停車AGV 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

馬立超

（上海羿弓精密科技有限公司，上海200232）

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提升，我國車輛保有量大幅度上升，“停車難”是城市發(fā)展一直以來的重點(diǎn)問題，在醫(yī)院、商場和機(jī)場等區(qū)域都面臨用戶找車位難、停車效率低、車位數(shù)量少等問題[1]。停車機(jī)器人是一種在無人停車庫中進(jìn)行車輛搬運(yùn)的重載AGV（Automated Guide Vehicle），可以按照設(shè)定的路線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車的功能?，F(xiàn)有的智能停車庫中的停車機(jī)器人多數(shù)為有軌運(yùn)行，結(jié)合橫移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)汽車的搬運(yùn)，運(yùn)行方式單一，自由度差[2]。

圖1 為本文設(shè)計(jì)的停車機(jī)器人的工作模式。每次搬運(yùn)需要兩臺(tái)AGV 協(xié)作完成，主從兩臺(tái)AGV 依據(jù)激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別車輪的位置進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)行位置的微調(diào)直至車輪對(duì)準(zhǔn)左右兩側(cè)抱臂的中心點(diǎn)，由液壓驅(qū)動(dòng)四個(gè)抱臂夾持輪胎底部，最后液壓懸掛系統(tǒng)整體抬升，使得汽車輪胎離開地面。每個(gè)AGV 由四個(gè)差速舵輪控制全向移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、斜移、自轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)模式[3]。

圖1 停車機(jī)器人的工作方式

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 為AGV 的液壓系統(tǒng)示意圖，頂升01~04 液壓缸負(fù)責(zé)AGV 四個(gè)輪組的液壓抬升與下降，其中頂升03 和頂升04 并聯(lián)與另外兩個(gè)液壓缸共同構(gòu)成整車的液壓懸掛系統(tǒng)，可以適應(yīng)地面的不平整性。無論當(dāng)AGV 運(yùn)行在抬升狀態(tài)或是降低狀態(tài)時(shí)，液壓缸都不運(yùn)行到極限位置，留出5mm 的余量作為適應(yīng)地面不平整性的補(bǔ)償量。所設(shè)計(jì)的液壓缸全行程為40mm，因此當(dāng)AGV 運(yùn)行在降低狀態(tài)時(shí)，控制液壓缸運(yùn)動(dòng)到5mm 行程的位置；當(dāng)AGV 運(yùn)行在抬升狀態(tài)時(shí)，控制液壓缸運(yùn)動(dòng)到35mm 行程的位置。液壓缸的行程可通過超聲波傳感器獲得。左01 和02 液壓缸負(fù)責(zé)左側(cè)抱臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，右01 和02 液壓缸負(fù)責(zé)右側(cè)抱臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖2 停車機(jī)器人液壓回路

如表1 所示，相關(guān)數(shù)據(jù)為液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)?？梢钥闯?，決定系統(tǒng)流量的為液壓閥，因此液壓缸的動(dòng)作時(shí)間（s）為：

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

V/（Qvalve/n）×60，

式中，V-對(duì)應(yīng)液壓缸容積，Qvalve-液壓閥最大流量，n-一個(gè)液壓閥控制的液壓缸數(shù)量。

升降運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)液壓閥對(duì)應(yīng)1 個(gè)液壓缸；伸縮運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)液壓閥對(duì)應(yīng)2 個(gè)液壓缸。因此，抬升時(shí)間為6s，下降時(shí)間為4.2s，抱臂伸開時(shí)間為18.24s，抱臂收回時(shí)間為11.64s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 為停車機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪組機(jī)械結(jié)構(gòu)，每個(gè)停車機(jī)器人有四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組，整個(gè)AGV 包括AGV 抬起汽車的重量通過驅(qū)動(dòng)支撐框架加載在液壓缸上。圖3（a）為整車降低狀態(tài)，當(dāng)AGV 潛伏入汽車底盤的時(shí)候，系統(tǒng)工作在降低狀態(tài)；圖3（b）圖為整車抬升狀態(tài)，當(dāng)AGV 抬起汽車時(shí)由泵電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵驅(qū)動(dòng)液壓缸頂桿向上抬升，直至抬升至預(yù)設(shè)位置。而液壓缸的運(yùn)動(dòng)行程由超聲波傳感器間接測(cè)量得到。

圖3 停車機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪組

由圖3 可知，當(dāng)AGV 處于降級(jí)狀態(tài)時(shí)，超聲波傳感器測(cè)得與驅(qū)動(dòng)支撐的距離為H0——理論值52.5mm；抬升時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通過控制邏輯使得頂桿上升30mm，使得超聲波傳感器與驅(qū)動(dòng)支撐的距離達(dá)到H1——理論值82.5mm。

所選用的超聲波傳感器能夠?qū)?0~250mm 的距離信息轉(zhuǎn)換為4~20mA 的電流信號(hào)輸出，選擇249Ω 的采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳入ADC 采集引腳。因此，高度數(shù)據(jù)與電壓信號(hào)的換算關(guān)系為：

