物流搬運AGV的總體方案設(shè)計

王冠男+劉偉

摘 要：本文從自動物流AGV搬運車要實現(xiàn)的功能目標出發(fā)，對AGV的控制系統(tǒng)進行研究，建立物流搬運AGV的整體結(jié)構(gòu)。在AGV的混合式體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計選擇了控制系統(tǒng)中的硬件。

關(guān)鍵詞：物流搬運；AGV

1.AGV的驅(qū)動形式

（1）單驅(qū)動形式

這種車的結(jié)構(gòu)多用于三輪車體結(jié)構(gòu)：一個驅(qū)動輪同時也是轉(zhuǎn)向輪，兩個從動輪固定（位于在車體軸線的兩側(cè)）起支撐和轉(zhuǎn)向作用。

（2）差速驅(qū)動形式

差速形式的車體也有三個輪子和四個輪子的車型，兩個固定驅(qū)動輪分別分布在車體軸線的兩側(cè)，一個或兩個從動輪起轉(zhuǎn)向和支撐作用。小車轉(zhuǎn)彎依靠兩個主動的驅(qū)動輪之間的速度差來實現(xiàn)。

（3）雙驅(qū)動形式

這種驅(qū)動形式多見于四輪車型：兩個驅(qū)動輪同時也是轉(zhuǎn)向輪，兩個從動輪起支撐和轉(zhuǎn)向。這種結(jié)構(gòu)形式的車型可以實現(xiàn)整車的前進、后退、全方位轉(zhuǎn)向行駛。

（4）多輪驅(qū)動

這種類型的驅(qū)動形式多用于八輪車型，四個驅(qū)動輪同時也是轉(zhuǎn)向輪，四個從動輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，這種類型的小車可以實現(xiàn)整體的前進，后退和全方向行駛，較多用于重載行業(yè)。

2 驅(qū)動電動機的選擇

2.1 電動機類型

電動機按工作電源分類：可分為直流電動機和交流電動機，其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。AGV需要運動靈活，轉(zhuǎn)向自由，工作范圍大，適應(yīng)性強，所以一般采用蓄電池供電，因此多采用直流電動機?；谖覀冊O(shè)計的AGV的工作需求，也采用蓄電池供電，因此選用直流電動機。

2.2 驅(qū)動單元設(shè)計

本文設(shè)計的AGV的車體由兩個驅(qū)動輪和兩個萬向輪支承，驅(qū)動輪由直流伺服電動機帶動直角行星減速器驅(qū)動。驅(qū)動電動機不但是AGV行駛的動力來源，同時又通過其左右輪的差速實現(xiàn)AGV的轉(zhuǎn)向。為了保證車能正常載重運行，同時能夠完成各項動作，需要計算電機的驅(qū)動扭矩，根據(jù)電機特性等，最終確定小車的驅(qū)動電機的大小與減速器減速比。

3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

AGV自動車采用混合式體系結(jié)構(gòu)、模塊化的設(shè)計；低層傳感器實時采集外面環(huán)境信息，為高層規(guī)劃提供所需要的必要信息，高層規(guī)劃層則為低層的行為提供必要的指導，混合式體系結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。

行為庫：包括停車、直線行走、轉(zhuǎn)彎、取貨、送貨、避障、跟蹤等基本動作，它主要接受兩個層面的指令，一方面是同層的傳感器信息，另一方面是來自執(zhí)行層的命令。根據(jù)兩者優(yōu)先級的高低，在上層命令的指導下，選擇相應(yīng)的行為或者行為組合，并輸出命令驅(qū)動執(zhí)行器。

3.2控制系統(tǒng)硬件解決方案

控制器采用PLC作為整個小車的控制中樞，負責接收外部傳感器信號、開關(guān)信號并發(fā)出指令，由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)小車的行走、定位停車、緊急避障和搬運平臺的上下貨物。

（1）控制器的選擇

AGV控制系統(tǒng)是AGV的直接中樞，它將小車的驅(qū)動轉(zhuǎn)向、采集到的傳感器的信號處理、電機伺服驅(qū)動器的控制、AGV小車的導引與定位、以及無線通訊等多種功能整合到一起，因此選擇合理的控制器決定著AGV小車的運行穩(wěn)定可靠。和單片機相比，PLC工作可靠，可靠性和抗干擾能力強，系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量都小，本文所設(shè)計的AGV只控制兩個電機的運動，選擇PLC還是比較合適。

