任 培 華

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262737)

智能果蔬倉儲(chǔ)管理中，果蔬的精準(zhǔn)搬運(yùn)是重要環(huán)節(jié)，也是智能果蔬倉儲(chǔ)管理的關(guān)鍵，因此智能AGV小車以其靈活、便捷、安全、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢備受青睞。AGV小車以電池供電，通過電磁等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，按照實(shí)際生產(chǎn)需求預(yù)先制定規(guī)劃路徑，在程序控制下或者沿電磁軌道精準(zhǔn)到達(dá)指定地點(diǎn)完成貨物搬運(yùn)。智能AGV小車種類眾多，雖能自動(dòng)、靈活、準(zhǔn)確地搬運(yùn)貨物，但是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)過程中仍存在一定的問題，對(duì)環(huán)境的要求以及識(shí)別精準(zhǔn)度還有待提高?，F(xiàn)對(duì)智能AGV小車的各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)更高效的工作。

1 應(yīng)用特點(diǎn)分析

AGV小車自動(dòng)化程度較高，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引、自動(dòng)充電、自動(dòng)作業(yè)等果蔬搬運(yùn)需求，有效解決了傳統(tǒng)果蔬倉儲(chǔ)管理的痛點(diǎn)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)中的重要工具。

1.1 自動(dòng)化作業(yè)程度高

傳統(tǒng)的果蔬搬運(yùn)都是人工完成，效率低，人工成本高，智能化程度低。而智能AGV小車不管是“貨找人”還是“人找貨”的方式，只需編制好程序，優(yōu)化好路線，果蔬會(huì)被自動(dòng)搬運(yùn)到指定地點(diǎn)，對(duì)企業(yè)來說省時(shí)省力，節(jié)省人工成本。

1.2 快捷安全，自動(dòng)充電

智能AGV小車在搬運(yùn)果蔬時(shí)具有快速安全準(zhǔn)確的優(yōu)勢，并具有一定的自我診斷能力，尤其是在電池充電問題上。當(dāng)診斷電量過低時(shí)，會(huì)自己到指定區(qū)域連接插座進(jìn)行充電。因此在搬運(yùn)過程中不用擔(dān)心因電量不足停止作業(yè)，同時(shí)也能對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)分析、自動(dòng)診斷，并發(fā)出故障報(bào)警，進(jìn)而得到及時(shí)處理。

1.3 自動(dòng)識(shí)別接收信號(hào)

AGV小車智能化程度較高，能夠自動(dòng)接收并分析命令指示，AGV小車接到作業(yè)命令后，會(huì)自己到達(dá)貨架，取出貨物后在導(dǎo)引裝置指引下，再按照規(guī)定路線或自動(dòng)優(yōu)化路線搬運(yùn)到指定地點(diǎn)，非常便捷。

1.4 精細(xì)化、柔性化程度高

AGV小車在物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境下能夠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)果蔬自動(dòng)存取，在具體的搬運(yùn)過程中能夠接收命令自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確保精準(zhǔn)高效，實(shí)現(xiàn)果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)的智能化和柔性化作業(yè)。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

AGV搬運(yùn)小車種類較多，在智能果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)中常用的是背負(fù)式和托盤式，不管是哪種類型，他們的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置和動(dòng)力電機(jī)對(duì)于整個(gè)小車的運(yùn)行性能至關(guān)重要，影響著其運(yùn)行平穩(wěn)性，托載貨物的承重性等。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體分析

AGV搬運(yùn)小車機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底盤、車輪、聯(lián)軸器、蝸桿、滾動(dòng)軸承、減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。

2.1.1 底盤

底盤是整個(gè)小車結(jié)構(gòu)的支撐，不僅要承受貨物的重量，還有自身車體的重量，因此底盤材料的強(qiáng)度和剛度以及尺寸設(shè)計(jì)尤為重要。結(jié)合果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)的特點(diǎn)，AGV搬運(yùn)小車的底盤尺寸設(shè)計(jì)要與貨架尺寸相適應(yīng)。AGV小車在實(shí)際果蔬搬運(yùn)過程中會(huì)有全方位360°方向變換要求，因此前后輪分別采用萬向輪和獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，后輪驅(qū)動(dòng)輪能夠?qū)崿F(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，前輪萬向輪可以實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)向，并起到對(duì)整個(gè)車體的支撐平衡作用，使轉(zhuǎn)向更靈活，保證了貨物搬運(yùn)過程中的平穩(wěn)性。

