AGV磁導航設計方案

AGV搬運機器人設計方案AGV即自動導向小車（AutomatedGuidedVehicle）被作為搬運機器人廣泛使用，應用于自動化倉儲系統、柔性搬運系統和柔性裝配系統等物流系統。AGV是以蓄電池作為電源，用某種導航方式控制其運行路線的自動化智能搬運設備。AGV具有良好的柔性和較高的可靠性，可以減少工廠對勞動力的需求，提高產品設備在運送中的安全性且安裝輕易，維護以便。在AGV的應用環(huán)境中，往往由多臺AGV構成自動導向小車系統，該系統是由AGV、導引系統、管理系統、通信系統、?？抗の灰约俺潆姽の坏葮嫵傻淖詣踊疉GVs系統。AGVs的上位機管理系統通過通信系統與系統內的AGV通信，優(yōu)化AGV的作業(yè)過程、控制AGV的運行路線、制定AGV的搬運計劃和監(jiān)控AGV的運行狀態(tài)。AGVs易于和其他自動化系統集成，輕易擴展。1、AGV導引方式1）視覺導航視覺導引是在AGV的運行途徑上設置導向標線，通過裝在AGV上的攝像機系統動態(tài)地獲取導向標線圖像，計算AGV相對于標線的距離和角度偏差，從而控制AGV沿著標線運行的導引方式。該種導引方式精度較高，途徑變更輕易，但對地面潔凈度有一定規(guī)定，同步成本相對較高。2）磁導航磁導航被認為是一項非常有應用前景的技術，重要通過測量途徑上的磁場信號來獲取車輛自身相對于目的跟蹤途徑之間的位置偏差，從而實現車輛的控制及導航。磁導航具有很高的測量精度及良好的反復性，磁導航不易受光線變化等的影響，在運行過程中，磁傳感系統具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更途徑較輕易。2、AGV構成單元磁導航AGV系統的技術構成如圖1所示。重要包括導向單元、驅動單元、車體、移載單元、供電單元、安全輔助單元，站點識別單元，通訊單元和主控單元。其中導向單元、驅動單元和主控單元是AGV技術的關鍵技術。圖1磁導航AGV系統技術構成圖1）導向單元導向單元采用磁導航傳感器，安裝在AGV車體前方的底部，磁導航傳感器運用其內置的6個采樣點，可以檢測出磁條上方一定程度的微弱磁場，每一種采樣點均有一路信號對應輸出，當采樣點采集到磁場信號時，該路信號就會輸出低電平，而沒有采集到磁場信號的信號輸出則為高電平。AGV運行時，磁導航傳感器內部垂直于磁條上方的持續(xù)1~3個采樣點會輸出信號，依托輸出的這幾路信號，可以判斷磁條相對于磁導航傳感器的偏離位置，當AGV的行駛與導引軌跡一致時，由于此時磁導航傳感器恰好處在磁條軌跡的上方，傳感器正中間的檢測元件測得的磁感應強度最大，因而中間的霍爾開關傳感器輸出低電平信號，控制器I/O口采集到這幾路信號，比較發(fā)現目前AGV處在途徑中間，控制器將不對該輸出信號進行處理，AGV保持原行駛軌跡；當AGV偏離磁條軌跡時，由于檢測到最大磁感應強度的霍爾開關傳感器不再處在磁導航傳感器的中間，傳感器將該低電平信號輸出至控制器，控制器I/O口采集到這幾路低電平信號，比較發(fā)現目前AGV位置與途徑位置有所偏差，據此AGV控制系統自動做出調整，控制電機驅動器，使電機差速糾偏，保證AGV沿磁條前進。磁導航原理圖如下圖2所示。圖2磁導航傳感器原理2）驅動單元AGV驅動單元的性能直接決定了AGV的車體運動性能。驅動單元重要包括驅動電機、電機驅動器、差速控制系統和減速剎車系統。電機驅動器由主控單元控制，接受主控單元發(fā)出的控制信號，繼而控制驅動電機做出對應的加減速以及剎車等動作，驅動電機的性能參數直接決定了AGV的動力性能。差速控制系統好壞可以影響AGV行走尤其是轉向時的平穩(wěn)度與運行精度。3）車體單元采用后輪作為驅動輪，分別由兩個電機驅動；前、后輪作為萬向輪，只起支撐作用，隨本體而動。該構造轉向依托后兩個驅動輪差速完畢，轉彎中心位于兩驅動輪之間，能實現零轉彎半徑轉彎，轉彎控制精度高。該機構構造簡樸，便于控制，是目前應用最多的一種輪式移動機構。在前后設計安裝兩自由輪保持整車平衡，同步也提高AGV整體載荷能力。AGV輪式移動構造如下圖3所示。圖3輪式移動驅動構造AGV車架重要功能是進行貨品承載，安放多種AGV部件，如驅動電機，系統電路、供電電池以及檢測用的傳感器等。因此車架應當包括可以放置控制電路的空間、顧客操作界面和運載貨品的平臺。