應(yīng)用于物流AGV磁導(dǎo)航傳感器的研究

譚 雪，戴更新 （青島大學(xué) 商學(xué)院，山東 青島 266071）

·物流技術(shù)·

應(yīng)用于物流AGV磁導(dǎo)航傳感器的研究

譚 雪，戴更新 （青島大學(xué) 商學(xué)院，山東 青島 266071）

磁導(dǎo)航AGV小車(chē)在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流配送系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，使用的磁導(dǎo)航方式在導(dǎo)引方式中使用較多。該導(dǎo)航方式在路面上預(yù)先規(guī)劃路徑并鋪設(shè)磁條，通過(guò)磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，成本較低，可靠性強(qiáng)。文章對(duì)傳統(tǒng)磁導(dǎo)航傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，通過(guò)使用卡爾曼濾波算法對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得磁條位置檢測(cè)更加準(zhǔn)確，行進(jìn)路線(xiàn)可靠性提高，路徑設(shè)計(jì)及更改更加靈活，為倉(cāng)儲(chǔ)物流中貨物的生產(chǎn)和搬運(yùn)提供了進(jìn)一步的保障。

AGV；磁導(dǎo)航傳感器；卡爾曼濾波；物流倉(cāng)儲(chǔ)

0 引 言

現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)配送中，由于貨物訂單批次多、訂單批量少、訂單周期短，人工倉(cāng)儲(chǔ)物流模式難以為繼，基于AGV的自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流配貨技術(shù)便得到越來(lái)越多企業(yè)的青睞。

Automated Guided Vehicle（簡(jiǎn)稱(chēng)AGV），即自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)或者無(wú)人搬運(yùn)車(chē)，在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)物流中充分顯示出了其優(yōu)越性——能夠方便的對(duì)接、沿一定路徑自動(dòng)運(yùn)送貨物、實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)上下架。導(dǎo)引技術(shù)是AGV的關(guān)鍵技術(shù)，決定了其智能性和運(yùn)動(dòng)精確度。傳統(tǒng)的磁導(dǎo)航傳感器采用閾值比較輸出，由于各個(gè)模擬霍爾傳感器的一致性差，且輸出存在溫漂，所以這種方式對(duì)傳感器要求較高，本文旨在改善這一問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)在應(yīng)用較多的磁導(dǎo)引方式，本文對(duì)傳統(tǒng)的磁導(dǎo)航傳感器進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，通過(guò)對(duì)模擬霍爾傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波算法，得到了較實(shí)際數(shù)據(jù)更精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，使得檢測(cè)到的磁條位置更加準(zhǔn)確，行動(dòng)路徑可靠性提高，且具有識(shí)別單雙根N、S極磁條的能力，對(duì)于物流AGV系統(tǒng)的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

1 導(dǎo)引方式

常見(jiàn)的AGV導(dǎo)引方式有電磁導(dǎo)引、磁條導(dǎo)引、視覺(jué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引等。其中磁條導(dǎo)引方式是較常見(jiàn)的導(dǎo)引方式，目前仍被很多系統(tǒng)采用。這種方式預(yù)先規(guī)劃了AGV的行走路徑，在行走路徑上鋪設(shè)磁條，通過(guò)磁條感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航。它的優(yōu)點(diǎn)是磁帶鋪設(shè)簡(jiǎn)單，導(dǎo)引原理可靠，磁條成本也較小。

圖1為AGV底部結(jié)構(gòu)圖。AGV的動(dòng)力由兩個(gè)主動(dòng)輪提供，后部有兩個(gè)從動(dòng)萬(wàn)向輪，可通過(guò)主動(dòng)輪差速的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。磁導(dǎo)航傳感器安裝在車(chē)體前部，不斷地檢測(cè)磁條位置，AGV主控制器通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器輸出信號(hào)來(lái)校正行走路徑。

