磁導(dǎo)型AGV控制系統(tǒng)設(shè)計

楊帆李昆

（1.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130012；2.大眾一汽發(fā)動機（大連）有限公司，大連 116000）

1 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，很多傳統(tǒng)的制造業(yè)都在向自動化、智能化的趨勢發(fā)展。自動導(dǎo)引運輸車(Automated Guided Vehicle，AGV)雖然已有數(shù)十年發(fā)展歷史，由于技術(shù)開發(fā)穩(wěn)定性和應(yīng)用場景差異性等原因一直未能大規(guī)模投入各行各業(yè)的生產(chǎn)中。自2016年起，電子商務(wù)和智慧物流蓬勃發(fā)展，加快了AGV的普及速度和技術(shù)推進(jìn)，廠商在控制系統(tǒng)設(shè)計上也越來越完善，但各廠商設(shè)計的控制系統(tǒng)對各應(yīng)用場景適應(yīng)性較差，現(xiàn)場應(yīng)用還需重新匹配調(diào)整，影響項目工期，也影響客戶使用體驗。

本設(shè)計方案采用了自主研發(fā)設(shè)計的AGV集成控制電路，實現(xiàn)了單片機與PLC的控制融合，本設(shè)計兼有2種控制方式的功能和優(yōu)點。既擁有單片機低成本和開發(fā)優(yōu)勢，又可用PLC來補充單片機功能上的缺陷和不足。其中單片機負(fù)責(zé)控制車體的各個信號按鈕、防撞系統(tǒng)、磁導(dǎo)引系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)；PLC負(fù)責(zé)處理AGV的光電信號開關(guān)、接近控制開關(guān)、電機轉(zhuǎn)動的反饋信號信息，和E-Frame物流列車系統(tǒng)的上/下料功能。單片機與PLC通過ModBus串行通信協(xié)議進(jìn)行連接，功能完善，拓展靈活性高。

2 AGV簡介

2.1 AGV的定義

AGV泛指配備有磁力導(dǎo)航或通過光學(xué)設(shè)施進(jìn)行引導(dǎo)，可以通過預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行行進(jìn)并完成預(yù)定任務(wù)，具備相應(yīng)的周邊安全防護(hù)設(shè)施監(jiān)控以及可以完成相應(yīng)的物體移載的運輸設(shè)備，AGV隸屬于輪式移動機器人（WMR——Wheeled Mobile Robot）范疇。設(shè)計簡單并且價格低廉的AGV也稱作AGC（Automated Guided Cart）。自1953年誕生第一輛AGV以來，AGV已經(jīng)經(jīng)歷了近七十年的發(fā)展。

AGV應(yīng)用的特點可以歸納為如下幾點。

a.與傳統(tǒng)的人工駕駛工藝車輛相比，AGV為無人駕駛方式；

b.可根據(jù)應(yīng)用的工況進(jìn)行設(shè)計行駛路徑，柔性好；

c.采用電能進(jìn)行驅(qū)動，無排放，屬于清潔生產(chǎn)。

典型的AGV本體組成如圖1所示，一般具有驅(qū)動部分、牽引/承載部分、狀態(tài)顯示反饋部分、安全避障部分、引導(dǎo)部分等。實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸控制指令，多臺AGV及附屬機構(gòu)在接受指令后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的調(diào)度程序,依照對應(yīng)位置信息,沿著特定行駛路線和?？课恢米詣有旭?并按設(shè)計完成一系列作業(yè)功能[1]。

圖1 AGV的組成

2.2 AGV的應(yīng)用分類

本文只對汽車生產(chǎn)過程中所應(yīng)用的AGV進(jìn)行討論。按照應(yīng)用用途，AGV分為兩大類，如圖2所示。

圖2 AGV按用途分類

一類應(yīng)用是側(cè)重于工藝裝配的，稱作工藝裝配AGV，此類AGV精度要求一般在±5 mm以內(nèi)，本體上安裝有裝配支點，用于產(chǎn)品裝配過程，此類AGV屬于工藝設(shè)備；另一類應(yīng)用是側(cè)重于運輸貨物到規(guī)定地點，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工駕駛的工業(yè)車輛，稱作為運輸類AGV，此類AGV應(yīng)用十分豐富，具體分類如圖3所示。

圖3 運輸類AGV

值得指出注意的是，以上分類僅是代表現(xiàn)階段大部分的應(yīng)用技術(shù)，伴隨著近幾年工業(yè)4.0的快速發(fā)展，AGV技術(shù)發(fā)展變革，尤其是運輸類AGV的技術(shù)變革非?？焖?，可應(yīng)用形式也越來越豐富。比如，在AGV+方面應(yīng)用，通過在本體上加裝機械手、取放設(shè)備，就可以衍生出新的AGV類型；在與高架存儲結(jié)合應(yīng)用方面，通過特殊的機械設(shè)計，實現(xiàn)AGV爬升貨架的能力，衍生出空間移動AGV等新興技術(shù)。

