半在線大尺寸AGV電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉瓊瓊

（清研（洛陽）先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研究院，河南 洛陽 471031）

0 引言

我國“十四五”規(guī)劃明確提出要推進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型升級。自動引導(dǎo)車輛（Automated Guided Vehicle，AGV）以其靈活、高效、可解放勞動力等特點(diǎn)，成為推進(jìn)多個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域快速升級迭代的強(qiáng)大動力[1-2]。AGV通常依靠車載電池提供動力，通過電磁或者視覺傳感器進(jìn)行非接觸式的自動引導(dǎo)[3]，比如磁導(dǎo)航、色帶導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等[4]。AGV主體部分由底盤和外圍輔助器件組成。根據(jù)應(yīng)用場合、車體尺寸、車輛載荷等不同，常用的AGV底盤主要有單舵輪、雙舵輪、四舵輪、兩驅(qū)差速、四驅(qū)差速、四驅(qū)麥克納姆輪、差速舵輪等[5]。外圍輔助器件包括升降機(jī)構(gòu)、電動滾筒、電動卡爪等。

目前AGV在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)、適應(yīng)性更強(qiáng)、柔性化更高的特種AGV不斷被研發(fā)出來并投入使用，其相應(yīng)的控制算法難度也逐步升級。本文針對大尺寸AGV設(shè)計(jì)了一套半在線的電氣控制系統(tǒng)，以期為相關(guān)實(shí)際工作提供參考。

1 需求分析

某廠為了提高某型號產(chǎn)品的產(chǎn)能，決定增加一條自動化產(chǎn)線，其中零部件、半成品和成品等的轉(zhuǎn)運(yùn)需要通過AGV系統(tǒng)自動完成。此產(chǎn)線受到某些特定因素的限制，對AGV 系統(tǒng)產(chǎn)生了特殊的需求：（1）通訊方式。此產(chǎn)線位于保密車間，對于通訊介質(zhì)有嚴(yán)格限制，藍(lán)牙、無線等方式均禁止使用。經(jīng)過調(diào)研和分析，決定采用定點(diǎn)光通訊加有線局域網(wǎng)的通訊方式。（2）導(dǎo)航方式。車間內(nèi)有部分鐵制地板和導(dǎo)軌接縫，無法使用磁導(dǎo)航；產(chǎn)線設(shè)備較多且高低錯(cuò)落，不適合激光導(dǎo)航。綜合分析，決定使用色帶加二維碼的視覺導(dǎo)航。（3）AGV 擺動。AGV 長度超過4m，通過在AGV運(yùn)動中心安裝單相機(jī)的方式無法滿足控制AGV在行駛過程中的擺動幅度，因此在車頭和車尾各增加一個(gè)相機(jī)，通過三個(gè)相機(jī)進(jìn)行控制。（4）產(chǎn)品防護(hù)。由于產(chǎn)品長度超出了車身，所以需要對超出車身部分產(chǎn)品做額外的防護(hù)。

2 電氣控制系統(tǒng)

針對產(chǎn)線需求，本文設(shè)計(jì)的AGV電氣控制系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成，分別是底盤控制部分、導(dǎo)航控制部分、通訊部分、調(diào)度部分和安全防護(hù)部分，如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 底盤控制

通過對產(chǎn)品尺寸、重量等的分析，AGV決定采用四舵輪的驅(qū)動底盤，如圖2所示。

每組舵輪由行走電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)組成，各自需要一個(gè)伺服驅(qū)動器。由于左右兩側(cè)的舵輪相對于車的中心線呈軸對稱排布，因此左右行走電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，需要在控制程序中進(jìn)行處理。四舵輪AGV可以實(shí)現(xiàn)直行、旋轉(zhuǎn)和平移等動作。舵輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度要根據(jù)舵輪相對于車運(yùn)動中心的安裝位置計(jì)算，如圖3所示。四組舵輪圍繞車運(yùn)動中心原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，舵輪與旋轉(zhuǎn)軌跡的圓周相切。假設(shè)舵輪旋轉(zhuǎn)角度為α，則=3.33，α=73.299o。所以AGV 在原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，每組舵輪與車中心線的夾角均為73.299°。

