自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì)

康迎曦 劉曉東 李延平

一、引言

物料運(yùn)輸是一項(xiàng)繁重復(fù)雜的工作，傳統(tǒng)的物料運(yùn)輸方式是由人工操作，不僅浪費(fèi)人力資源，而且危險(xiǎn)系數(shù)高。自動(dòng)引導(dǎo)小車，簡稱AGV（Automated Guided Vehicle），裝備有自動(dòng)引導(dǎo)裝置，作為新興的物料運(yùn)輸方式，現(xiàn)場無需人工操控即可完成搬運(yùn)、避障、裝載等工作。自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)（AGVS）集傳感器、信號(hào)處理、自動(dòng)控制、圖像處理等多種技術(shù)于一體，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物流技術(shù)在制造業(yè)、第三方物流、電子商務(wù)等方面迅速發(fā)展，AGV在縮短生產(chǎn)周期和提高經(jīng)濟(jì)效益等方面都有著顯著的作用，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

二、自動(dòng)引導(dǎo)小車的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1953年，美國Barrett Electric公司制造了世界上第1臺(tái)采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動(dòng)導(dǎo)向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。到了 20世紀(jì)70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應(yīng)用并被引入到美國。這些自動(dòng)導(dǎo)向車主要用于自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運(yùn)輸。在20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)80年代初，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大而且工作條件也變得多樣化，因此，新的導(dǎo)向方式和技術(shù)得到了更廣泛的研究與開發(fā)[2]。20世紀(jì)80年代中期，57%的AGV用于汽車制造業(yè)。另外，根據(jù)對(duì)國外公司物料搬運(yùn)系統(tǒng)裝備類型的統(tǒng)計(jì)，采用自動(dòng)導(dǎo)向車、有軌搬運(yùn)車、起重機(jī)、輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)、懸掛運(yùn)輸機(jī)的比例分別占41%、29%、9%、10%和11%。

AGV在我國的研究及應(yīng)用起步較晚。20世紀(jì)70年代后期，北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制了三輪式AGV。20世紀(jì)80年代后期，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所為二汽研制了應(yīng)用在立體化倉庫中的AGV，沈陽自動(dòng)化研究所為金杯汽車公司研制了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配專用AGV。20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)國家CIMS工程中心將從國外引進(jìn)的AGV成功地應(yīng)用于CIMS的實(shí)驗(yàn)研究；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用系研制了用于郵政中心的AGV；昆明船舶設(shè)備研究所研制了激光導(dǎo)向式AGV以及吉林工業(yè)大學(xué)智能車輛課題組為汽車裝配線研制了視覺導(dǎo)向AGV等。目前國內(nèi)一些AGV技術(shù)正趕超國際層面，比如沈陽新松機(jī)器人公司，廣東地區(qū)也有不少廠家AGV迅速發(fā)展。

總之，我國的AGV發(fā)展速度雖然在穩(wěn)步提升，但與國際水平還有著明顯的差距，需要各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研發(fā)部門加強(qiáng)自主研發(fā)或引進(jìn)一些國外的先進(jìn)技術(shù)[3]。

三、自動(dòng)引導(dǎo)小車的技術(shù)優(yōu)勢

AGV的發(fā)展如此迅速，是因?yàn)樗c其他物料搬運(yùn)方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在導(dǎo)向柔性、空間利用、運(yùn)行安全性以及使用費(fèi)用等方面，具體情況如下表所示。

四、自動(dòng)引導(dǎo)小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.總體方案設(shè)計(jì)

物流中心AGV控制系統(tǒng)由車體、車上控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、蓄電池、信息采集子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置、狀態(tài)顯示系統(tǒng)、避障系統(tǒng)等組成。工作過程是通過接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)或者微機(jī)客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的AGV發(fā)送控制指令代碼，期間傳輸信號(hào)由發(fā)送端使用加密狗加密。當(dāng)信號(hào)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到接收終端時(shí)，AGV網(wǎng)絡(luò)模塊把接受的指令傳送到處理器，處理器指示驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)AGV執(zhí)行動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)的同時(shí)監(jiān)視模塊把采集到的圖像通過無線互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)端，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

