AGV小车设计及应用
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AGV小车设计及应用
1. AGV小车的进展背景
在现代化工业的进展中，提倡高效，快速，靠得住，提倡将人从简单的工作中解放出来。机械人慢慢替代了人出此刻各个工作职位上。机械人具有可编程、可和谐作业和基于传感器操纵等特点，自动导向小车（Automated Guided Vehicle 简称AGV）即是移动机械人的一种，是现代化工业物流系统中的重要设备，要紧为储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。
AGV小车组成系统图
AGV小车有三个关键系统，运行系统、导引系统、操纵系统，其它还包括有线路系统及平安爱惜系统等。本文着重介绍AGV小车的三个关键系统。
2.AGV小车运行系统 AGV小车运行系统是由车轮、减速器、制动器、电机及速度操纵器等部份组成。AGV小车常设计成三种运动方式：只能向前；能向前与向后；能纵向、横向、斜向及回转全方位运动。本次研究的AGV小车是能够前进、后退及回转全方位运动。AGV小车能够进行回转运动需要有转向装置。转向装置的结构也有三种：
1) 前轮转向后轮驱动三轮车型。 车的转向和驱动别离由两个不同的电动机带动，车体的前部为转向车轮，车体后部为驱动电机驱动的两个轮。其结构简单、本钱低，但定位精度较低。
前轮转向后轮驱动三轮车型
2) 差速转向式四轮车型。 车体的中部有两个驱动轮，由两个电机别离驱动。前后部各有一个转向轮(自由轮)。通过操纵中部两个轮的速度比可实现车体的转向，并实现前后双向行驶和转向。这种方式结构简单，定位精度较高。
差速转向式四轮车型
3) 全轮转向式四轮车型。 车体的前后部各有两个驱动和转向一体化车轮，每一个车轮别离由各自的电动机驱动，可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向任意线路行走，操纵较复杂。
全轮转向式四轮车型
从本钱及系统应用考虑，本文着重介绍差速转向式四轮车型。两驱动车轮由两伺服驱动器操纵，伺服驱动器通过改变两车轮的速度大小、方向，实现AGV小车的前进、后退、加减速及转向动作。
AGV小车通过伺服操纵，很容易实现前进、后退及加减速，但如何通过改变两驱动轮的速度差，实现AGV小车的转向及纠偏？下面，咱们第一了解一下差速转向式四轮车的运动模型。
AGV小车运动状态及误差示用意
图中虚线表示的车体为初始位姿，实线表示的车体是在和初始时差为Δt时的位姿。AGV车子的左轮运行速度为Vr、右轮为Vl，AGV小车沿着A点作圆弧运动，转弯半径为d。能够得：Vl Vr rlrlVVVVRd2 ①
AGV小车运动偏移弧度为Δθ，容易患：
tVVdrl2 ②
由式可得AGV小车运动偏移弧度Δθ与左右轮的速度关系式：
tRVVrl ③
AGV小车在做圆弧运动时，在X轴上的转变量是ΔX，在Y轴上的转变量是ΔY，ΔX、ΔY与转弯半径d的关系为：
sindX ④
)cos1(dY ⑤
将①式代入④⑤式，能够得出ΔX、ΔY与左右轮运行速度的关系式：
sin2rlrlVVVVRX ⑥
)cos1(2rlrlVVVVRY ⑦
因此，通过改变Vr及Vl能够实现AGV小车纠偏，转向等运动操纵。驱动轮的变速操纵，有多种方式可选择，包括变频器操纵、步进操纵、伺服操纵等。其中变频器操纵及伺服操纵除有高精度的速度操纵外，还能提供灵活的转矩操纵。在AGV小车的运动模型中，其有干摩擦力矩、惯性转矩、粘性摩擦力矩、重力力矩、弹性力矩等。因此AGV小车在运行进程中，驱动器需要提供不同的力矩，AGV小车才能运行得更稳固。而伺服操纵比变频器拥有更高的速度操纵精度、更小的安装位置、更高的IP防护品级和更好的停车制动功能。因此，伺服操纵器作为AGV小车的运动操纵系统利用是更为适合。
3.AGV小车导引系统
AGV小车能自动运行，需要有导引装置。经常使用的导引方式分为两大类：车外预定途径和非预定途径方式。下面对两种方式别离作介绍。
1）车外预定途径导引方式是指在行驶的途径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息而取得导向的导引方式，如电磁导引、色带导引、磁带导引(又称磁性导引)等。
色带导引示用意
上图为光学导引示用意，这种导引方式是在地面上持续敷设一条带颜色的带子，在车辆的底部中央安装光源和在两边安装相同的色标传感器（如欧姆龙产品E3X-DA□AN-S），它们同时检测色带反射回来的色度值，并将色度值转换成模拟量传送给AGV小车的中央操纵系统--PLC。当AGV小车运行在正确的运行轨道上时，两放大器反馈给PLC模拟量的值相同，当AGV小车偏离轨道时，两放大器反馈给PLC的值便有不同，PLC依照两模拟量的差值便能判定出AGV小车偏离运行轨道的程度及方向，并通过操纵运动操纵器使AGV小车往正确的轨道运行。
