摘要：為滿足機電工程及智能制造相關(guān)專業(yè)學生的AGV實訓需求，文章設計了一種基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV實訓教學平臺。該平臺融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可實現(xiàn)AGV系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度等功能，為學生提供逼真的實訓體驗。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構(gòu)建虛擬與實物相結(jié)合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在安全可控的環(huán)境下進行編程調(diào)試、任務執(zhí)行、故障排查及優(yōu)化等實踐操作。

關(guān)鍵詞：自動導引車（AGV） ；數(shù)字化；智能制造；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；實訓平臺

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0133-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

自動導引車（Automated Guided Vehicle， 簡稱AGV） ，也稱為自引導車輛或自推進車輛，是一種無人駕駛、計算機控制的移動運輸裝置，其由電動機提供動力，能在無人監(jiān)督或操作的情況下執(zhí)行任務。AGV技術(shù)作為自動化物流系統(tǒng)的重要組成部分，已被廣泛應用于工業(yè)制造、物流倉儲等諸多領域，對相關(guān)專業(yè)人才的需求不斷增加，要求也不斷提高[1]。國外AGV實訓教學平臺的研究起步較早，技術(shù)相對成熟，通常具備較高的自動化和智能化水平，注重跨學科研究，將機械工程、電子工程、計算機科學等多個領域的知識融合在一起，形成綜合性的實訓教學體系。當前，國內(nèi)AGV實訓教學平臺的研發(fā)正處于快速發(fā)展階段，研究與實踐方面均取得了顯著進展，但仍存在一些問題和不足。比如，技術(shù)更新速度快導致教學內(nèi)容滯后、實訓設備成本高導致普及難度大，實訓內(nèi)容單一缺乏綜合性等[2]。

本文基于數(shù)字化技術(shù)設計了一種智能AGV實訓教學平臺，融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可實現(xiàn)AGV系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度等功能，為學生提供逼真的實訓體驗。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構(gòu)建虛擬與實物相結(jié)合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在安全可控的環(huán)境下進行編程調(diào)試、故障排查及優(yōu)化操作等實踐操作。

1 AGV 技術(shù)概述

AGV機器人由多個關(guān)鍵部分組成，包括導航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等功。其工作原理可以概括為“感知、規(guī)劃、執(zhí)行”3個步驟：1） 感知：通過傳感器系統(tǒng)感知周圍環(huán)境，獲取自身位置和姿態(tài)信息；2） 規(guī)劃：根據(jù)感知信息和目標位置，通過控制系統(tǒng)計算出最優(yōu)路徑，并生成行動策略：3） 執(zhí)行：通過執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動AGV按照規(guī)劃路徑移動，同時實時調(diào)整以適應環(huán)境變化，確保精確到達目的地。AGV常用的導航技術(shù)有激光導航、電磁導航、磁帶導航、慣性導航、視覺導航等?？刂葡到y(tǒng)是AGV智能化、自動化的核心，通常由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括主控制器（如PLC/工業(yè)計算機） 、伺服驅(qū)動器、傳感器、通信模塊等。軟件部分包括導航與定位軟件、運動控制算法、任務調(diào)度與管理軟件、安全監(jiān)控軟件等[3]。

2 智能AGV 實訓教學平臺設計

2.1 平臺設計指導思想和原則

基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV實訓教學平臺設計，旨在為學生提供一個集理論、實踐和創(chuàng)新于一體的綜合學習環(huán)境。平臺設計指導思想和原則主要有以下3 個方面：1） 以OBE教育理念為指導，以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，構(gòu)建“虛實結(jié)合、軟硬兼施”的智能AGV 實訓教學平臺；2） 對接產(chǎn)業(yè)需求，將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范融入實訓教學內(nèi)容，突出實用性和先進性；3） 采用模塊化設計，便于平臺擴展和升級。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 硬件架構(gòu)

智能AGV實訓教學平臺系統(tǒng)的整體設計基于模塊化，包含中央控制單元、AGV機器人模塊、機器視覺模塊、通信與交互模塊等。其硬件架構(gòu)，如圖1所示。

AGV機器人模塊通過Wi-Fi與中央控制單元互聯(lián)，機器視覺模塊通過相機串行接口（Camera Serial In?terface，簡稱CSI） 與中央控制單元互聯(lián)，導航管理控制器通過集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，簡稱IIC） 與中央控制單元互聯(lián)，并控制光纖導航模塊和電磁導航模塊，道閘和射頻識別 （Radio Frequency Identi?fication，簡稱RFID） 存取車模塊均通過控制器局域網(wǎng)總線（Controller Area Network，簡稱CAN） 與中央控制單元互聯(lián)。

