伴隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，中國成為世界的加工,、裝配中心,，跨國物流設備企業(yè)紛紛進入中國市場，同時企業(yè)對裝配機器人的要求越來越高，使得國內(nèi)裝配機器人市場的競爭愈演愈烈[1],。然而國內(nèi)的AGV(Automated Guide Vehicle)裝配機器人發(fā)展相對國外較晚,，AGV關鍵的傳感技術仍然依靠進口，制約了AGV機器人的應用普及,。本文設計了一套基于工控機的雙舉升AGV,，并應用在汽車生產(chǎn)線裝配領域。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計
    圖1所示為AGV控制系統(tǒng)示意圖,。AGV控制單元采用工控機模式,，數(shù)據(jù)處理單元采用高速數(shù)據(jù)處理器DSP，人機界面采用與工控機配套的觸摸屏,，傳感單元采用磁帶導航以及PSD位置檢測模塊,，伺服運動控制采用伺服電機與舵輪電機組合的方式，安全防護措施采用PBS扇形檢測,、PX-2梅花狀檢測以及防撞條三重安全防護措施,。無線數(shù)據(jù)傳輸單元采用無線網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件控制平臺設計
2.1 硬件平臺總體設計
    基于工控機的雙舉升AGV裝配機器人控制系統(tǒng),，利用磁導航傳感器尋線完成左右運動的位置檢測,，PSD同步跟蹤模塊完成前后運動的位置檢測。系統(tǒng)有7路伺服電機完成各部分運動功能,，其中動力源電機及舵輪電機采用模擬量速度伺服控制模式,，舉升電機采用模擬量位置伺服控制模式,。配備了無線網(wǎng)卡的AGV通過WiFi接入網(wǎng)絡的方式,將運行過程數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心,，AGV終端與監(jiān)控中心之間通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。圖2所示為AGV控制系統(tǒng)硬件平臺結構示意圖,。

2.2 工控機選型及I/O擴展
    工業(yè)控制計算機具有較高的防磁,、防塵、防沖擊能力,，在復雜工況下能夠穩(wěn)定運行,。本文采用固高GUC-T系列8軸一體化運動控制器，其中嵌入式工業(yè)計算機為Intel處理器主頻1 GHz,，內(nèi)存256 MB,，底層數(shù)據(jù)處理器為DSP運動控制器。I/O擴展主要完成尋線傳感器,、PSD同步跟蹤,、安全防護及操作面板等。
2.3 電機伺服系統(tǒng)設計
2.3.1 AGV動力輪電機伺服系統(tǒng)的設計
    雙舉升AGV動力輪采用位置環(huán)的閉環(huán)伺服系統(tǒng),，使得AGV在重負載的情況下能與流水線上的汽車車體保持高同步精度[2-3],。利用安裝于動力輪電機軸上的增量式編碼器產(chǎn)生的脈沖，通過工控機驅(qū)動控制板的平滑濾波處理和電子齒輪計算指令作為位置環(huán)的輸入，工控機的控制指令設定目標速度和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過速度環(huán)的PID調(diào)節(jié),，構成速度閉環(huán)系統(tǒng),。
2.3.2 AGV舵機角度伺服系統(tǒng)的設計
    雙舉升AGV舵機轉(zhuǎn)向采用差分電壓信號伺服系統(tǒng)，該閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點在于能夠方便地設置舵機的零點位置以及AGV斷電重啟后,能準確獲知舵機角度的所在位置,。當舵輪轉(zhuǎn)動時,，安裝在舵機轉(zhuǎn)盤上電位器的線性電阻產(chǎn)生反饋電壓U0，工控機發(fā)出電壓輸出指令,將輸出目標電壓值U1與反饋電壓U0進行差分處理,。差分信號通過PID調(diào)節(jié),使得反饋電壓U0不斷接近目標電壓值U1,在控制過程中把測量得到的目標電壓U1和對應的角度量化,，從而控制車輪的轉(zhuǎn)向。
2.3.3 AGV雙舉升電機伺服系統(tǒng)的設計