式中，H-超聲波測(cè)得的高度，V-電壓幅值，Rsample-采樣電阻的值。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 為本文電氣系統(tǒng)的框圖。主控芯片選擇ST 公司的STM32F407 芯片，主頻最高可達(dá)168MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇TI 的ADS8688 芯片，采樣電壓范圍±10V、分辨率16 位，最高采樣頻率可達(dá)500K，通過SPI 總線與主控芯片通信。泵電機(jī)為Kinco 的1kW 伺服電機(jī)，額定扭矩3.18Nm，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，通過Can 總線與主控芯片通信。超聲波傳感器為Pepperl+Fuchs 的UC250，測(cè)量范圍250mm，死區(qū)范圍20mm，測(cè)量精度0.1%FS。由GPIO 驅(qū)動(dòng)MOSFET，從而控制電磁閥的通斷實(shí)現(xiàn)液壓控制。

圖4 停車機(jī)器人電氣系統(tǒng)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

泵電機(jī)的啟?？刂埔约稗D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的讀取完全通過CanOpen 協(xié)議，CanOpen 是工業(yè)控制中常用的現(xiàn)場總線，通常通過SDO 進(jìn)行請(qǐng)求式數(shù)據(jù)通信和通過PDO 進(jìn)行觸發(fā)式數(shù)據(jù)通信。通過電子數(shù)據(jù)表（EDS 文件）對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)主站和從站對(duì)通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一映射[4]。

表2 為CanOpen-PDO 設(shè)置。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流以事件觸發(fā)的方式通過TPDO1 發(fā)送至CanOpen 主站。當(dāng)數(shù)值有變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。電機(jī)的使能與去使能則通過SDO 寫入?yún)?shù)的方式進(jìn)行控制。

表2 CanOpen 設(shè)置

圖5 為整車升降控制的流程圖，當(dāng)系統(tǒng)收到升降命令后首先啟動(dòng)電機(jī)，然后依據(jù)升降來打開相應(yīng)的閥組。抬升命令則打開U01~U04，下降命令則打開D01~D02。然后通過超聲波傳感器得到的hight[i]數(shù)據(jù)判斷升降是否到位，如果到位則關(guān)閉相應(yīng)閥組。因?yàn)?3 和04 閥組對(duì)應(yīng)的是并聯(lián)的兩路液壓回路，其高度會(huì)隨著地面不平整度動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此需滿足兩者的平均值達(dá)到預(yù)設(shè)高度才整體關(guān)閉閥組。當(dāng)所有閥組都關(guān)閉后停止電機(jī)，升降任務(wù)完成。

圖5 升降控制流程圖

圖6 為夾持和松開輪胎的流程圖。為了簡化控制電路，本文沒有依賴接近開關(guān)或到位開關(guān)等器件來判斷抱臂是否已經(jīng)完成夾持，而是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速來進(jìn)行判斷。當(dāng)系統(tǒng)收到夾持指令后，啟動(dòng)電機(jī)并打開S01 和S02 閥組，此時(shí)左右抱臂同時(shí)開始動(dòng)作。當(dāng)其中一個(gè)抱臂到位后，所有的流量將集中到另一個(gè)抱臂的液壓回路中，速度得到提升，因此左右兩個(gè)抱臂到位的時(shí)間非常接近。當(dāng)兩個(gè)閥組都到位后液壓系統(tǒng)的壓力瞬間增加，電機(jī)將無法維持在設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)而切換至設(shè)定的扭矩限幅以恒扭矩模式運(yùn)行。這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將接近于零速，扭矩將接近額定扭矩，為了防止干擾引起誤判，程序判斷上述狀態(tài)持續(xù)300ms 后認(rèn)為左右抱臂已經(jīng)到位，于是關(guān)閉閥組停止電機(jī)。

圖6 抱臂控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖7 為抱臂收回過程中實(shí)測(cè)的電流和轉(zhuǎn)速變化曲線。因電流和扭矩直接相關(guān)，在分析的時(shí)候可以用電流的變化趨勢(shì)來等效電機(jī)輸出扭矩的變化?？梢钥吹皆?00ms 以前的時(shí)間里抱臂處于收縮狀態(tài)，電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速基本保持恒定；從270ms 開始，抱臂到達(dá)限位，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，在PID 控制器的調(diào)解下驅(qū)動(dòng)電流開始增加；而從400ms 開始，電機(jī)電流達(dá)到峰值40A，電機(jī)開始工作在恒扭矩模式下，電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降；700ms 時(shí)，系統(tǒng)判斷抱臂已經(jīng)到位，于是停止電機(jī)，電流下降為0A，轉(zhuǎn)速下降為0rpm。

圖7 抱臂收回測(cè)試

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了停車AGV 的液壓系統(tǒng)，用4 個(gè)雙作用液壓缸控制AGV 的升降并提供整車的液壓懸掛系統(tǒng)，用兩組雙作用液壓缸控制AGV 左右兩邊的抱臂，通過抱臂的收縮來夾持和釋放汽車。應(yīng)用超聲波傳感器測(cè)量輪組與驅(qū)動(dòng)支撐之間的距離來輔助控制AGV 液壓懸掛30mm行程的切換。通過CanOpen 協(xié)議實(shí)時(shí)獲取齒輪泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，由轉(zhuǎn)速和電流的組合關(guān)系判斷抱臂是否運(yùn)動(dòng)到位，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了當(dāng)抱臂到位后電流維持在限幅40A，轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速持續(xù)下降至0rpm。