一種磁導(dǎo)航叉車(chē)式物料搬運(yùn)AGV設(shè)計(jì)

摘 要：物料搬運(yùn)自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)（AGV）是一種以微控制器為核心、車(chē)載移動(dòng)電源為動(dòng)力、自主導(dǎo)航移載貨物的輪式運(yùn)輸機(jī)器人，在運(yùn)輸中可顯著節(jié)約人力成本，提高效率。為提升生產(chǎn)車(chē)間物料運(yùn)輸自動(dòng)化程度，結(jié)合物料搬運(yùn)AGV的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種基于磁導(dǎo)航技術(shù)的叉車(chē)式物料搬運(yùn)AGV的設(shè)計(jì)方案，并從整車(chē)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航原理、控制系統(tǒng)3個(gè)維度進(jìn)行具體闡述。該種叉車(chē)式AGV以PLC主控單元為核心，可以在廠房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)避障、路徑檢測(cè)、自動(dòng)循跡等功能，這對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)車(chē)間建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AGV；叉車(chē)；磁導(dǎo)航；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0134-05

Abstract： Material handling AGV is a kind of wheeled transport robot which takes the micro-controller as the core， the vehicle mobile power supply as the power and the autonomous navigation to move goods. It can significantly save labor costs and improve efficiency in transportation. In order to improve the automation of material transportation in the production workshop， combined with the development status of material handling AGV， a design scheme of forklift material handling AGV based on magnetic navigation technology is put forward， and it is described in detail from three dimensions： vehicle structure， navigation principle and control system. This kind of forklift AGV takes the PLC main control unit as the core， and can realize the functions of obstacle avoidance， path detection and automatic tracking in the factory building， which has a certain reference value for the construction of automatic production workshop.

Keywords： AGV; forklift; magnetic navigation; structural design; control system

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)工業(yè)化發(fā)展與自動(dòng)化、智能化加速融合，智能工廠建設(shè)成為制造業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)議題。智能工廠利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、自動(dòng)控制和優(yōu)化算法等，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化。AGV（Automated Guided Vehicle）即自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)，屬于一種智能輪式運(yùn)載機(jī)器人，在智能工廠物流管理中發(fā)揮著重要作用，具有無(wú)須人工操作、自主行駛完成物料搬運(yùn)和移載等任務(wù)的優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)運(yùn)輸模式，自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)具有快速靈活、準(zhǔn)確度高、可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，極大地升高了生產(chǎn)過(guò)程的效率，因而在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的關(guān)注。

1 自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)概述

AGV是一種配備有用于引導(dǎo)的光學(xué)設(shè)備或電磁設(shè)備，具有控制系統(tǒng)與安全輔助系統(tǒng)，具備自動(dòng)化貨物移載能力的工業(yè)用運(yùn)輸小車(chē)。根據(jù)小車(chē)運(yùn)行路徑上是否有預(yù)先鋪設(shè)的軌道，可將自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)分為有軌式和無(wú)軌式2個(gè)大的類別：有軌式AGV自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛，軌道可以根據(jù)需要變更鋪設(shè)路徑，相對(duì)更易于實(shí)現(xiàn)；無(wú)軌式AGV自行規(guī)劃行進(jìn)路線，靈活性高，但技術(shù)要求和成本更高。根據(jù)小車(chē)的具體結(jié)構(gòu)功能，又可將自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸小車(chē)分為自動(dòng)搬運(yùn)型、自動(dòng)牽引型和無(wú)人叉車(chē)型3個(gè)大類（圖1）：①自動(dòng)搬運(yùn)型小車(chē)的主要功能是搬運(yùn)貨物，一般可以采用人工裝貨，待小車(chē)行駛到達(dá)目的地后再人工卸貨，也可以與外置的自動(dòng)移載機(jī)械裝置相配合完成裝卸貨過(guò)程。②自動(dòng)牽引型小車(chē)的基本原理與掛式貨車(chē)相同，即由AGV為承載貨物的平板式貨物運(yùn)輸車(chē)“帶路”，并且提供牽引動(dòng)力。③無(wú)人叉車(chē)型小車(chē)，可以將它理解為自動(dòng)化的傳統(tǒng)機(jī)械式叉車(chē)，由車(chē)載控制系統(tǒng)來(lái)控制車(chē)叉的升降，從而完成移載貨物的工作。

