李麗,馮高峰

（濟源職業(yè)技術(shù)學院,河南濟源459000）

AGV激光導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計

李麗,馮高峰

（濟源職業(yè)技術(shù)學院,河南濟源459000）

AGV作為當今物流領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備,必將取代傳統(tǒng)的人工勞動.設(shè)計了AGV激光導(dǎo)系統(tǒng),系統(tǒng)定位精確,能按工作計劃進行作業(yè),有效提高了生產(chǎn)使用效率.

AGV；激光導(dǎo)引；自動導(dǎo)引

AGV是一種高度智能化、自動化的機器人,發(fā)展至今,技術(shù)已日臻成熟.目前國內(nèi)外的AGV導(dǎo)引技術(shù)有電磁感應(yīng)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、視覺導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、超聲波導(dǎo)引和磁釘—陀螺導(dǎo)引等.電磁導(dǎo)引是最早應(yīng)用于AGV的導(dǎo)引技術(shù),是現(xiàn)在大多數(shù)AGV仍然沿用的非常成熟的技術(shù).激光導(dǎo)引是近些年興起的技術(shù),隨著激光技術(shù)的發(fā)展,這種導(dǎo)引技術(shù)也越來越凸顯其在導(dǎo)引控制方面的優(yōu)勢.可以預(yù)見,未來幾年,激光導(dǎo)引技術(shù)必將成為AGV導(dǎo)引控制技術(shù)的主流技術(shù)[1-2].

本文設(shè)計的激光導(dǎo)引系統(tǒng),在行進的過程中不會發(fā)生小車脫離正確預(yù)設(shè)路線的工況,能夠在一定程度上規(guī)避AGV小車自身發(fā)生故障的幾率,使AGV能夠更好的服務(wù)于生產(chǎn).

1 激光導(dǎo)引技術(shù)

激光導(dǎo)引技術(shù)是AGV發(fā)展至今最重要的一項技術(shù),它主要包括兩部分：AGV激光掃描器和AGV反射板.如圖1所示,在AGV的頂部裝有一個按固定頻率旋轉(zhuǎn)的激光掃描器.在導(dǎo)引區(qū)域的四周,按要求固定安裝了反射板,當AGV運行時,激光掃描器在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時,不斷地向四周發(fā)射激光束,并接受由反射板反射回來的光束.根據(jù)反射光束的方位可測得光束夾角θ1、θ2,再由PLC經(jīng)過幾何運算就能確定AGV當前的位置,而其他夾角,如θ3等,則用于驗證AGV的位置及航向.在AGV運行過程中,激光掃描器連續(xù)掃描,PLC連續(xù)運算,就能實現(xiàn)連續(xù)的AGV導(dǎo)引.

AGV運行是電驅(qū)動電動機和轉(zhuǎn)向電動機共同完成的,在驅(qū)動電動機和轉(zhuǎn)向電動機上都裝備了旋轉(zhuǎn)編碼器,作為運行速度及轉(zhuǎn)向角度的反饋信號.在PLC收到上位控制命令后（包括要去的目標點及操作任務(wù)）,能夠選擇最近的路徑,并經(jīng)伺服放大器發(fā)出控制信號,電動機接信號后驅(qū)動AGV向目標點運行.在運行過程中,PLC不斷將理論位置與實際位置進行比較并將此轉(zhuǎn)換成小車的速度和轉(zhuǎn)向命令值,隨時修正AGV在運行過程中的偏差[3-4].

圖1 AGV激光掃描器安裝位置

2 激光導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成

激光導(dǎo)引系統(tǒng)利用激光器、掃描旋轉(zhuǎn)裝置、光電信號采集裝置、車載計算機和已知位置上的發(fā)射板,經(jīng)車體方位計算及系統(tǒng)實時測量和計算小車的位置和方向.這套系統(tǒng)利用光學原理及幾何運算,能夠較精確地對AGV進行定位.小車激光導(dǎo)引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

計數(shù)器箱由二進制計數(shù)器和先進先出（FIFO）存儲器組成.在每1轉(zhuǎn)中,計數(shù)器由參考信號復(fù)位并根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器提供的角度信號計算角度.當光電探測器檢測到反射信號時,計數(shù)器產(chǎn)生1個中斷信號,FIFO存儲器保存角度信號并且不會干擾計數(shù)器的工作.