2.1.2 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器主要采用安全聯(lián)軸器，是用來進(jìn)行蝸桿和電機(jī)聯(lián)結(jié)的，聯(lián)軸器型號(hào)的選擇要與蝸桿軸和電機(jī)軸的尺寸相適應(yīng)。蝸桿、聯(lián)軸器和滾動(dòng)軸承主要實(shí)現(xiàn)AGV小車機(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)結(jié)功能，強(qiáng)度要求比較高，也是AGV小車搬運(yùn)果蔬過程中安全平穩(wěn)性能的保障。AGV搬運(yùn)小車的動(dòng)力裝置主要是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)輸出的動(dòng)力通過減速器、聯(lián)軸器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，最后傳送給前后驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)行。

2.2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置分析

AGV智能小車整車的行駛穩(wěn)定性是前提。要充分考慮前后車輪輪間距、同軸度、車體重心等因素對(duì)小車的影響。因此小車各機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置的選擇至關(guān)重要。

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)位置分析

AGV智能小車的轉(zhuǎn)向范圍及作業(yè)性能是由驅(qū)動(dòng)輪之間的輪間距控制的。輪間距過大或過小，都會(huì)影響AGV智能小車的轉(zhuǎn)彎角度，使車體的轉(zhuǎn)向行駛受到限制。因此在設(shè)計(jì)輪間距時(shí)應(yīng)多方面考慮作業(yè)平穩(wěn)性、電源及驅(qū)動(dòng)電機(jī)在車體中的配置位置以及前后輪是否在同一個(gè)平面上。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置分析

AGV小車還需要一個(gè)推動(dòng)車體自由行進(jìn)的裝置，為減少車輪與地面的摩擦，推動(dòng)裝置采用輪式滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，更利于小車自由運(yùn)行，其行駛靈活度取決于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向方式。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需能提供AGV小車在不同工作環(huán)境下的車輪轉(zhuǎn)速，確保小車正常運(yùn)行，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是AGV小車能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向及繞軸旋轉(zhuǎn)的保障。常用的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置有舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)、全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)具體工作要求和工作環(huán)境進(jìn)行分析選擇。

舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置有單舵輪和雙舵輪兩種，單舵輪多為三輪車型，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置僅有一個(gè)舵輪，搭配從動(dòng)輪，控制AGV小車自由行使，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但靈活性較差，轉(zhuǎn)向存在局限性；雙舵輪多為四輪及以上車型，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置在車體前后各一個(gè)舵輪，搭配從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)360°行使，較單舵輪穩(wěn)定性好，但成本較高，且AGV小車作業(yè)中經(jīng)常需要兩個(gè)舵輪差動(dòng)，需要相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)適合于智能物流倉儲(chǔ)中牽引式或者叉車式小車對(duì)大噸位貨物的搬運(yùn)。

差速轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置需要在AGV小車車體兩側(cè)分別安裝差速輪，差速輪不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，雖靈活性高，但不能做到萬向橫移。另外安裝差速輪成本低，但對(duì)地面平整度要求非常高，且負(fù)重要控制在1噸以下，適用于環(huán)境較好的電商、零售等倉儲(chǔ)。

全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置是最為靈活的一種，小車安裝的所有車輪既是驅(qū)動(dòng)輪又是轉(zhuǎn)向輪，并分別由電機(jī)單獨(dú)控制，從而最大化實(shí)現(xiàn)了AGV小車的全方位自由行駛，適用范圍較廣。全輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)在智能果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)中不會(huì)受到貨架間狹小空間的限制，靈活度高，但是相對(duì)應(yīng)的控制算法難度較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

