淺談AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在高功率固體激光裝置中的應(yīng)用

黎沁++高東++蘇春洲++劉飛+范乃吉

摘 要：AGV（Automatic Guided Vehicle）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是移動式機(jī)器人的一個重要分支，具有高自動化程度、應(yīng)用靈活、安全可靠、無人操作、施工簡單及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、煙草行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)、機(jī)場等物資運(yùn)輸場所。該文主要從設(shè)計要求、基本結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)等方面對應(yīng)用于某高功率固體激光裝置中的AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：AGV 高功率固體激光裝置 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

中圖分類號：TN24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0064-04

大型高功率固體激光裝置如美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的點火裝置（其功率高達(dá)W）所需的大口徑光學(xué)元件數(shù)目數(shù)以千計，且種類繁多、規(guī)格不一。根據(jù)這些光學(xué)元件的不同功能、結(jié)構(gòu)、裝校及維護(hù)特性，需將其與一定的機(jī)械件組合構(gòu)成各類模塊形成在線可替換單元（LRU）。根據(jù)模塊在光路中的不同位置、安裝方式和基于光機(jī)潔凈精密裝校的考慮，模塊主要分為下裝模塊（即模塊從下往上安裝到激光裝置中）和側(cè)裝模塊（即模塊側(cè)面裝到激光裝置中）。兩類模塊均是高功率固體激光裝置中的重要關(guān)鍵件，其安裝和拆卸的精度、潔凈度和效率，均直接影響激光系統(tǒng)準(zhǔn)直度、元件損傷風(fēng)險、輸出光束質(zhì)量和高功率固體激光裝置的工作效率。

而AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)作為一種自動化物料搬運(yùn)設(shè)備，以其具有的高自動化程度、應(yīng)用靈活、安全可靠、無人操作、施工簡單及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、煙草行業(yè)、工程機(jī)械行業(yè)、機(jī)場等物資運(yùn)輸場所?；谏鲜鲈?，該所聯(lián)合重慶大學(xué)一同研制了該文介紹的應(yīng)用于某高功率固體激光裝置的AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

1 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計要求

為實現(xiàn)高功率固體激光裝置中所有下裝類模塊的安裝、拆卸及其在潔凈間與激光大廳各模塊位置之間的運(yùn)輸，同時滿足模塊裝卸全過程的功能及潔凈度要求以確保模塊能夠準(zhǔn)確安裝到位并在整個裝接過程中不被污染，AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計要求如表1所示。

2 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

為滿足上述設(shè)計要求，該套AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要由導(dǎo)航控制系統(tǒng)、車架、能源系統(tǒng)、驅(qū)動單元等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 車體

AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的車體主要是由車架（如圖2所示）、安裝在車架上的萬向輪和電控柜組成，其主要是在整個轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中起承載作用。車體的機(jī)械調(diào)試需要滿足在焊接和校正表面處理后外形尺寸滿足不大于2 000 mm×2 000 mm×1 400 mm；最小回轉(zhuǎn)半徑為1 000 mm；最低點離地面高度不大于30 mm；蓄電池單次充電時間不大于12 h，連續(xù)工作時間不小于8 h；滿負(fù)載2 500 kg的條件下爬坡能力為2%（5 m）。

2.2 驅(qū)動單元

AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的驅(qū)動單元主要由驅(qū)動電機(jī)、減速器、彈簧和折彎板組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)共有兩個驅(qū)動單元，每個驅(qū)動單元都是由兩個伺服電機(jī)進(jìn)行控制的。通過特定的運(yùn)動算法的實現(xiàn)來控制電機(jī)的運(yùn)動，4個電機(jī)的耦合運(yùn)動來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的運(yùn)動。在調(diào)試過程中需要滿足：直、側(cè)行額定速度為0.5 m/s；啟動和制動過程中加速度不大于0.1 m/s2；能夠?qū)崿F(xiàn)自動引導(dǎo)定位，AGV小車的整體定位誤差不大于5 mm。

3 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

為滿足高功率固體激光裝置的裝校要求，在AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計過程中主要解決了以下3個關(guān)鍵技術(shù)：自主定位及導(dǎo)航技術(shù)、控制技術(shù)以及安全防護(hù)技術(shù)。

