工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下的AGV智能小車應(yīng)用研究

吳琦

摘要：一場科技革命成就了智能時代的來臨，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，隨著人們的追求越來越高使得越來越多的智能化產(chǎn)品被相繼開發(fā)出來，也促進(jìn)了各行各業(yè)不同領(lǐng)域的跨越性發(fā)展。本課題所研究的AGV智能化小車，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大背景下，有效地解決了工廠里面產(chǎn)線供貨緩慢的問題，且省去了大量的人工成本。AGV：是一種利用電磁觸發(fā)和光電感應(yīng)從而能在預(yù)先設(shè)定好的軌道上自由行使的智能小車。本次設(shè)計的AGV智能小車采用車體結(jié)構(gòu)比較簡單，各功能模塊清晰明了，易實現(xiàn)，普遍應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；AGV；智能車

1 引言

2012年5月，工信部發(fā)布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，以機器人為代表的自動化裝備及智能制造解決方案，迎來了戰(zhàn)略性的發(fā)展契機。

2015年5月國務(wù)院簽發(fā)《中國制造2025》部署全面推進(jìn)實施制造強國戰(zhàn)略，是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，為中國制造業(yè)未來10年設(shè)計頂層規(guī)劃和路線圖，通過努力實現(xiàn)“中國制造”向“中國創(chuàng)造”、“中國速度”向“中國質(zhì)量”、“中國產(chǎn)品”向“中國品牌”的三大轉(zhuǎn)變，推動中國到2025年基本實現(xiàn)工業(yè)化，邁入制造強國行列。從十八世紀(jì)工業(yè)革命以來人們在一直在追求高效率高產(chǎn)量的追求延續(xù)到今天從未停止。然而進(jìn)入二十一世紀(jì)，在世界經(jīng)濟發(fā)展腳步放緩的今天，隨著人工成本的增加，越來越多的企業(yè)選擇使用自動化機器人代替人工成本，速度不僅比人工快，質(zhì)量上也更有所保證，這其中就有本課題所研究的自動化項目——AGV智能小車。

眾所周知，自動化項目近幾年來在各行各業(yè)一直扮演著越來越重要的角色?？梢娝闹匾灾?。

2 課題研究目的

本課題所研究的AGV智能化小車有效地解決了工廠里面產(chǎn)線供貨緩慢的問題且省去了大量的人工成本。智能車以AT89S52單片機作為控制核心，采用金屬感應(yīng)器TL-Q5MC來感應(yīng)和識別路上鋪設(shè)的磁條軌道，采用了1602LCD顯示屏用來記錄時間等信息，采用霍爾元件A44E檢測小車行駛速度。車體結(jié)構(gòu)比較簡單，各功能模塊清晰明了，易實現(xiàn)，普遍應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。

雖然車體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但是設(shè)計研究本課題還是有一些關(guān)鍵問題，主要有：（1）基于單片機原理中斷信號的發(fā)送和接收；（2）對小車各功能模塊穩(wěn)定性、實用性與可靠性的綜合考核；（3）無線調(diào)度系統(tǒng)在后臺對小車的有效控制。從這三個方面出發(fā)，解決了這三個問題就直接詮釋了本課題的意義。

3 AGV智能車設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并開發(fā)一個AGV智能物流小車，使其能在預(yù)定軌道上自由行使。在物聯(lián)網(wǎng)智能車間中，希望小車路線圖及解析如圖1所示行駛。