4）供電單元供電單元用以給主控單元、導向單元、驅動單元、移載機構等設備提供電能，是AGV一切設備正常運行的保證，一般包括蓄電池、電壓隔離模塊、電壓采集系統。蓄電池為一般的工業(yè)蓄電池或者汽車蓄電池，一般規(guī)定可以保證8小時持續(xù)工作時間。電壓采集模塊通過A/D轉換，實時采集目前AGV電源電量，并將電壓值反饋至控制器，由控制器來監(jiān)控目前電壓。當控制器發(fā)現目前電源電壓值即將低于正常工作電壓時，將該信息反饋給地面控制中心上位機，同步AGV報警顯示電量局限性，并在完畢目前任務后自行回到充電站充電，當AGV充電完畢后，解除報警信號并告知上位機，回到正常運行途徑并接受來自上位機的任務指令。5）移載單元移載裝置是為了滿足多種生產線上物件的分流、合流、移交、轉向和搬運功能的一種裝置。而在物流生產線中實現AGV與移載機構的結合可以到達物流順暢、途徑最優(yōu)、時間最短、速度最快以及效率最高的目的。采用叉車式AGV實現移載，貨品通過AGV倒車裝卸，可以在高下差很大的站臺以及地面間裝卸貨品，在使用多層貨架或者駛入式巷道的倉庫中裝卸貨品具有得天獨厚的優(yōu)勢，車身窄，重心低，作業(yè)靈活，合用范圍廣。初步選用側叉式AGV，如下圖4所示。其安裝有兩級或者三級傳動比例的伸縮叉，工位上設有站臺，站臺上安裝有無動力的臺架，當AGV抵達指定工位后?？吭谡九_一側，運用升降機構實現伸縮叉與貨品的離合，從而實現貨品的裝卸。側叉式AGV安全性好，移載原理比較簡樸，貨品可以通過伸縮叉裝卸且能在不一樣高度站臺作業(yè)。圖4叉車式AGV6）安全輔助單元安全輔助單元重要包括障礙物接觸緩沖器、靠近監(jiān)測裝置、警示裝置、停車按鈕和緊急停車按鈕，重要為了防止AGV之間、AGV與周圍物體以及AGV與人的碰撞，是保證AGV安全運行的保證系統。障礙物接觸緩沖器是用來防止AGV前后左右側障礙物的碰撞，以免對AGV和障礙物導致不必要的傷害。一般在AGV的前后左右安裝安全擋圈，在安全擋圈上安裝多種檢測傳感器，一旦任意一種傳感器觸發(fā)，AGV就采用急停動作。在AGV車體前設置安全擋板，通過彈簧彈性連接到兩個接觸開關傳感器，彈性連接具有一定的緩沖作用，可以在一定程度下保證車體和障礙物在碰撞中不會受到損傷，正常工作時接觸開關傳感器電平狀態(tài)都為高電平，當任意一種接觸開關傳感器發(fā)出低電平信號傳遞到控制器I/O口時，控制器就發(fā)出急停指令同步發(fā)出報警信號并將該信號傳遞給地面控制系統，只有當障礙物清除后該信號才復位?？拷鼨z測裝置一般有紅外區(qū)域掃描、激光測距掃描和超聲探測三種方式，用來檢測AGV運行方向與否存在障礙物。采用光電傳感器安裝在磁導航AGV車體正前方中部距離地面150mm處，該傳感器擁有兩級I/O輸出，二級檢測區(qū)域分為左中右三個區(qū)域，分別能在0~3m內調整，當該級監(jiān)測區(qū)域內檢測出障礙物時，該檢測單元對應的輸出電路輸出低電平信號，AGV控制器接受到該低電平信號后立即控制驅動電機減速，同步發(fā)出警告信號并反饋給地面控制中心，告知前方障礙物離開，直到障礙解除才恢復正常速度行駛；一級臨近檢測區(qū)域較二級監(jiān)測區(qū)域短，但兩側檢測范圍較二級檢測區(qū)域大，同樣具有左中右三個監(jiān)測區(qū)域，分別可以在0~1m內調整，當該級監(jiān)測區(qū)域內檢測出障礙物時，該路對應的輸出電路輸出低電平信號，AGV控制器接受到該低電平信號后立即發(fā)出急停指令同步報警并告知地面控制中心，直至障礙物解除。警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應用現場的人們及時發(fā)現正在靠近的AGV并采用對應的措施。停車按鈕用于AGV的受控停車，該按鈕按下之后AGV應當安全可靠地停止運行，并且該方式停車可以通過人工操作簡樸迅速地使AGV恢復運行，該按鈕用以保證AGV周圍的臨時工作人員的安全，采用停車按鈕停車方式可以不切斷AGV的驅動電源。磁導航AGV在地面控制中心、AGV車用遙控器和AGV車身側面等三處均設置停車按鈕，以便操作人員采用停車措施。緊急停車按鈕用以在緊急狀況下中斷AGV的運行，為便于緊急狀況下操作，磁導航AGV在地面控制中心、AGV車用遙控器和AGV車身兩側設置紅色的急停按鈕。