達到預(yù)設(shè)高度才整體關(guān)閉閥組。當所有閥組都關(guān)閉后停止電機，升降任務(wù)完成。

圖5 升降控制流程圖

圖6 為夾持和松開輪胎的流程圖。為了簡化控制電路，本文沒有依賴接近開關(guān)或到位開關(guān)等器件來判斷抱臂是否已經(jīng)完成夾持，而是通過實時監(jiān)測電機扭矩和轉(zhuǎn)速來進行判斷。當系統(tǒng)收到夾持指令后，啟動電機并打開S01 和S02 閥組，此時左右抱臂同時開始動作。當其中一個抱臂到位后，所有的流量將集中到另一個抱臂的液壓回路中，速度得到提升，因此左右兩個抱臂到位的時間非常接近。當兩個閥組都到位后液壓系統(tǒng)的壓力瞬間增加，電機將無法維持在設(shè)定的轉(zhuǎn)速運行，轉(zhuǎn)而切換至設(shè)定的扭矩限幅以恒扭矩模式運行。這時電機的轉(zhuǎn)速將接近于零速，扭矩將接近額定扭矩，為了防止干擾引起誤判，程序判斷上述狀態(tài)持續(xù)300ms 后認為左右抱臂已經(jīng)到位，于是關(guān)閉閥組停止電機。

圖6 抱臂控制流程圖

4 實驗測試

圖7 為抱臂收回過程中實測的電流和轉(zhuǎn)速變化曲線。因電流和扭矩直接相關(guān)，在分析的時候可以用電流的變化趨勢來等效電機輸出扭矩的變化?？梢钥吹皆?00ms 以前的時間里抱臂處于收縮狀態(tài)，電機的電流和轉(zhuǎn)速基本保持恒定；從270ms 開始，抱臂到達限位，電機轉(zhuǎn)速下降，在PID 控制器的調(diào)解下驅(qū)動電流開始增加；而從400ms 開始，電機電流達到峰值40A，電機開始工作在恒扭矩模式下，電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降；700ms 時，系統(tǒng)判斷抱臂已經(jīng)到位，于是停止電機，電流下降為0A，轉(zhuǎn)速下降為0rpm。

圖7 抱臂收回測試

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了停車AGV 的液壓系統(tǒng)，用4 個雙作用液壓缸控制AGV 的升降并提供整車的液壓懸掛系統(tǒng)，用兩組雙作用液壓缸控制AGV 左右兩邊的抱臂，通過抱臂的收縮來夾持和釋放汽車。應(yīng)用超聲波傳感器測量輪組與驅(qū)動支撐之間的距離來輔助控制AGV 液壓懸掛30mm行程的切換。通過CanOpen 協(xié)議實時獲取齒輪泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和電流，由轉(zhuǎn)速和電流的組合關(guān)系判斷抱臂是否運動到位，并通過實驗驗證了當抱臂到位后電流維持在限幅40A，轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速持續(xù)下降至0rpm。