圖3 舵輪旋轉(zhuǎn)角度

2.2 導(dǎo)航控制

導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用色帶加二維碼的方式。

色帶顏色的選擇首先要符合國際色標(biāo)卡的標(biāo)號，其次色帶最好是啞光材質(zhì)的膠帶或者油漆，并且色帶和地面的色差越大，相機(jī)識別的效果越好。項(xiàng)目現(xiàn)場地面為淺灰色，并且有黃色警示標(biāo)識，因此只能嘗試使用綠色或者藍(lán)色的色帶。通過測試，相機(jī)識別藍(lán)色速度較快，而且數(shù)值在靜態(tài)時(shí)跳變較小。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AGV在負(fù)載情況下車輪碾壓藍(lán)色膠帶，會對膠帶造成損傷，碾壓次數(shù)達(dá)到400次左右時(shí)膠帶損毀嚴(yán)重，相機(jī)無法識別。而在地面噴涂相同顏色的油漆，經(jīng)過多次碾壓依然具有很好的耐用性。最終的色帶鋪設(shè)方案為在調(diào)試階段使用藍(lán)色膠帶，在項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)采用藍(lán)色啞光油漆。

二維碼采用4×4的組合碼，包含X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和角度值，以及二維碼標(biāo)簽的ID號。二維碼可以用做定位碼，也可以根據(jù)ID號做控制碼。當(dāng)用做定位碼時(shí)，理論精度可達(dá)±0.2mm和±0.1°，實(shí)際精度與AGV裝配情況、車輪磨損情況、地面摩擦力等諸多因素有關(guān)。

2.3 通訊

AGV的通訊主要包含兩部分，第一部分是AGV向調(diào)度系統(tǒng)反饋狀態(tài)，第二部分是調(diào)度系統(tǒng)向AGV下發(fā)任務(wù)。

由于受使用環(huán)境的限制，AGV和調(diào)度系統(tǒng)的通訊采用定點(diǎn)光通訊加有線局域網(wǎng)的方式，通訊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 通訊架構(gòu)圖

AGV與調(diào)度系統(tǒng)之間是通過光通訊傳感器和串口服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的。每臺AGV側(cè)面均安裝光通訊傳感器，當(dāng)AGV到達(dá)停靠點(diǎn)并與地面光通訊站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光路互通后，AGV控制器將當(dāng)前位置、車輛狀態(tài)等信息，通過自由口協(xié)議傳輸?shù)桨惭b在車側(cè)面的光通訊傳感器A，地面站點(diǎn)的光通訊傳感器B通過紅外光接收到傳感器A的數(shù)據(jù)，串口服務(wù)器再將傳感器B 的自由口協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通訊數(shù)據(jù)，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至車間局域網(wǎng)，調(diào)度系統(tǒng)通過訪問串口服務(wù)器的IP地址，獲取AGV控制器發(fā)出的信息。同理，調(diào)度系統(tǒng)可通過讀取AGV 信息的鏈路，反向發(fā)送信息給AGV，比如下發(fā)調(diào)度任務(wù)等。

AGV的通訊是半在線的模式，只有當(dāng)AGV位于地面光通訊站點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過兩個(gè)光通訊傳感器和串口服務(wù)器，才能與調(diào)度系統(tǒng)建立通訊鏈路。AGV 的通訊數(shù)據(jù)為自定義字符串，以二進(jìn)制表示。

