AGV小车设计及应用

技术交流报告书 AGV 小车设计及应用 1 AGV 小车的发展背景 在现代化工业的发展中 提倡高效 快速 可靠 提倡将人从 简单的工作中解放出来 机器人逐渐替代了人出现在各个工作岗位 上 机器人具有可编程 可协调作业和基于传感器控制等特点 自 动导向小车 Automated Guided Vehicle 简称 AGV 便是移动机器人 的一种 是现代化工业物流系统中的重要设备 主要为储运各类物 料 为系统柔性化 集成化 高效运行提供了重要保证 AGV 小车构成系统图 AGV 小车有三个关键系统 运行系统 导引系统 控制系统 其它还包括有路线系统及安全保护系统等 本文着重介绍 AGV 小车 的三个关键系统 技术交流报告书 2 AGV 小车运行系统 AGV 小车运行系统是由车轮 减速器 制动器 电机及速度控 制器等部分组成 AGV 小车常设计成三种运动方式 只能向前 能 向前与向后 能纵向 横向 斜向及回转全方位运动 本次研究的 AGV 小车是能够前进 后退及回转全方位运动 AGV 小车能够进行 回转运动需要有转向装置 转向装置的结构也有三种 1 前轮转向后轮驱动三轮车型 车的转向和驱动分别由两个 不同的电动机带动 车体的前部为转向车轮 车体后部为驱动电机 驱动的两个轮 其结构简单 成本低 但定位精度较低 前轮转向后轮驱动三轮车型 2 差速转向式四轮车型 车体的中部有两个驱动轮 由两个 电机分别驱动 前后部各有一个转向轮 自由轮 通过控制中部两个 轮的速度比可实现车体的转向 并实现前后双向行驶和转向 这种 方式结构简单 定位精度较高 技术交流报告书 差速转向式四轮车型 3 全轮转向式四轮车型 车体的前后部各有两个驱动和转向 一体化车轮 每个车轮分别由各自的电动机驱动 可实现沿纵向 横向 斜向和回转方向任意路线行走 控制较复杂 全轮转向式四轮车型 从成本及系统应用考虑 本文着重介绍差速转向式四轮车型 两驱动车轮由两伺服驱动器控制 伺服驱动器通过改变两车轮的速 度大小 方向 实现 AGV 小车的前进 后退 加减速及转向动作 AGV 小车通过伺服控制 很容易实现前进 后退及加减速 但 如何通过改变两驱动轮的速度差 实现 AGV 小车的转向及纠偏 下 面 我们首先了解一下差速转向式四轮车的运动模型 技术交流报告书 AGV 小车运动状态及偏差示意图 图中虚线表示的车体为初始位姿 实线表示的车体是在和初始 时差为 t 时的位姿 AGV 车子的左轮运行速度为 Vr 右轮为 Vl AGV 小车沿着 A 点作圆弧运动 转弯半径为 d 可以得 rlVRd 2 AGV 小车运动偏移弧度为 容易得 trl 由 式可得 AGV 小车运动偏移弧度 与左右轮的速度关 系式 tRVrl AGV 小车在做圆弧运动时 在 X 轴上的变化量是 X 在 Y 轴 上的变化量是 Y X Y 与转弯半径 d 的关系为 sindX Vl Vr 技术交流报告书 cos1 dY 将 式代入 式 可以得出 X Y 与左右轮运行速度的 关系式 sin2rlVRX co1 rlY 所以 通过改变 Vr 及 Vl 可以实现 AGV 小车纠偏 转向等运动控 制 驱动轮的变速控制 有多种方法可选择 包括变频器控制 步 进控制 伺服控制等 其中变频器控制及伺服控制除了有高精度的 速度控制外 还能提供灵活的转矩控制 在 AGV 小车的运动模型中 其有干摩擦力矩 惯性转矩 粘性摩擦力矩 重力力矩 弹性力矩 等 所以 AGV 小车在运行过程中 驱动器需要提供不同的力矩 AGV 小车才能运行得更稳定 而伺服控制比变频器拥有更高的速度 控制精度 更小的安装位置 更高的 IP 防护等级以及更好的停车制 动功能 所以 伺服控制器作为 AGV 小车的运动控制系统使用是更 为适合 3 AGV 小车导引系统 AGV小车能自动运行 需要有导引装置 常用的导引方式分为 两大类 车外预定路径和非预定路径方式 下面对两种方式分别作 介绍 1 车外预定路径导引方式是指在行驶的路径上设置导引用的 信息媒介物 AGV通过检测出它的信息而得到导向的导引方式 如 电磁导引 色带导引 磁带导引 又称磁性导引 等 技术交流报告书 色带导引示意图 上图为光学导引示意图 这种导引方式是在地面上连续敷设一 条带颜色的带子 在车辆的底部中央安装光源以及在两边安装相同 的色标传感器 如欧姆龙产品E3X DA AN S 它们同时检测色带反 射回来的色度值 并将色度值转换成模拟量传送给AGV小车的中央 控制系统 PLC 当AGV 小车运行在正确的运行轨道上时 两放大器 反馈给PLC模拟量的值相同 当 AGV小车偏离轨道时 两放大器反馈 给PLC的值便有差别 PLC根据两模拟量的差值便能判断出 AGV小车 偏离运行轨道的程度及方向 并通过控制运动控制器使AGV小车往 正确的轨道运行 