3.1 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的自主定位及導(dǎo)航技術(shù)

雖然AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的導(dǎo)航方式很多，但目前得到應(yīng)用或具有應(yīng)用前景的導(dǎo)引方式主要包括以下9種類型：電磁感應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)、激光導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、光帶感應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)、磁力感應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)、直接坐標(biāo)導(dǎo)航技術(shù)、圖像識別導(dǎo)航技術(shù)、GPS導(dǎo)航技術(shù)以及超聲波導(dǎo)航技術(shù)。

由于激光導(dǎo)航技術(shù)具有定位精度高、地面無需其他輔助定位、路徑靈活、變更方便、適合多種環(huán)境、適應(yīng)復(fù)雜路徑和狹窄通道以及系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性好等優(yōu)點，該套AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)最終采用的導(dǎo)航技術(shù)為激光導(dǎo)航技術(shù)。

該種導(dǎo)航方式的基本工作原理：在AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，然后利用安裝在AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上的激光導(dǎo)航儀發(fā)射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回來的信號，再根據(jù)三角幾何運(yùn)算來確定其當(dāng)前的位置和方向，最終實現(xiàn)AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的定位及導(dǎo)航，其導(dǎo)航示意圖如圖4所示。

3.2 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的控制技術(shù)

AGV控制系統(tǒng)是AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的核心，其主要負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互、路徑規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行、定位和導(dǎo)航控制、電源管理、自主避障、安全信息提示以及反饋AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)等任務(wù)。AGV控制系統(tǒng)的性能和可靠性直接影響了AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的性能和可靠性。

該系統(tǒng)采用工業(yè)控制微機(jī)作為主控制器，安裝了Windows XP操作系統(tǒng)，以Microsoft Visual C++ 6.0作為開發(fā)平臺，使用MFC進(jìn)行程序開發(fā)。在系統(tǒng)程序的編寫過程中，考慮到Windows系統(tǒng)是搶先式的多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此在實時控制系統(tǒng)中，采用多線程技術(shù)編程，提高程序響應(yīng)實時操作的能力。

該系統(tǒng)主要包括如下7個模塊，已完成對AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的控制，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

（1）數(shù)據(jù)庫模塊：存儲目標(biāo)點坐標(biāo)和角度信息，并提供編輯和查看功能。

（2）連接控制器模塊：連接運(yùn)動控制器，與運(yùn)動控制器通信。

（3）連接導(dǎo)航儀模塊：與導(dǎo)航儀通信，處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

（4）主控制模塊：AGV 3種主要控制模式。

（5）自動導(dǎo)航：通過激光導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)，在指定區(qū)域，控制小車自動到達(dá)目標(biāo)點。

（6）手動控制：用戶直接在屏幕上控制小車運(yùn)動。

（7）手操器控制（對應(yīng)串口通信）：利用手操器控制小車運(yùn)動。

3.3 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的安全防護(hù)技術(shù)

安全防護(hù)技術(shù)是保證AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要問題之一。該系統(tǒng)采用的是非接觸式兩級安全防護(hù)技術(shù)，利用均勻分布在AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)四周的8個超聲波雷達(dá)實時檢測AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)周圍的障礙物狀況。

當(dāng)超聲波雷達(dá)檢測到一定距離范圍內(nèi)的障礙物時，系統(tǒng)會測量出實時的接近速度，并通過控制器控制AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)以合適的速度運(yùn)行，減小慣性，并同時閃爍位于車體上方的兩個紅色報警器以提示操作人員注意。當(dāng)超聲波雷達(dá)檢測到更近距離范圍內(nèi)的障礙物時，系統(tǒng)會迫使AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)停機(jī)，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。緊急或意外情況下，操作人員也可以利用緊急按鈕迫使AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在短距離內(nèi)及時停止運(yùn)動。

4 結(jié)語

該文通過對應(yīng)用于某大型高功率固體激光裝置中的AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的研究，介紹了該系統(tǒng)的主要設(shè)計要求、基本構(gòu)成及在研制過程中遇到的3個關(guān)鍵技術(shù)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用4年，各項性能指標(biāo)良好，為后續(xù)相關(guān)領(lǐng)域的AGV轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了一定參考。

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