磁釘導(dǎo)航在AGV中的應(yīng)用

孫鵬飛

(沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

AGV(Automated Guided Vehicle，即自動(dòng)導(dǎo)引車)在倉儲(chǔ)物流領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用環(huán)境一般是無人化或少人化，靠自身導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AGV的自動(dòng)行走。在所有的導(dǎo)航方式中磁導(dǎo)航形式是最常見的，但在磁導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用中，磁條導(dǎo)航形式是最多見的，磁釘導(dǎo)航形式又是少見的,為此，本文著重探討磁釘導(dǎo)航技術(shù)在AGV中的應(yīng)用。

1 磁釘導(dǎo)航應(yīng)用場(chǎng)景

磁導(dǎo)航具有很高的測(cè)量精度及良好的重復(fù)性，不易受光線變化等的影響，系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。常見的磁導(dǎo)航技術(shù)有磁條導(dǎo)航技術(shù)與磁釘導(dǎo)航技術(shù)，磁條導(dǎo)航技術(shù)一旦磁條鋪設(shè)好后，維護(hù)費(fèi)用非常低，使用壽命長，且增設(shè)、變更路徑都較容易，因此應(yīng)用也最廣泛，但在某些場(chǎng)合更適宜于采用磁釘導(dǎo)航技術(shù)，尤其有兩種場(chǎng)合更應(yīng)首先考慮磁釘導(dǎo)航技術(shù)：①AGV運(yùn)行環(huán)線路徑較長的環(huán)境；②戶外環(huán)境。此兩種情況運(yùn)行路徑都比較長，甚至長達(dá)幾千米，且路徑存在無法避開的交叉點(diǎn)，在AGV交叉行走時(shí)會(huì)碾壓損壞路面鋪設(shè)的磁條等，因此為降低成本，便于施工，基于性價(jià)比的角度考慮，需采用磁釘導(dǎo)航技術(shù)。

磁釘導(dǎo)航和磁條導(dǎo)航一樣，都需要磁傳感器來定位AGV相對(duì)于路徑的左、右偏差。磁傳感器中有若干磁阻傳感器探測(cè)點(diǎn)，例如I/O輸出的磁傳感器，對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度高處的探測(cè)點(diǎn)，一般有1個(gè)～3個(gè)探測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的I/O數(shù)據(jù)信號(hào)輸出低電平，而對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度近似為0的低處的探測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的I/O數(shù)據(jù)信號(hào)輸出系統(tǒng)電壓，由此便可判斷出磁釘相對(duì)于磁傳感器的偏離位置。磁傳感器探測(cè)原理如圖1所示。

磁釘導(dǎo)航的媒介磁場(chǎng)信息為磁釘，磁釘?shù)匿佋O(shè)為離散預(yù)埋鋪設(shè)在地表下，不像磁條一樣連續(xù)鋪設(shè)，因此考慮到可操作性和維護(hù)性，一般相鄰兩個(gè)磁釘?shù)拈g距在1 m以上。磁釘導(dǎo)航通過磁傳感器檢測(cè)磁釘?shù)拇判盘?hào)來尋找行進(jìn)路徑，將原來采用磁條導(dǎo)航時(shí)對(duì)磁條進(jìn)行的連續(xù)感應(yīng)變成對(duì)磁釘?shù)拈g歇性感應(yīng)，因此磁釘之間的距離不能過大，且兩磁釘間AGV處于一種距離計(jì)量的狀態(tài)，在該狀態(tài)下編碼器計(jì)量所行走的距離。除此之外，磁釘導(dǎo)航所用控制模塊與磁條導(dǎo)航所用的控制模塊相同。

圖1 磁傳感器探測(cè)原理

2 磁釘導(dǎo)航原理

由于磁釘離散鋪設(shè)于地表下，且有一定的相隔間距，這樣AGV在行走過程中磁釘與磁釘之間會(huì)失去導(dǎo)航信息，也就是會(huì)在磁釘與磁釘之間產(chǎn)生盲區(qū)，在沒有導(dǎo)航信息的盲區(qū)運(yùn)行是不可預(yù)料和不安全的，因此磁釘導(dǎo)航需要采用角度傳感器來為AGV提供航向角度參考，以便在盲區(qū)環(huán)境中提高AGV的導(dǎo)航精度，引導(dǎo)AGV在磁釘之間正常運(yùn)行。這種磁釘離散布置配套角度傳感器的導(dǎo)航方式也稱為慣性導(dǎo)航。

通常把在AGV上安裝的陀螺儀用作角度傳感器，通過陀螺儀測(cè)量載體在慣性參考系下的加速度，自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得載體的速度、偏航角和位置等信息。假設(shè)陀螺儀得到角速度為R，通過角速度對(duì)時(shí)間t積分便可得到累積的角度偏差值J，即:

(1)

AGV通過對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)的計(jì)算，不斷將偏差值J反饋給控制器，控制AGV保持正確航向姿態(tài)，基本上可以滿足一般場(chǎng)合AGV的使用要求。

陀螺儀角度傳感器會(huì)隨時(shí)間的累積產(chǎn)生誤差，在某些需要精確控制AGV姿態(tài)或磁釘間距比較大的場(chǎng)合，需要對(duì)誤差進(jìn)行修正。例如在AGV中增加一個(gè)校準(zhǔn)的輔助磁傳感器，在原地面導(dǎo)航磁釘對(duì)應(yīng)輔助磁傳感器的位置預(yù)置輔助磁釘，配合AGV車體及時(shí)進(jìn)行糾偏，以保證導(dǎo)航系統(tǒng)的精度及可靠性，使AGV系統(tǒng)按預(yù)定軌跡運(yùn)行。角度修正示意圖如圖2所示。

圖2 角度修正示意圖

AGV小車實(shí)際的航向角為α1，角度傳感器輸出的航向角為α2，磁傳感器輸出偏距為L1，輔助磁傳感器輸出偏距為L2，則有：

(2)

顯然此時(shí)角度傳感器的誤差α為：

α=α1-α2.