2.3 AGV的導(dǎo)引方式

AGV屬于移動輪式機器人，導(dǎo)引部分（圖4）相當(dāng)機器人的眼睛。傳統(tǒng)導(dǎo)引方式有磁條引導(dǎo)、電磁感應(yīng)引導(dǎo)和視覺引導(dǎo)（色帶），近幾年激光引導(dǎo)、慣性（二維碼或磁釘）引導(dǎo)、以及無實物引導(dǎo)方式的自然引導(dǎo)（SLAM）等快速發(fā)展[2]。在視覺引導(dǎo)中有一類新興技術(shù)，依靠地面紋路視覺引導(dǎo)，在近兩年研究較多，此類技術(shù)主要應(yīng)用于精確引導(dǎo)方面。

圖4 AGV導(dǎo)引方式

當(dāng)前一汽-大眾應(yīng)用比較多的為成熟度比較高的磁條、電磁感應(yīng)和二維碼慣性引導(dǎo)。激光引導(dǎo)和自然引導(dǎo)處于研發(fā)、試用階段，暫未普遍應(yīng)用。視覺引導(dǎo)不適合快速運行，此類應(yīng)用當(dāng)前較少。

本研究以磁條型AGV作為設(shè)計基礎(chǔ)類型，該類型產(chǎn)品在本公司現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛。

3 雙控融合硬件設(shè)計

3.1 雙核控制方案設(shè)計

因單片機開發(fā)周期長、難度大（維修維護(hù)人員學(xué)習(xí)、后期改造均存在難度，并且外圍硬件接入多還可能對系統(tǒng)造成風(fēng)險）；PLC系統(tǒng)功能不靈活，高級算法支持性差（由PLC獨立完成的AGV項目，其編程難度大，響應(yīng)速度慢、需外擴硬件較多，導(dǎo)致成本高），加上現(xiàn)有AGV控制技術(shù)多為純單片機控制或PLC系統(tǒng)控制，這2種控制方式都有優(yōu)缺點，單片機控制的項目開發(fā)周期長、編程難度大。PLC開發(fā)AGV控制系統(tǒng)，軟件開發(fā)費較高，且PLC的軟、硬件系統(tǒng)固定封閉，難以進(jìn)行二次開發(fā)，所以本文中提出的設(shè)計方案為單片機系統(tǒng)加PLC系統(tǒng)的融合方案。

本文提出的雙核架構(gòu)，優(yōu)勢有以下3點。

a.響應(yīng)速度快，并可接入高級算法，以提升控制精度。

b.AGV應(yīng)用項目場景復(fù)雜，可用PLC靈活控制外圍設(shè)備，可有助于項目改造，降低應(yīng)用成本和改造周期。

c.維修維護(hù)人員只需有PLC基礎(chǔ)，即可自行維護(hù)及工況變化的一般改造，降低維修人員學(xué)習(xí)周期，降低維護(hù)保養(yǎng)難度，方便批量推廣應(yīng)用。

3.2 嵌入式控制系統(tǒng)硬件方案

該控制系統(tǒng)設(shè)計選取的AGV控制器主控制芯片是STM32F407ZGT6型號，并依托RS485總線通訊電路進(jìn)行整體通訊設(shè)計，并配置485總線隔離器，通過該通訊設(shè)計與車體上的導(dǎo)引傳感器、角度編碼器、讀寫傳感器進(jìn)行實時通訊，并將采集到的車體運行數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋解碼。

該控制芯片通過RS485通信電路連接以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)進(jìn)行MODBUS通信，并將控制器采集到的車輛信息實時顯示在觸控屏上，并且可以實時通過觸控屏進(jìn)行指令的下達(dá)，來控制車輛進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定動作，比如前進(jìn)、停止、轉(zhuǎn)彎等等。

該控制芯片在設(shè)計時為保證車輛可以在多種工況下使用特別進(jìn)行了抗干擾處理。通過使用GPIO口控制的繼電器來保證需使用大電流的硬件可以正常工作，通過繼電器小電流的通斷，控制外部硬件可以平穩(wěn)的運行[3]。

3.2.1 嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計的STM32型號單片機是由主控芯片、上電電路、空間時間控制電路、供電電路以及電源組成。同時單片機還包括具備LED指示的控制電路和運行下載電路，如圖5所示。

