基于智能控制器的AGV集成控制與智能化研究

高 飛

（承德市交通運(yùn)輸局通信管理處，河北承德 067070）

0 引言

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)引導(dǎo)車）作為一種具備自動(dòng)化無人駕駛特征的智能化搬運(yùn)設(shè)備，屬于一種移動(dòng)式機(jī)器人[1]，能夠按照預(yù)設(shè)的路徑行駛，并配合載物臺(tái)完成物料搬運(yùn)工作及裝配。AGV具備工作靈活、高效、智能化等顯著特點(diǎn)，非常便于生產(chǎn)制造系統(tǒng)的柔性重組，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程物料的柔性化搬運(yùn)，已成為智能制造及現(xiàn)代物流自動(dòng)化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一[2]。它以電池為動(dòng)力，以工業(yè)控制器或工控機(jī)為核心進(jìn)行自主式導(dǎo)引，并可根據(jù)實(shí)際需要配備不同的移載機(jī)構(gòu)，以完成相應(yīng)的操作任務(wù)[3]，AGV屬于典型的輪式智能AGV范疇，智能AGV根據(jù)移動(dòng)方式的不同，可分為足式移動(dòng)、輪式移動(dòng)、履帶式移動(dòng)、爬行及蛇形移動(dòng)等5大類[4]。

隨著智能制造及工業(yè)4.0的發(fā)展，AGV作為聯(lián)系和調(diào)節(jié)離散型物料管理系統(tǒng)使其作業(yè)連續(xù)化的必要自動(dòng)化搬運(yùn)裝卸設(shè)備，其應(yīng)用范圍和技術(shù)水平得到了迅猛的發(fā)展[5]。AGV將朝著3個(gè)方向發(fā)展：淤智能化。AGV通過搭載智能控制系統(tǒng)，強(qiáng)化AGV的智能運(yùn)算功能，使之能夠與企業(yè)的各類信息系統(tǒng)，如MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）、智能倉儲(chǔ)、PLS（Production Line System，生產(chǎn)線系統(tǒng)）等實(shí)現(xiàn)無縫融合，打造全柔性、高度自動(dòng)化的現(xiàn)代化企業(yè)制造加工及物流系統(tǒng)[6]。于集成化。AGV作為智能AGV的一個(gè)分支領(lǐng)域，未來發(fā)展應(yīng)進(jìn)行集成化，利用AGV移動(dòng)的優(yōu)勢，搭載各類機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)、零部件裝配甚至柔性制造加工單元[7]。AGV控制系統(tǒng)向開放型控制器方向發(fā)展[8]，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，系統(tǒng)集成度提高，提高兼容性、擴(kuò)展性和操作性。同時(shí)，AGV小車的智能傳感器集成開發(fā)將所有突破，除采集位置、速度、加速度等傳統(tǒng)信息，還應(yīng)用機(jī)器視覺、力反饋等多傳感器的融合技術(shù)來決策控制[9]。盂重載化，AGV目前主要應(yīng)用定位于市內(nèi)，而室外AGV技術(shù)一直是應(yīng)用的難點(diǎn)，比如港口自動(dòng)智能碼頭，不但需要AGV在比較惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行，還需要滿足搬運(yùn)60 t集裝箱的需求[10]。

本文針對(duì)未來AGV控制器的集成化和智能化發(fā)展趨勢，開發(fā)專用于兩輪差速驅(qū)動(dòng)AGV的開放式集成控制器。核心芯片采用三星公司基于ARM Cortex-A9內(nèi)核設(shè)計(jì)的S5P4418，主頻1.4 GHz。控制器集成了伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制接口、慣性導(dǎo)航、編碼器、串口、以太網(wǎng)（含無線）、藍(lán)牙、I/O，ADC（Analog-to-Digital Converter，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換引腳）、串口及視覺傳感器等各類外圍控制與通信接口，實(shí)現(xiàn)了一塊智能控制硬件集成AGV控制器所需的全部功能。同時(shí)為降低各種智能算法和數(shù)據(jù)交互接口的開發(fā)難度，移植了嵌入式linux操作系統(tǒng)，便于快速開發(fā)各類AGV集成控制系統(tǒng)。

