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(shè)備企業(yè)紛紛進(jìn)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(guān)鍵的傳感技術(shù)仍然依靠進(jìn)口，制約了AGV機器人的應(yīng)用普及,。本文設(shè)計了一套基于工控機的雙舉升AGV,，并應(yīng)用在汽車生產(chǎn)線裝配領(lǐng)域。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)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(dǎo)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(hù)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(hù)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(shè)計
2.1 硬件平臺總體設(shè)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(dǎo)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(luò)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(jié)構(gòu)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(fù)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(hù)及操作面板等,。
2.3 電機伺服系統(tǒng)設(shè)計
2.3.1 AGV動力輪電機伺服系統(tǒng)的設(shè)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(fù)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(shè)定目標(biāo)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(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng),。
2.3.2 AGV舵機角度伺服系統(tǒng)的設(shè)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(shè)置舵機的零點位置以及AGV斷電重啟后,能準(zhǔn)確獲知舵機角度的所在位置。當(dāng)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(biāo)電壓值U1與反饋電壓U0進(jìn)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(biāo)電壓值U1,在控制過程中把測量得到的目標(biāo)電壓U1和對應(yīng)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(shè)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(fù)反饋信號，再通過工控機PID調(diào)節(jié),，得到目標(biāo)速度和位置,。
2.4 基于WiFi的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
    本文所設(shè)計的雙舉升AGV通過無線WiFi與上位監(jiān)控中心進(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(wù)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(shè)計
2.5.1 機械結(jié)構(gòu)安全設(shè)計
    本文所設(shè)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(hù)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(jié)構(gòu)和機械精度因過重負(fù)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(hù)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(hù)欄，構(gòu)成三層安全防護(hù)措施,，進(jìn)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(shè)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(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度處理,。從監(jiān)控中心的無線設(shè)備發(fā)送充電允許指令到AGV工控機上，讓AGV自動導(dǎo)航到充電區(qū)域進(jìn)行充電[4],。AGV能夠控制充電站的輸電系統(tǒng),，達(dá)到自主充電的目的。當(dāng)AGV底盤的接觸充電電刷移動到充電器電刷極板上時,，AGV準(zhǔn)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(jìn)入充電狀態(tài),。當(dāng)AGV充電完畢后,，便會向監(jiān)控中心發(fā)送返航請求，進(jìn)行后續(xù)的工作,。
2.5.3 導(dǎo)航脫軌以及同步脫靶防護(hù)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(dǎo)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(luò)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(shè)計的雙舉升AGV應(yīng)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(shè)計與實現(xiàn)
3.1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

    本文設(shè)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(dǎo)航循跡算法,、后磁導(dǎo)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(jìn)行檢測，在所有傳感器工作狀態(tài)良好的前提下,，AGV才會進(jìn)入啟動界面,，達(dá)到開機自檢的目的,。采用RFID卡為地標(biāo)建立電子地圖站點,，為AGV行駛過程中的關(guān)鍵位置提供信息。
3.2 工控機界面設(shè)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(shè)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(shè)置：可進(jìn)行速度大小的調(diào)節(jié),，并設(shè)有固定的4檔變速按鈕,；(2)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行對前后輪電機與舵機的PID調(diào)節(jié)；(3)軌跡參數(shù)設(shè)置：可進(jìn)行電子地圖的建立,，設(shè)置站點和站點的指令,；(4)開始運行：系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行手動控制行走狀態(tài),；(6)遠(yuǎn)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(jìn)行調(diào)度。
3.3 磁導(dǎo)航循線設(shè)計
    由于磁導(dǎo)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(yīng)用于磁導(dǎo)系統(tǒng)，因此AGV采用磁傳感器進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)航軌跡，通過磁傳感器可以檢測到如下相對應(yīng)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(yīng)的傳感器偏移量進(jìn)行PID控制,。前輪根據(jù)前排傳感器反饋的偏移量進(jìn)行PID運算結(jié)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(jìn)行PID運算結(jié)果,，調(diào)整后輪舵機轉(zhuǎn)向，矯正車尾,。通過前后的配合,，當(dāng)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(jìn)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(yīng)到磁條的存在，則切換進(jìn)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(jìn)方向)進(jìn)行巡線。前后舵機應(yīng)當(dāng)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(dāng)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(shè)計
    RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立的機械或光學(xué)接觸信號。標(biāo)簽進(jìn)入磁場后,，接收解讀器發(fā)出的射頻信號,，憑借感應(yīng)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(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理,。本文所設(shè)計的站點采用FRID作為標(biāo)簽卡，將站點信息存入卡中,。通過讀卡可以獲取相應(yīng)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(jìn)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(fù)定位精度為1 mm,，同步跟蹤精度為0.3 mm,，通過輔助舉升結(jié)構(gòu)的柔性化浮動盤,，達(dá)到了AGV裝配的精度要求。
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