    AGV雙舉升電機采用閉環(huán)定位伺服系統(tǒng),。其原理是:利用增量式編碼器作為舉升缸體移動的位置傳感器,，通過編碼器產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)，作為速度環(huán)和位置環(huán)的負反饋信號,，再通過工控機PID調(diào)節(jié),，得到目標速度和位置。
2.4 基于WiFi的系統(tǒng)網(wǎng)絡設計
    本文所設計的雙舉升AGV通過無線WiFi與上位監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳輸,。在工業(yè)現(xiàn)場WiFi全面覆蓋以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的實際需求,。設計實現(xiàn)WiFi無線終端和無線接入點以搭建通信的橋梁。本文雙舉升AGV無線wifi采用的是Infrastructure模式,，即AP模式,。組成結構至少包括一個無線接入點AP，無線站點通過AP 與現(xiàn)有的骨干網(wǎng)相連接,，組成一個基本服務組(BSS),。在BSS中，所有站點都使用相同的無線頻率,。AGV的工控機通過車載WiFi模塊與工業(yè)現(xiàn)場無線路由器建立連接,，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，以確保無線通信系統(tǒng)的運作,。
2.5 系統(tǒng)安全性能設計
2.5.1 機械結構安全設計
    本文所設計的雙舉升AGV的舵機需限制舵機轉(zhuǎn)向角度最大轉(zhuǎn)角不超過210°,，以保護電機線路以及舵機電位器的正常使用。對于其舉升電機而言,，需限制缸體運動的上下限,，以防止缸體的機械結構和機械精度因過重負載的沖擊受到損傷。
    雙舉升AGV屬于輪式移動機器人的范疇,，必須具有對人體和自身的安全保護功能,。對其車體前后安裝北陽PBS障礙物檢測器以及松下PX-2梅花狀障礙物檢測傳感器，車體底盤外圍加裝塑料防撞護欄,，構成三層安全防護措施,，進而更為有效地防止意外發(fā)生。
2.5.2 電量不足報警及自動充電系統(tǒng)
    雙舉升AGV在檢測到電力不足時，首先通過車載無線設備向上位監(jiān)控中心發(fā)送充電請求信號,，再由監(jiān)控中心對充電車輛進行遠程調(diào)度處理,。從監(jiān)控中心的無線設備發(fā)送充電允許指令到AGV工控機上，讓AGV自動導航到充電區(qū)域進行充電[4],。AGV能夠控制充電站的輸電系統(tǒng),，達到自主充電的目的。當AGV底盤的接觸充電電刷移動到充電器電刷極板上時,，AGV準備好充電姿態(tài)后,，發(fā)出輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，控制信號閉合,，AGV進入充電狀態(tài),。當AGV充電完畢后，便會向監(jiān)控中心發(fā)送返航請求,，進行后續(xù)的工作,。
2.5.3 導航脫軌以及同步脫靶防護處理
　    通常情況下，AGV出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象時,，若不能自動停車處理,，極易造成意外發(fā)生。如果有AGV在工作航道上處于導航脫軌或者同步脫靶狀態(tài),，則AGV立即自動停車,，等待人工處理，并通過車載無線網(wǎng)絡向監(jiān)控中心發(fā)送處理請求,，監(jiān)控中心提醒操作人員前往處理,。
    本文設計的雙舉升AGV應用在汽車總裝流水線上，需要與流水線上移動的吊裝汽車同步移動,，并舉升汽車發(fā)動機和汽車后橋,，輔助裝配人員完成安裝工作。同步的精度要求為±5 mm,，如果同步跟蹤傳感器連續(xù)5 s沒有檢測到信號，則視為同步跟蹤脫靶,，AGV緊急停車,，并將脫靶信號發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心作出,，停止流水線的緊急處理,。
3 系統(tǒng)軟件功能設計與實現(xiàn)
3.1軟件系統(tǒng)總體設計

