基于光電感應(yīng)傳感器的AGV控制系統(tǒng)的研究與探索

李 琳

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鶴壁 458030)

0 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的縮寫，意即“自動導(dǎo)引運輸車”。AGV是裝備有自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的行駛路線，具有自我保護功能，自動準確的與裝卸機構(gòu)對接，具有各種移載功能的運輸車[1]。

第一輛AGV誕生于1953年，AGV扮演物料運輸?shù)慕巧呀?jīng)60多年。但隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展,AGV的應(yīng)用范圍也在不斷擴展,本AGV系統(tǒng)研究設(shè)計了一種基于光電感應(yīng)傳感器的無人駕駛小車系統(tǒng)方案。通過實際硬件實驗,系統(tǒng)能夠達到預(yù)期設(shè)計要求,能夠廣泛運用于工業(yè)、軍事、交通運輸、電子等領(lǐng)域,具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力,很強的抗干擾能力和目標識別能力。

AGV系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的運輸系統(tǒng)很好的解決以下幾個問題：

1) 柔韌性問題得到解決

傳統(tǒng)的磁導(dǎo)航、色帶導(dǎo)航的柔性比較差，路徑的改變需要重新鋪設(shè)磁條、粘貼色帶，人力成本就會增加，后期還需要一系列的維護費用。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了柔韌性問題，維護費用也大大降低[2]。

2) 成本預(yù)算問題得到解決

制造業(yè)的核心問題是降低成本，賺取利潤，而成本主要來自于人工、材料、制造費用。AGV控制系統(tǒng)可以很好的控制成本，使利潤最大化，因此對企業(yè)來說性價比很高。

3) 精度要求問題得到解決

高科技行業(yè)對精度要求很高，單靠人力無法與自動裝卸機構(gòu)完美對接。AGV控制系統(tǒng)很好的解決了精度問題，因此有很好的應(yīng)用前景。

1 基于光電感應(yīng)傳感器AGV的設(shè)計要求

AGV系統(tǒng)不僅為了解決柔韌性、成本、精度三個問題，同時也為了解決傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)落后的問題，設(shè)計的AGV系統(tǒng)要求實現(xiàn)以下功能：

1) AGV從流水線收到貨物(行程開關(guān)檢測)-倉庫-人工卸貨-按開始按鈕-返回到流水線等待；

2) 來回路程：90 m，時間要求130 s，兩個拐彎處；

3) 要求放二個工件，每個30 kg，共60 kg;

4) 速度、加速度等指標可以設(shè)置；

5) 充電由人工推到指定地點充；

6) 光電式檢測，地下用膠帶粘貼感應(yīng)條。

2 基于光電感應(yīng)傳感器的AGV總體設(shè)計方案

基于光電感應(yīng)傳感器的AGV總體設(shè)計方案如圖1。

圖1 AGV總體設(shè)計方案

2.1 傳感器

要想實現(xiàn)AGV的智能化，傳感器的信息傳遞至關(guān)重要，傳感器主要包括導(dǎo)向、速度和避障三種傳感器[3]。各傳感器在運行過程中執(zhí)行各自的傳感任務(wù)，其在AGV車中裝配的位置和類型如圖2所示。

圖2 AGV中傳感器的配置和類型

2.1.1 速度傳感器

在AGV整個控制系統(tǒng)中，主要測量旋轉(zhuǎn)的運動速度，如果需要測直線速度一般通過旋轉(zhuǎn)速度間接測量，輸出電壓與轉(zhuǎn)速保持線性關(guān)系。

2.1.2 導(dǎo)向傳感器

在本方案中導(dǎo)向傳感器為光電傳感器。光電傳感器把變量轉(zhuǎn)換成光信號，通過光電元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測具有速度高、抗干擾、非接觸等優(yōu)點，多參數(shù)同時測量，因其優(yōu)勢明顯，光電傳感器在自動化控制中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.3 避障傳感器

在本方案中采用紅外避障傳感器(以下簡稱紅外)。紅外具有一對收發(fā)器，發(fā)射器發(fā)射信號，當(dāng)遇到障礙物信號反射，被接收器接收，傳遞到AGV主控模塊，AGV主控模塊經(jīng)過分析處理，即可利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。該傳感器對環(huán)境光線的適應(yīng)能力比較強。

2.2 電源

電源單元實現(xiàn)5V/24V直流輸入，通過電壓轉(zhuǎn)換滿足硬件電路中所需的各級電壓需求，為AGV的各個模塊提供所需的不同電壓的電源。

2.3 在線可編程與調(diào)試接口

該接口用于網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器開發(fā)階段的編程與調(diào)試以及以后的軟件升級。

2.4 警報

在AGV運行過程中，播放音樂用于避障提示等。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計的AGV主要使用紅外線、轉(zhuǎn)速和光電傳感器?？刂葡到y(tǒng)包括AGV的速度控制、導(dǎo)向控制與避障自我保護三個部分。下面對三個控制部分及所需傳感器作簡單介紹。

3.1 速度控制

AGV運行的速度靠電機的轉(zhuǎn)速檢測結(jié)果來推算。為了確保系統(tǒng)速度的穩(wěn)定，采用電機調(diào)速控制。當(dāng)速度不可控時，PID控制技術(shù)就成為首選，通過經(jīng)驗和調(diào)試來確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，PID調(diào)節(jié)可用于直流電機控制器的算法[4]。(如圖3)。

