孫宜敬

（賽摩智能科技集團股份有限公司，徐州 221004）

針對現(xiàn)場底殼零部件以及成品的搬運需求，賽摩智能科技集團股份有限公司設(shè)計并制造了一套自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，目的是通過AGV自動搬運及時轉(zhuǎn)移產(chǎn)品，從而減少員工周轉(zhuǎn)過程，提高工作效率，保持現(xiàn)場干凈整潔，最終實現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運的自動控制，提高自動化程度和生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成

該AGV轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要包括磁導(dǎo)航潛伏式牽引AGV、車輛調(diào)度系統(tǒng)以及自動充電樁等。其中，磁導(dǎo)航AGV是以磁條為導(dǎo)航介質(zhì)，以磁條感應(yīng)信號為導(dǎo)引的AGV產(chǎn)品，相對于自然激光導(dǎo)航，定位較為精確、路徑規(guī)劃簡單、使用方便、成本較低，且適用于相對固定的物流轉(zhuǎn)運場景，可以快速替代人工，提高勞動生產(chǎn)效率[1]。這種導(dǎo)航方式也存在一些缺點，如磁條容易破損、需要定期維護(hù)、路徑變更需要重新鋪設(shè)磁帶、AGV只能按磁條行走、無法實現(xiàn)智能避讓或通過控制系統(tǒng)實時更改任務(wù)等。

本項目的磁導(dǎo)航AGV總體結(jié)構(gòu)主要由車體、兩輪差速驅(qū)動總成、牽引銷及驅(qū)動總成、磁導(dǎo)航傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）讀卡器、避障激光器、鋰電池以及控制系統(tǒng)等組成[2]。根據(jù)現(xiàn)場情況及料車尺寸等條件，本項目機械設(shè)計使用的是長方形車體，兩個差速輪組成的驅(qū)動及轉(zhuǎn)向平臺總成布置在車體前部，隨動萬向輪布置在車體后部，用以保持車輛平衡，牽引裝置布置在車體中間位置[3-5]。具體組成如圖1所示。兩個差速輪分別由獨立的伺服電機驅(qū)動。兩臺電機以相同的速度旋轉(zhuǎn)時，車輛將沿直線移動。當(dāng)其中一側(cè)的輪子比另一側(cè)轉(zhuǎn)得快時，車輛將向慢速側(cè)轉(zhuǎn)彎，反之亦然。兩側(cè)輪子的差速值由控制器根據(jù)磁導(dǎo)航信號的偏移情況給定。

2 車載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

AGV車載控制系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是通過可編程的主控制器獲取AGV上傳感器的實時狀態(tài)，如路線偏移量、當(dāng)前站點和安全情況等信號，并接收來自車體手動操控按鈕或者上位調(diào)度系統(tǒng)的配送指令，從而計算出差速輪的偏移控制量，并由驅(qū)動伺服電機進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)整，以確保AGV始終行駛在預(yù)設(shè)的路徑上，最終在指定的工位站點完成轉(zhuǎn)運任務(wù)。本項目AGV控制系統(tǒng)選用赫斯默（HESMOR）的可編程顯示器作為主控制器，通過控制器域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線連接系統(tǒng)中的傳感器和驅(qū)動器等設(shè)備，具體配置如圖2所示。

2.1 CAN總線

CAN總線是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，其高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛應(yīng)用于運動控制、車輛工業(yè)、軌道交通、電機驅(qū)動、工程機械以及船舶海運等行業(yè)，是當(dāng)前AGV行業(yè)普遍使用的總線通信方式之一。其總線長度可達(dá)10 km（速率為5 kb·s-1及以下），網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)1 Mb·s-1（總線長度為40 m及以下），網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)高達(dá)127個。本項目設(shè)計中所使用的主要傳感器、編碼器、驅(qū)動器等均使用CAN總線與主控制器進(jìn)行通信。

2.2 主控制器

本項目選用HESMOR公司的ONE-L5T型產(chǎn)品作為主控制器。它集顯示、觸摸與控制于一體，是專門針對移動車輛和工程車輛而設(shè)計的可編程顯示器，能夠適應(yīng)移動車輛和工程機械所處的惡劣工作環(huán)境，且其本體配備了2個CAN接口、1個RS485接口和1個通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口。這種主控制器編程符合IEC 61131-3規(guī)范，可使用CoDeSys軟件進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。由于其本體上的數(shù)字輸入輸出點數(shù)較少，所以還配置了一臺擴展輸入輸出模塊，并通過CAN總線與主控制器進(jìn)行連接。