AGV向調(diào)度系統(tǒng)反饋狀態(tài)時(shí)，信息流主要包含AGV運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前站點(diǎn)、剩余電量、當(dāng)前速度、報(bào)警號等。信息的結(jié)果形式為：[START][STATE][AGVNumber][Online][State][HasMaterial][Park][TaskNo][Charge][Speed][Alarm]。舉例，[START]為指令的開頭，防止TCP報(bào)文出現(xiàn)分包（沒有接收到一個(gè)完整的包）與黏包（收到比一包多的數(shù)據(jù)）的情況，共4 個(gè)字節(jié)；[STATE]為AGV 狀態(tài)反饋，采用一個(gè)字節(jié)表示；[AGVNumber]表示當(dāng)前AGV 的編號；[TaskNo]為AGV 當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)編號；[Charge]為當(dāng)前AGV的剩余電量，采用雙精度浮點(diǎn)數(shù)類型，即8個(gè)字節(jié)。

調(diào)度系統(tǒng)向AGV下發(fā)任務(wù)時(shí)，同樣以自定義的二進(jìn)制字符串表示，其信息格式為：[START][TASK][No][ControlNo][TypeCode][BodySize][Body]。舉例，[START]仍然為指令開頭的識別字符；[TASK]表示任務(wù)當(dāng)前狀態(tài)；[No]為任務(wù)編號；[ControlNo]為任務(wù)控制號；[TypeCode]為任務(wù)動作，比如移動、舉升、接駁、充電等；[BodySize]為任務(wù)體的大小；[Body]為任務(wù)主體，包含AGV將要執(zhí)行的任務(wù)詳細(xì)內(nèi)容，比如下一個(gè)站點(diǎn)的ID號碼，移動到下一個(gè)站點(diǎn)的車頭朝向，移動到下一個(gè)站點(diǎn)的X、Y方向距離，移動速度等。

2.4 調(diào)度

AGV調(diào)度系統(tǒng)最核心的部分是算法，比如結(jié)合文化算法和改進(jìn)遺傳算法的混合型算法[6]、改進(jìn)的Memetic算法[7]、PSO算法[8]、在線學(xué)習(xí)的Q-learning算法[9]等。這些算法根據(jù)應(yīng)用場景的不同各有優(yōu)劣。項(xiàng)目調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)車間地圖信息和工藝要求，采用基于時(shí)間窗的路徑規(guī)劃算法[10-11]，對所有AGV自動下發(fā)任務(wù)，如圖5所示。

圖5 調(diào)度系統(tǒng)算法示意圖

調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)的下發(fā)是動態(tài)的。調(diào)度系統(tǒng)接收產(chǎn)線的搬運(yùn)任務(wù)后，先根據(jù)時(shí)間長短、路徑遠(yuǎn)近、優(yōu)先級高低等綜合算法[12]，對某些車輛下達(dá)自動任務(wù)。在這些任務(wù)執(zhí)行過程中，如果有優(yōu)先級更高的任務(wù)產(chǎn)生，或者幾輛AGV需要在路口進(jìn)行交通避讓，調(diào)度系統(tǒng)會根據(jù)算法提前在決策點(diǎn)對相關(guān)AGV的任務(wù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以全局時(shí)間最短為準(zhǔn)則完成所有搬運(yùn)任務(wù)。

2.5 安全防護(hù)

由于項(xiàng)目AGV所搬運(yùn)的產(chǎn)品具有特殊性，所以AGV行駛過程中的安全防護(hù)尤為重要。

AGV的安全防護(hù)器件主要包含急停按鈕、安全觸邊、激光避障、多色指示燈、蜂鳴器、防靜電帶等。

常規(guī)AGV的激光避障傳感器分別安裝在AGV的左前角和右后角，AGV在行駛過程中可以根據(jù)與障礙物的距離進(jìn)行減速或者停止動作。由于項(xiàng)目AGV運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品尺寸較長，車頭有部分產(chǎn)品懸空，而AGV左前角的激光避障傳感器受掃描高度所限，無法保護(hù)產(chǎn)品懸空的部分。因此在車頭中央增加斜向上的激光避障傳感器，如圖6所示。