圖1 AGV底部結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)處理

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

磁導(dǎo)航傳感器使用模擬霍爾傳感器作為磁場(chǎng)檢測(cè)元件，模擬霍爾傳感器根據(jù)檢測(cè)到的磁場(chǎng)的強(qiáng)弱輸出不同的電壓值。圖2為模擬霍爾傳感器的輸出電壓隨磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱變化的曲線(xiàn)，電壓隨磁場(chǎng)線(xiàn)性變化，在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下輸出電壓為1V。

圖2 模擬霍爾傳感器輸出電壓曲線(xiàn)

圖3為磁導(dǎo)航傳感器總體結(jié)構(gòu)圖。模擬霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，濾除掉附加在電壓信號(hào)中的高頻噪聲，再經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換，最后接到數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28377S的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，從而測(cè)出磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

2.2 數(shù)據(jù)處理

模擬霍爾傳感器在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下輸出電壓為1V，微控制器的ADC分辨率為12位，電壓基準(zhǔn)VREF+為3V，ADC轉(zhuǎn)換公式為：

式（1） 中VREF-為0，根據(jù)式（1） 可以計(jì)算出在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，ADC理論輸出應(yīng)為1 365，但是由于電壓噪聲以及電壓基準(zhǔn)VREF+波動(dòng)等原因，實(shí)際情況卻有較大偏差。圖4為實(shí)際情況下ADC數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，圖中標(biāo)出了50組數(shù)據(jù)?？梢钥闯鲚敵鼋Y(jié)果有較大波動(dòng)且與計(jì)算值相差較大，但總體在實(shí)際平均值附近波動(dòng)。

圖3 磁導(dǎo)航傳感器總體結(jié)構(gòu)圖

圖4 實(shí)際ADC輸出數(shù)據(jù)結(jié)果

如圖4所示，這種在沒(méi)有干擾時(shí)波動(dòng)很大的數(shù)據(jù)是無(wú)法直接使用的，必須先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理。對(duì)于這種混疊噪聲并且需要快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理情況，常使用卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波算法是去除噪聲還原真實(shí)數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，是目前應(yīng)用最為廣泛的濾波方法。其原理是通過(guò)遞推反饋算法，利用線(xiàn)性系統(tǒng)狀態(tài)方程，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過(guò)程。

對(duì)實(shí)際情況下的ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，由磁場(chǎng)變化范圍設(shè)定迭代初始值為1 000，圖5為卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)結(jié)果。從圖5中可以看出，使用了濾波算法的結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，并且在迭代了10次左右時(shí)輸出結(jié)果已經(jīng)收斂，算法濾波效果和收斂速度都較好。圖6為濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的比較。

3 輸出數(shù)據(jù)識(shí)別

經(jīng)濾波之后的ADC數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，可以作為檢測(cè)磁條位置的依據(jù)。當(dāng)磁條N極正對(duì)模擬霍爾傳感器時(shí)，傳感器輸出值大于1V，且越靠近磁條中心的傳感器輸出電壓越高，多個(gè)傳感器輸出會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰狀。與此相反的是，當(dāng)磁條S極正對(duì)模擬霍爾傳感器時(shí)，傳感器輸出值小于1V，且越靠近磁條中心的傳感器輸出電壓越低，多個(gè)傳感器輸出會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷狀。對(duì)磁條位置的識(shí)別則等效為識(shí)別出波峰或者波谷。當(dāng)識(shí)別到波峰或者波谷時(shí)，即表示檢測(cè)到磁條，然后再檢測(cè)出波峰中的最大值點(diǎn)或者波谷中的最小值點(diǎn)，即可得到磁條的準(zhǔn)確位置。

