基于Arduino開發(fā)AGV小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著人工智能和自動化技術(shù)的發(fā)展，AGV小車作為能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動控制等多學(xué)科技術(shù)的綜合系統(tǒng)，在特種作業(yè)、自動搬運(yùn)系統(tǒng)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鑒于此，以Arduino系列開發(fā)板作為核心控制器，通過對AGV底盤、機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航方式和硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對電機(jī)等的重要參數(shù)進(jìn)行選型計(jì)算，根據(jù)倉儲背景搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對AGV導(dǎo)航和機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，設(shè)計(jì)一輛能自動導(dǎo)航、自動避障、自動識別目標(biāo)、自動定位目標(biāo)并抓取物料的智能復(fù)合型AGV小車。

關(guān)鍵詞：Arduino；AGV；智能小車；功能模塊

中圖分類號：TP23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）01-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.009

0" " 引言

隨著人工智能和自動化技術(shù)的發(fā)展，AGV小車作為能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動控制等多學(xué)科技術(shù)的綜合系統(tǒng)，具有安全可靠性強(qiáng)、自動化程度高、管理調(diào)度靈活方便等特點(diǎn)，在特種作業(yè)、自動搬運(yùn)系統(tǒng)、智能運(yùn)輸系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了物料運(yùn)輸?shù)男屎蜕a(chǎn)車間的自動化程度，體現(xiàn)出非常大的應(yīng)用優(yōu)勢及推廣價(jià)值。在物流配送行業(yè)，人工配送一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但配送效率較為低下、配送成本較高、人力資源較為緊缺等問題逐漸顯露出來。智能AGV屬于工業(yè)移動機(jī)器人范疇，在無人駕駛、物流配送、智能巡檢、智能倉儲等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，能夠在各種復(fù)雜的工況下準(zhǔn)確、高效、智能地完成一系列物流運(yùn)輸和分揀任務(wù)，極大地提高了物料的搬運(yùn)效率，自動化程度大幅提升，節(jié)省了人力和物力成本，廣受智能物流行業(yè)的關(guān)注，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

AGV自誕生以來，已發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)。1953年，美國Barrett Electronics公司研制了世界上第一臺AGV[1]，它是由一輛拖拉機(jī)改裝而來，通過在空中預(yù)布置引導(dǎo)線的方式進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)了物品搬運(yùn)功能。到了21世紀(jì)，德國KUKA公司研發(fā)了KMP 600-S diffDrive移動機(jī)器人，通過SLAM方法創(chuàng)建環(huán)境地圖，系統(tǒng)可以對運(yùn)行環(huán)境改變做出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了倉儲環(huán)境應(yīng)用[2]。美國亞馬遜公司設(shè)計(jì)的Kiva物流倉儲機(jī)器人，通過掃描二維碼實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，成為物流倉儲領(lǐng)域的佼佼者[3]。英國成功研制了第一臺采用磁導(dǎo)航方式的AGV[4]。直至今日，種類繁多的AGV正朝著復(fù)雜化、專業(yè)化、智能化方向發(fā)展，在AGV上安裝機(jī)械手來配合完成抓取運(yùn)輸工作，已經(jīng)在各類倉儲場合得到應(yīng)用。

1" " AGV小車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與模塊

開發(fā)板是用來進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工具，目前流行的主要有51、Arduino、ARM（STM、NXP）、IOT、Linux等幾大類。鑒于Arduino的硬件電路和軟件開發(fā)環(huán)境都是完全開源的，可以通過USB直接與PC連接而不需要安裝驅(qū)動程序，也預(yù)留了數(shù)字信號和模擬信號的第三方開發(fā)接口，在不從事商業(yè)用途的情況下初學(xué)者可以根據(jù)自己的需要使用、修改和分發(fā)它[5]，本設(shè)計(jì)選用Arduino Mega2560芯片作為核心開發(fā)板，用于控制各個(gè)模塊的工作。小車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要由控制器模塊、避障模塊、紅外巡線模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要零部件參數(shù)如表1所示。

1.1" " 小車的底盤設(shè)計(jì)