1 智能AGV控制器硬件架構(gòu)與設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，AGV的智能性不斷提高，對(duì)其控制系統(tǒng)的要求也越來越高。傳統(tǒng)AGV的控制系統(tǒng)通常以80C51，AVR（單片機(jī)類型）等單片機(jī)或PLC為核心構(gòu)成，其具有處理能力及外設(shè)支持類型有限、難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法等缺陷[11]。集成控制器核心芯片采用三星公司基于ARM Cortex-A9內(nèi)核設(shè)計(jì)的S5P4418，主頻1.4 GHz，主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算、通信控制等[12]。根據(jù)AGV的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)智能AGV硬件組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 AGV硬件組成架構(gòu)

智能AGV車體搭載36V蓄電池組，具有較高的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性；采用雙電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)形式，提高靈活性，降低對(duì)環(huán)境的范圍要求；采用TCP/IP通信方式[13]，通過有線或無線網(wǎng)的方式與外界上位機(jī)組成局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)及指令交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。智能AGV控制器獲取慣性導(dǎo)航及攝像頭圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合編碼器輪速信息計(jì)算后，對(duì)AGV進(jìn)行橫、縱向及角度控制。同時(shí)，智能AGV通過光電傳感器[14]與行程開關(guān)[15]感知環(huán)境，能夠進(jìn)行有效避障。蓄電池組裝有霍爾電壓傳感器，使得智能AGV能夠獲得自身電量信息，在低電量時(shí)自動(dòng)回充。

綜合AGV硬件組成架構(gòu)，考慮一定的設(shè)計(jì)冗余，集成控制器包含以下硬件及接口資源：6個(gè)光電傳感器，12 V供電；6個(gè)行程開關(guān)傳感器，5 V供電；2個(gè)慣性導(dǎo)航傳感器，5 V供電；2個(gè)輪速光電編碼器，12 V供電；2個(gè)攝像頭（視覺傳感器接口），12 V供電；3路伺服電機(jī)控制接口，兼容市面上大部分伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；10 M/100 M以太網(wǎng)（含無線）；6路模擬電壓讀取接口。集成控制器硬件資源及接口如圖2所示。

圖2 集成控制器硬件資源及接口

2 AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

首先對(duì)AGV及其工作環(huán)境進(jìn)行假設(shè)：行駛路面為一平面，且在行駛過程中車輪及車體不發(fā)生形變；兩驅(qū)動(dòng)輪作純滾動(dòng)，橫縱向均不發(fā)生側(cè)滑、偏移；在負(fù)載和空載兩種情況下車體的輪距、軸距等機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)均不發(fā)生變化。

AGV在行駛過程中的位姿是對(duì)AGV進(jìn)行控制的基礎(chǔ)，位姿是指在絕對(duì)坐標(biāo)系中智能AGV的位置和姿態(tài)。智能AGV的位姿信息用位姿矩陣P=[x，y，茲]T表示，其中x表示AGV相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)X軸方向的距離，y表示AGV相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)Y軸方向的距離，茲表示左右車輪連線的中垂線與Y軸的夾角，如圖 3所示，其中，R，Rl和 Rr分別代表AGV中線、左輪和右輪到路徑軌跡圓心的距離。

圖3 AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)示意

本文研究的是差速輪式AGV，從運(yùn)動(dòng)特性分析建立位姿矩陣與左右輪速度間的關(guān)系。建立準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是進(jìn)行導(dǎo)航控制算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的智能AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，假設(shè)t時(shí)刻AGV差速運(yùn)動(dòng)，右輪速度vr約左輪速度vl，左右輪的行駛軌跡均為圓弧，AGV右轉(zhuǎn)，質(zhì)心速度為v，在駐T時(shí)間間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)過角度駐茲為：

式中，D為兩輪間距，R為行駛路徑軌跡圓半徑。

AGV在X，Y方向的速度分量以及駐T時(shí)間間隔內(nèi)橫擺加速度（定義逆時(shí)針方向?yàn)檎较颍椋?/p>

規(guī)定初始位姿 P=[x，y，茲]T=P=[x0，y0，茲0]T，得到任意時(shí)刻位姿矩陣與左右輪速間的關(guān)系。

3 導(dǎo)航控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

3.1 慣性、視覺聯(lián)合導(dǎo)航方法設(shè)計(jì)

在智能AGV的行駛路徑中每隔特定距離駐d處放置一個(gè)帶有位置信息的二維碼，構(gòu)建導(dǎo)航柵格地圖，視覺傳感器對(duì)二維碼進(jìn)行掃描并提取出二維碼中的位置信息以及在此時(shí)智能AGV相對(duì)于該位置的縱、側(cè)向及角度偏差。利用離散的二維碼位置信息消除慣性導(dǎo)航[16]的積累誤差。圖4所示二維碼經(jīng)過掃描后獲取的信息為0010001100500060003，圖 5為對(duì)二維碼信息的解讀。