2.3 磁導(dǎo)航傳感器

傳感器通常配備多組微型磁場檢測傳感器，且每個磁場檢測傳感器對應(yīng)一個探測點。傳感器上電之后，內(nèi)部控制器會激勵磁場檢測傳感器，從而測量出每個探測點所在空間位置的磁場強度值。此時，根據(jù)磁條的磁場特性和傳感器采集到的磁場強度信息就能夠確定磁條相對磁導(dǎo)航傳感器的位置。磁導(dǎo)航傳感器信號示意圖如圖3所示。此處選用的磁導(dǎo)航傳感器配置了16個探測點，并將16點信號通過CAN總線進(jìn)行輸出。CAN總線的參數(shù)如節(jié)點編號、波特率等需先通過廠家專用軟件進(jìn)行配置。配置完畢后，主控制器通過發(fā)送相應(yīng)的指令來獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)。

2.4 RFID傳感器

AGV在運行到不同的站點時需要執(zhí)行不同的指令，通常要根據(jù)需要事先在AGV的行走路線上設(shè)置命令地標(biāo)點。在行走過程中，AGV通過讀取地標(biāo)點的編號信息來執(zhí)行預(yù)先規(guī)定的動作，如停止、加速、減速、左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)等。讀取地標(biāo)點的設(shè)備為尋址傳感器。目前主流的尋址傳感器主要分兩類：一類為磁地標(biāo)傳感器；一類為射頻地標(biāo)傳感器。此處選用的是射頻地標(biāo)傳感器，并配置相應(yīng)的標(biāo)簽卡片。標(biāo)簽進(jìn)入傳感器發(fā)射射頻場后，將天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓后作為芯片的電源，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過前端電路變?yōu)閿?shù)字信號進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從存儲器發(fā)出并送回前端電路，最后通過天線發(fā)回傳感器。該射頻傳感器也是使用CAN總線進(jìn)行通信，因此需要先使用專用軟件配置其節(jié)點編號、波特率、廣播方式等參數(shù)，然后由主控制器通過發(fā)送相應(yīng)的指令來獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)。

2.5 伺服驅(qū)動器

本項目選用的是步科低壓直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，工作電壓為直流24～70 V，支持CAN、Modbus、EtherCAT總線以及脈沖等多種控制方式，而且可以匹配光電、磁電、多圈絕對值等編碼器電機，支持位置、速度、力矩控制模式。驅(qū)動器接線完畢并上電后，應(yīng)先使用廠家專用軟件進(jìn)行參數(shù)配置，包括電機型號、工作模式、IO定義、CAN總線通信參數(shù)等。參數(shù)配置完成后注意進(jìn)行保存。主控制器通過CAN總線發(fā)送相應(yīng)的指令來獲取當(dāng)前速度、故障信息等數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)糾偏需要寫入兩個差速輪驅(qū)動的不同目標(biāo)速度。

2.6 絕對值編碼器

本項目中的AGV小車在差速總成結(jié)構(gòu)上配置了一只絕對值編碼器，作用是提供小車反向行駛時的角度反饋，以便進(jìn)行差速運算調(diào)節(jié)，同時可提供小車運行過程的實時角度數(shù)據(jù)，用于小車的手動行駛控制。此處選用HESMOR品牌的CAN總線型12位單圈絕對值編碼器，單圈分辨率為4 096。相對于增量型編碼器，因為絕對值編碼器的輸出值由光電碼盤的機械固定位置決定，所以其位置和數(shù)據(jù)是惟一的，無須尋找參考點，即使斷電也不會受到影響，從而簡化了編程過程，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

該編碼器在投入運行之前，需要進(jìn)行一些初始設(shè)置，包括節(jié)點ID、波特率、數(shù)據(jù)發(fā)送模式以及零點等。設(shè)置軟件為PCAN-View，若要將當(dāng)前編碼器的值設(shè)置為0，則先手動將編碼器所在驅(qū)動總成機構(gòu)旋轉(zhuǎn)至希望的零點角度位置，然后通過PCAN-View寫入下述指令（CAN總線數(shù)據(jù)格式為：ID、DLC、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，所有的數(shù)據(jù)都是16進(jìn)制）：寫入地址索引為2103，00；寫入數(shù)值為00 00 00 00；發(fā)送指令為600+NN,8,22,03,21,00,00,00,00,00；返回指令為580+NN,8,60,03,21,00,00,00,00,00。其中，NN為編碼器節(jié)點編號。如果返回內(nèi)容不是以上格式，則表示發(fā)送錯誤。寫入之后，如需讀取當(dāng)前值進(jìn)行確認(rèn)，則可以發(fā)送下述指令：600+NN,8,40,03,21,00,00,00,0 0,00。此時返回指令為：580+NN,8,43,03,21,00,00,00,00,00。需要注意的是，當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完成后，需要另外發(fā)送下述指令進(jìn)行參數(shù)存儲：600+NN,8,22,10,10,01,73,61,76,65。