（2）激光安全區(qū)域掃描

激光安全保護裝置是一種新型區(qū)域掃描傳感器，其主要特點是：保護區(qū)域范圍廣泛，而且可以設(shè)置掃描區(qū)域數(shù)量，掃描角度大，與傳統(tǒng)的超聲波和光電傳感器相比，克服了直線掃描的缺點。這種傳感器廣泛應(yīng)用于自動導航小車、出入站口、自動化生產(chǎn)線、機器人的安全裝置、自動立體化化車庫、加工中心等多個地方。本AGV選定激光安全保護傳感器。它的外形緊湊，安裝方便，可以通過軟件進行設(shè)置。該傳感器分為二級安全監(jiān)測，他的監(jiān)測區(qū)域分為減速區(qū)和停止區(qū)兩部分。當人和物進入減速區(qū)時，AGV小車會按照預先設(shè)置速度減速運行；當障礙物進入停止區(qū)時，AGV小車會即刻停車。因此，具有在AGV小車運行前方0～5m內(nèi)的障礙物探測功能，具體的減速區(qū)和停止區(qū)監(jiān)測區(qū)域范圍及形狀可根據(jù)實際要求，在軟件客戶端可以靈活地進行變更。通常減速區(qū)為2米，停止區(qū)為1米。傳感器還可設(shè)置不同的監(jiān)測區(qū)域，可根據(jù)具體的運行路線進行改變。

（3）伺服控制系統(tǒng)的選擇

本課題設(shè)計的AGV伺服控制系統(tǒng)，采用直流無刷伺服電機調(diào)速方案，整個伺服系統(tǒng)原理圖如3.2所示：

整個系統(tǒng)的工作過程是：磁傳感器檢測小車偏離磁帶的位置，將采樣數(shù)據(jù)送給PLC控制器，PLC根據(jù)采樣值判斷小車偏離磁帶的情況，然后內(nèi)部計算發(fā)出指令給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動相應(yīng)的伺服電機轉(zhuǎn)動，通過速度差調(diào)整小車位置，直到小車運行到正確的位置上。伺服電機通常有三種控制模式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。

位置控制模式是通過控制給電機輸入脈沖的頻率來確定控制電機速度，控制脈沖個數(shù)控制電機轉(zhuǎn)動角度，通過脈沖方向控制電機的正反轉(zhuǎn)，基于位置控制模式對速度和位置的準確控制，一般多應(yīng)用于精準的定位設(shè)備。

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過控制給伺服電機輸入模擬量或直接地址賦值來設(shè)定電機軸輸出轉(zhuǎn)矩的大小。速度模式通過模擬量的輸入來控制伺服電機轉(zhuǎn)動速度，速度控制有兩種方式：一是通過伺服驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定可以選擇多段速度運行，二是選擇連續(xù)速度控制模式，實現(xiàn)無級調(diào)速。

（4）鎳鎘快充電池

選用鎳鎘快充電池具有以下的優(yōu)點：

a.電池充放電循環(huán)可靠性高；

b.電池內(nèi)阻低；

c.電池充電時間短；

d.維護使用方便；

e.電化學性能穩(wěn)定；

鎳鎘快充蓄電池完全滿足AGV對電池的高循環(huán)能力、高性能、易于維護等方面的要求?？斐湫铍姵靥貏e適合于間歇式的快充模式，采用比鉛酸電池大10倍的電流進行充電，如電池的容量消耗每次限制在10%-15%之間時，蓄電池循環(huán)充放電約12000次后，電池的實際容量逐步下降到75%，但仍可正常循環(huán)使用約4000次。

結(jié)論

控制系統(tǒng)是AGV的核心，是AGV自動化、智能化的大腦，在小車的運動中起著舉足輕重的作用，本文依據(jù)驅(qū)動形式選取控制系統(tǒng)中的硬件部分，包括：控制器，安全區(qū)域掃描，直流電源等AGV關(guān)鍵硬件。

參考文獻

[1] 俞竹青 金衛(wèi)東.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社[M].2011（8） ：P100-120.