計算機單元由CPU、存儲器、I／0接口、無線通信系統(tǒng)、輸入設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成.初始化數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備存入存儲器,每當完成1次360°掃描后,硬件產(chǎn)生1個中斷信號,CPU發(fā)1個“讀”信號從計數(shù)器箱存儲器中獲得角度數(shù)據(jù).當獲得3個或以上角度數(shù)據(jù)時,CPU就可計算出小車的位置和方向,然后將計算結(jié)果與目標坐標進行比較,或者根據(jù)需要,通過無線電通信方式傳給地面控制系統(tǒng).地面控制系統(tǒng)也可通過同一通信線路對車體方位計算子系統(tǒng)進行操作,如初始化、重置車體方位以消除累積誤差等.

2.2 自動導(dǎo)引的控制實現(xiàn)

AGV方向控制是接受引導(dǎo)系統(tǒng)的方向信息通過轉(zhuǎn)向裝置來實現(xiàn)的.轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常設(shè)計成兩種形式：鉸軸轉(zhuǎn)向式和差速轉(zhuǎn)向式.前者的方向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上,轉(zhuǎn)向電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸從而控制方向輪的取向；后者在左、右兩輪上分別裝上獨立的驅(qū)動電機,通過控制左、右輪的速度比來實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向[5].如圖3所示,在L、R兩輪上分別裝上獨立的驅(qū)動電機,C、D兩輪在旋轉(zhuǎn)和取向上都是自由的,它的穩(wěn)定性較好,承載能力較大.vL、vR分別表示兩驅(qū)動輪的速度,圖示時刻小車中心線與目標路徑偏差為e,小車前進方向與目標路徑之間的夾角為θ,運動控制系統(tǒng)只要通過控制電機,使L、R兩輪產(chǎn)生一定的速度比,就可以差速轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)路徑跟蹤.

通過對驅(qū)動車輪的電機轉(zhuǎn)動角度的周期性采樣可以獲得車輪前進或后退的距離.增量式光碼盤連接在左、右驅(qū)動電機軸上,隨著電機的轉(zhuǎn)動,光電編碼器發(fā)出A、B兩項脈沖,相位的超前或滯后關(guān)系代表了電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn).鑒相電路與脈沖計算電路相結(jié)合,可判斷出左、右電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的角位移變化情況.在理想情況下,電機軸的角位移與AGV左右驅(qū)動輪行走的距離存在比例關(guān)系.將上述光碼盤發(fā)出的脈沖進行濾波,鑒相與計數(shù)處理后所得信息由路徑軌跡推算導(dǎo)向法（dead—reckoning）可實現(xiàn)對AGV行駛路徑的估計.

激光導(dǎo)引AGV的位置計算是利用小車當前運行的速度、轉(zhuǎn)向的角度、間隔時間等參數(shù)對下一位置進行估算,計算出的是相對于前一位置的新位置.根據(jù)估算的新位置關(guān)聯(lián)反射鏡,根據(jù)關(guān)聯(lián)的反射鏡修正自身位置,車載控制計算機將當前方位與目標點方位進行比較,據(jù)此比較的結(jié)果給左、右電機發(fā)送驅(qū)動控制信號,從而實現(xiàn)激光導(dǎo)引AGV的自動引導(dǎo).

圖2 小車激光導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 差速轉(zhuǎn)向裝置

3 小結(jié)

AGV小車的導(dǎo)引技術(shù)有多種,激光導(dǎo)引的原理清晰簡單,可靠性強,操作起來也比較容易,非常適合各個領(lǐng)域的應(yīng)用需求,未來將成為AGV導(dǎo)引的主流技術(shù).

[1]黃霞.嵌入式自動導(dǎo)引小車（AGV）系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].南京：南京理工大學,2009.

[2]沈穎.激光導(dǎo)引AGV車載控制系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2007.

[3]馮峰.AGV自動導(dǎo)引小車控制系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學,2008.

[4]盧冬華.計算機控制自動導(dǎo)向小車（AGV）的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學,2006.

[5]樊躍進,王勇,丁興.AGV自動充電系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工業(yè)自動化,1999,21（2）：25-26.

（責任編輯：盧奇）

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1008-7516（2013）04-0077-02

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.04.018

2013-05-29

李麗（1981-）,女,河南濟源人,碩士,助教.主要從事計算機控制與嵌入式系統(tǒng)研究.