2.3 動(dòng)力電機(jī)的選擇分析

電機(jī)是將電源提供的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行的一種驅(qū)動(dòng)裝置，也是AGV智能小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要部件。電機(jī)自身的機(jī)械特性及選用的減速裝置，是AGV小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，是整個(gè)車體運(yùn)行速度和驅(qū)動(dòng)性能的決定性因素。因此不同配置的小車、不同的工作要求和環(huán)境要求以及承載貨物重量的不同，使得AGV小車選用的電機(jī)也大不相同。AGV小車常選用的電機(jī)有直流有刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)四種，對(duì)四種電機(jī)進(jìn)行整體性能分析，以做初步選擇[1]。

2.3.1 直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)內(nèi)部含有電刷裝置，通過電刷與外部電路相連，是所有電機(jī)的基礎(chǔ)。直流有刷電機(jī)不但啟動(dòng)快、制動(dòng)靈敏，而且調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑，控制電路相對(duì)簡單。但因電刷和換向器的存在，高速運(yùn)轉(zhuǎn)中兩者摩擦?xí)a(chǎn)生火花，會(huì)帶來一定危險(xiǎn)性，同時(shí)導(dǎo)致使用壽命縮短，后期檢修維護(hù)難。根據(jù)AGV小車運(yùn)行工況，對(duì)于控制要求簡單且對(duì)電機(jī)功率要求低的工作環(huán)境，AGV小車可選用直流有刷電機(jī)。

2.3.2 直流無刷電機(jī)

為解決電刷換向存在的問題，直流無刷電機(jī)采用電子換向代替電刷換向，結(jié)構(gòu)上主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，定子被扭曲成特定的極數(shù)，通過內(nèi)置霍爾傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)換向。直流無刷電機(jī)除需要專用控制器外，在效率、能耗、噪音等各方面優(yōu)勢都較為突出。

2.3.3 直流伺服電機(jī)

直流伺服電機(jī)是一種特殊控制電機(jī)，一般用作執(zhí)行元件，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。它需要專用的驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制，將接收到的控制信號(hào)通過矢量控制算法轉(zhuǎn)換為角速度輸出，并通過霍爾傳感器或者編碼器檢測轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的任意停止。直流伺服電機(jī)不但效率高、響應(yīng)快，而且在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動(dòng)平滑、噪聲小，因此常用在對(duì)精度要求較高的AGV小車中。

2.3.4 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是通過接收電脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制的。它可將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移矢量，每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率來改變角位移量和電機(jī)轉(zhuǎn)速，能起到調(diào)速作用[2]。

AGV智能小車在驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇上，可以從精準(zhǔn)度、經(jīng)濟(jì)性、控制難易度等方面進(jìn)行考慮，結(jié)合側(cè)重點(diǎn)選擇合適的電機(jī)。如精準(zhǔn)度要求高，可選用伺服電機(jī)，否則可選用無刷電機(jī)。

3 導(dǎo)引技術(shù)分析

AGV智能小車自動(dòng)作業(yè)應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)是導(dǎo)引技術(shù)，由小車內(nèi)傳感器來感應(yīng)小車相對(duì)周圍環(huán)境的相對(duì)位置，經(jīng)過反饋數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)AGV小車的自動(dòng)導(dǎo)引行駛。目前普遍應(yīng)用的導(dǎo)航方式有電磁導(dǎo)航、磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航[3]，可以根據(jù)智能果蔬倉儲(chǔ)的實(shí)際環(huán)境和具體建設(shè)成本等進(jìn)行分析選擇。

3.1 電磁導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)。在規(guī)劃好的搬運(yùn)路線地面下鋪好導(dǎo)電線，導(dǎo)電線通入三相交流電后會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場，車內(nèi)傳感器就會(huì)通過感應(yīng)磁場信號(hào)強(qiáng)弱來辨別路徑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛。這種導(dǎo)航方式雖然規(guī)劃路徑導(dǎo)電線藏于地下，抗干擾能力較強(qiáng)，但是改變導(dǎo)電線路徑比較困難，線路故障排查維修成本也高。

3.2 磁條導(dǎo)航

與電磁導(dǎo)航不同的是，磁條導(dǎo)航需要借助AGV小車安裝的磁導(dǎo)航器，與沿規(guī)劃路徑鋪設(shè)在地面上的磁條發(fā)生感應(yīng)，根據(jù)磁感應(yīng)生成頻率來實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)行駛。該導(dǎo)航方式鋪設(shè)磁條以及路徑變換更加靈活方便，故障檢測維修成本低，但是磁條露于地面之上，易損壞，使用周期短。

