摘要：隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)智能化水平的日益提高以及AGV應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大和普及，AGV在工業(yè)領(lǐng)域中的需求越來(lái)越多。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際需求為引導(dǎo)，介紹了磁導(dǎo)航兩輪差速式AGV底盤(pán)的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程以科學(xué)計(jì)算及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為原則，并加以多年AGV行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為輔助，此車(chē)設(shè)計(jì)完成后得到了成功的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)運(yùn)輸車(chē);磁導(dǎo)航;兩輪差速;西門(mén)子PLC;運(yùn)動(dòng)控制

　　1自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)簡(jiǎn)介

　　1.1自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)(AGV)簡(jiǎn)介

　　AGV(AutomaticGuidedVehicle)屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人，具有多種機(jī)器人單元技術(shù)，如智能移動(dòng)機(jī)器人涉及到的環(huán)境感知、導(dǎo)航與定位，路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)，均在AGV中得到應(yīng)用，所以也稱(chēng)它為“搬運(yùn)機(jī)器人”“無(wú)人智能導(dǎo)航車(chē)”。隨著AGV智能化水平的日益提高以及AGV應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大和普及，AGV有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。

　　人工智能論文： 人工智能和自動(dòng)駕駛相關(guān)的論文發(fā)表期刊

　　1.2自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)(AGV)分類(lèi)及組成AGV按其導(dǎo)引方式的不同可分為兩大類(lèi)：固定路徑導(dǎo)引方式和自由路徑(無(wú)固定路徑)導(dǎo)引方式。固定路徑導(dǎo)引方式是在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AGV通過(guò)檢測(cè)出它的信息而得到導(dǎo)引;自由路徑(無(wú)固定路徑)導(dǎo)引方式是指AGV上儲(chǔ)存著布局上的尺寸坐標(biāo)，通過(guò)識(shí)別車(chē)體當(dāng)前方位，自主地決定路徑面的行駛，如行駛路徑軌跡推算導(dǎo)向法導(dǎo)引、慣性導(dǎo)航導(dǎo)引、環(huán)境映射法導(dǎo)引等。一臺(tái)自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)(AGV)的運(yùn)動(dòng)地盤(pán)通常包括電池單元，控制單元，導(dǎo)航單元，安全保障單元，動(dòng)力單元等部分組成。

　　2差速輪驅(qū)動(dòng)形式

　　AGV運(yùn)動(dòng)底盤(pán)機(jī)械設(shè)計(jì)本文以已知預(yù)定方案為基礎(chǔ)，逐步介紹自動(dòng)運(yùn)輸車(chē)差速輪運(yùn)動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，包括機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)兩大主要部分。已知方案需求如下：某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車(chē)間，需求一臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)用AGV，用以搬運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)半成品至各個(gè)工序并進(jìn)行抽檢，入庫(kù)等操作。要求外形尺寸為L(zhǎng)1200*W900*H800mm(以?xún)?nèi))，導(dǎo)航形式為差速輪，通訊形式為WIFI，載重≤500kg，爬坡能力<3°，行駛速度≤30m/min，定位精度為10mm，續(xù)航能力6-8小時(shí)，運(yùn)行方向?yàn)榍斑M(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

　　2.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇

　　2.1.1AGV按轉(zhuǎn)向方式

　　舵機(jī)轉(zhuǎn)向式舵機(jī)轉(zhuǎn)向式中，一般使用舵機(jī)(步進(jìn)電機(jī))作為轉(zhuǎn)向控制電機(jī)，舵機(jī)上裝有減速機(jī)，減速機(jī)連接轉(zhuǎn)向鉸軸，鉸軸另一端連接轉(zhuǎn)向輪，這樣即實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的目的。有時(shí)，可不設(shè)置轉(zhuǎn)向輪，而將驅(qū)動(dòng)輪固定在一盤(pán)系上，舵機(jī)帶動(dòng)盤(pán)系轉(zhuǎn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)向。另外一種方式是差速轉(zhuǎn)向式，一般用于需要前后雙方向運(yùn)動(dòng)的情況中。此時(shí)，沒(méi)有單獨(dú)舵機(jī)或其他形式的電機(jī)用于控制方向。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上分別裝有一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度相同時(shí)，AGV保持直線行駛，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)速度不同時(shí)，即存在差速，AGV實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

　　2.1.2AGV輪系種類(lèi)AGV按輪系分，常分為：三輪式、四輪式、六輪式等。三輪式AGV輪系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足一般常規(guī)性運(yùn)行。四輪式分析較復(fù)雜，主要問(wèn)題在于輪系于地面接觸上，但四輪式承載能力強(qiáng)，運(yùn)用也較廣泛。六輪式與四輪式基本情況類(lèi)似，也是用于高承載低速度的情況下，其運(yùn)行較為平穩(wěn)，分析方法同四輪式相近。