(3)

將累積誤差反饋給AGV控制器，從而將角度傳感器的誤差消除，為AGV接下來的行進(jìn)提供相對(duì)準(zhǔn)確的導(dǎo)航，避免因角度誤差積累而導(dǎo)致AGV跑偏。

3 磁釘導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)

AGV的導(dǎo)航控制實(shí)質(zhì)上就是AGV不斷糾正自己的姿態(tài)與理想值不斷趨近的過程。按磁釘導(dǎo)航方案，AGV的VCU(車體控制器，Vehicle Control Unit)在得到AGV導(dǎo)航偏差后通過CAN總線將執(zhí)行命令傳輸給MCU(運(yùn)動(dòng)控制器，Motion Control Unit)，MCU依靠增量式編碼器信號(hào)的反饋輸入對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確控制，從而通過控制調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向不斷糾正AGV姿態(tài)，使之趨近于理想值。磁釘導(dǎo)航方案原理框圖如圖3所示。

圖3 磁釘導(dǎo)航方案原理框圖

為精確控制AGV行走軌跡，AGV的電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪控制通常采用速度環(huán)和位置環(huán)的雙閉環(huán)控制方案。速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，通過伺服給定信號(hào)與連接在電機(jī)軸上的測(cè)速機(jī)的反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)速，也有很多廠家通過增加絕對(duì)值編碼器，直接通過絕對(duì)值編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)；位置環(huán)為外環(huán)，運(yùn)動(dòng)控制器給出信號(hào)要求AGV行走一定的距離，電機(jī)軸上的碼盤將實(shí)際的行走距離反饋給MCU，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 戶外環(huán)境磁釘施工工藝

由公式(2)可知，傳感器檢測(cè)誤差L1與L2的精度直接決定了誤差α的數(shù)值，從而直接影響AGV行走精度。一般戶外環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境更惡劣，以戶外環(huán)境為例，為適應(yīng)戶外導(dǎo)航環(huán)境要求及磁釘導(dǎo)航方式，必須開發(fā)可以適應(yīng)戶外環(huán)境的高精度磁導(dǎo)航傳感器以滿足磁釘導(dǎo)航需求。

圖4 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

沈陽新松機(jī)器人公司開發(fā)的戶外高精度磁導(dǎo)航傳感器產(chǎn)品GSC2101及配套使用的Spot-M20.10磁釘，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在使用時(shí)導(dǎo)航傳感器下表面距地表距離控制在70 mm高度，磁釘S極朝上，且整體預(yù)埋入地表下后S極距地表深度控制在≥10 mm，即磁釘S極上表面距車體上的磁釘導(dǎo)航傳感器下表面控制在80±1 mm，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航傳感器對(duì)磁釘?shù)淖顑?yōu)檢測(cè)。

高精度磁導(dǎo)航傳感器屬于精密的磁場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)周圍的磁場(chǎng)環(huán)境要求也比較嚴(yán)格，為了保證磁導(dǎo)航傳感器的正常使用，一般距離周圍50 mm以內(nèi)不能有鐵質(zhì)或鋼性材料，使用的導(dǎo)航支架也優(yōu)先選用鋁質(zhì)材料，并且要遠(yuǎn)離大功率電機(jī)等，防止產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾。

在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，對(duì)磁釘施工也有明確的要求，例如Spot-M20.10磁釘在預(yù)埋時(shí)，為保證高精度磁導(dǎo)航傳感器對(duì)磁釘?shù)臋z測(cè)效果，依據(jù)磁釘傳感器下表面距地表距離控制在70 mm高度，磁釘S極上表面距車體上的磁釘導(dǎo)航傳感器下表面控制在80±1 mm的要求，在用水鉆在地面打孔時(shí)先通過導(dǎo)向模具控制鉆頭與地面的垂直度，Spot-M20.10磁釘高度為18 mm，鉆孔深控制在35 mm，將防水環(huán)氧樹脂在室溫(25 ℃)條件下按照1∶5比例(重量比)混合，并攪拌均勻，混合好后倒入孔內(nèi)，用格尺測(cè)量液面距離地表的高度為28 mm(如圖5所示)，在室溫條件下靜止24 h，待其凝固后將磁釘?shù)腟極朝上，垂直放入孔內(nèi)，再灌入環(huán)氧樹脂，使其能充分地包裹住磁釘，灌入的速度不宜過快，讓樹脂充分地流入孔內(nèi)的各個(gè)縫隙中，最后與地表一平，室溫下靜止24 h待樹脂凝固。

圖5 磁釘預(yù)埋示意圖

填埋的磁釘應(yīng)與地面保持垂直，傾斜角度太大會(huì)對(duì)AGV行走軌跡造成影響，在施工完成后需對(duì)磁釘?shù)膬A斜角度進(jìn)行檢測(cè)?？蓪GV開到磁釘正上方，磁釘對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)航中心，觀察車體軟件導(dǎo)航數(shù)據(jù)，如果數(shù)值在±0.1以內(nèi)，說明磁釘垂直于地面，如果超出范圍可再進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語

磁釘導(dǎo)航技術(shù)因?yàn)榇裴旑A(yù)埋在地面下，整個(gè)工廠地面以上沒有其他導(dǎo)航輔助設(shè)備，因此其隱秘性好且美觀，抗干擾性強(qiáng)，抗磨損性強(qiáng)，抗酸堿、油污等，體現(xiàn)出了其不怕下雨積水等戶外環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，成為AGV應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。