3.2 控制方法設(shè)計(jì)

圖4 輔助導(dǎo)航用二維碼

圖5 二維碼信息解讀

結(jié)合AGV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過縱向偏差控制得出控制速度vc，側(cè)向偏差控制得出期望橫擺角速度棕r，進(jìn)一步計(jì)算得到AGV左右輪控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，如圖6所示。

圖6 智能AGV速度控制流程

AGV的側(cè)向偏差控制采用PID控制算法，通過對(duì)兩輪差速驅(qū)動(dòng)以達(dá)到對(duì)車體橫擺狀態(tài)的控制。對(duì)AGV的縱向偏差采用一個(gè)閉環(huán)的控制回路進(jìn)行控制，使AGV在起步和停止時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)平滑的加減速過程，根據(jù)當(dāng)前速度、目標(biāo)速度以及縱向偏差距離來實(shí)時(shí)計(jì)算其在當(dāng)前速度情況下縱向偏差距離內(nèi)達(dá)到目標(biāo)速度所需加速度大小，以該加速度大小為依據(jù)對(duì)速度進(jìn)行控制。

在當(dāng)前狀態(tài)下（當(dāng)前速度和當(dāng)前縱向偏差）達(dá)到目標(biāo)速度所需加速度為：

其中，vp為智能AGV的當(dāng)前速度，vt為智能AGV的目標(biāo)速度，Dl0為縱向偏差距離。計(jì)算得到ad后將其與最大加速度amax、安全系數(shù)濁和最大加速度amax的乘積進(jìn)行比較，得出在各種情況下的控制速度vc。

如圖7所示，0～t1時(shí)，以最大加速度進(jìn)行加速行駛，t1～t2時(shí)為勻速行駛，t2～t3時(shí)以最大加速度進(jìn)行減速行駛，在t3時(shí)刻速度減為vs時(shí)，保持勻速行駛，當(dāng)視覺傳感器采集到二維碼數(shù)據(jù)時(shí)（t4）進(jìn)行減速直到停止（t5），縱向偏差控制過程充分體現(xiàn)了復(fù)合導(dǎo)航的思想，兩種導(dǎo)航方式進(jìn)行切換，使控制更加精確。

4 導(dǎo)航控制算法仿真及實(shí)車試驗(yàn)

將上述設(shè)計(jì)的導(dǎo)航控制算法在Matlab/Simulink中建立運(yùn)動(dòng)仿真模型，進(jìn)行仿真。并將導(dǎo)航控制算法移植至智能AGV控制器，在搭建好的智能AGV測試平臺(tái)（圖8）上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，智能AGV的基本參數(shù)信息見表1。

圖7 縱向控制方法效果

表1 智能AGV的基本參數(shù)

在仿真時(shí)和試驗(yàn)時(shí)設(shè)定相同的初始偏差，圖9和圖10分別為直線、圓弧形式的仿真及試驗(yàn)軌跡曲線。綜合圖9和圖10可知，試驗(yàn)與仿真的誤差控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，導(dǎo)航控制算法移植到智能AGV集成控制器能夠很好的達(dá)到預(yù)期的控制效果。在直線行駛過程中智能AGV會(huì)根據(jù)給定的初始偏差進(jìn)行調(diào)整，最終將誤差控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，效果明顯，車身的抖動(dòng)小，調(diào)整平緩，可靠。在進(jìn)行圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，行駛一個(gè)圓圈后智能AGV能夠回到起始點(diǎn)位置，這也是高精度控制的直接體現(xiàn)。

圖8 智能AGV測試平臺(tái)

5 結(jié)論

針對(duì)未來AGV將朝著“智能化、集成化、重載化和模塊化”方向發(fā)展的趨勢，研究設(shè)計(jì)基于ARM Cortex-A9處理器的AGV集成控制器，不僅提高了AGV控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可靠性，降低了AGV控制器的設(shè)計(jì)成本，還大幅提高了AGV的集成化和智能化水平。本文設(shè)計(jì)的集成控制器能在高速移動(dòng)中快速做出各類控制參數(shù)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)縱向控制誤差10 mm，側(cè)向誤差8 mm，角度偏差1°，為研究設(shè)計(jì)高集成度和智能化AGV提供了較好的工程技術(shù)支撐。

圖9 直線、圓弧行駛仿真

圖10 試驗(yàn)軌跡曲線