2 整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)車(chē)間中，工件和物料因形狀、材料、體積等因素的差異而選擇不同的運(yùn)輸方式，如長(zhǎng)大型材通過(guò)天車(chē)吊運(yùn)，集裝箱通過(guò)運(yùn)載車(chē)輛運(yùn)輸?shù)?。?duì)于中小型材或小型箱體貨物，采用無(wú)人叉車(chē)型AGV進(jìn)行運(yùn)輸可大大提升效率，節(jié)約人力，是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)“黑燈作業(yè)”中的關(guān)鍵一環(huán)。

AGV是由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其他重要零部件等組合而成的有機(jī)統(tǒng)一整體，是一種輪式的自動(dòng)移載機(jī)器人。對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)（圖2）設(shè)計(jì)做出如下概括性闡述。

車(chē)體部分：自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)的車(chē)體部分主要由底盤(pán)、車(chē)體外殼、零部件安裝支架等結(jié)構(gòu)組成，是整個(gè)AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)的外形和骨架部分，該部分不僅需要滿足小車(chē)整體的穩(wěn)定性、平衡性與強(qiáng)度要求，也應(yīng)體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)環(huán)保性的特征。4個(gè)車(chē)輪對(duì)稱分布在工字形車(chē)體的四角，驅(qū)動(dòng)方式采用后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向，前兩輪為從動(dòng)輪，可以跟隨AGV的行進(jìn)方向自由轉(zhuǎn)向。

移載與驅(qū)動(dòng)單元：采用叉車(chē)型移載裝置，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)貨叉的上升或下降，從而完成物料的裝載。本結(jié)構(gòu)與小車(chē)底盤(pán)的配合方式有前后結(jié)合與上下結(jié)合2種方案，其中前后結(jié)合即叉車(chē)架位于AGV車(chē)體前端，車(chē)叉幾乎緊貼地面且前部常常需要額外的支撐輪，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)叉車(chē)幾乎相同。驅(qū)動(dòng)單元是為小車(chē)提供動(dòng)力的關(guān)鍵部分，主要包括主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、伺服電機(jī)、蓄電池和減速器等，叉車(chē)臂升降部分以升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

整車(chē)控制系統(tǒng)：檢測(cè)與導(dǎo)航系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)單元緊密聯(lián)系，通過(guò)磁導(dǎo)航技術(shù)來(lái)控制AGV的行進(jìn)方向與行駛速度，從而使小車(chē)能夠沿著預(yù)設(shè)的軌道行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡糾偏的設(shè)計(jì)目標(biāo)；安全輔助控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)避障報(bào)警功能，還可以包括減振裝置等結(jié)構(gòu)。

AGV整車(chē)控制系統(tǒng)六大功能如圖3所示。

3 磁導(dǎo)航原理分析

3.1 自動(dòng)循跡

基于磁導(dǎo)航技術(shù)的自動(dòng)循跡通過(guò)導(dǎo)航磁條、磁導(dǎo)航傳感器、地標(biāo)傳感器和地標(biāo)磁帶等硬件（圖4）與主控單元配合實(shí)現(xiàn)。地表粘貼式的磁條在正反兩面都具備磁性，磁條反面設(shè)有強(qiáng)力雙面膠，這種磁條柔韌性佳、安裝成本低。在給定小車(chē)的計(jì)劃路徑上直接鋪設(shè)寬約50 mm，厚約1～3 mm的磁條磁帶引導(dǎo)條，作為自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)的運(yùn)行“軌道”。

