差速輪自動引導(dǎo)運輸車運動底盤設(shè)計與控制

胡振

摘要： 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)智能化水平的日益提高以及AGV應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴(kuò)大和普及，AGV在工業(yè)領(lǐng)域中的需求越來越多。本文以發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)實際需求為引導(dǎo)，介紹了磁導(dǎo)航兩輪差速式AGV底盤的設(shè)計過程，設(shè)計過程以科學(xué)計算及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為原則，并加以多年AGV行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗為輔助，此車設(shè)計完成后得到了成功的應(yīng)用。

Abstract： With the increasing level of intelligence in China's industrial production and the continuous expansion and popularization of AGV applications， AGVs are in increasing demand in the industrial field. Guided by the actual needs of engine manufacturers， this article introduces the design process of the magnetic navigation two-wheel differential AGV chassis. The design process is based on the principles of scientific calculation and industry standards， and with the assistance of many years of AGV industry design experience， the design of this vehicle is completed， and has a successful application.

關(guān)鍵詞： 自動運輸車;磁導(dǎo)航;兩輪差速;西門子PLC;運動控制

Key words： automatic transport vehicle;magnetic navigation;two-wheel differential;Siemens PLC;motion control

中圖分類號：U469.6+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0020-02

1? 自動運輸車簡介

1.1 自動運輸車（AGV）簡介? AGV（Automatic Guided Vehicle）屬于輪式移動機(jī)器人，具有多種機(jī)器人單元技術(shù)，如智能移動機(jī)器人涉及到的環(huán)境感知、導(dǎo)航與定位，路徑規(guī)劃、運動控制等技術(shù)，均在AGV中得到應(yīng)用，所以也稱它為“搬運機(jī)器人”“無人智能導(dǎo)航車”。隨著AGV智能化水平的日益提高以及AGV應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴(kuò)大和普及，AGV有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

1.2 自動運輸車（AGV）分類及組成? AGV按其導(dǎo)引方式的不同可分為兩大類：固定路徑導(dǎo)引方式和自由路徑（無固定路徑）導(dǎo)引方式。固定路徑導(dǎo)引方式是在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AGV通過檢測出它的信息而得到導(dǎo)引;自由路徑（無固定路徑）導(dǎo)引方式是指AGV上儲存著布局上的尺寸坐標(biāo)，通過識別車體當(dāng)前方位，自主地決定路徑面的行駛，如行駛路徑軌跡推算導(dǎo)向法導(dǎo)引、慣性導(dǎo)航導(dǎo)引、環(huán)境映射法導(dǎo)引等。一臺自動運輸車（AGV）的運動地盤通常包括電池單元，控制單元，導(dǎo)航單元，安全保障單元，動力單元等部分組成。

2? 差速輪驅(qū)動形式AGV運動底盤機(jī)械設(shè)計

本文以已知預(yù)定方案為基礎(chǔ)，逐步介紹自動運輸車差速輪運動底盤設(shè)計的全過程，包括機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計兩大主要部分。已知方案需求如下：某汽車發(fā)動機(jī)裝配車間，需求一臺轉(zhuǎn)運用AGV，用以搬運發(fā)動機(jī)半成品至各個工序并進(jìn)行抽檢，入庫等操作。要求外形尺寸為L1200*W900*H800mm（以內(nèi)），導(dǎo)航形式為差速輪，通訊形式為WIFI，載重≤500kg，爬坡能力<3°，行駛速度≤30m/min，定位精度為10mm，續(xù)航能力6-8小時，運行方向為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

2.1 驅(qū)動方式的選擇

2.1.1 AGV按轉(zhuǎn)向方式? 舵機(jī)轉(zhuǎn)向式舵機(jī)轉(zhuǎn)向式中，一般使用舵機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）作為轉(zhuǎn)向控制電機(jī)，舵機(jī)上裝有減速機(jī)，減速機(jī)連接轉(zhuǎn)向鉸軸，鉸軸另一端連接轉(zhuǎn)向輪，這樣即實現(xiàn)了舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的目的。有時，可不設(shè)置轉(zhuǎn)向輪，而將驅(qū)動輪固定在一盤系上，舵機(jī)帶動盤系轉(zhuǎn)動，也可實現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)向。另外一種方式是差速轉(zhuǎn)向式，一般用于需要前后雙方向運動的情況中。此時，沒有單獨舵機(jī)或其他形式的電機(jī)用于控制方向。兩個驅(qū)動輪上分別裝有一臺驅(qū)動電機(jī)，當(dāng)兩臺驅(qū)動電機(jī)速度相同時，AGV保持直線行駛，當(dāng)兩臺電機(jī)速度不同時，即存在差速，AGV實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2.1.2 AGV輪系種類? AGV按輪系分，常分為：三輪式、四輪式、六輪式等。三輪式AGV輪系結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足一般常規(guī)性運行。四輪式分析較復(fù)雜，主要問題在于輪系于地面接觸上，但四輪式承載能力強(qiáng)，運用也較廣泛。六輪式與四輪式基本情況類似，也是用于高承載低速度的情況下，其運行較為平穩(wěn)，分析方法同四輪式相近。

