慣性導(dǎo)航AGV小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳媛媛，張守興，陳菁

（?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院，海南?？冢?71100）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)AGV發(fā)展及其迅速，涌現(xiàn)出大量AGV廠家。目前，AGV已大規(guī)模應(yīng)用在煙草、物流、汽車、新聞等行業(yè)，其中自動(dòng)化物流和智能裝配車間應(yīng)用最為廣泛。近年來，一些新技術(shù)、新設(shè)備、新發(fā)明的出現(xiàn)，使得高級(jí)智能AGV進(jìn)入很多企業(yè)[1]。在物流倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)裝卸物流的時(shí)候，耗時(shí)長(zhǎng)、所需費(fèi)用大，為了降低成本并提高效率，自動(dòng)搬運(yùn)技術(shù)的采用勢(shì)在必行，因而慣性導(dǎo)航的發(fā)展受到越來越多的關(guān)注。AGV作為載體，配合整體物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)傳輸和運(yùn)輸，AGV慣性導(dǎo)航的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流或工廠的自動(dòng)化、智能化、信息化管理，大大提高管理效率，降低出錯(cuò)率。

我國(guó)各制造業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，自動(dòng)化生產(chǎn)也逐漸被企業(yè)重視與應(yīng)用，不斷推動(dòng)著工業(yè)4.0的發(fā)展進(jìn)程[2]。AGV技術(shù)作為工廠智能化、自動(dòng)化的重要核心組成部分，成為該行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一[3]。AGV小車具有較好的靈活性、智能化且重組方便，可滿足生產(chǎn)過程的柔性化運(yùn)輸?？晒?jié)約人工成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，滿足各行各業(yè)的發(fā)展需求[4]。目前，我國(guó)面臨著人口老齡化逐漸增加，勞動(dòng)力成本大幅攀升，產(chǎn)業(yè)工人缺乏、招工難等問題越來越多，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求空前高漲[5]。由于慣性導(dǎo)航AGV小車不受工作環(huán)境的限制，可以隨時(shí)改變路線，應(yīng)用更加靈活多變，更加被市場(chǎng)認(rèn)可。

AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車，是集光電、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)為一體的綜合性控制系統(tǒng)，具有智能化、柔性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化等特點(diǎn)[6]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主、無軌導(dǎo)航方式，通過獲取移動(dòng)載體的慣性角速度和加速度，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，計(jì)算載體的瞬時(shí)速度和位移，通過精度較高的傳感器測(cè)得小車的具體位置信息，并按照不同的參考點(diǎn)測(cè)定其具體行駛距離，并將AGV小車的具體位置信息、角速度、線速度及姿態(tài)角等參數(shù)返回給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的連續(xù)慣性導(dǎo)航[7]。無需任何導(dǎo)航臺(tái)站裝置，具有“不依賴外界信息、不向外界輻射能量、不受干擾、隱蔽性好、自主性、無源性、實(shí)時(shí)性、全參量”等特點(diǎn)。與已知的規(guī)定行駛線路進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)AGV的自動(dòng)導(dǎo)引功能。

本文研究慣性導(dǎo)航AGV小車控制系統(tǒng)，可滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)物流系統(tǒng)、生產(chǎn)車間自動(dòng)搬運(yùn)作業(yè)的高要求。為我國(guó)AGV小車導(dǎo)航技術(shù)的研究奠定一定的理論、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 AGV控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的慣性導(dǎo)航AGV小車控制系統(tǒng)由主控制模塊、車體控制模塊、導(dǎo)航模塊、電源模塊及安全輔助模塊組成。其中車體控制模塊是AGV小車的核心控制部分，由控制系統(tǒng)、操作面板、導(dǎo)航及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。通過單片機(jī)、可編程控制技術(shù)（PLC）來實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的整體控制。采用慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV小車車體位置的精準(zhǔn)測(cè)定，使其按正確的路線行駛。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用RS232接口與計(jì)算機(jī)鏈接，可實(shí)現(xiàn)AGV小車與控制中心之間信息傳輸。通過無線通信及光通信等形式使主控中心進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過操作面板實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV小車各種指令的輸入及相關(guān)信息的顯示。電源模塊采用蓄電池，通過直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及伺服電機(jī)等實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV小車的驅(qū)動(dòng)。硬件系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件的總體框圖