為確保小車穩(wěn)定行駛并能適應(yīng)不同地面環(huán)境，車身采用鋁合金底板（245 mm×220 mm）作為小車結(jié)構(gòu)主板，在底部四個(gè)角安裝各一套減速電機(jī)和橡膠輪胎，小車的電池倉安裝在底部中間位置。構(gòu)件主要由直流電機(jī)、電機(jī)支架、帶孔平板、聯(lián)軸器、輪胎組成，如圖2所示。

1.2" " 機(jī)械臂及抓取設(shè)計(jì)

機(jī)械手常見運(yùn)動形式包括直角坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式、碼垛式等，這三種方式都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮機(jī)械臂需要實(shí)現(xiàn)的功能以及機(jī)械臂與物料臺之間的協(xié)調(diào)性，采用碼垛式機(jī)械手，設(shè)計(jì)了6軸自由度的機(jī)械臂，并用舵機(jī)作為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)，如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)抓取的物體為輕物體，因此在電機(jī)選型時(shí)，機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)采用閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，其他重要材料選擇如表2所示。

1.3" " 電機(jī)驅(qū)動模塊選擇

考慮到需要控制四個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，所以采用L298N四路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊（圖4），該模塊具有驅(qū)動能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以同時(shí)驅(qū)動4個(gè)直流電機(jī)（圖5），通過正反轉(zhuǎn)及電機(jī)速度的控制，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，使巡線更加穩(wěn)定。

1.4" " 舵機(jī)模塊選擇

舵機(jī)模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括舵盤、電位計(jì)、減速齒輪、直流電機(jī)和控制電路5個(gè)部分。對舵機(jī)性能要求是扭矩大、精度高，旋轉(zhuǎn)角度可控，可在水平和垂直方向做2自由度運(yùn)動，供電電壓在4.8～7.2 V，扭矩為9～13 kg/cm，工作電流應(yīng)在1～1.3 A，控制頻率在50～100 Hz。

1.5" " 電源模塊選擇

由于各模塊所需電壓不同，本項(xiàng)目小車供電電壓分別有3.3、5、7.2 V，各模塊需要穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換電壓。鑒于小車體積限制，無法攜帶更多電池，故選用LM2596S可調(diào)電源模塊（圖6），通過調(diào)整藍(lán)色電位器旋鈕進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)3.3、5、7.2 V等穩(wěn)定的直流電壓輸出，為各模塊供電。

2" " AGV的導(dǎo)航方法與實(shí)現(xiàn)

AGV的導(dǎo)航方式可以分為色帶導(dǎo)航[6]、磁條導(dǎo)航[7]、激光導(dǎo)航[8]、慣性導(dǎo)航[9]、復(fù)合導(dǎo)航[10]等，不同的導(dǎo)航技術(shù)在某些特定環(huán)境下存在一定的局限性和不足，不同導(dǎo)航方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

根據(jù)實(shí)際選擇色帶導(dǎo)航方式，通過鋪設(shè)黑色帶形成運(yùn)行軌道，在小車正前方底盤下安裝12路灰度傳感器，在行進(jìn)過程中光敏電阻不停讀取灰度檢測傳感器的光通量數(shù)值而產(chǎn)生相應(yīng)信號，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)定位、循跡和運(yùn)行控制。

3" " AGV小車循跡避障控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1" " 避障流程設(shè)計(jì)

通過在Arduino IDE平臺編寫C代碼來實(shí)現(xiàn)功能模塊，利用超聲波測距技術(shù)和紅外傳感器分別實(shí)現(xiàn)自動避障和自動循跡功能。

3.2" " 障礙自動檢測

AGV小車正前方安裝兩個(gè)超聲波探頭，分別用于發(fā)射和接收超聲波。本項(xiàng)目所用模塊測量范圍為0～2 m，運(yùn)行時(shí)模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40 kHz周期電平并檢測回波。

3.3" " 避障程序設(shè)計(jì)