3 車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制邏輯

本項目車載控制系統(tǒng)有手動和自動兩種工作模式。手動模式下，AGV的行走和轉(zhuǎn)向以及牽引機構(gòu)的操作等均由本體上的操作按鈕或者觸摸屏上的控制元件來完成，一般僅用于單機調(diào)試。自動模式時，AGV通過無線通信接收來自上位機的一系列目標(biāo)站點信息后，以當(dāng)前站點為起始站點開始判斷并搜索合適的路徑，得到合適路徑并收到配貨區(qū)操作人員通過上位機發(fā)送過來的啟動信號后，AGV開始牽引已經(jīng)配貨完成的料車出發(fā)，之后RFID傳感器會一直檢測站點信號。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)站點時，AGV停止行走，操作人員取走料車上的相應(yīng)貨物，然后AGV等待接收上位機發(fā)送過來的取料完成（啟動）信號并再次出發(fā)。AGV運行過程中，如有障礙物進(jìn)入到預(yù)先設(shè)定的激光檢測范圍內(nèi)，AGV將根據(jù)障礙物所處位置的遠(yuǎn)近而進(jìn)行減速或者停止動作。當(dāng)障礙物移除后，AGV繼續(xù)運行。

3.2 編程環(huán)境

CoDeSys軟件工具包是一款基于.net架構(gòu)且符合IEC 61131-3國際編程標(biāo)準(zhǔn)的、面向工業(yè)4.0及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟件開發(fā)平臺。其獨特優(yōu)勢是單一軟件工具套件可以實現(xiàn)完整的工業(yè)自動化解決方案，即邏輯控制、運動控制、人機界面、冗余控制和安全控制等多個目標(biāo)和需求。本項目的循跡算法、控制邏輯以及觸摸屏界面等均使用CoDeSys軟件實現(xiàn)，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）編程語言主要為結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text，ST）。程序主要包括CAN總線設(shè)備通信和數(shù)據(jù)處理部分、RS485通信和數(shù)據(jù)處理部分、循跡算法部分、手動控制部分和自動控制部分。最終制定的循跡導(dǎo)航流程圖和自動運行流程圖分別如圖4和圖5所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場準(zhǔn)備

首先，根據(jù)工藝路徑要求敷設(shè)磁條，確保地面干燥、整潔、干凈，且直線段的磁條應(yīng)使用輔助工具（如激光水準(zhǔn)儀）使之盡量保持平直，轉(zhuǎn)彎處的磁條應(yīng)使之盡量平滑且角度不可過小。其次，磁條敷設(shè)完成后可在其表面粘貼一層保護(hù)膠帶，以便保護(hù)磁條、減少磨損。若工藝路徑相對固定，也可直接將磁條埋入地下，以保護(hù)磁條并保持現(xiàn)場美觀。再次，根據(jù)需要布設(shè)RFID地標(biāo)標(biāo)簽，并根據(jù)工藝需要設(shè)置如出發(fā)、充電、停止、轉(zhuǎn)彎、加速以及減速等地標(biāo)。最后，確?，F(xiàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)符合與AGV的實時通信要求。一般AGV軌道區(qū)域的無線信號覆蓋強度應(yīng)不低于-70 dBm，且其他如充電樁和上位機等也應(yīng)按要求布設(shè)到位。

4.2 設(shè)備調(diào)試和運行

設(shè)備先后進(jìn)行了單機空載及帶載行走、系統(tǒng)通信接口以及系統(tǒng)運行節(jié)拍等測試，也根據(jù)現(xiàn)場布局情況調(diào)整了激光避障范圍，最終投入生產(chǎn)使用，基本滿足項目要求。

5 結(jié)語

本文所討論的AGV的車載控制系統(tǒng)，使用基于CoDeSys的PLC，通過CAN總線與傳感器和驅(qū)動器進(jìn)行通信，同時獲取并分析傳感器的數(shù)據(jù)信息，從而完成循跡運行。系統(tǒng)在現(xiàn)場運行良好，提高了該設(shè)備的自動化程度和車間的生產(chǎn)效率。