圖5 STM32F407ZGT6芯片引腳圖部分

3.2.2 串行總線通信設(shè)計

該設(shè)計應(yīng)用的通信架構(gòu)是RS485，RS485是一種標(biāo)準(zhǔn)的通用總線架構(gòu)，因其具有功能多樣性和在遠(yuǎn)距離傳輸上能力超強，使其在各種不同的通訊接口上得以廣泛應(yīng)用,選用該架構(gòu)擴展性更強，可兼容不同廠商的產(chǎn)品。本論文論述中485通信電路用兩片ADM2582E芯片設(shè)計了2組串口通訊電路。如圖6所示。

圖6 ADM2582E-RS485電路原理

3.2.3 無線通訊模塊

在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際工況內(nèi)，單臺AGV無法滿足實際生產(chǎn)中需要的高效率運輸需求，這時就需要多臺車輛同時運行以提高生產(chǎn)能力，滿足實際需求。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，包含WIFI、5G技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的概念逐漸成熟，現(xiàn)階段已經(jīng)可以使用無線技術(shù)來群控多臺車輛，系統(tǒng)可以對每一臺車輛進(jìn)行監(jiān)控定位，也可以調(diào)取每一臺車輛的狀態(tài)信息，通過系統(tǒng)任務(wù)的輸入，可以根據(jù)現(xiàn)場實際工況來調(diào)配每一臺車執(zhí)行相應(yīng)的工作任務(wù)，以此滿足實際生產(chǎn)要求，本控制系統(tǒng)設(shè)計時考慮應(yīng)用不同的應(yīng)用環(huán)境和場景，特使用了2種通信技術(shù)，以滿足后續(xù)發(fā)展需求。

a.WIFI通信技術(shù)。WIFI通信技術(shù)現(xiàn)階段使用十分廣泛，目前基本上所有的手持移動終端、移動筆記本電腦、無線通訊設(shè)備、智能裝備均支持WIFI通信。WIFI通信技術(shù)工作頻段為2.4 GHz，按照通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的時間先后，所執(zhí)行的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g三種，最大傳輸速度其可達(dá)54 Mbit/s，2點間通信距離在10～300 m之間。WIFI技術(shù)的其缺點為組網(wǎng)過于復(fù)雜，需要經(jīng)過周密的布局，才能達(dá)到全覆蓋；可擴展性差。

b.ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是現(xiàn)階段比較先進(jìn)的通信技術(shù)，該技術(shù)遵循著IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)特點如下。

a.超低功耗，損耗較小。

b.可進(jìn)行自組網(wǎng)、組網(wǎng)十分簡單便捷、

c.使用該技術(shù)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)擴展性強。

ZigBee技術(shù)支持多對點、樹狀、網(wǎng)型等方式進(jìn)行拓?fù)洳季帧?/p>

3.2.4 通用I/O及輔助功能設(shè)計

為保證該系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，重要的GPIO（General-Purpose Input/Output）接口添加了光耦隔離模塊。以下文章介紹接口設(shè)計情況。其中輸入隔離如圖7所示、輸出隔離如圖8所示。

圖7 輸入隔離

圖8 輸出隔離

3.3 PLC硬件方案設(shè)計

3.3.1 安全系統(tǒng)

應(yīng)用采用獨立SICK安全系統(tǒng)，安全系統(tǒng)在車載運行的過程中全周期內(nèi)保障車體及工況周邊安全防護(hù)和監(jiān)控工作。如工況周邊遇危險，立即切換到程序控制策略，危急情況會自動予以切斷控制電源。

3.3.2 E-Frame控制

E-Frame采 用Siemens Automatic S7-1200系 列的PLC控制；將S7-1215C（S7-1200系列CPU(Central Processing Unit)模塊）布設(shè)集成到AGV牽引車內(nèi)部，SM223擴展I/O布設(shè)集成到E-Frame上，用于采集工位對準(zhǔn)信號、物料有無檢測信號和自動控制送貨叉的伸出與收回。

車體采用S7-1200系列PLC的原因是由于目前工廠大量使用Siemens公司的PLC，對于后續(xù)自主維修AGV提供方便；同時S7-1200系列PLC性價比較高，可以節(jié)省費用成本支出。全車采用S71215C的中央處理器模塊，通過PROFINET協(xié)議控制SM223擴展I/O的布控方式完成對E-Frame的監(jiān)控和操作。