1） 中央控制單元。中央控制單元即主控制器，采用高性能服務器支撐，通常由PLC/工業(yè)計算機作為硬件設備，負責數(shù)據(jù)處理、決策制定及指令下發(fā)，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和高效性。中央控制單元實現(xiàn)導航、路徑規(guī)劃和引導控制。AGV控制系統(tǒng)分為地面（上層） 控制系統(tǒng)、車輛（單機） 控制系統(tǒng)和導航/引導系統(tǒng)，其中地面控制系統(tǒng)是指AGV系統(tǒng)的固定設備，主要負責任務分配、車輛調(diào)度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動充電功能；車輛（單機） 控制系統(tǒng)收到指令后，主機系統(tǒng)進行AGV導航計算、直接執(zhí)行、車輛、裝卸操作等；導航/引導系統(tǒng)負責計算AGV的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預設的軌跡或根據(jù)實時環(huán)境信息進行調(diào)整并完成任務。地面（上層） 控制系統(tǒng)是AGV 系統(tǒng)的核心，其主要功能是為AGV系統(tǒng)的多套AGV 單機任務分配、交通管理、交通管理和通信管理等。車輛（單機） 控制系統(tǒng)和導航/引導系統(tǒng)在收到命令后，為AGV實現(xiàn)單機導航、引導、路徑選擇、車輛駕駛、裝卸操作等功能[4]。

2） AGV機器人模塊。設計中使用的機器人采用倉儲夾抱式，四輪驅(qū)動，配備高精度電機、編碼器、激光雷達、超聲波傳感器等硬件設備，支持前進、后退、轉(zhuǎn)向、循跡、避障等操作，具備無線局域網(wǎng)通信、聲光報警、自動充電樁充電等功能。

3） 機器視覺模塊。該模塊集成高清晰度攝像頭和圖像處理模塊，采用深度學習算法，支持物體識別、形狀檢測、顏色識別、二維碼識別等功能。首先，在視覺引導方式上，通過集成攝像頭或傳感器陣列，利用高分辨率攝像頭捕捉環(huán)境特征，通過算法實時處理圖像，確定自身位置。其次，在圖像識別與處理方面，通過高清攝像頭獲取環(huán)境圖像，隨后通過高速處理器進行分析，以識別路徑標識、障礙物以及其他關(guān)鍵環(huán)境特征。再次，在特征提取與物體識別方面，能夠從環(huán)境中提取特征，并進行三維視覺分析，通過分析從立體攝像頭或激光掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境的三維模型，從而更準確地進行空間定位。最后，采用深度學習與神經(jīng)網(wǎng)絡，允許從經(jīng)驗中學習，提高圖像分類和識別的準確性[4]。

4） 通信與交互模塊。該模塊利用無線網(wǎng)絡和標準化通信協(xié)議實現(xiàn)AGV機器人與中央控制單元、用戶終端之間的實時信息交換，包含導航管理控制器和RFID存取車模塊。導航管理控制器通過對光纖導航模塊，電磁導航模塊實現(xiàn)對機器人的導航，F(xiàn)RID存取車模塊實現(xiàn)存取車管理。通信與交互模塊基于對Zig?Bee、Wi-Fi、藍牙等多種無線通信方式的支持，實現(xiàn)機器人與上位機、其他機器人之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和指令控制。

2.2.2 軟件架構(gòu)

平臺設計在軟件支持方面采用嵌入式控制系統(tǒng)，基于ARM或Cortex等高性能處理器，實現(xiàn)AGV的運動控制、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能；在編程方面采用機器視覺算法，在開發(fā)語言方面根據(jù)需求選擇合適的開發(fā)語言，如Java、C++、Python等，實現(xiàn)圖像處理、特征提取、目標跟蹤等算法。此外，開發(fā)框架的應用層可以采用Spring Boot、Django等成熟的Web開發(fā)框架，以提高開發(fā)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)庫可選擇MySQL、PostgreSQL等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或MongoDB等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)特點和查詢需求進行選型。前端技術(shù)采用React、Vue等現(xiàn)代前端框架，結(jié)合Web?Socket等技術(shù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交互。智能AGV實訓平臺軟件架構(gòu)采用分層設計，以確保系統(tǒng)的模塊化、可擴展性和可維護性，如圖2所示。

總體架構(gòu)可以分為以下3 個層次：1） 操作系統(tǒng)層：為上層應用提供統(tǒng)一的運行環(huán)境，包括實時操作系統(tǒng)（RTOS） 或通用操作系統(tǒng)（如Linux、Windows等） 。操作系統(tǒng)層負責任務調(diào)度、資源管理、中斷處理等底層功能；2） 中間件層：提供一系列通用的服務和接口，如網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)交換、任務調(diào)度等。中間件層是連接應用層和操作系統(tǒng)層的橋梁，使得上層應用可以更加專注于業(yè)務邏輯的實現(xiàn)；3） 應用層：包括各種面向用戶的軟件應用，如AGV監(jiān)控與管理系統(tǒng)、任務分配系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)等。應用層通過調(diào)用中間件層提供的服務和接口，實現(xiàn)具體的業(yè)務功能[5]。