　　2.2底盤(pán)形式選擇方案分析，根據(jù)AGV尺寸和載重要求，主要考慮車(chē)體高度和制造成本，本方案計(jì)劃采用差速輪形式底盤(pán)，差速輪為主動(dòng)力單元，負(fù)責(zé)為整車(chē)提供動(dòng)力，前后輔助輪作用為提供支撐。具有如下優(yōu)點(diǎn)：如使底盤(pán)沿驅(qū)動(dòng)輪輪軸中線前后對(duì)稱(chēng)，運(yùn)行平穩(wěn)可靠;差速驅(qū)動(dòng)對(duì)實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行較為簡(jiǎn)便，相比較其它的方法，減少了電機(jī)數(shù)量，節(jié)約了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的成本;差速驅(qū)動(dòng)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，有效提高了電機(jī)的使用效率，使電機(jī)提供的能量均作為動(dòng)力，增強(qiáng)了小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，適合需要小型重載AGV的場(chǎng)所[3]。

　　2.3電機(jī)及減速機(jī)選擇

　　2.3.1參數(shù)計(jì)算

　　已知負(fù)載重量(m1)500kg，車(chē)身重量(m2)500kg，輪徑(D)200mm，驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量(j)2個(gè)，最大爬坡角度(α)3°，電機(jī)轉(zhuǎn)速(n)3000rmp，減速機(jī)減速比(i)50，聚氨酯輪和地面滾動(dòng)摩擦系數(shù)(μ)取值0.04，電機(jī)選取安全系數(shù)(k)1.3;①計(jì)算底盤(pán)負(fù)載運(yùn)行時(shí)整體重量(m)：m=m1+m2=1000kg;②坡面總的牽引力(f)：坡面總的牽引力為重力在坡度方向的分力(f1)與摩擦力(f2)之和，即f=f1+f2=mg*sinα+μmg*cosα=904N;③每個(gè)輪牽引力分力(f輪)：f輪=f/2=452N;④AGV的線速度(v)：v=πDn=37.7m/min;⑤減速機(jī)輸出端扭矩(M)：M=f輪*(D/2/1000)=45.2N*m;⑥電機(jī)輸出扭矩(M電)：M電=M/i=0.904N*m;⑦電機(jī)額定扭矩參考值(M額)：M額=M電*k=1.176N*m。

　　2.3.2電機(jī)及減速機(jī)選取

　　目前差速輪式AGV底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常選取直流無(wú)刷電機(jī)或直流伺服電機(jī)兩種，隨著國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)的發(fā)展，目前市面上的優(yōu)質(zhì)伺服電機(jī)價(jià)格區(qū)間出現(xiàn)了較大的降幅，并且伺服電機(jī)具備精度高、轉(zhuǎn)速高、適應(yīng)性好、穩(wěn)定性高、及時(shí)性好、舒適性好等特點(diǎn)。因此，國(guó)產(chǎn)直流供電伺服電機(jī)成為了本項(xiàng)目的選擇方案。根據(jù)廠家提供的電機(jī)選型樣本，選取電機(jī)型號(hào)為SMC60S0040-30MAK-3DSU，額定扭矩1.27N·m可以滿(mǎn)足2.3.1中的要求。考慮底盤(pán)寬度和伺服電機(jī)的長(zhǎng)度，為節(jié)省AGV寬度方向空間，本方案選取L型減速機(jī)，減速比選取1:50，根據(jù)減速機(jī)輸出端扭矩計(jì)算結(jié)果，選取減速機(jī)型號(hào)為：TAD090L2-50-P2-OP2-14-42-50-70-M5i3，保證減速機(jī)輸出端扭矩能滿(mǎn)足2.3.1中的要求。

　　3AGV底盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

　　3.1電氣件選擇主要電氣件清單。

　　3.2繪制電氣原理圖及編寫(xiě)控制程序本項(xiàng)目電氣圖紙繪制軟件為EPLANElectricP82.7(X64)，編程軟件為T(mén)IA_V16。

　　3.3供電單元設(shè)計(jì)供電電源為48V40AH磷酸鐵鋰電池。供電電路設(shè)計(jì)思路為，電池放電端接到48V端子臺(tái)，從端子臺(tái)出來(lái)三路分回路，分別對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓電源供電、左輪伺服驅(qū)動(dòng)供電和右側(cè)伺服驅(qū)動(dòng)供電，每一處回路增加電路安全保護(hù)設(shè)備，保護(hù)設(shè)備額定電流值大于回路電流額定值的1.25倍。為電池設(shè)計(jì)好電量反饋和手動(dòng)充電回路。其中手動(dòng)充電回路直接由電池充電端接到充電插座上，充電插座安裝到車(chē)體上以方便充電。電量反饋端為模擬量通訊直接接到PLC上。

