適用于航站樓的交通助運車的研究

張佳鵬 許趙哲 魏明

摘要 根據(jù)航站樓交通需求，設(shè)計了一款“航站樓助運車”;主要由感知控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)、交互系統(tǒng)組成;能夠完成自動尋跡運輸、主動避障、載人行駛、遠程調(diào)度、自動充電等多種功能的。為實現(xiàn)航站樓的交通智能化、便利化、人性化提供了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】航站樓助運車 自動充電 控制系統(tǒng)

自動導(dǎo)航車（Automated Guided Vehicles.AGV）又名無人搬運車，是一種自動化的無人駕駛的智能化搬運設(shè)備，是現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)如計算機集成制造系統(tǒng)（ CIMS）中的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著我國工業(yè)化水平的發(fā)展，自主創(chuàng)新能力的提高，以及互聯(lián)時代對大數(shù)據(jù)發(fā)展的推動的，在工業(yè)自動化方面AGV小車已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。在國內(nèi)，京東以及阿里等已經(jīng)將AVG廣泛運用于倉儲運輸?shù)确矫?。在大眾日常生活方面，AGV小車仍然沒有得到非常好的應(yīng)用，特別是在航站樓，車站等公共服務(wù)領(lǐng)域，許多現(xiàn)代的代步工具無法使用，絕大多數(shù)情況下仍然是以傳統(tǒng)的步行為主。

作為交通建筑，提高旅客快捷而方便的通行效率一直是航站樓設(shè)計致力追求的目標(biāo)，縮小旅客步行距離也是整個航站區(qū)規(guī)劃設(shè)計的主導(dǎo)原則，航站樓一方面強化航站樓的旅客流程和行李流程設(shè)計，另一方面是引導(dǎo)航站樓內(nèi)外的旅客運營系統(tǒng)朝著容量大、效率高、換乘方便的方向發(fā)展。目前許多航站樓都裝有一定長度的自動人行道，但還不能夠滿足乘客的便攜性，有的自動人行道因為速度偏差過大還存在的安全隱患。因此，把航站樓作為特定區(qū)域，研究出能有效輔助旅客出行的助運車，包括助運車的外形結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、硬件組成、信息智能化處理等關(guān)鍵性技術(shù)所討論，分析其特有的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)組成

航站樓助運車的設(shè)計所包含的主要系統(tǒng)包括如下幾個方面：電源管理系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、感知系統(tǒng)（紅外循跡、超聲波、攝像頭視覺電路）以及交互系統(tǒng)（藍牙模塊、Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊、交互控制流程軟件）組成，系統(tǒng)方案如圖1所示。

為了提高系統(tǒng)快速響應(yīng)及可靠性，攝像頭視覺系統(tǒng)采用獨立處理器完成;電源管理系統(tǒng)主要負責(zé)監(jiān)控電池的溫度、能量估算、運行距離估算、自動充電等任務(wù);軟件交互系統(tǒng)配合調(diào)度中心及用戶控制終端完成路線規(guī)劃等任務(wù)。

2 助運車的外形結(jié)構(gòu)

本文所提出的航站樓助運車為單人使用的代步工具。作為航站樓內(nèi)部的主要運輸工具，其包含了支撐結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、傳感器陣列、中央處理單元、智能電源管理系統(tǒng)等部分。如圖2所示。

“助運車”外觀結(jié)構(gòu)主要包括了座椅、扶手、護欄、置物區(qū)、動力系統(tǒng)等部分，座椅設(shè)置有扶手，可方便不同人士并將根據(jù)實際情況和安全因素進行修改和完善?！爸\車”的前兩個輪子為固定方向的主動輪，根據(jù)兩個主動輪的速度差控制“助運車”方向，后面兩個輪子為萬向輪，配合主動輪轉(zhuǎn)動。

3 電源及管理系統(tǒng)

航站樓助運車作為一個獨立運行的自動化設(shè)備，一個穩(wěn)定而又高效的供電系統(tǒng)是必不可少的。在電源的選擇方面，考慮到航站樓助運車的工作環(huán)境以及工作對象，往往需要中速率供電以及大電流快速充電，因而鉛酸電池?zé)o法滿足實際應(yīng)用的要求;鎳鎘電池由于其容量小壽命短等缺點;目前，最為環(huán)保和高效的是鋰電池，鋰電池在輸出等量電壓的情況下鋰電池使用的單個電池組合數(shù)目較少，重量和體積也大大減少，必要重要的是放電率極低，無記憶性。