圖6 車頭激光避障

激光避障1水平安裝在AGV左前角，主要監(jiān)測AGV行駛過程中前方的障礙物，檢測高度為AGV車身高度。當(dāng)障礙物在L3和L2之間時(shí)，AGV初次減速至正常速度的50%；當(dāng)障礙物在L2和L1之間時(shí)，AGV二次減速至正常速度的30%；當(dāng)障礙物在L1范圍內(nèi)時(shí)，AGV立即停止運(yùn)行。激光避障2與水平面呈α角度斜向上安裝，激光扇面可以掃描產(chǎn)品伸出車頭部分前方半空中的區(qū)域。根據(jù)激光避障1的保護(hù)區(qū)域，以及激光避障2與水平方向的夾角，使激光避障2保護(hù)區(qū)域在地面的投影與激光避障1重合，從而計(jì)算激光避障2的扇形保護(hù)區(qū)域。通過車頭斜向上的激光避障，可以有效識別半空中的障礙物。

3 電氣原理圖設(shè)計(jì)

電氣原理圖中，供電主回路電壓為直流48V，控制回路電壓為直流24V。一次系統(tǒng)圖如圖7所示。

電池有獨(dú)立的充電回路和放電回路。充電方式有兩種：手持充電器充電和下沉式地刷充電。手持式充電電流為30A，地刷充電電流可達(dá)100A。電池的放電電壓為直流48V，放電回路由一個(gè)直流主斷路器控制通斷，電流容量為125A。從主斷路器分出兩路，動力回路和控制回路。動力回路經(jīng)過單極接觸器，為驅(qū)動器等直流48V設(shè)備供電?？刂苹芈方?jīng)過一個(gè)直流48V轉(zhuǎn)直流24V的開關(guān)電源，為AGV控制器、中間繼電器線圈、蜂鳴器等供電。

四舵輪AGV總共有8個(gè)驅(qū)動器，每個(gè)驅(qū)動器內(nèi)部都有容量較大的電容，驅(qū)動器上電初期要對電容充電，此時(shí)流過主回路的瞬間電流將達(dá)到額定電流的2～3倍，如果驅(qū)動器與主斷路器之間的接觸器工作電流較小，接觸器將被擊穿。因此，在接觸器選型時(shí)要選擇電流值為AGV額定工作電流3倍及以上的型號。

4 控制程序

AGV控制程序主要分為兩個(gè)部分：硬件組態(tài)與軟件編程。

硬件組態(tài)如圖8所示?？刂破魍ㄟ^以太網(wǎng)與觸摸屏通訊，端口號為502。485 總線共有兩組：485-1 和485-2。485-1 加載了三個(gè)用于識別色帶和二維碼的相機(jī)，由于AGV行駛過程中動態(tài)糾偏的實(shí)時(shí)性要求較高，所以485-1的波特率設(shè)置為115 200bps。485-2加載了電池、蜂鳴器、信號擴(kuò)展模塊、光通訊傳感器等設(shè)備，由于實(shí)時(shí)性要求不高，波特率為常用的9 600bps。AGV底盤的控制采用波特率更高的CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線。四組舵輪共計(jì)8個(gè)驅(qū)動，由于驅(qū)動數(shù)量較多，每個(gè)驅(qū)動在任務(wù)周期內(nèi)都有指令接收和下發(fā)，因此對通訊速率要求較高，在不影響驅(qū)動器運(yùn)行負(fù)荷的前提下，將CAN總線波特率設(shè)置為1Mbps。

圖8 硬件組態(tài)