色带导引灵活性较好，地面线路设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分灵敏，对环境要求高，导引靠得住性较差，精度较低。在预定途径导引方式中，还有电磁导引等。电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采纳，它是在AGV的行驶途径上埋设磁条，并在磁条上加载导引频率。磁导航传感器通过检测磁条上的磁场，便能判定出AGV小车的运行是不是偏离轨道。
磁导航传感器工作原理图
上图为磁导航传感器的工作原理图，磁导航传感器可安装在AGV小车的底部中央，距离磁条表面20-40mm，磁条宽度为30-50mm，厚度1mm。磁导航传感器内部每隔10mm排布一个采样点，共排布16个采样点，能够检测出磁条上方的磁场，每一个采样点都有一路对应输出。AGV运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的持续3-5个采样点会输出信号（如图中磁导航传感器上黄色条为检测到磁场信号的采样点，蓝色条为未能检测出磁场的采样点）。AGV小车的操纵系统便能依托16路通道中输出的3-5路信号，能够判定磁条相关于磁导航传感器的偏离位置，自动作出调整，确保沿磁条前行。
拥有了运行途径后，还需要在每一个工位及节点设置位置标签，使AGV小车在运行到特定位置时，能做出加速、减速、停车、拐弯等动作。如在每一个工位敷设不同颜色的色条，当色标传感器检测出到颜色信号时，小车操纵系统便能把握小车运行的位置。色条作为位置标签，利用简单、方便，但对外部环境要求较高，容易产生误检测，靠得住性差。
AGV小车系统还能够利用RFID标签作为位置标签。RFID标签能存储大量的位置信息，并能多次读写，RFID标签的体积较小安装方便，抗干扰能力强。RFID读写器安装在AGV小车前方底部，对标签信息进行读取，并通过操纵系统操纵小车的下一步动作。磁导航传感器
磁条 欧姆龙公司拥有成熟的RFID系列产品。RFID主推产品有V680系列，包括有读写器V680-CA5D01-V2，能读写ID标签，可通过RS232/485接口与PLC通信；天线V680-HS63，天线的读写距离为7.0~30.0mm，ID标签V680-D2KF67M，利用FRAM用来作为存储器，不需要电池，外壳材质为填充树脂，形状为40×40×4.5mm。以下图为AGV小车RFID系统工作原理图。
AGV小车RFID系统工作原理图
电磁导引引线隐蔽，不易污染和破损，便于操纵，对声光无干扰，制造本钱低。但所有车外预定途径导引方式都存在一起缺点是途径难以更改扩展，对复杂途径的局限性大。与车外预定途径导引相反，非预定途径导引方式没有固定途径，其自主性更高。
2）非预定途径导引方式是指AGV小车在运行中没有固定的途径，其通过激光、视觉、GPS等方式，把握运行中所处的位置，并自主地决定行驶途径的导引方式。其中，较经常使用的是激光导引方式。
激光导引是在AGV行驶途径的周围安装位置精准的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时搜集由反射板反射的激光束，来确信其当前的位置和航向，并通过持续的三角几何运算来实现AGV的导引。
激光扫描器工作示用意
非预定途径导引方式优势是：AGV定位精准，地面无需其他定位设施，行驶途径灵活多变，适合多种现场环境。但它有一个专门大的缺点是制造本钱高，因此在本文不作重点讨论。
4.AGV小车操纵系统
AGV小车系统除上文提及的运行系统及导引系统外，还需要有中央操纵系统，它能搜集导引系统返回的位置信息，通过运算转换，反作用于运行系统，使AGV小车能做出需要的动作。
欧姆龙CP1H系列PLC即能够作为AGV小车的中央操纵器，它能够接收导引系统返回的模拟信号或开关量信号；它能够安装RS23二、RS422/485接插件，通过串行通信方式与RFID操纵器通信，搜集ID标签的位置信息；它能输出操纵伺服运行的脉冲信号或模拟量信号；CP1H的编程命令较简单，程序修改方便，而且还自带有AGV小车运行中需用到的PID等高级命令。因此CP1H超级适合用于AGV小车的中央操纵器。
小结
AGV小车系统是一个较复杂、跨学科、多系统的运动操纵课题，因为本人知识底子较浅，本文对AGV各系统的介绍都是很表面及简单，离实现AGV小车操纵还有很远的距离。以后我还需要研究“如何通过模糊PID操纵AGV小车两轮的速度差，使AGV小车的运行更稳固”、“AGV小车在各运行状态时的力矩情形”、“如何利用梯形图编写AGV小车运行程序”等课题，使AGV小车设计及应用更趋完善。