3.1 基本線路解析

（1）1點上料出發(fā)：定位磁條（ 位置）及上料卡（ 位置）。

（2）2-3距離較遠(yuǎn)，需加速，高速行駛。

（3）到3點前往4點需要：先貼減速磁條（ 位置）及右轉(zhuǎn)卡（ 位置）。

（4）3-4-5距離較短，不需要加速。

（5）5-6無路線分支，及5點為正常行駛速度時，無須貼加速及轉(zhuǎn)彎卡。

（6）6-7距離較遠(yuǎn)，加速，高速行駛。

（7）到7點需要：先貼減速磁條（ 位置）及左轉(zhuǎn)卡（ 位置）。

（8）7點讀卡后回到出發(fā)點1點。

3.2 智能車設(shè)計思路

按照車間的規(guī)劃布局，從一樓物料發(fā)車，車走至電梯口進(jìn)入電梯行至二樓，然后沿著直線經(jīng)過加速一最短的時間行至車間門口拐彎處然后減速進(jìn)入車間，這時候車道路線由直線型轉(zhuǎn)為U型曲線。途徑轉(zhuǎn)彎處按照事先預(yù)定好的軌道路線自動刷卡自動變道，該動作由單片機控制。最終到達(dá)各站終點后小車停止行駛，由工作人員幫忙卸貨然后把空箱繼續(xù)裝載上車帶回，啟動復(fù)位小車正常發(fā)車行駛。在小車裝滿各站空箱之后小車U型路線基本已經(jīng)走遍，由于車間結(jié)構(gòu)原因小車這時候?qū)⑦M(jìn)入S型車道，一直到達(dá)二樓電梯門口等待下樓最終到達(dá)庫房備料區(qū)一樓。車間架構(gòu)展示與分析如圖2所示。

測量小車在直線型車道、S曲線型及U型彎道的時間、速度及穩(wěn)定性。并在遇到問題時的狀況及解決措施。主測車道為S型和U型。

車輛先沿著S型軌道行駛，再逐步進(jìn)入U型車道，速度由緩變快，自動沿著磁條軌道尋找站點位置。當(dāng)小車偏離軌道或者感應(yīng)不到磁條的時候，小車會自動停止。并向我們控制調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出信號告訴小車狀況前來處理，同時小車本身語音模塊會發(fā)出軌道偏離的音樂用來提醒技術(shù)人員。小車行駛之前在車身安裝行車記錄儀觀察小車沿途所遇障礙并各區(qū)域行駛時間，速度和路程通過LCD顯示在屏幕上。

4 機構(gòu)組成、系統(tǒng)控制與檢測

4.1 LCD的選擇與應(yīng)用

在本次的設(shè)計中我們采用了1602LCD顯示屏。LCD的背光是用單片機控制的目的是節(jié)約電源。我們在LCD顯示的設(shè)計上實現(xiàn)了比較人性化多功能模式。其中包括儀表（用來顯示時速及相關(guān)數(shù)據(jù)）、快捷按鍵（用來防止信號傳輸出現(xiàn)故障從而能及時處理有效避讓）、方向鍵（用來實現(xiàn)手動控制）以及實時聯(lián)系（第一時間發(fā)送信號到調(diào)度系統(tǒng)那邊從而實現(xiàn)第一時間解決）。

4.2 行車檢測與維護(hù)

采用磁條感應(yīng)器TL-Q5MC來檢測路面上的磁條繼而發(fā)送信號給單片機來中斷脈沖。接線原理圖如圖3所示。

我們在小車車盤距離地面大約4 mm左右的位置下安裝了一個金屬感應(yīng)器，在小車的行駛過程中，小車會自動識別判斷地面上鋪設(shè)的磁條從而控制方向，當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到磁條是將自動對單片機發(fā)送中斷信號，這時候單片機收到信號后自動運行中斷，從而自動改變電動機驅(qū)動信號的電壓占空比，繼而來改變小車的行駛速度，小車的行駛速度是根據(jù)小車沿途所遇障礙物的多少而改變的，當(dāng)小車行駛至空曠較少的障礙物環(huán)境下，單片機會自動發(fā)送信號進(jìn)行加速前進(jìn)，相反如果前方所經(jīng)過環(huán)境障礙物較多的話會自動發(fā)送信號進(jìn)行減速從而提高小車的使用效率。另外我們在小車所經(jīng)過的每一個路口處都有增加磁卡來讀取命令傳輸信號給單片機執(zhí)行，我們有專業(yè)的AGV調(diào)度系統(tǒng)來隨時監(jiān)控和控制機器的前后左右方向。