3.3 視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航智能性更高，它需要借助攝像頭獲取AGV智能小車周圍的圖像信息，并將其與數(shù)據(jù)庫里的圖像信息進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比信息判斷AGV智能

小車運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而引導(dǎo)小車自動(dòng)行駛。視覺導(dǎo)航智能化程度高，無需再鋪設(shè)任何東西，但較難建立實(shí)時(shí)更新且較全面的圖像庫信息，控制算法復(fù)雜，這也是目前人們在人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

3.4 激光導(dǎo)航

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光導(dǎo)引在導(dǎo)引技術(shù)領(lǐng)域也日益凸顯，并將成為AGV導(dǎo)引控制技術(shù)的主流。激光導(dǎo)航需要在規(guī)劃路徑周圍放置反射板，在AGV小車頂端安裝激光掃描器[4]。小車運(yùn)行過程中，激光掃描器會(huì)不斷的發(fā)出激光信號(hào)，經(jīng)反射板反射后再由小車接收，通過PLC控制算法來確定小車行駛位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)牽引。激光導(dǎo)航雖定位精準(zhǔn)靈活，但在物流倉儲(chǔ)中反射板易被貨物阻擋，影響信號(hào)收集，且成本較高，對(duì)空間環(huán)境要求嚴(yán)格。

3.5 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是通過陀螺儀對(duì)信號(hào)的檢測來進(jìn)行方位判斷的，并對(duì)車的航程和轉(zhuǎn)向角速度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)路徑區(qū)域內(nèi)的定位塊信號(hào)完成數(shù)據(jù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)導(dǎo)引。它的優(yōu)勢是定位準(zhǔn)確，路徑靈活，但陀螺儀對(duì)振動(dòng)敏感，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有行走誤差累積。

4 控制器選擇分析

AGV智能小車控制系統(tǒng)，是操控小車穩(wěn)定運(yùn)行的“中樞”，而空調(diào)器又是控制系統(tǒng)的核心，因此選用合適的控制器，也是AGV小車工作穩(wěn)定和安全可靠的關(guān)鍵。由于智能果蔬倉儲(chǔ)搬運(yùn)的AGV小車精準(zhǔn)度要求比較高，可根據(jù)實(shí)際需求選用可編程控制器和單片機(jī)作為控制中樞。

4.1 可編程控制器

可編程控制器(簡稱PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，通過編寫程序指令發(fā)出控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。PLC可靠性較高、編程簡便、安裝容易、運(yùn)行速度快，已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中。如果設(shè)備需要更高的可靠性，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，可以選用PLC進(jìn)行控制。

4.2 單片機(jī)

單片機(jī)是一種將 CPU、ROM、 RAM、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及多種I/O 口、A/D轉(zhuǎn)化器等功能模塊集成在一起的集成電路芯片，通過程序編寫控制執(zhí)行操作命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。單片機(jī)模塊集成度比較高，體積小，所需驅(qū)動(dòng)電壓較低，并且功耗較小，實(shí)用可靠性較高。在儀器儀表、家用電器、機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化等行業(yè)得到了普遍使用。如果設(shè)備需要更高的智能化，更靈活的控制方式等可以選用單片機(jī)進(jìn)行控制。

AGV智能搬運(yùn)小車在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果蔬倉儲(chǔ)中的應(yīng)用越來越廣泛，也是果蔬倉儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。它通過自動(dòng)導(dǎo)引裝置準(zhǔn)確識(shí)別規(guī)劃路線，精準(zhǔn)完成果蔬搬運(yùn)，大大減輕了人工勞動(dòng)量的同時(shí)還提高了工作效率。AGV搬運(yùn)小車還可根據(jù)放置果蔬貨架位置要求，靈活選擇優(yōu)化路徑，更好地體現(xiàn)了小車柔性化、智能化的優(yōu)勢。對(duì)AGV智能小車的主要組成結(jié)構(gòu)、引導(dǎo)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，為后期進(jìn)一步優(yōu)化AGV小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提供了理論依據(jù)。