2.3 功能模塊設計

本研究在功能模塊設計上融合控制、通信交互和用戶接入三大功能。通過完整的培訓項目，使學生能夠全面了解AGV系統(tǒng)的工作原理及研發(fā)過程，熟悉并掌握各個環(huán)節(jié)的知識與技能，以培養(yǎng)和提高學生分析解決問題、實踐操作、團隊合作和創(chuàng)新思維等綜合能力。

2.3.1 控制功能

AGV控制功能由中央控制單元實現(xiàn)導航、路徑規(guī)劃和引導控制。AGV控制系統(tǒng)分為地面（上層） 控制系統(tǒng)、車輛（單機） 控制系統(tǒng)和導航/引導系統(tǒng)，其中地面控制系統(tǒng)主要負責任務分配、車輛調(diào)度、路徑（線路） 管理、交通管理等自動充電功能；車輛（單機） 控制系統(tǒng)收到指令后，主機系統(tǒng)進行AGV導航計算、直接執(zhí)行、車輛、裝卸操作等；導航/引導系統(tǒng)負責計算AGV 的行駛方向和路徑，確保AGV能夠按照預設的軌跡或根據(jù)實時環(huán)境信息進行調(diào)整并完成任務。運動控制由運動控制伺服系統(tǒng)實現(xiàn)，其工作原理為由運動控制模塊將控制信號（如脈沖信號和脈沖頻率、脈沖方向或模擬電壓等） 發(fā)送給伺服驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動單元將接收到的信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號，將驅(qū)動信號輸出為角位移或角速度，可以調(diào)節(jié)電機的扭矩，使其按照預定的控制拖動機械運動。

2.3.2 通信交互功能

通信交互功能通過無線通信來實現(xiàn)，采用廣泛應用的RS232或RS485通信，選擇無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)AGV與主機的通信。當無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到上層機密數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)，同時將模塊的狀態(tài)由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換為啟動狀態(tài)，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換后開始發(fā)送打包過程。發(fā)送打包的應用程序?qū)⒕彌_區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并將控制信令動態(tài)插入數(shù)據(jù)包中，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到模塊調(diào)制口。當無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到數(shù)據(jù)時，會按照規(guī)定將串口的幀格式和速率傳輸?shù)絇C串口。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通常提供標準的RS-232、RS-485 和UART（TTL電平） 3種接口模式，與計算機、用戶設備、RS-485單片機或其他使用UART設備直接連接[6]。

2.3.3 用戶接入功能

學生通過用戶界面通過接入中央控制單元，進入實訓平臺。平臺提供友好的用戶界面，學生可以通過PC或移動設備遠程控制AGV，進行編程調(diào)試、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集等操作。實訓環(huán)境的構(gòu)建可包含多種障礙和路徑的實訓場地，模擬真實工廠或倉庫環(huán)境。也可以通過虛擬仿真系統(tǒng)，提供虛擬仿真環(huán)境，讓學生在虛擬場景中進行AGV的編程和調(diào)試。首先，要使用網(wǎng)線、串口線或無線網(wǎng)絡等方式接入用戶界面，將用戶終端與中央控制單元建立物理連接。其次，配置網(wǎng)絡參數(shù)，需要確保用戶終端與中央控制單元在同一局域網(wǎng)內(nèi)，并配置正確的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡參數(shù)。最后，在用戶終端上啟動控制軟件，根據(jù)軟件提示輸入必要的登錄信息（如用戶名、密碼） 以完成登錄。此外，還可以在用戶終端上構(gòu)建在線學習平臺，結(jié)合數(shù)字化教學平臺，提供課程資料、教學視頻、在線測試等資源，支持學生的自主學習和遠程學習。

3 結(jié)束語

本文以OBE教育理念為指導構(gòu)建了一個“虛實結(jié)合、軟硬兼施”的智能AGV實訓教學平臺，對接產(chǎn)業(yè)需求，將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范融入實訓教學內(nèi)容。平臺包含控制、通信交互、用戶接入三大功能模塊，通過構(gòu)建虛擬與實物相結(jié)合的實訓場景，使學生能夠直觀地理解和學習AGV的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，并在實訓環(huán)境下進行編程調(diào)試、任務執(zhí)行、故障排查及優(yōu)化等實踐操作。展望未來，AGV實訓教學平臺的開發(fā)應更加注重引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及智能化的實訓項目，以實現(xiàn)與新技術(shù)的緊密融合，不斷提升學生的知識水平、實踐技能和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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[4] 陳紀欽，謝智陽，陳斌，等.基于搬運AGV的智能停車教學臺架設計[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學院學報，2019，18（3）：72-76.

[5] 張毓蘭，田海蘭，宋夢悅，等.基于智能物流的AGV路徑優(yōu)化研究[J].長江信息通信，2024，37（6）：100-101，139.

[6] 成威.基于5G移動機器人遠程控制網(wǎng)絡系統(tǒng)實時性研究[D].北京：北方工業(yè)大學，2024.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項目：2024 年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目，項目名稱：《基于數(shù)字化技術(shù)的智能AGV 實訓教學平臺設計》（項目文號：桂教科研〔2024〕1 號；項目編號：2024KY1545）