　　3.4控制單元設(shè)計(jì)

　　S7-1200控制器是西門(mén)子近些年新推出產(chǎn)品的核心，SIMATICS7-1200控制器實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及一整套強(qiáng)大的集成技術(shù)功能，使該控制器成為完整、全面的自動(dòng)化解決方案的重要組成部分。通過(guò)分析能夠勝任本項(xiàng)目的所有需求。

　　3.5傳感器接線設(shè)計(jì)及獲取磁條位置

　　磁導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取通訊模塊分為兩部分，其中SEND_PTP模塊負(fù)責(zé)向磁導(dǎo)航傳感器發(fā)送獲取位置信息請(qǐng)求，數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)塊DB2中共8個(gè)字節(jié);功能塊RCV_PTP用于接收磁導(dǎo)航反饋的位置信息，并將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)塊DB2中，共16個(gè)字節(jié)。

　　3.6伺服電機(jī)輸出控制

　　伺服驅(qū)動(dòng)控制可以有多種方案，如RS232或RS485、CAN總線等，本項(xiàng)目選用的控制方案為脈沖控制，脈沖控制有如下優(yōu)點(diǎn)，可靠性高，信號(hào)抗干擾性能好，對(duì)于本項(xiàng)目成本低，不用增加額外的控制模塊。電機(jī)速度控制模塊可以通過(guò)Velocity參數(shù)的賦值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的差速控制。

　　3.7底盤(pán)速度控制程序舉例

　　控制程序總體思路如下：首先通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器獲取AGV相對(duì)于磁條的位置，通過(guò)位置信息判斷AGV是否偏離磁條中心區(qū)域，如果偏離需要對(duì)AGV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使AGV重新回到磁條中心區(qū)域位置運(yùn)行。通過(guò)調(diào)整兩輪的差速值使車(chē)快速回歸軌道中心區(qū)域，如左輪速度大于右輪，則AGV會(huì)向右側(cè)轉(zhuǎn)彎。

　　本文通過(guò)建立差速值與速度、偏離量等因素的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛的精確控制。如示例程序，參數(shù)介紹，“EMG”急停信號(hào);“Auto_PB”手動(dòng)自動(dòng)狀態(tài)信號(hào); “RM_Vel_ModifyValue”車(chē)輪速度調(diào)整值;“RM1_Base_Speed”輪1基礎(chǔ)速度;“RM2_Base_Speed”輪2基礎(chǔ)速度;“RM1_Auto_Velocity”輪1實(shí)際輸出速度;“RM2_Auto_Velocity”輪2實(shí)際輸出速度;“AQ_i、AR_i”為安全系數(shù);“RM_Differential_TRight”輪需要向右調(diào)節(jié)信號(hào)，“RM_Differential_TLeft”輪需要向左調(diào)節(jié)信號(hào)。

　　IF"EMG"AND"Auto_PB"AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM1_Base_Speed")AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM2_Base_Speed")THENIF"RM_Differential_TRight"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";ELSIF"RM_Differential_TLeft"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";ELSE"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";END_IF;END_IF;程序解析，當(dāng)滿(mǎn)足急停和手動(dòng)自動(dòng)狀態(tài)等基礎(chǔ)條件時(shí)，開(kāi)始對(duì)兩輪速度進(jìn)行調(diào)整，輪基礎(chǔ)速度由系統(tǒng)給定，當(dāng)AGV偏向磁條左側(cè)時(shí)，通過(guò)減少右側(cè)輪的實(shí)際速度就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的矯正，當(dāng)AGV偏向磁條右側(cè)時(shí)，通過(guò)減少左側(cè)輪的實(shí)際速度就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的矯正;“AQ_i、AR_i”為安全系數(shù)，當(dāng)觸發(fā)某一安全條件時(shí)，可直接將安全系數(shù)變?yōu)?，這樣就可以使車(chē)實(shí)際輸出速度為0，同時(shí)還會(huì)配合急停等多種保護(hù)，確保AGV停止運(yùn)行。

　　4總結(jié)

　　以市場(chǎng)實(shí)際項(xiàng)目需求為指導(dǎo)，本文設(shè)計(jì)了AGV的整體運(yùn)動(dòng)底盤(pán)方案，包括：驅(qū)動(dòng)方式的選擇，底盤(pán)形式的選擇，電機(jī)及減速機(jī)的參數(shù)計(jì)算及型號(hào)選擇，減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，車(chē)體底盤(pán)整體三維模型的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)控制電氣件的選擇，電氣原理圖的繪制，運(yùn)動(dòng)控制程序的編寫(xiě)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：胡振HUZhen