當緊急停車按鈕按下后，AGV切斷一切設備的動力供應，啟動制動器并報警，在排除緊急停車原因之前AGV維持停止狀態(tài)。7）站點識別單元將射頻識別技術作為站點識別技術，事先將唯一的地址ID存入EPC卡（電子標簽）中，同一應用環(huán)境的任意兩張EPC卡中的地址ID都不相似。AGV系統工作時，地面控制中心可以通過AGV的ID號來實時向某一臺AGV發(fā)送電子地圖，該電子地圖包括需變化運行狀態(tài)的地址ID以及在這一地址ID指定的EPC卡所在站點需要進行的動作，當指定的磁導航AGV接受這一電子地圖后，將這一電子地圖存儲至控制單元內部存儲器中。當磁導航AGV行駛在途徑中，讀卡器讀到區(qū)域中的EPC卡并將該EPC卡中的地址ID發(fā)送至控制單元，控制單元比對該地址ID與電子地圖中的地址ID，若該地址ID不存在目前電子地圖中時，磁導航AGV忽視該EPC卡所在站點并繼續(xù)以目前狀態(tài)行駛；若該地址存在于目前電子地圖中時，控制單元讀取電子地圖中在該地址ID所應當執(zhí)行的動作并控制磁導航AGV執(zhí)行這一動作。電子地圖中的執(zhí)行動作詳細包括AGV以高速狀態(tài)行駛、AGV以中速狀態(tài)行駛、AGV以低速狀態(tài)行駛、AGV在該站點停靠等待、AGV在該站點取貨、AGV在該站點卸貨、AGV在分歧途徑處左、右轉、等。這些動作基本可以覆蓋磁導航AGV在汽車生產線中應用的所有動作，且控制系統和上位機可以隨時增、刪功能，系統的適應能力比較強。射頻識別技術作為磁導航的站點識別技術的作用還在于當控制單元接受來自讀卡器的地址ID信息，在比對電子地圖中的地址ID的同步，無論該地址ID與否存在于目前任務電子地圖中，都會將該地址ID發(fā)送給地面控制中心，地面控制中心可以根據由磁導航AGV發(fā)送的AGV的ID號和地址ID號，來確定該ID指向的磁導航AGV所處的位置，這有助于地面控制中心對磁導航AGV的監(jiān)督與控制。8）無線通信單元無線通信單元是磁導航AGV與地面控制中心上位機通信的中介，是AGV系統正常運行的保證。磁導航AGV通過無線通信單元接受上位機的指令，這些指令包括上位機手動控制時的AGV啟動指令、AGV停止指令、AGV加速指令、AGV減速指令、AGV急停指令和全自動運行是的AGV電子地圖指令等，同步，磁導航AGV通過無線通信單元將AGV的實時狀態(tài)包括目前站點、目前動作、運行速度、啟停狀況和報警信號等反饋給上位機，以便于上位機對目前AGV系統的監(jiān)控與調度。采用ZigBee模塊作為磁導航AGV的無線通信單元，可使用一款RS232轉ZigBee無線數據透明傳播的通信模塊。ZigBee與藍牙類似，是一種新興的短距離無線技術。它基于IEEE802.15.4原則的低功耗個域網協議，具有距離短、復雜度低、自組織性強、功耗和數據傳播速率低以及成本低等長處。重要合用于遠程控制和自動控制領域，應用范圍廣。模塊具有自動組網功能，當所有模塊上電后即自動組網，而網絡內的模塊如掉電，則網絡具有自動修復功能，運用該模塊顧客通過串口即可在任一節(jié)點間進行數據傳播且數據傳播透明，顧客在使用時不需要考慮ZigBee協議，如同使用一般串口線同樣即可使用無線模塊。9）主控單元主控單元是磁導航AGV的關鍵，對外，它通過無線通信單元接受地面控制中心的控制與調度，通過遙控器接受工作人員的手動控制，運用磁導航傳感器接受判斷目前行駛狀態(tài)，接受射頻讀卡器傳遞而來的地址ID分析判斷目前站點信息，通過安全輔助傳感器接受判斷外界狀況等；對內、對外界條件進行綜合判斷后控制電機驅動器到達對磁導航AGV的行駛控制，并將AGV實時狀態(tài)顯示于液晶屏上。主控單元是AGV系統得以順利運行的關鍵。3、磁導航AGV控制系統控制系統是磁導航AGV的關鍵部分，通過它才能實現磁導航AGV迅速平穩(wěn)安全運行。磁導航AGV控制系統的關鍵技術重要包括控制系統的硬件設計、控制系統軟件的設計和控制系統的算法設計。磁導航AGV控制系統硬件設計，初步設計磁導航AGV控制系統硬件的構造框圖，如圖5所示。圖5磁導航AGV控制系統硬件構造框圖主控芯片采用ARM9系列的三星S3C2440（或者選用FPGA）。系統接受來自DC/DC模塊隔離產生的24V與5V電壓，24V電源用于外接傳感器的供電和繼電器