圖3 控制原理框圖

3.2 轉(zhuǎn)向控制

工作過程中的AGV , 會因為外界的干擾產(chǎn)生運動路徑的偏離, 因此必須通過轉(zhuǎn)向控制保證運行方向的正確性。軌道檢測方法欲采用有線式導(dǎo)向方法中的光電傳感器，目前預(yù)選用FR 20 RG-PSM4。通過差速對小車進行轉(zhuǎn)向控制。通過兩個光電傳感器的監(jiān)測結(jié)果，可以對兩個直流電機進行增減速切換控制，但如果切換頻繁會導(dǎo)致單位時間內(nèi)進行糾偏轉(zhuǎn)向控制的次數(shù)和幅度過多，引起AGV擺動, 甚至轉(zhuǎn)向振蕩。因此，本設(shè)計在轉(zhuǎn)向控制當(dāng)中欲采用Fuzzy模糊控制的手法，通過對調(diào)控量與震蕩頻率的傳遞函數(shù)的學(xué)習(xí)，來生成能夠進一步保證AGV穩(wěn)定性的控制器。在轉(zhuǎn)彎處，通過光電檢測來預(yù)先進入轉(zhuǎn)向狀態(tài)，通過預(yù)測前饋控制與轉(zhuǎn)向反饋控制的結(jié)合來保證AGV按軌道轉(zhuǎn)向[5]。

3.3 定停控制

在貨物搬運過程中, AGV 應(yīng)能在所要求的工位或貨位上與裝卸機構(gòu)自動準確對接。裝配的配合精度是一項很重要的參數(shù)，而裝配精度取決于定停精度，定停精度受控于導(dǎo)向和相關(guān)控制技術(shù)。本設(shè)計當(dāng)中的定停將采用光電傳感器來檢測出停止標志，開始執(zhí)行停止命令，同時輔以轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)反饋來推測制動距離，從而完成高精度定?？刂芠6]。

3.4 避障保護

安全避障模塊用于識別障礙物并通過躲避對自身進行保護。本系統(tǒng)要求小車在距離障礙物90cm的位置開始減速或停車，躲避障礙物。前面提到的紅外傳感器作為避障傳感器，在AGV的前部和后部各安裝一個。通過電壓信號辨別距離的遠近，電壓信號輸入主控制模塊，當(dāng)檢測到距離障礙物90 cm時速度減慢同時報警，當(dāng)距離小于35 cm時小車停車。

4 主控板設(shè)計

主控板結(jié)構(gòu)如圖4所示主要由轉(zhuǎn)速傳感器接口、電機驅(qū)動接口、紅外線傳感器接口、光電傳感器接口、波形整形單元、顯示驅(qū)動單元、液晶顯示屏、音樂單元、揚聲器接口、矩陣鍵盤、鍵盤接口單元、啟動停止按鈕和微控制器(MCU)等組成[7]。

圖4 主控板結(jié)構(gòu)

◆電機驅(qū)動接口：設(shè)計中提供了四個電機驅(qū)動接口，兩個供目前使用，另外兩個供以后擴展功能使用。

◆顯示驅(qū)動單元：顯示驅(qū)動單元負責(zé)為顯示系統(tǒng)提供驅(qū)動信號。

◆液晶顯示屏：液晶顯示屏顯示人機交互的相關(guān)信息。

◆音樂單元：音樂單元負責(zé)產(chǎn)生提示音樂。

◆揚聲器接口：揚聲器接口負責(zé)連接揚聲器。

◆矩陣鍵盤：矩陣鍵盤提供0-9的數(shù)字鍵和相應(yīng)的操作按鍵，方便用戶進行參數(shù)設(shè)置等人機交互。

◆啟動/停止按鈕：啟動停止按鈕負責(zé)啟動和停止小車工作。

◆微處理器(MCU)：微控制器主要處理傳感器信號、控制算法、按鍵的信號處理等。

5 軟件體系設(shè)計

5.1 人機交互設(shè)計

人機交互的軟件部分主要負責(zé)對用戶的按鍵進行識別并作相應(yīng)的處理、同時在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的提示。在用戶進行參數(shù)設(shè)置時，可以顯示相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置菜單和參數(shù)的設(shè)置值、用戶可用上下箭頭按鍵移動、用Enter鍵進入相應(yīng)的菜單、用數(shù)字鍵設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。設(shè)置完之后可通過Menu鍵使設(shè)置的參數(shù)生效。

5.2 控制算法設(shè)計

控制算法主要根據(jù)各傳感器感知的信號采用PID控制算法，控制兩個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速以及啟動停止等工作狀態(tài)，同時在檢測到障礙物時能夠停止并進行報警。

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于光電傳感器的AGV系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過該設(shè)計實現(xiàn)相關(guān)功能。伴隨著工業(yè)4.0時代的到來，AGV行業(yè)發(fā)展前景光明，尤其是對人體有害的工作環(huán)境。AGV技術(shù)已經(jīng)滲入到我們的日常生活中，憑借其自身的優(yōu)勢，將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。