AGV的軟件編程主要包含兩類任務(wù)：主任務(wù)和周期任務(wù)。主任務(wù)是自上而下循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)，比如“啟動程序”“初始化程序”“手動控制”“運(yùn)動分解”“系數(shù)換算”“導(dǎo)航程序”“驅(qū)動數(shù)據(jù)解析”等。周期任務(wù)是按照設(shè)定周期執(zhí)行的任務(wù)，可以將實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)設(shè)定較短的執(zhí)行周期，比如“舵輪數(shù)據(jù)收發(fā)”和“安全防護(hù)”等任務(wù)可設(shè)定執(zhí)行周期為10ms，也可以將實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)周期設(shè)定為1s，使CPU的資源可以靈活分配?？刂破飨蝌?qū)動器下發(fā)的角度和速度程序如圖9所示。

圖9 角度和速度下發(fā)程序

控制器下發(fā)到驅(qū)動器的角度為脈沖值，需要先解算出每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向角度，然后根據(jù)轉(zhuǎn)向減速機(jī)的減速比，以及電機(jī)的單圈脈沖數(shù)，計(jì)算需要下發(fā)的總脈沖數(shù)。

控制器下發(fā)到驅(qū)動器的線速度為電機(jī)轉(zhuǎn)速值，單位為r/min。控制器解算出的速度為m/s，因此要根據(jù)車輪的半徑以及行走減速機(jī)的減速比，計(jì)算出下發(fā)到驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速。其中，行走驅(qū)動在初始化完成后，需要將工作模式設(shè)定為3（速度模式）。

5 總線負(fù)載率

在AGV運(yùn)行過程中，偶爾會出現(xiàn)某個(gè)驅(qū)動器使能信號異常的情況，初步分析是由于通訊數(shù)據(jù)丟幀引起的，這一猜想可以通過CAN總線的負(fù)載率來驗(yàn)證。

CAN總線的負(fù)載率，是指在單位時(shí)間內(nèi)，總線實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量Data1 和理論最大允許傳輸數(shù)據(jù)量Data0 的比值[13]。CAN總線實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量Data1，主要和單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)闹噶顢?shù)量、指令大小有關(guān)。CAN總線理論最大允許傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量主要和總線波特率有關(guān)，CAN總線常用波特率為125kbps、250kbps、500kbps 和1Mbps 等，波特率越高，單位時(shí)間內(nèi)允許傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大[14]。

對于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場景，比如高速機(jī)械加工設(shè)備、汽車等，總線負(fù)載率一般在30%以內(nèi)[15-16]。而對于運(yùn)行速度較低、實(shí)時(shí)性要求不高的場景，比如工程機(jī)械、AGV等，總線負(fù)載率控制在60%以內(nèi)即可。

AGV的CAN總線通訊，需要傳輸控制字、狀態(tài)字、速度下發(fā)、位置下發(fā)、速度反饋、位置反饋等基本指令。在每條指令周期均為10ms、波特率為500kbps 的情況下，計(jì)算出CAN 總線負(fù)載率達(dá)到205%左右，驗(yàn)證了AGV運(yùn)行時(shí)丟幀的猜想。在不影響AGV運(yùn)行的情況下，將控制字、狀態(tài)字等僅在上電初始化階段有變化的指令周期延長至500ms，將速度下發(fā)、位置下發(fā)指令周期延長至100ms，對于速度反饋、位置反饋指令周期仍然保持10ms，并將總線波特率提高至1Mbps，重新調(diào)整后的總線負(fù)載率下降到60%以內(nèi)。經(jīng)過連續(xù)測試，AGV運(yùn)行過程中沒有再出現(xiàn)信號丟失等故障，電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了保障。

6 結(jié)語

大尺寸、有特殊要求的AGV，其電氣控制系統(tǒng)與常規(guī)AGV相比，受到的約束更多，開發(fā)難度更大。本文根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，解決了電氣控制、通訊、安全防護(hù)等問題，滿足了技術(shù)協(xié)議的要求。但是大尺寸AGV的精確定位問題，尤其是5mm之內(nèi)的精度等級，仍然是行業(yè)面臨的一大難題，有待進(jìn)一步研究。