2.2 底盤形式選擇? 方案分析，根據(jù)AGV尺寸和載重要求，主要考慮車體高度和制造成本，本方案計劃采用差速輪形式底盤，差速輪為主動力單元，負(fù)責(zé)為整車提供動力，前后輔助輪作用為提供支撐。具有如下優(yōu)點：如使底盤沿驅(qū)動輪輪軸中線前后對稱，運行平穩(wěn)可靠;差速驅(qū)動對實現(xiàn)雙向運行較為簡便，相比較其它的方法，減少了電機(jī)數(shù)量，節(jié)約了設(shè)計和生產(chǎn)的成本;差速驅(qū)動的雙電機(jī)驅(qū)動方式，有效提高了電機(jī)的使用效率，使電機(jī)提供的能量均作為動力，增強(qiáng)了小車的驅(qū)動力，適合需要小型重載AGV的場所[3]。

2.3 電機(jī)及減速機(jī)選擇

2.3.1 參數(shù)計算? 已知負(fù)載重量（m1）500kg，車身重量（m2）500kg，輪徑（D）200mm，驅(qū)動輪數(shù)量（j）2個，最大爬坡角度（α）3°，電機(jī)轉(zhuǎn)速（n）3000rmp，減速機(jī)減速比（i）50，聚氨酯輪和地面滾動摩擦系數(shù)（μ）取值0.04，電機(jī)選取安全系數(shù)（k）1.3;①計算底盤負(fù)載運行時整體重量（m）：m=m1+m2=1000kg;②坡面總的牽引力（f）：坡面總的牽引力為重力在坡度方向的分力（f1）與摩擦力（f2）之和，即f=f1+f2=mg*sinα+μmg*cosα=904N;③每個輪牽引力分力（f輪）：f輪=f/2=452N;④AGV的線速度（v）：v=πDn=37.7m/min;⑤減速機(jī)輸出端扭矩（M）：M=f輪*（D/2/1000）=45.2N*m;⑥電機(jī)輸出扭矩（M電）：M電=M/i=0.904N*m;⑦電機(jī)額定扭矩參考值（M額）：M額=M電*k=1.176N*m。

2.3.2 電機(jī)及減速機(jī)選取? 目前差速輪式AGV底盤驅(qū)動電機(jī)通常選取直流無刷電機(jī)或直流伺服電機(jī)兩種，隨著國產(chǎn)伺服電機(jī)的發(fā)展，目前市面上的優(yōu)質(zhì)伺服電機(jī)價格區(qū)間出現(xiàn)了較大的降幅，并且伺服電機(jī)具備精度高、轉(zhuǎn)速高、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高、及時性好、舒適性好等特點。因此，國產(chǎn)直流供電伺服電機(jī)成為了本項目的選擇方案。根據(jù)廠家提供的電機(jī)選型樣本，選取電機(jī)型號為SMC60S-0040-30MAK-3DSU，額定扭矩1.27N·m可以滿足2.3.1中的要求?？紤]底盤寬度和伺服電機(jī)的長度，為節(jié)省AGV寬度方向空間，本方案選取L型減速機(jī)，減速比選取1：50，根據(jù)減速機(jī)輸出端扭矩計算結(jié)果，選取減速機(jī)型號為：TAD090L2-50-P2-OP2-14-42-50-70-M5 i3，保證減速機(jī)輸出端扭矩能滿足2.3.1中的要求。

3? AGV底盤運動控制設(shè)計

3.1 電氣件選擇? 主要電氣件清單見表1。

3.2 繪制電氣原理圖及編寫控制程序? 本項目電氣圖紙繪制軟件為EPLAN Electric P8 2.7（X64），編程軟件為TIA_V16。

3.3 供電單元設(shè)計? 供電電源為48V40AH磷酸鐵鋰電池。供電電路設(shè)計思路為，電池放電端接到48V端子臺，從端子臺出來三路分回路，分別對應(yīng)穩(wěn)壓電源供電、左輪伺服驅(qū)動供電和右側(cè)伺服驅(qū)動供電，每一處回路增加電路安全保護(hù)設(shè)備，保護(hù)設(shè)備額定電流值大于回路電流額定值的1.25倍。為電池設(shè)計好電量反饋和手動充電回路。其中手動充電回路直接由電池充電端接到充電插座上，充電插座安裝到車體上以方便充電。電量反饋端為模擬量通訊直接接到PLC上。

