線束激光導(dǎo)引式運(yùn)輸車控制系統(tǒng)的設(shè)計*

青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520

1 設(shè)計背景

激光導(dǎo)引式運(yùn)輸車不需要鋪設(shè)導(dǎo)引軌道，以技術(shù)優(yōu)勢超越了其它導(dǎo)引運(yùn)輸設(shè)備。傳統(tǒng)的激光導(dǎo)引式運(yùn)輸車通過行走路徑附近的標(biāo)志反射板接收激光掃描器發(fā)射的激光信號[1]，從而確定車輛的所在位置，進(jìn)而完成行走和校正[2]。但激光導(dǎo)引裝置安裝較為煩瑣，作業(yè)距離近，工作效率低。針對這一問題，筆者設(shè)計了線束激光導(dǎo)引運(yùn)輸車控制系統(tǒng)，可遠(yuǎn)距離作業(yè)，滿足車間與車間之間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)。運(yùn)輸車直線輸送運(yùn)動精度高，室內(nèi)外運(yùn)行抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行速度可以達(dá)到2 m/s。

2 控制系統(tǒng)整體方案

2.1 運(yùn)輸車總體布局

筆者結(jié)合運(yùn)輸車的運(yùn)動軌跡和工作模式，并且對比大量常規(guī)驅(qū)動布置模式[3]，將驅(qū)動底盤設(shè)計方案選定為單動力輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向[4]和兩后輪自由支撐式，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。車體由單動力輪牽引行進(jìn)，兩后輪為隨動輪，不需要像差速驅(qū)動控制那樣考慮電機(jī)配合的問題[5-8]。整車所實(shí)現(xiàn)的動作相對簡單，運(yùn)行可靠，控制容易，造價低。動力輪是集驅(qū)動轉(zhuǎn)向于一體的模塊，集成了驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、限位接近開關(guān)、行走編碼器、轉(zhuǎn)向電位計、安全制動器、驅(qū)動輪等。車體的最前方設(shè)置激光位置傳感器，車體前方和兩側(cè)配有三個障礙傳感器，中間部位放置鋰電池組，為電機(jī)和其它控制器提供直流電源。

▲圖1 運(yùn)輸車整體結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖2 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）[9]、電源管理模塊、安全防護(hù)模塊、動力輪、轉(zhuǎn)向驅(qū)動器、激光發(fā)射器、激光位置傳感器等組成，如圖2所示。綜合考慮系統(tǒng)所需的數(shù)字量和模擬量輸入輸出點(diǎn)數(shù)、擴(kuò)展能力、電源需求、預(yù)留空間、通信功能、編程靈活度等，選定西門子S7-200系列PLC進(jìn)行控制[10-12]。各種傳感器和檢測裝置的信號傳送給PLC處理后，再通過程序梯形圖來控制執(zhí)行部件。觸摸屏選擇與PLC高度兼容的西門子SMART 700 IE。安全防護(hù)模塊中設(shè)置避障傳感器，運(yùn)輸車的最前端邊緣處設(shè)置機(jī)械防撞條，起到防護(hù)作用。

2.3 線束激光導(dǎo)引與循跡

實(shí)際作業(yè)時，運(yùn)輸車前方遠(yuǎn)距離處預(yù)先設(shè)置激光發(fā)射器并整平，所發(fā)出的線束激光沿直線傳輸，并標(biāo)記在運(yùn)輸車前端的激光位置傳感器上。傳感器上橫向堆疊布置感光元器件，增大激光響應(yīng)面積。傳感器上的感光點(diǎn)均勻布置，線束激光打到不同的感光點(diǎn)，表示運(yùn)輸車距離預(yù)定線路的偏離程度不同。專用電路對傳感器檢測到的偏離信號進(jìn)行處理并輸入至PLC，經(jīng)比例積分微分（PID）模塊運(yùn)算處理，結(jié)果用來實(shí)時判別運(yùn)輸車的當(dāng)前位置和偏離程度，為控制系統(tǒng)下一步的行走、轉(zhuǎn)向與校正提供決策依據(jù)。行走校正如圖3所示，圖中實(shí)線為運(yùn)輸車發(fā)生瞬時偏離的狀態(tài)，虛線為經(jīng)過控制系統(tǒng)校正完成的狀態(tài)，此時線束激光標(biāo)記在位置傳感器的中間感光點(diǎn)，說明此階段運(yùn)輸車行走校正完成。