由于鋰電池過充時，過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中，無法再釋放，而過放電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，都大大地縮短了電池的壽命，所以在助運車的控制系統(tǒng)中要加入電池的管理系統(tǒng)（BMS管理系統(tǒng)）來避免過充、過放、過載、過熱。通過處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器，監(jiān)視電池工作電流和輸出端電壓，實現(xiàn)上述狀態(tài)監(jiān)視，并在給出剩余電量指示，通過溫度采集芯片18820監(jiān)視運行過程及充電過程的電池溫度，也有利于延長電池壽命和系統(tǒng)安全;

在充電方面，傳統(tǒng)的充電方式往往是通過建立充電塢利用手動插線對AGV進行充電。而對于航站樓助運車而言，由于其自主尋跡的功能，因此當(dāng)AGV小車檢測到自身電力不足時會自主運行到充電塢充電。在確認進入到相應(yīng)位置之后，伸出的充電接口可通過電磁鐵來實現(xiàn)正負極對應(yīng)連接，即可進行自動充電。

以24V 10A對鋰電池為例，設(shè)計了鋰電池充電電路，電路原理圖如圖3所示。

該充電系統(tǒng)，采用被動啟動工作方式，即充電電路由助運車電池供電后啟動，這樣有利于節(jié)省長時間通電待機損耗。

4 電機及驅(qū)動系統(tǒng)

航站樓助運車的主要作用為對客及行李的運輸，因此強有力同時又靈活的運動系統(tǒng)必不可少。其控制系統(tǒng)主要包由電機及驅(qū)動器、基于傳感器導(dǎo)引系統(tǒng)組成。在航站樓助運車運動系統(tǒng)當(dāng)中，電機是整個能量轉(zhuǎn)換的樞紐。目前，市面上絕大數(shù)AGV小車常用的是普通的輪邊電機，具有體積笨重且不易于控制的缺陷，其效率也很低;而輪轂電機則是將驅(qū)動電機直接與車輪相連，中間不需要差速器和減速器，減化了驅(qū)動結(jié)構(gòu)，提高了傳動效率，同時提高了可利用的空間。助運車采用獨立的輪轂電機驅(qū)動，因此每個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩都獨立可控，增加了控制自由度，從而可以非常靈活方便地實現(xiàn)車身穩(wěn)定控制。結(jié)合助運車載客載物的主要工作，速度不能太快，主要選用大扭矩慢速運行的輪轂電機。

電機驅(qū)動器的型號選用AQMD3610NS直流電機驅(qū)動器，其具有以下特性：電機回路電流精確檢測技術(shù)、有刷直流電機轉(zhuǎn)速自檢測技術(shù)、再生電流恒電流制動（或稱剎車）技術(shù)和強大的PID調(diào)節(jié)技術(shù)，可完美地控制電機啟動、制動（剎車）、換向過程和堵轉(zhuǎn)保護;電機響應(yīng)時間短，且反沖力小;輸出電流實時監(jiān)控防止過流，有效保護電機和驅(qū)動器。并可通過撥碼開關(guān)或串口配置電機額定電流，可使電機啟動、制動、堵轉(zhuǎn)電流均限定在電機額定電流范圍以內(nèi)，高效而安全。這些特性，配合32位ARM高速處理器，能夠充分展現(xiàn)出來，平穩(wěn)地控制助運車的運行。

5 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)對于航站樓助運小車而言就相當(dāng)于小車的眼睛和耳朵，準(zhǔn)確的定位以及對障礙物的有效地避讓是關(guān)系到助運小車安全性能的關(guān)鍵一環(huán)。

實現(xiàn)航站樓助運車的視覺和接近覺功能有多種方式：

（1）可使用CCD攝像頭進行圖象采集和識別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領(lǐng)域;

（2）電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化;

（3）超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度;

（4）反射式紅外光電傳感器，一個發(fā)射，一個接收。

在航站樓內(nèi)部，其地面上往往會有指引方向的引導(dǎo)線。根據(jù)此特點，可以利用光電尋跡模塊來實現(xiàn)主干道及支路的尋跡引導(dǎo)功能。在光電尋跡模塊的安裝方面對于單線線軌跡，可以采取一字型排列的方式，當(dāng)中心光電模塊檢測到黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線全部被黑線吸收，接收端收不到任何信號，則光電三極管不會導(dǎo)通。若邊緣光電模塊則沒有檢測到黑線，發(fā)射端發(fā)射的光線背白紙反射回接收端，接收端導(dǎo)通導(dǎo)致接收端電位被拉低。高低電平被傳送到處理器進行處理，給出實時的路線修正，最終達到沿著單黑線走即尋跡的目的。但是單線一字型排列的模式在小車轉(zhuǎn)彎時可能會出現(xiàn)脫離線路的情況。因而可以考慮使用鋪設(shè)雙邊線以及多重光電模塊的尋跡模式，上下排用于旋轉(zhuǎn)掃描邊線，前排固定用于輔助掃描邊線以確保在任何時候都可以準(zhǔn)確的尋找到正確的路徑，傳感器布局如圖4所示。