3.4 控制單元設(shè)計? S7-1200控制器是西門子近些年新推出產(chǎn)品的核心， SIMATIC S7-1200控制器實現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計，可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計，可實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及一整套強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，使該控制器成為完整、全面的自動化解決方案的重要組成部分。通過分析能夠勝任本項目的所有需求。

3.5 傳感器接線設(shè)計及獲取磁條位置? 磁導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取通訊模塊分為兩部分，其中SEND_PTP模塊負(fù)責(zé)向磁導(dǎo)航傳感器發(fā)送獲取位置信息請求，數(shù)據(jù)信息儲存在數(shù)據(jù)塊DB2中共8個字節(jié);功能塊RCV_PTP用于接收磁導(dǎo)航反饋的位置信息，并將數(shù)據(jù)信息儲存在數(shù)據(jù)塊DB2中，共16個字節(jié)。

3.6 伺服電機(jī)輸出控制? 伺服驅(qū)動控制可以有多種方案，如RS232或RS485、CAN總線等，本項目選用的控制方案為脈沖控制，脈沖控制有如下優(yōu)點，可靠性高，信號抗干擾性能好，對于本項目成本低，不用增加額外的控制模塊。電機(jī)速度控制模塊可以通過Velocity參數(shù)的賦值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服驅(qū)動，進(jìn)而實現(xiàn)對伺服電機(jī)的差速控制。

3.7 底盤速度控制程序舉例? 控制程序總體思路如下：首先通過磁導(dǎo)航傳感器獲取AGV相對于磁條的位置，通過位置信息判斷AGV是否偏離磁條中心區(qū)域，如果偏離需要對AGV的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使AGV重新回到磁條中心區(qū)域位置運行。通過調(diào)整兩輪的差速值使車快速回歸軌道中心區(qū)域，如左輪速度大于右輪，則AGV會向右側(cè)轉(zhuǎn)彎。本文通過建立差速值與速度、偏離量等因素的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)了對車輛的精確控制。如示例程序，參數(shù)介紹，“EMG”急停信號;“Auto_PB”手動自動狀態(tài)信號;“RM_Vel_ModifyValue”車輪速度調(diào)整值;“RM1_Base_Speed”輪1基礎(chǔ)速度;“RM2_Base_Speed”輪2基礎(chǔ)速度;“RM1_Auto_Velocity”輪1實際輸出速度;“RM2_Auto_Velocity”輪2實際輸出速度;“AQ_i、AR_i”為安全系數(shù);“RM_Differential_TRight”輪需要向右調(diào)節(jié)信號，“RM_Differential_TLeft”輪需要向左調(diào)節(jié)信號。

IF "EMG" AND "Auto_PB" AND （"RM_Vel_ModifyValue"<="RM1_Base_Speed"） AND （"RM_Vel_ModifyValue" <= "RM2_Base_Speed"） THEN

IF? "RM_Differential_TRight"? THEN

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed" - "RM_Vel_ModifyValue"） * "AQ_i" * "AR_i";

ELSIF? "RM_Differential_TLeft"? THEN

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed" - "RM_Vel_ModifyValue"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

ELSE

"RM1_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM1_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

"RM2_Auto_Velocity" ：= DINT_TO_LREAL（"RM2_Base_Speed"） * "AQ_i" * "AR_i";

END_IF;

END_IF;

程序解析，當(dāng)滿足急停和手動自動狀態(tài)等基礎(chǔ)條件時，開始對兩輪速度進(jìn)行調(diào)整，輪基礎(chǔ)速度由系統(tǒng)給定，當(dāng)AGV偏向磁條左側(cè)時，通過減少右側(cè)輪的實際速度就可以實現(xiàn)對AGV的矯正，當(dāng)AGV偏向磁條右側(cè)時，通過減少左側(cè)輪的實際速度就可以實現(xiàn)對AGV的矯正;“AQ_i、AR_i”為安全系數(shù)，當(dāng)觸發(fā)某一安全條件時，可直接將安全系數(shù)變?yōu)?，這樣就可以使車實際輸出速度為0，同時還會配合急停等多種保護(hù)，確保AGV停止運行。

4? 總結(jié)

以市場實際項目需求為指導(dǎo)，本文設(shè)計了AGV的整體運動底盤方案，包括：驅(qū)動方式的選擇，底盤形式的選擇，電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)計算及型號選擇，減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計，車體底盤整體三維模型的設(shè)計，運動控制電氣件的選擇，電氣原理圖的繪制，運動控制程序的編寫。

參考文獻(xiàn)：

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