避障程序是巡線避障的基礎(chǔ)，其流程如圖8所示。小車行駛時(shí)，通過分析超聲波傳感器發(fā)送的信號來判斷前方是否存在障礙物，本設(shè)計(jì)設(shè)定的障礙物距離為20 cm，即當(dāng)超聲波傳感器測得前方物體與小車的間距不大于20 cm時(shí)，則會判斷前方存在障礙物，進(jìn)行相應(yīng)避障操作。若無障礙物，則通過分析接收到的4個(gè)紅外傳感器的信號，發(fā)送小車運(yùn)動命令給電機(jī)模塊，使小車做出相應(yīng)操作，進(jìn)行巡線；若有障礙物，小車先執(zhí)行避障操作，同時(shí)記錄避障方向，直到檢測出無障礙物時(shí)，向相反方向運(yùn)動，使小車重新回到線上，繼續(xù)做巡線運(yùn)動。

4" " 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

4.1" " 環(huán)境與實(shí)驗(yàn)平臺搭建

以倉儲環(huán)境為實(shí)驗(yàn)背景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，假設(shè)在指定區(qū)域放置目標(biāo)物料，AGV接收到指令并通過導(dǎo)航到達(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行抓取任務(wù)，如圖9所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以分為硬件設(shè)備、軟件和服務(wù)器這三類，硬件主要包括：裝有機(jī)械手的AGV小車1輛、模擬倉儲環(huán)境地圖1套、模擬物料盒1個(gè)。

4.2" " 系統(tǒng)測試

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要分為導(dǎo)航軌跡精度分析和物體抓取實(shí)驗(yàn)分析，在物料抓取實(shí)驗(yàn)中，物體的定位精度直接影響了物體抓取的成功率，因此在驗(yàn)證過程中首先對深度信息進(jìn)行分析評估，如表4所示。為了適應(yīng)AGV工作環(huán)境，對AGV小車進(jìn)行循線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎、避障動作、在指定區(qū)域物料抓取、將物料送至指定區(qū)域等內(nèi)容進(jìn)行測試。經(jīng)過各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)測試，功能模塊之間配合默契，系統(tǒng)在功能和性能上符合設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平均軌跡誤差為5.85 mm，平均角度誤差為0.65°。抓取物料實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)械手抓取物料的平均成功率達(dá)到95%。其中抓取失敗的原因主要在于AGV小車對上料區(qū)標(biāo)志位檢測不夠精準(zhǔn)，造成機(jī)械手對物料進(jìn)行空抓取。

5" " 結(jié)論與改進(jìn)

經(jīng)過測試和對電路連接、傳感器校準(zhǔn)、控制算法的優(yōu)化等，AGV小車可以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的物料運(yùn)送目標(biāo)，可用于不同環(huán)境下的物料運(yùn)送、自動搬運(yùn)和特種作業(yè)，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。為確保小車的穩(wěn)定性和可靠性，下一步需要從以下幾方面著手進(jìn)行改進(jìn)和完善：

1）AGV多目標(biāo)任務(wù)調(diào)度研究不夠。對不同類型的物料進(jìn)行分類并確定它們要送達(dá)的目標(biāo)站點(diǎn)研究還需進(jìn)一步深化。

2）AGV小車自動充電功能尚未實(shí)現(xiàn)。當(dāng)AGV小車的電量即將耗盡時(shí)，它會向系統(tǒng)發(fā)出請求充電指令，在系統(tǒng)允許后自動到充電的地方“排隊(duì)”充電。

3）路徑規(guī)劃無法自動完成，需沿規(guī)定的路線行進(jìn)。AGV小車需要規(guī)劃一條到達(dá)目標(biāo)運(yùn)輸點(diǎn)的無碰撞路徑來進(jìn)行物料的運(yùn)輸。

4）本設(shè)計(jì)的避障實(shí)驗(yàn)所選取的障礙物是靜止而非移動的，還未完全能夠模擬在真實(shí)環(huán)境上的避障實(shí)驗(yàn)，在這方面還需要進(jìn)一步的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和完善。

5）由于使用色帶導(dǎo)航，AGV小車軌跡柔性有所欠缺，障礙自動識別系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性還有待進(jìn)一步的提高。小車整體還不夠美觀，也還需進(jìn)一步優(yōu)化。

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收稿日期：2024-09-18

作者簡介：李永吉（2002—），男，浙江永康人，碩士研究生，研究方向：電子信息、集成電路。