圖5 卡爾曼濾波算法迭代結(jié)果

圖6 濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，對(duì)傳感器輸出波峰和波谷的檢測(cè)是通過(guò)實(shí)時(shí)平均值作為閾值的方法實(shí)現(xiàn)的。首先取多個(gè)傳感器輸出值的平均值作為閾值，由于磁條位置的變化，這個(gè)平均值也在一定范圍內(nèi)滑動(dòng)。當(dāng)連續(xù)多個(gè)值超過(guò)或者低于這個(gè)滑動(dòng)平均值時(shí)，即可識(shí)別出波峰或波谷，且具有一定的抗干擾能力。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證磁導(dǎo)航傳感器硬件和算法的可靠性，制作了一個(gè)磁導(dǎo)航傳感器的樣機(jī)。模塊樣機(jī)有16路模擬霍爾傳感器，傳感器間隔0.5厘米放置，保證了檢測(cè)的范圍和靈敏度。

圖7為放置單根N極磁條時(shí)磁導(dǎo)航傳感器的16路模擬霍爾輸出信號(hào)。可以看出有一個(gè)明顯的波峰，并且可以用滑動(dòng)均值識(shí)別出來(lái)。

圖8為放置單根S極磁條時(shí)磁導(dǎo)航傳感器的16路模擬霍爾輸出信號(hào)。可以看出有一個(gè)明顯的波谷，并且可以用滑動(dòng)均值識(shí)別出來(lái)。

圖7 濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

圖8 濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

圖9為放置兩根N極磁條時(shí)磁導(dǎo)航傳感器的16路模擬霍爾輸出信號(hào)?？梢钥闯鲇袃蓚€(gè)明顯的波峰，并且可以用滑動(dòng)均值識(shí)別出來(lái)。

圖10為放置兩根S極磁條時(shí)磁導(dǎo)航傳感器的16路模擬霍爾輸出信號(hào)?？梢钥闯鲇袃蓚€(gè)明顯的波峰，并且可以用滑動(dòng)均值識(shí)別出來(lái)。

圖9 濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

圖10 濾波數(shù)據(jù)曲線(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在存在外界干擾及不確定性的情況下，使磁導(dǎo)航傳感器依然能準(zhǔn)確檢測(cè)到磁條的位置，使AGV行動(dòng)路徑更加穩(wěn)定，路徑設(shè)置的靈活性增加，效率提高，并進(jìn)一步降低了成本，使得AGV這一物流鏈的重要組成部分更加智能和自動(dòng)化。

[1] 汪壽陽(yáng)，趙秋紅，夏國(guó)平.集成物流管理系統(tǒng)中定位——運(yùn)輸路線(xiàn)安排問(wèn)題的研究[J].管理科學(xué)學(xué)報(bào)，2000,3(2):69-75.

[2] Fu—Ren Lin,Michel J Shaw.Reengineering the Order Fulfillment Process in Supply Chain Networks[J].The Internationa Journal of Flexible Manufacturing Systems,2008(10):191-205.

[3] Terry Austin.The Personal Computer Supply Chain:Unlocking Hidden Value[J].Strategic Supply Chain Alignment,2009(12): 116-120.

Research on Magnetic Navigation Sensor Applied in Logistics AGV

TAN Xue,DAI Gengxin (School of Business,Qingdao University,Qingdao 266071,China)

The magnetic navigation AGV car is widely used in automated warehouse logistics distribution system,and the magnetic navigation is used more in the navigation mode.The navigation mode is used to plan the path on the road surface,and the magnetic strip is paved,the navigation is realized by the magnetic induction signal,the cost is low,and the reliability is strong.This paper gives a further study on the traditional magnetic navigation sensor was processed by using Calman filtering algorithm to detect the data,so that the position of the magnetic strip detection is more accurate and improve the action route reliability,path design and change more flexible and provide further support for the production and handling of goods in storage and logistics of logistics industry.

AGV;magnetic navigation sensor;Calman filter;logistics storage

F253.9

A

1002-3100(2017)08-0037-04

2017-05-29

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：ZR2015GM001。

譚 雪（1993-），女，山東煙臺(tái)人，青島大學(xué)商學(xué)院碩士研究生，研究方向：物流與供應(yīng)鏈管理。