    本文設計的AGV軟件系統(tǒng)總體分為11個模塊，包括：運行故障控制算法,、站點識別控制算法,、前主動輪伺服控制、前舵輪伺服控制、后主動輪伺服控制,、后舵輪伺服控制,、前磁導航循跡算法、后磁導航循跡算法,、前后輪速度差算法,、模擬量數(shù)據(jù)采集算法、串口通信算法,，實現(xiàn)了AGV的不同功能AGV在啟動階段對所有傳感器的工作狀態(tài)進行檢測,，在所有傳感器工作狀態(tài)良好的前提下，AGV才會進入啟動界面,，達到開機自檢的目的,。采用RFID卡為地標建立電子地圖站點，為AGV行駛過程中的關鍵位置提供信息,。
3.2 工控機界面設計
    考慮到系統(tǒng)的多線程性,、程序的良好分裝性以及實時性，本文設計的AGV控制采用VC++語言,。AGV控制系統(tǒng)主界面分為6大功能區(qū)域：(1)速度參數(shù)設置：可進行速度大小的調(diào)節(jié),，并設有固定的4檔變速按鈕；(2)系統(tǒng)參數(shù)設置：可進行對前后輪電機與舵機的PID調(diào)節(jié),；(3)軌跡參數(shù)設置：可進行電子地圖的建立,，設置站點和站點的指令；(4)開始運行：系統(tǒng)進入自主循跡與同步跟蹤狀態(tài),；(5)手動模式：考慮車體較大,，移動不方便，在安裝調(diào)試時可啟動手動模式,，進行手動控制行走狀態(tài),；(6)遠程端控制：將AGV的定位地址和基本信息反饋到中央控制系統(tǒng)，方便中央控制系統(tǒng)進行調(diào)度,。
3.3 磁導航循線設計
    由于磁導航傳感器的檢測精度,、抗干擾性能及經(jīng)濟成本的優(yōu)勢，能夠更方便地應用于磁導系統(tǒng),，因此AGV采用磁傳感器進行導航,，車體地盤采用雙驅(qū)動輪加舵機轉(zhuǎn)向控制。
3.3.1 車體直線運行控制實現(xiàn)
　    如果AGV車體偏離磁條的導航軌跡,，通過磁傳感器可以檢測到如下相對應的偏離情況：整車平行偏移,、后輪單獨偏移、前輪單獨偏移和前后輪同時偏移不同距離,。采用的解決方式為：前后輪分別獨立針對自身對應的傳感器偏移量進行PID控制,。前輪根據(jù)前排傳感器反饋的偏移量進行PID運算結果,，調(diào)整前輪舵機轉(zhuǎn)向，矯正車頭,；后輪根據(jù)后排傳感器反饋的偏移量進行PID運算結果,，調(diào)整后輪舵機轉(zhuǎn)向，矯正車尾,。通過前后的配合,，當前后的傳感器都處于磁條中心位置時，車體處于同一直線上,， 實現(xiàn)了車體的直線運行和對車體姿態(tài)的控制,。
3.3.2 車體漂移控制實現(xiàn)
    圖3所示為車體漂移控制原理圖，車體進行漂移運動時,，前后輪舵機同時轉(zhuǎn)動90°,。車體橫向移動時，前后傳感器都感應到磁條的存在,，則切換進入巡線或者其他模式,。假如車體左漂移，此時車體沿后退方向(前進方向)進行巡線,。前后舵機應當是順時針(逆時針)轉(zhuǎn)動90°,，主驅(qū)動輪往后轉(zhuǎn)動，車體向左漂移,。當檢測到磁條時,，舵機慢慢回位到0°。由于主動輪是往后轉(zhuǎn)動,，實現(xiàn)了往后巡線的功能,。

3.5 基于RFID站點識別設計
    RFID(Radio Frequency Identification)技術是通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立的機械或光學接觸信號,。標簽進入磁場后,，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流的能量發(fā)送存儲在芯片中的產(chǎn)品信息,，解讀器讀取信息并解碼后,，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。本文所設計的站點采用FRID作為標簽卡,，將站點信息存入卡中,。通過讀卡可以獲取相應的漂移、減速,、停止等信息，讀卡器解讀信息后,，通過串口發(fā)送給上位機,。串口通信采用Modbus通信協(xié)議,，包含起始位、卡號,、數(shù)據(jù)區(qū),、停止位和CRC校驗位。
    利用AGV在流動的生產(chǎn)線中進行測試,完成了各部分功能的測試與運動控制,實現(xiàn)了AGV與裝配流水線的同步跟蹤,。AGV重復定位精度為1 mm,，同步跟蹤精度為0.3 mm，通過輔助舉升結構的柔性化浮動盤,，達到了AGV裝配的精度要求,。
參考文獻
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