此外，航站樓助運車是一種集各種機械裝置、傳感器、計算機等于一體的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，對其建立數(shù)學(xué)模型很困難，傳統(tǒng)的基于模型的控制方法很難適用，而基于經(jīng)驗知識的模糊邏輯控制器不需要精確的數(shù)學(xué)模型且控制的魯棒性較好，所以可以通過模糊邏輯來對助運車進行控制。

除尋跡之外，考慮到可能發(fā)生的一些意外狀況，還需要添加相應(yīng)的避障功能。避障方式由超聲波避障與紅外避障混合構(gòu)成，能夠有效減少誤判率。超聲波傳感器一般作用距離較短，在近距離處存在一定的盲區(qū)且傳播速度較慢，同時對于被測物體表面的性質(zhì)要求較高，須為平面且不能為吸音材質(zhì)。紅外傳感器速度快，但是受陽光干擾較大。考慮到航站樓助運車主要應(yīng)用在室內(nèi)且紅外線在傳播時具備不擴散的性質(zhì)，在使用時助運車相互之間的影響較小，因而實用性較高。綜合上述優(yōu)缺點，感知系統(tǒng)以紅外探測為主判斷（循跡最快）、以視覺系統(tǒng)為第二輔助判斷（壁障較好，輔助循跡）、以超聲波探測為第三輔助（受光線影響條件下，壁障較準(zhǔn)）的形式。

6 交互系統(tǒng)

航站樓助運車，在整個航站樓運輸系統(tǒng)中雖各自獨立工作，但依然隸屬于一個整體的綜合調(diào)度中心系統(tǒng)。一方面，各臺助運車之間首先需按照既定好的路線運行，彼此之間的互補干擾;另一方面，助運車還需要接收來自乘客所發(fā)出的指令，來完成各自獨立的任務(wù)。

本文選用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)總控室對助運車的統(tǒng)一控制，或是助運車單車與整個系統(tǒng)之間信息的交換。組網(wǎng)方式采用星型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成，所有端節(jié)點智能與協(xié)調(diào)器通信，需要在一定距離安裝協(xié)調(diào)器，助運車分時復(fù)用方式與調(diào)度中心通訊，有效防止節(jié)點數(shù)量飽和。

在人機交互的方式也是乘客使用體驗的一個重要衡量指標(biāo)，工業(yè)3.0時代向工業(yè)4.0時代的過渡，實質(zhì)上是現(xiàn)有的工業(yè)自動化向工業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型，而這其中人工智能和人機交互技術(shù)將會起到至關(guān)重要的作用。特別是像機場航站樓這類面向公共服務(wù)的設(shè)施，人機交互的質(zhì)量更是一種無法回避的問題。人機交互的大致解決方案如下：首先，隨著智能手機的普及，借助藍牙等無線通信技術(shù)，可以通過手機應(yīng)用的形式來實現(xiàn)乘客與助運車之間信息交互的個性化，從而進一步提高助運車的操作性和用戶體驗。其次，得益于語音識別技術(shù)的發(fā)展，通過人機之間的對話也給乘客帶來較好的用戶體驗。再者，結(jié)合近年來飛速發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術(shù)與智能穿戴設(shè)備，也可以推出相關(guān)的增強型現(xiàn)實的人與助運車之間的人機交互方式。

7 總結(jié)

本文根據(jù)航站樓實際交通需要，結(jié)合當(dāng)今工業(yè)AGV小車的特性及人們生活習(xí)慣，提出了航站樓助運車這一概念性的代步工具，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：

（1）相對于傳統(tǒng)固定直行道而言，助運車具有無可比擬的靈活性、秩序性;一方面，在主干道上，助運車車之間可以自動保持一定的距離按照主干道有序行進;另一方面，在支路口小車可以獨立地根據(jù)自己預(yù)先設(shè)定好的目的地前往不同的分支，或者按照乘客的意愿前往不同的區(qū)域。

（2）相對于傳統(tǒng)運輸方式，助運車可提供坐椅以及置物區(qū)且為一人一車，其設(shè)計更加人性化;同時，在人機交互的模式下，以手機作為控制終端，實現(xiàn)對小車的遠程遙控、智能跟隨等控制。

（3）控制系統(tǒng)集成度提高，且采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的兼容性和擴展性、易操作性、易維護等。總之，隨著各項技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)在民用及公共服務(wù)領(lǐng)域會得到普遍的應(yīng)用，具有很大的研究空間。

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