（1）車體：由車架和相應(yīng)的機(jī)械裝置所組成，是AGV的基礎(chǔ)部分，是其他總成部件的安裝基礎(chǔ)。

（2） 電力儲(chǔ)存及充電裝置：AGV經(jīng)常使用24V和48V直流電池供電，電池供電應(yīng)保持其 8小時(shí)的連續(xù)工作。

（3）驅(qū)動(dòng)裝置：由車輪、減速器、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部分組成。其運(yùn)行指令由計(jì)算機(jī)或人工控制器發(fā)出，運(yùn)行速度、方向、制動(dòng)的調(diào)節(jié)分別由計(jì)算機(jī)控制。為了安全，在斷電時(shí)制動(dòng)裝置靠機(jī)械實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

（4）導(dǎo)向裝置：接受導(dǎo)引系統(tǒng)的方向信息，通過轉(zhuǎn)向裝置來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

（5）車上控制器：接受控制中心的指令并執(zhí)行相應(yīng)的指令，同時(shí)將本身的狀態(tài)（如位置、速度等）及時(shí)反饋給控制中心。

（6）通信裝置：實(shí)現(xiàn)AGV與地面控制站及地面監(jiān)控設(shè)備之間的信息交換。

（7）安全保護(hù)裝置：包括對(duì)AGV本身的保護(hù)、對(duì)人或其他設(shè)備的保護(hù)等方面。

（8）移載裝置：與所搬運(yùn)貨物直接接觸，實(shí)現(xiàn)貨物轉(zhuǎn)載的裝置。

（9）信息傳輸與處理裝置：對(duì)AGV進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控AGV所處的地面狀態(tài)，并與地面控制站實(shí)時(shí)進(jìn)行信息傳遞。

2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從AGV的總體結(jié)構(gòu)敘述來看，AGV的控制系統(tǒng)是核心部分，采用Atmel公司的 8位系列最高配置單片機(jī)ATmega128作為控制器的處理器，其他主要模塊包括：電磁檢測模塊、電源檢測模塊、避障報(bào)警裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊及無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊（藍(lán)牙通信）部分組成?？刂颇K框架如圖2所示：

（1）ATmega128單片機(jī)：作為控制器的處理器，負(fù)責(zé)和藍(lán)牙通信模塊、檢測模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤、紅外、顯示屏等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

（2）無線通信模塊。AGV無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是AGV通信信號(hào)傳輸?shù)闹匾M成部分，由Wi-Fi、GPRS或藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)處理器與客戶端的通信連接。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。AGV驅(qū)動(dòng)模塊是通過可編碼的直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)處理器接收到客戶端傳來的指令，處理器就會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)AGV的全方位移動(dòng)。

（4） 路徑檢測及避障模塊。AGV通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)視，通過在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻、低壓電流，使導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，AGV上的感應(yīng)線圈通過對(duì)導(dǎo)航磁場強(qiáng)弱的識(shí)別和跟蹤，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。避障模塊可以判斷小車前方是否有障礙物并確定小車與障礙物之間的距離、障礙物的位置。為了確保小車在行駛過程中避免撞到障礙物，系統(tǒng)需要利用傳感器檢測出障礙物與小車之間的距離，使小車做出正確的動(dòng)作，避免與障礙物相撞。

（5） 電源模塊。 電源部分采用的是12V直流鋰電池，功率為10W。對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行分別供電。穩(wěn)壓管采用的是7805，由于GPRS對(duì)電源要求特別高，所以單獨(dú)采用一個(gè)LM2941S對(duì)其供電。

五、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)引導(dǎo)小車系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)AGV的遠(yuǎn)程控制及工作環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合運(yùn)輸機(jī)械裝置可以實(shí)現(xiàn)在特殊工作環(huán)境下的智能遠(yuǎn)程控制搬運(yùn)工作，在物流中心等一些環(huán)境較差的場所可以代替人工工作，實(shí)現(xiàn)更多的功能，為貨物搬運(yùn)工作帶來便利。

近年來AGV和AGVS技術(shù)發(fā)展很快，我國的AGV發(fā)展也已經(jīng)取得了迅速發(fā)展和可喜成就，越來越多的自動(dòng)引導(dǎo)小車在各行各業(yè)得到了應(yīng)用。AGV的出現(xiàn)和大量使用，促進(jìn)了科技和生產(chǎn)的發(fā)展，提高了生產(chǎn)率，AGV必將為將來的工業(yè)發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]于連國，李 偉，王妍瑋.基于單片機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011（4）：39-40，42.

[2]聶 茹.基于單片機(jī)的WIFI智能小車系統(tǒng)[J].微型電腦應(yīng)用，2016（10）：77-79.

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[4]姚 培，張李堅(jiān)，周晶香.基于單片機(jī)控制的智能循跡避障小車[J].機(jī)電信息，2010（12）：192-193.