▲圖3 行走校正示意圖

3 控制系統(tǒng)硬件

3.1 行走驅(qū)動電機(jī)參數(shù)計算

運(yùn)輸車的行進(jìn)主要靠行走驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)中運(yùn)輸車的質(zhì)量、最大載質(zhì)量及最大行駛速度確定行走驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計參數(shù)[13]，見表1。

表1 行走驅(qū)動電機(jī)設(shè)計參數(shù)

具體參數(shù)運(yùn)算如下。

式中：F為運(yùn)輸車總牽引力；Ff為滾動阻力，由輪胎與路面變形引起；Fi為坡度阻力，上坡時與整車前進(jìn)方向相反，阻礙行駛；Fw為空氣阻力，數(shù)值較小，可忽略；Fj為慣性阻力，運(yùn)輸車由靜止加速到勻速狀態(tài)時需要克服車重和負(fù)載的慣性力；μ為滾動阻力因數(shù)，受車速影響較大，資料表明v＜50 km/h時變化較小，綜合不同路面阻力因數(shù)，μ選定為0.02；θ為爬坡角度，取5°；a為運(yùn)輸車加速度；Pη為運(yùn)輸車實(shí)際額定牽引功率；P為運(yùn)輸車功率。

結(jié)合以上計算和實(shí)際工況，選取行走驅(qū)動電機(jī)為功率1 500 W，轉(zhuǎn)矩為4.8 N·m。動力輪減速精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，各部件安全防護(hù)嚴(yán)格，搭配直流無刷驅(qū)動器，整體滿足設(shè)計要求。

3.2 轉(zhuǎn)向電路

在運(yùn)輸車運(yùn)行過程中，若動力輪偏離預(yù)定直線路徑，則通過直流無刷轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)時調(diào)整控制，由此設(shè)計了如圖4所示轉(zhuǎn)向電路。運(yùn)輸車采用電池作為能源，電池的電壓通常不穩(wěn)定，在使用時電壓會波動，因此設(shè)計了直流穩(wěn)壓模塊，將電池的電壓穩(wěn)定后再供給 PLC。PLC的Q0.0和 Q0.1接口具有雙重輸出功能，轉(zhuǎn)向電路使用PLC的Q0.1接口，通過固態(tài)繼電器連接轉(zhuǎn)向電動機(jī)驅(qū)動器的FR方向控制信號，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，PLC與驅(qū)動器之間通過固態(tài)繼電器控制，工作更加可靠，控制功能更容易實(shí)現(xiàn)。

▲圖4 轉(zhuǎn)向電路

4 控制系統(tǒng)軟件

4.1 PLC控制流程圖

綜合運(yùn)輸車的實(shí)際作業(yè)功能和PLC的控制特點(diǎn)，采用模塊化設(shè)計理念，繪制PLC控制流程圖，如圖5所示。流程圖系統(tǒng)初始化主要是對行走驅(qū)動執(zhí)行部件、激光信號、前方障礙物和整機(jī)電源進(jìn)行檢測，一旦檢測異常，則報警停車重檢。運(yùn)輸車主要用于直線運(yùn)輸作業(yè)，在轉(zhuǎn)彎時采用其它輔助導(dǎo)引完成，不再贅述。

▲圖5 PLC控制流程圖

4.2 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面設(shè)計采用WinCC flexible編程軟件，具有前瞻性好、專用性強(qiáng)、透明性高、靈活性好的特點(diǎn)。在實(shí)際編程時，遵循人機(jī)交互界面的友好性原則，統(tǒng)籌兼顧PLC和觸摸屏變量地址的一致性，同時保證運(yùn)行參數(shù)的安全性，設(shè)置賬戶級別和參數(shù)修改權(quán)限[14]。以自動模式為例，最終設(shè)計的人機(jī)交互界面如圖6所示。

▲圖6 人機(jī)交互界面設(shè)計圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過前期控制系統(tǒng)設(shè)計，所研制的線束激光導(dǎo)引式運(yùn)輸車試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。經(jīng)過試驗(yàn)證明，運(yùn)輸車直線運(yùn)行平穩(wěn)，循跡能力良好，精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，滿足實(shí)際作業(yè)要求。

▲圖7 運(yùn)輸車試驗(yàn)樣機(jī)

6 結(jié)束語

線束激光導(dǎo)引式運(yùn)輸車控制系統(tǒng)通過對動力輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向一體化單元的合理運(yùn)用和布置，采用了新型激光導(dǎo)引模式。通過可靠性更高的核心控制器配合觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控和設(shè)置，作業(yè)模式的轉(zhuǎn)換柔性高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)激光導(dǎo)引模式的不足，為高精度遠(yuǎn)距離工業(yè)運(yùn)輸提供了參考。