當(dāng)磁導(dǎo)航傳感器經(jīng)過(guò)磁帶上方時(shí)，平均排布的每一個(gè)采樣點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出信號(hào)，磁導(dǎo)航傳感器能夠精確采集到磁帶上方十分微弱的磁場(chǎng)信號(hào)：如果相應(yīng)的采樣點(diǎn)接通，就將高電平信號(hào)輸出；如果相應(yīng)的采樣點(diǎn)未接通，就會(huì)將低電平信號(hào)輸出。電平信號(hào)傳輸至主控單元，分析判斷是否偏移預(yù)設(shè)軌道，如若偏移，則啟動(dòng)差速轉(zhuǎn)向功能調(diào)整車(chē)體。如圖5所示。

3.2 差速轉(zhuǎn)向

主控單元控制左右電機(jī)，使2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以不同或者相同的速度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)航叉車(chē)式物料搬運(yùn)AGV的轉(zhuǎn)向和直行，這里設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑為R，驅(qū)動(dòng)輪間距為L(zhǎng)，左輪速度為VL，右輪速度為VR，則AGV線速度滿足V=（VR+VL）/2。差速轉(zhuǎn)向原理如圖6所示。

當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)處于勻速圓周運(yùn)動(dòng)臨界狀態(tài)時(shí)，由滑動(dòng)摩擦力提供向心力

式中：為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，該參數(shù)反映了地面的粗糙程度。因此，最小轉(zhuǎn)彎半徑隨速度變化而變化，且與地表粗糙程度密切相關(guān)，則有

最小轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)值對(duì)于鋪設(shè)AGV運(yùn)行軌道有重要參考價(jià)值，可有效避免因?qū)嶋H轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小導(dǎo)致的卡死、脫軌等故障。如果系統(tǒng)判定AGV位置相對(duì)磁條軌道向左偏移，則啟動(dòng)右轉(zhuǎn)程序控制2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)差速旋轉(zhuǎn)，使VL>VR，直至系統(tǒng)判定AGV在預(yù)定軌道上居中運(yùn)行；如果系統(tǒng)判定AGV位置發(fā)生右偏，則啟動(dòng)左轉(zhuǎn)程序控制2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)差速旋轉(zhuǎn)，使VL<VR，直至系統(tǒng)判定AGV在預(yù)定軌道上居中運(yùn)行；如果系統(tǒng)對(duì)差速轉(zhuǎn)向模塊發(fā)送“調(diào)頭”指令，則控制單側(cè)電機(jī)停車(chē)，另一側(cè)電機(jī)運(yùn)行，直到小車(chē)旋轉(zhuǎn)180°。差速轉(zhuǎn)向控制原理見(jiàn)表1，控制程序如圖7所示。

3.3 障礙檢測(cè)

紅外避障傳感器主要工作原理是利用紅外線的特性，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行探測(cè)。在正常情況下，傳感器會(huì)向周?chē)l(fā)出紅外線信號(hào)，如果周?chē)嬖谡系K物，障礙物會(huì)反射部分紅外線信號(hào)回傳給傳感器接收管，傳感器接收到反射的信號(hào)后，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)取決于回傳的紅外線信號(hào)狀態(tài)，即信號(hào)強(qiáng)度及反射角度等。紅外避障傳感器通常通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射器和接收器之間的距離，以及通過(guò)增加或減少傳感器的發(fā)射功率來(lái)控制接收器的靈敏度和檢測(cè)范圍，以達(dá)到最佳的避障效果。

4 整車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)應(yīng)有自動(dòng)工作與手動(dòng)接管2種控制模式，本節(jié)的研究對(duì)象為自動(dòng)工作模式下的AGV整車(chē)控制系統(tǒng)。從設(shè)備的控制需求可知，系統(tǒng)共有模擬量輸入1個(gè)、模擬量輸出1個(gè)，以三菱PLC中FX2N-32MT系列作為主控單元，使用模擬特殊功能模塊FX0N-3A，具有2個(gè)輸入通道、1個(gè)輸出通道。以CA-16J為磁導(dǎo)航傳感器，具體參數(shù)見(jiàn)表2?？刂葡到y(tǒng)如圖8所示。