3.3.3 E-Frame硬件設(shè)計要求

a.中央處理器使用S7-1215C的CPU模塊（型號為：6ES7 215-1AG40-0XB0），原因是AGV全車供電采用標(biāo)準(zhǔn)的直流電24 V，因此使用直流型CPU有效減少電源類型的布控。

b.I/O擴展線采用帶有屏蔽功能的8絞線。

c.數(shù)字量輸入/輸出模塊使用SM-1223的I/O擴展模塊（型號為：6ES7 223-1PL32-0XB0）原因是該模塊采用直流電24 V供電，同時有較高的輸入掃描周期，可以很好地監(jiān)控光電信號的輸入。

d.工位對正信號采用OMRON反射板式光電開關(guān)（型號為：E3FA-RN12 1M），該開關(guān)可以有效監(jiān)測工位過橋是否與E-Frame對正；E-Frame上的空車檢驗傳感器采用OMRON漫反射式光電開關(guān)（型號為E3FA-DP12 2M），該開關(guān)對被檢測物體的表面沒有較高的要求，在2 m內(nèi)的物體均可被檢測到。

e.E-Frame固定料車的倒鉤采用直流電24 V電動傳動，用于固定和釋放料車；驅(qū)動料車送入工位和拉回空料車的貨叉采用帶抱閘的直流電24 V電機驅(qū)動，該電機需要配合驅(qū)動器使用。

3.3.4 人機交互

AGV的人機交互主要靠觸控屏來實現(xiàn)，在觸控屏上可以對AGV進(jìn)行IO檢測以及路徑切換、站點屬性及運行參數(shù)等功能進(jìn)行修改。

站點的屬性（表1）設(shè)置包括站點正向?qū)傩栽O(shè)置以及站點反向?qū)傩栽O(shè)置。單向運行的AGV只需設(shè)置站點前向?qū)傩?，雙向行駛的AGV必須設(shè)定站點前向?qū)傩砸约罢军c后向?qū)傩?。在站點屬性這一欄中以下情況需要在該界面設(shè)定AGV的站點屬性：

a.無序到站模式；

b.順序到站模式。

其中進(jìn)站模式相關(guān)站點屬性設(shè)定如表1所示。

表1 站點屬性

分岔路徑設(shè)置可以讓AGV在遇到岔路時做出規(guī)定的選擇，參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 分支路徑界面各參數(shù)設(shè)定方式

3.3.5 通用I/O設(shè)計

AGV要在現(xiàn)實生產(chǎn)中按照實際工況進(jìn)行應(yīng)用，還需要做很多輔助功能設(shè)定，比如保證安全距離的安全感應(yīng)掃描器、檢測車輛輔助執(zhí)行機構(gòu)是否正常運行到位的檢測信號、遇險時急停機構(gòu)、設(shè)置功能配置的按鍵，手動操作的操作手柄、用于警示作用的音響、用于警示的警示燈光提示等，這些信號是通過PLC控制的數(shù)字量耦合開關(guān)，生產(chǎn)所需要的輔助功能越多，相對應(yīng)配置的電氣原件就會越多，相對應(yīng)的就對占用更多的控制器通用GPIO。

4 雙控融合軟件設(shè)計

4.1 雙核控制系統(tǒng)

單片機及PLC融合控制中，各控制模塊自主控制主導(dǎo)的功能實現(xiàn)如圖9所示。

圖9 雙核控制系統(tǒng)

4.2 嵌入式控制系統(tǒng)軟件模塊

4.2.1 電機控制算法

對應(yīng)相對比較固定的車輛線路循跡，需要根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與所控制電機控制器占空比的信號輸入關(guān)系進(jìn)行確定。在圖10中可以看到Arduino的3號、5號引腳被接入左側(cè)驅(qū)動器的PU+和DIR-引腳，Arduino UNO的6號11號引腳則被接入右側(cè)驅(qū)動器的PU+和DIR-引腳。DIR-和PU+所對應(yīng)的驅(qū)動器方向與速度輸入信號，對DIR-引腳所輸入電流大小可以決定電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，對PU-引腳，輸入頻率大于1 kHz的占空比10%～90%的波可以決定電機轉(zhuǎn)速。

圖10 電機控制算法

4.2.2 糾偏算法

AGV在行駛過程中，無論是行駛轉(zhuǎn)彎還是控制程序自動偏差的原因，都無法保證全程AGV車身的運行姿態(tài)，在測算得出AGV對固定磁條的偏差量，AGV需要根據(jù)自身算法計算出的偏差量，用合適的糾偏循跡方式來控制車體兩輪的行進(jìn)速度，可以理解為是電機通過使兩輪不同轉(zhuǎn)速的差速行駛使車輛與引導(dǎo)磁條的偏移量始終處于合理或者逐漸減小的狀態(tài)。本文中所設(shè)計的車輛是采用了2個車輪同時進(jìn)行變速，使車輛進(jìn)行糾偏，并對車輛進(jìn)行速度控制。以下介紹中將利用模糊PID算法在以形成閉環(huán)的車輛運行系統(tǒng)中，使得車輛能穩(wěn)定的循跡。

