物流搬運AGV的總體方案設計

王冠男+劉偉

摘 要：本文從自動物流AGV搬運車要實現的功能目標出發，對AGV的控制系統進行研究，建立物流搬運AGV的整體結構。在AGV的混合式體系結構基礎上，依據設計選擇了控制系統中的硬件。

關鍵詞：物流搬運；AGV

1.AGV的驅動形式

（1）單驅動形式

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

（2）差速驅動形式

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

（3）雙驅動形式

這種驅動形式多見于四輪車型：兩個驅動輪同時也是轉向輪，兩個從動輪起支撐和轉向。這種結構形式的車型可以實現整車的前進、后退、全方位轉向行駛。

（4）多輪驅動

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

2 驅動電動機的選擇

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，轉向自由，工作范圍大，適應性強，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 驅動單元設計

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

3 控制系統方案設計

3.1 混合式系統結構模型

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

行為庫：包括停車、直線行走、轉彎、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，另一方面是來自執行層的命令。根據兩者優先級的高低，在上層命令的指導下，選擇相應的行為或者行為組合，并輸出命令驅動執行器。

3.2控制系統硬件解決方案

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、開關信號并發出指令，由PLC統一協調小車的行走、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控制系統是AGV的直接中樞，它將小車的驅動轉向、采集到的傳感器的信號處理、電機伺服驅動器的控制、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，系統的設計、安裝、調試工作量都小，本文所設計的AGV只控制兩個電機的運動，選擇PLC還是比較合適。

（2）激光安全區域掃描

激光安全保護裝置是一種新型區域掃描傳感器，其主要特點是：保護區域范圍廣泛，而且可以設置掃描區域數量，掃描角度大，與傳統的超聲波和光電傳感器相比，克服了直線掃描的缺點。這種傳感器廣泛應用于自動導航小車、出入站口、自動化生產線、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置。該傳感器分為二級安全監測，他的監測區域分為減速區和停止區兩部分。當人和物進入減速區時，AGV小車會按照預先設置速度減速運行；當障礙物進入停止區時，AGV小車會即刻停車。因此，具有在AGV小車運行前方0～5m內的障礙物探測功能，具體的減速區和停止區監測區域范圍及形狀可根據實際要求，在軟件客戶端可以靈活地進行變更。通常減速區為2米，停止區為1米。傳感器還可設置不同的監測區域，可根據具體的運行路線進行改變。

（3）伺服控制系統的選擇

本課題設計的AGV伺服控制系統，采用直流無刷伺服電機調速方案，整個伺服系統原理圖如3.2所示：

整個系統的工作過程是：磁傳感器檢測小車偏離磁帶的位置，將采樣數據送給PLC控制器，PLC根據采樣值判斷小車偏離磁帶的情況，然后內部計算發出指令給伺服驅動器，驅動器驅動相應的伺服電機轉動，通過速度差調整小車位置，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，控制脈沖個數控制電機轉動角度，通過脈沖方向控制電機的正反轉，基于位置控制模式對速度和位置的準確控制，一般多應用于精準的定位設備。

轉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定電機軸輸出轉矩的大小。速度模式通過模擬量的輸入來控制伺服電機轉動速度，速度控制有兩種方式：一是通過伺服驅動器內部參數設定可以選擇多段速度運行，二是選擇連續速度控制模式，實現無級調速。

（4）鎳鎘快充電池

選用鎳鎘快充電池具有以下的優點：

a.電池充放電循環可靠性高；

b.電池內阻低；

c.電池充電時間短；

d.維護使用方便；

e.電化學性能穩定；

鎳鎘快充蓄電池完全滿足AGV對電池的高循環能力、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%，但仍可正常循環使用約4000次。

結論

控制系統是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，本文依據驅動形式選取控制系統中的硬件部分，包括：控制器，安全區域掃描，直流電源等AGV關鍵硬件。

參考文獻

[1] 俞竹青 金衛東.機電一體化系統設計[M].電子工業出版社[M].2011（8） ：P100-120.