■1.1 主控制器的選擇

AGV小車的主控制系統(tǒng)由主控制芯片和簡(jiǎn)單外圍電路組成。本文選用STM32微控制器作為主控制模塊，來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)處理及功能指令的傳達(dá)。該模塊具有性能高、低成本、低功耗等特點(diǎn)，并且具有龐大的資源，運(yùn)算速度快，能很好地滿足AGV控制系統(tǒng)的需求。

■1.2 電源模塊

按照電路設(shè)計(jì)基本要求，在進(jìn)行電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，為避免AGV小車因地面不平、顛簸或人為操作等不可控因素導(dǎo)致出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)、雜波或瞬時(shí)電壓過大等情況，要對(duì)電源電壓進(jìn)行濾波、去耦和穩(wěn)壓等處理。同時(shí)，需引出不同電壓值輸出端子為各個(gè)模塊供電。

■1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

AGV小車電機(jī)的選擇要考慮啟動(dòng)性好，通用性較強(qiáng)的電機(jī)。本文選用的無刷直流電機(jī)具有較好的啟動(dòng)特性及調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩比交流電機(jī)大且通用性較強(qiáng)便于維修。步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，且具有優(yōu)異的伺服特性，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器要求脈沖信號(hào)一般為TTL電平兼容的方波信號(hào)。本文采用THB6128作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有高電壓、高電流、低電阻，雙路全橋MOSFET式驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足AGV小車的工作需求。

■1.4 傳感器導(dǎo)航模塊

AGV小車在工作過程中，通過傳感器導(dǎo)航模塊對(duì)其實(shí)際位置定位、運(yùn)行速度、角速度及姿態(tài)信息等數(shù)據(jù)的獲取，同時(shí)也將小車實(shí)際外界信息傳送給主控中心。本文采用ADIS16445慣性傳感器同時(shí)加入一個(gè)輔助糾正誤差的輔助傳感器YF-9016，實(shí)現(xiàn)AGV小車的慣性自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)和定位功能。具有較高的精度和穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗干擾能力，體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2 AGV控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)的采集處理以及AGV小車的運(yùn)動(dòng)控制。本文軟件系統(tǒng)主要包括：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、安全避障模塊、通訊模塊、人機(jī)接口模塊、視覺導(dǎo)引模塊和遠(yuǎn)程控制模塊等。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

搭建好系統(tǒng)硬件平臺(tái)后，按照軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將慣性導(dǎo)航傳感器模塊與單片機(jī)連接調(diào)試后測(cè)試結(jié)果如下：

（1）順向轉(zhuǎn)彎測(cè)試。按照設(shè)計(jì)的順向連續(xù)轉(zhuǎn)彎路徑測(cè)試，重復(fù)100次×7天測(cè)試，測(cè)試期間小車未出軌道，正常；（2）非順向轉(zhuǎn)彎測(cè)試。按照設(shè)計(jì)的非順向連續(xù)轉(zhuǎn)彎（S彎）路徑測(cè)試，重復(fù)100次×7天測(cè)試，測(cè)試期間小車未出軌道，正常；（3）單一站點(diǎn)正向?qū)訙y(cè)試。按照設(shè)計(jì)的單一站點(diǎn)正向?qū)拥穆窂綔y(cè)試，小車正常運(yùn)行，橫向偏移度在±15 mm以內(nèi)，縱向偏移度在±10 mm以內(nèi)；（4）連續(xù)站點(diǎn)正向?qū)訙y(cè)試。按照設(shè)計(jì)的路徑測(cè)試要求，AGV小車在與同一直線上的連續(xù)多個(gè)對(duì)接工位進(jìn)行對(duì)接，行駛路段長(zhǎng)度大于25M，直線行駛時(shí)分別設(shè)定15、25、30、40（m/min）4種速度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，小車在行駛速度為25 m/min時(shí)為最優(yōu)速度，車體中心最大擺動(dòng)幅度不超過±50 mm。

4 結(jié)論

本文研究一種基于慣性導(dǎo)航AGV小車的控制系統(tǒng)，結(jié)合視覺導(dǎo)引模塊，按照設(shè)計(jì)的研究測(cè)試路線，最終實(shí)現(xiàn)AGV小車在給定初試條件后，無需外部參照就可以確定物體的位置、方向，同時(shí)能不斷測(cè)量位置變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)定位。