模糊PID控制（圖11）是將PID算法和模糊控制理論結(jié)合的一種控制技術(shù)，該技術(shù)是生產(chǎn)中不斷總結(jié)不斷更新得來的，并通過轉(zhuǎn)化為理論經(jīng)驗所得出的控制策略。然后通過算法對不精確的輸入信號進(jìn)行解析，然后進(jìn)行有效的處理。車輛控制器根據(jù)任務(wù)設(shè)定的程序輸入信號和反饋信號來判斷當(dāng)前運行路徑與設(shè)定值的偏差量及變化量，然后通過預(yù)設(shè)算法進(jìn)行推理計算，得到可以讓模糊控制器可以解讀并可執(zhí)行的控制參數(shù)[4]。

圖11 模糊PID算法

4.3 PLC軟件模塊

4.3.1 E-Frame控制流程

E-Frame受PLC模塊控制，在車輛?？亢筮M(jìn)行上料和下料工作，控制流程見圖12。

圖12 E-Frame控制邏輯

4.3.2 PLC與單片機通訊信號

PLC與單片機的信號交互是主要以下功能的控制構(gòu)成。

a.手動及自動模式的切換；

b.地標(biāo)號的處理解讀；

c.電池電壓信息的檢測與實時監(jiān)控；

d.激光雷達(dá)區(qū)域的選擇與監(jiān)控反饋；

e.運行線路號的設(shè)定與反饋；

f.舵輪電機速度的設(shè)定與反饋；

g.舵輪限位的控制和檢測；

h.車輛脫線的判定與監(jiān)控。

信號的來源和指向如圖13所示。

圖13 PLC與單片機信號交互

4.3.3 報警系統(tǒng)

由于控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動作判斷和信號交互系統(tǒng)，存在的不穩(wěn)定因素較多，所以在建立完善的故障策略和報警指示策略，能快速的幫助處理異常情況的發(fā)生。本文中，故障類型有如下8個方面。

a.調(diào)度系統(tǒng)的通訊故障；

b.車身本體故障；

c.車輛脫線故障；

d.電池電量預(yù)警；

e.安全系統(tǒng)故障；

f.E-Frame故障；

g.超時連接故障；

h.故障信息的通報警燈。

以上故障在人機控制界面及調(diào)度系統(tǒng)均能實時顯示反饋。

4.3.4 日志系統(tǒng)

系統(tǒng)日志是記錄系統(tǒng)中硬件程序、軟件控制以及系統(tǒng)問題的信息，同時還可以監(jiān)視控制系統(tǒng)中發(fā)生的事件。用戶可以通過它來檢查錯誤運行發(fā)生原因，或者尋找受到異常觸發(fā)時留下的痕跡。

系統(tǒng)日志包括如下內(nèi)容。a.系統(tǒng)日志；

b.應(yīng)用程序日志；

c.安全日志。

日志系統(tǒng)記錄了雙核之間關(guān)鍵通訊信息、與調(diào)度系統(tǒng)通訊信息、同時記錄了報警信息、安全系統(tǒng)日志、運行狀態(tài)日志，E-Frame等關(guān)鍵設(shè)備的日志信息。

5 AGV驗收標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用該控制系的磁導(dǎo)型AGV在交付使用時，需要對其功能進(jìn)行驗證，具體驗收項目見表3。

表3 AGV驗收檢驗標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)束語

因磁導(dǎo)型AGV在汽車制造領(lǐng)域大量應(yīng)用，本設(shè)計中的磁導(dǎo)型AGV控制系統(tǒng)通過不同功能模塊間的組合并相互通信，使AGV在應(yīng)用時更加靈活可靠，后續(xù)拓展性更強，相對比傳統(tǒng)磁導(dǎo)型AGV柔性更加出色，并且本文中設(shè)計的采用單片機與PLC結(jié)合的雙控控制方式用來控制AGV及E-Frame系統(tǒng)的舵輪行走和轉(zhuǎn)向、磁條導(dǎo)引、安全策略等各項功能使得各功能模塊配合更加協(xié)調(diào)、反應(yīng)更加迅速。同時在開發(fā)、拓展領(lǐng)域使得AGV的開發(fā)周期更短、各種功能拓展更加靈活，應(yīng)用匹配度更好，整體資金投入更小，經(jīng)濟性更好。