4.3 速度檢測方案比較

4.3.1 方案1

霍爾開關(guān)元器件。霍爾開關(guān)是一種高靈敏度的InSb霍爾元件，它可以根據(jù)磁場強度，原霍爾直接輸出電壓的變化。廣泛用于電機控制領(lǐng)域中，它可以根據(jù)應(yīng)用的信號處理的實際情況，從而達(dá)到有效轉(zhuǎn)速控制功能?；魻栐趹?yīng)用中優(yōu)勢明顯，其結(jié)構(gòu)堅固、體積小、重量輕、使用壽命長、安裝方便、低功耗、高頻率（高達(dá)1 MHz）、耐沖擊、不怕灰塵、油污、水和鹽霧污染或腐蝕。電路簡單、價格便宜、安裝方便，并且沒有特別具體的電源要求。

4.3.2 方案2

紅外傳感器測速。紅外傳感器分為對外式和反射式兩種，但最終不管選擇哪一種性價比都不高且價格昂貴。所以最終通過對方案1、方案2的比較及各自的優(yōu)缺點，綜合多方面因素決定選用方案1，原理接線圖如圖4所示。

5 路徑選擇

根據(jù)智能車間場地與空間的布局，小車走動的模式大致分為三種模式，分別是直線型、S與U型還有自動型。

直線型是規(guī)劃一條直線車道用來測試小車的性能。目的是順利走完全程，然后清晰地記錄下小車在不同路線段內(nèi)所用到的時間，包括通過高速區(qū)域、中速區(qū)域以及低速區(qū)域這三個時間段所用的時間。

S型和U型是利用生產(chǎn)車間S型和U型的特點對其進(jìn)行測試。按照預(yù)定設(shè)的磁條軌道小車能自動識別軌道前進(jìn)行駛，當(dāng)小車行駛至交叉口或十字路口時，小車自動讀取拐彎處的磁卡從而改變方向行駛，若小車末讀到則自動傳輸型號給調(diào)度系統(tǒng)，從而繼續(xù)返輸信號指使其正確前行。當(dāng)走完S型、U型軌道時，小車會自動停止。之后自動進(jìn)入菜單由使用者選擇要看的內(nèi)容時間、平均速度和所走的距離等信息。

而自動型則是小車選擇不同的速度行駛，先以同一速度走完全程，然后再以相同的速度退回起點，再調(diào)整速度選擇升速或者降速再在一定的時間內(nèi)走完。走完后LCD顯示的內(nèi)容與直線型所走的內(nèi)容具有一致性。

直線型、S型和U型使用的中斷口和感應(yīng)磁條、感應(yīng)速度所使用的中斷口是一樣的。原理圖如圖5所示。

將AGV智能小車的硬件組裝，按照各個模塊的接線電路圖逐一安裝。完成各功能模塊的組裝后，將各個單個體按照總線型結(jié)構(gòu)整合在一起，初步完成小車半成品。再對各個功能模塊進(jìn)行檢測和驗證。在完成了最重要的功能驗證環(huán)節(jié)之后，接下來就是小車的實驗——試跑。將小車集中到有著環(huán)形軌道的實驗基地進(jìn)行試跑，主要驗證其功能性，穩(wěn)定性及成功率。通過準(zhǔn)備、組裝、驗證和實驗考核之后，最后將小車導(dǎo)入智能車間產(chǎn)線使用，如圖6～8所示。

6 結(jié)語

隨著人工成本的增加，越來越多的企業(yè)選擇使用自動化機器人代替人工成本。如本課題所研究的AGV智能小車可以降低企業(yè)人工成本，更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量。

國內(nèi)同行業(yè)智能車間基本處在產(chǎn)品信息自動采集及生產(chǎn)作業(yè)半自動化階段，國外有部分為人機結(jié)合的自動化生產(chǎn)車間，但均不能完全實現(xiàn)無人化作業(yè)；同時國內(nèi)外相關(guān)同行均為批量生產(chǎn)方式，無小批量定制化生產(chǎn)。通過車間智能化改造實施前后社會、經(jīng)濟及環(huán)境效益對比，在提升智能制造水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)安全生產(chǎn)和實現(xiàn)綠色發(fā)展等方面取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。

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2020年度蘇州市社會科學(xué)基金項目（應(yīng)用對策類）“蘇州搶抓機遇加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對策研究”（項目編號：Y2020LX097）