以PLC主控單元為核心，磁導(dǎo)航叉車(chē)式物料搬運(yùn)AGV可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電、路徑檢測(cè)、自動(dòng)循跡、差速驅(qū)動(dòng)及障礙檢測(cè)的控制功能，主要模塊接線原理如圖9所示。

在自動(dòng)工作模式下，連續(xù)的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制能夠保證AGV對(duì)設(shè)定路徑的穩(wěn)定自動(dòng)跟蹤，AGV整車(chē)控制邏輯概述如下。

開(kāi)機(jī)自檢：AGV經(jīng)人工檢查車(chē)況和系統(tǒng)初始化后開(kāi)機(jī)運(yùn)行，無(wú)線通信系統(tǒng)將從上位機(jī)加載工作任務(wù)，PLC控制機(jī)通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器定位磁條軌道，若自檢正常則啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作，否則將駐車(chē)報(bào)警等待人工排除故障。

障礙檢測(cè)：開(kāi)始運(yùn)行后將同步啟動(dòng)紅外避障傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)工作路徑前方0.5 m內(nèi)是否有障礙物，若發(fā)現(xiàn)障礙物則立即啟動(dòng)急停報(bào)警程序，PLC控制機(jī)控制左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)停車(chē)，同時(shí)報(bào)警燈閃爍、蜂鳴器鳴響報(bào)警，直至障礙物排除后重新啟動(dòng)執(zhí)行原工作任務(wù)。

磁導(dǎo)循跡：運(yùn)行中，CA-16J磁導(dǎo)航傳感器將獲取的16位數(shù)字信號(hào)傳遞給PLC控制機(jī)， PLC控制機(jī)將從傳感器上接收到的16個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，并判斷小車(chē)相對(duì)于磁帶軌道的位置，根據(jù)得出的信息來(lái)調(diào)整自身的轉(zhuǎn)向狀態(tài)。

站點(diǎn)識(shí)別：每個(gè)站點(diǎn)貼有RFID電子標(biāo)簽，AGV通過(guò)RFID地標(biāo)傳感器識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并判斷是否抵達(dá)送料目的地，若檢測(cè)到目的地對(duì)應(yīng)地標(biāo)，則下達(dá)停車(chē)指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)停車(chē)。

叉車(chē)移載：經(jīng)物料裝卸，移載任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)加載下一工作任務(wù)，重復(fù)以上過(guò)程。

由此AGV可沿磁條軌道行進(jìn)并完成預(yù)定任務(wù)，整車(chē)控制系統(tǒng)程序框圖如圖10所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)生產(chǎn)車(chē)間的自動(dòng)化需求，闡述了一種基于磁導(dǎo)航技術(shù)的叉車(chē)式物料搬運(yùn)AGV設(shè)計(jì)方案，對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁導(dǎo)航技術(shù)原理、整車(chē)控制系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究。該種物料搬運(yùn)AGV以需要中小型材運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)車(chē)間為工作背景，以PLC主控單元為核心，可以在廠房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)避障、路徑檢測(cè)、自動(dòng)循跡等功能，這對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)車(chē)間建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。市場(chǎng)需求推動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，技術(shù)進(jìn)步引領(lǐng)產(chǎn)品升級(jí)，未來(lái)的AGV或許會(huì)向著遠(yuǎn)程無(wú)線操控、擺脫固定路徑限制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和人工智能化的方向繼續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同、路徑自動(dòng)規(guī)劃、預(yù)約自動(dòng)配送、網(wǎng)絡(luò)消息提醒等先進(jìn)功能，為生產(chǎn)中解放人力、減少浪費(fèi)、提高生產(chǎn)效率及降低運(yùn)輸成本帶來(lái)更多的可能性。

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