色带导引灵活性较好 地面路线设置简单易行 但对色带的污 染和机械磨损十分敏感 对环境要求高 导引可靠性较差 精度较 低 在预定路径导引方式中 还有电磁导引等 电磁导引是较为传 统的导引方式之一 目前仍被许多系统采用 它是在 AGV 的行驶路 径上埋设磁条 并在磁条上加载导引频率 磁导航传感器通过检测 技术交流报告书 磁条上的磁场 便能判断出 AGV 小车的运行是否偏离轨道 磁导航传感器工作原理图 上图为磁导航传感器的工作原理图 磁导航传感器可安装在 AGV 小车的底部中央 距离磁条表面 20 40mm 磁条宽度为 30 50mm 厚度 1mm 磁导航传感器内部每隔 10mm 排布一个采样点 共排布 16 个采样点 能够检测出磁条上方的磁场 每一个采样点都 有一路对应输出 AGV 运行时 磁导航传感器内部垂直于磁条上方 的连续 3 5 个采样点会输出信号 如图中磁导航传感器上黄色条为 检测到磁场信号的采样点 蓝色条为未能检测出磁场的采样点 AGV 小车的控制系统便能依靠 16 路通道中输出的 3 5 路信号 可以 判断磁条相对于磁导航传感器的偏离位置 自动作出调整 确保沿 磁条前行 拥有了运行路径后 还需要在每个工位及节点设置位置标签 使 AGV 小车在运行到特定位置时 能做出加速 减速 停车 拐弯 等动作 如在每个工位敷设不同颜色的色条 当色标传感器检测出 到颜色信号时 小车控制系统便能掌握小车运行的位置 色条作为 磁导航传感器 磁条 技术交流报告书 位置标签 使用简单 方便 但对外部环境要求较高 容易产生误 检测 可靠性差 AGV 小车系统还可以使用 RFID 标签作为位置标签 RFID 标签 能存储大量的位置信息 并能多次读写 RFID 标签的体积较小安装 方便 抗干扰能力强 RFID 读写器安装在 AGV 小车前方底部 对标 签信息进行读取 并通过控制系统控制小车的下一步动作 欧姆龙公司拥有成熟的 RFID 系列产品 RFID 主推产品有 V680 系列 包括有读写器 V680 CA5D01 V2 能读写 ID 标签 可通过 RS232 485 接口与 PLC 通讯 天线 V680 HS63 天线的读写距离为 7 0 30 0mm ID 标签 V680 D2KF67M 使用 FRAM 用来作为存储器 不需要电池 外壳材质为填充树脂 形状为 40 40 4 5mm 下图 为 AGV 小车 RFID 系统工作原理图 AGV 小车 RFID 系统工作原理图 电磁导引引线隐蔽 不易污染和破损 便于控制 对声光无干 技术交流报告书 扰 制造成本低 但所有车外预定路径导引方式都存在共同缺点是 路径难以更改扩展 对复杂路径的局限性大 与车外预定路径导引 相反 非预定路径导引方式没有固定路径 其自主性更高 2 非预定路径导引方式是指 AGV 小车在运行中没有固定的路 径 其通过激光 视觉 GPS 等方式 掌握运行中所处的位置 并 自主地决定行驶路径的导引方式 其中 较常用的是激光导引方式 激光导引是在 AGV 行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板 AGV 通过激光扫描器发射激光束 同时采集由反射板反射的激光束 来确定其当前的位置和航向 并通过连续的三角几何运算来实现 AGV 的导引 激光扫描器工作示意图 非预定路径导引方式优点是 AGV 定位精确 地面无需其他定 位设施 行驶路径灵活多变 适合多种现场环境 但它有一个很大 的缺点是制造成本高 所以在本文不作重点讨论 4 AGV 小车控制系统 AGV 小车系统除了上文提及的运行系统及导引系统外 还需要 技术交流报告书 有中央控制系统 它能采集导引系统返回的位置信息 通过运算转 换 反作用于运行系统 使 AGV 小车能做出需要的动作 欧姆龙 CP1H 系列 PLC 便可以作为 AGV 小车的中央控制器 它 可以接收导引系统返回的模拟信号或开关量信号 它可以安装 RS232 RS422 485 接插件 通过串行通讯方式与 RFID 控制器通讯 采集 ID 标签的位置信息 它能输出控制伺服运行的脉冲信号或模拟 量信号 CP1H 的编程命令较简单 程序修改方便 而且还自带有 AGV 小车运行中需用到的 PID 等高级命令 所以 CP1H 非常适合用于 AGV 小车的中央控制器 小结 AGV 小车系统是一个较复杂 跨学科 多系统的运动控制课题 因为本人知识底子较浅 本文对 AGV 各系统的介绍都是很表面及简 单 离实现 AGV 小车控制还有很远的距离 以后我还需要研究 如 何通过模糊 PID 控制 AGV 小车两轮的速度差 使 AGV 小车的运行更 稳定 AGV 小车在各运行状态时的力矩情况 如何使用梯形图 编写 AGV 小车运行程序 等课题 使 AGV 小车设计及应用更趋完善