伴隨著經濟全球化的發展，中國成為世界的加工、裝配中心，跨國物流設備企業紛紛進入中國市場，同時企業對裝配機器人的要求越來越高，使得國內裝配機器人市場的競爭愈演愈烈[1]。然而國內的AGV(Automated Guide Vehicle)裝配機器人發展相對國外較晚，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，并應用在汽車生產線裝配領域。

1 控制系統總體方案設計
    圖1所示為AGV控制系統示意圖。AGV控制單元采用工控機模式，數據處理單元采用高速數據處理器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。無線數據傳輸單元采用無線網卡的TCP/IP協議。

2 系統硬件控制平臺設計
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，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。配備了無線網卡的AGV通過WiFi接入網絡的方式,將運行過程數據發送到監控中心，AGV終端與監控中心之間通過TCP/IP協議實現數據無線傳輸。圖2所示為AGV控制系統硬件平臺結構示意圖。

2.2 工控機選型及I/O擴展
    工業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，其中嵌入式工業計算機為Intel處理器主頻1 GHz，內存256 MB，底層數據處理器為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 電機伺服系統設計
2.3.1 AGV動力輪電機伺服系統的設計
    雙舉升AGV動力輪采用位置環的閉環伺服系統，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生的脈沖，通過工控機驅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過速度環的PID調節，構成速度閉環系統。
2.3.2 AGV舵機角度伺服系統的設計
    雙舉升AGV舵機轉向采用差分電壓信號伺服系統，該閉環伺服系統的優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。當舵輪轉動時，安裝在舵機轉盤上電位器的線性電阻產生反饋電壓U0，工控機發出電壓輸出指令,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調節,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，從而控制車輪的轉向。
2.3.3 AGV雙舉升電機伺服系統的設計
    AGV雙舉升電機采用閉環定位伺服系統。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，通過編碼器產生的脈沖頻率和脈沖數，作為速度環和位置環的負反饋信號，再通過工控機PID調節，得到目標速度和位置。
2.4 基于WiFi的系統網絡設計
    本文所設計的雙舉升AGV通過無線WiFi與上位監控中心進行數據傳輸。在工業現場WiFi全面覆蓋以實現數據通信的實際需求。設計實現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 與現有的骨干網相連接，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模塊與工業現場無線路由器建立連接，實現與監控中心的數據交換，以確保無線通信系統的運作。
2.5 系統安全性能設計
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向角度最大轉角不超過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生。
2.5.2 電量不足報警及自動充電系統
    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控中心發送充電請求信號，再由監控中心對充電車輛進行遠程調度處理。從監控中心的無線設備發送充電允許指令到AGV工控機上，讓AGV自動導航到充電區域進行充電[4]。AGV能夠控制充電站的輸電系統，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準備好充電姿態后，發出輸電系統的控制系統，控制信號閉合，AGV進入充電狀態。當AGV充電完畢后，便會向監控中心發送返航請求，進行后續的工作。
2.5.3 導航脫軌以及同步脫靶防護處理
　    通常情況下，AGV出現脫軌現象時，若不能自動停車處理，極易造成意外發生。如果有AGV在工作航道上處于導航脫軌或者同步脫靶狀態，則AGV立即自動停車，等待人工處理，并通過車載無線網絡向監控中心發送處理請求，監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，并將脫靶信號發送到監控中心，監控中心作出，停止流水線的緊急處理。
3 系統軟件功能設計與實現
3.1軟件系統總體設計

    本文設計的AGV軟件系統總體分為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、模擬量數據采集算法、串口通信算法，實現了AGV的不同功能AGV在啟動階段對所有傳感器的工作狀態進行檢測，在所有傳感器工作狀態良好的前提下，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控制系統主界面分為6大功能區域：(1)速度參數設置：可進行速度大小的調節，并設有固定的4檔變速按鈕；(2)系統參數設置：可進行對前后輪電機與舵機的PID調節；(3)軌跡參數設置：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：系統進入自主循跡與同步跟蹤狀態；(5)手動模式：考慮車體較大，移動不方便，在安裝調試時可啟動手動模式，進行手動控制行走狀態；(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，方便中央控制系統進行調度。
3.3 磁導航循線設計
    由于磁導航傳感器的檢測精度、抗干擾性能及經濟成本的優勢，能夠更方便地應用于磁導系統，因此AGV采用磁傳感器進行導航，車體地盤采用雙驅動輪加舵機轉向控制。
3.3.1 車體直線運行控制實現
　    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。前輪根據前排傳感器反饋的偏移量進行PID運算結果，調整前輪舵機轉向，矯正車頭；后輪根據后排傳感器反饋的偏移量進行PID運算結果，調整后輪舵機轉向，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， 實現了車體的直線運行和對車體姿態的控制。
3.3.2 車體漂移控制實現
    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)轉動90°，主驅動輪往后轉動，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動，實現了往后巡線的功能。

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據，而無需識別系統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，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流的能量發送存儲在芯片中的產品信息，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。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，通過串口發送給上位機。串口通信采用Modbus通信協議，包含起始位、卡號、數據區、停止位和CRC校驗位。
    利用AGV在流動的生產線中進行測試,完成了各部分功能的測試與運動控制,實現了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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[2] 陳無畏，李碧春，孫海濤，等.基于視覺導航的AGV模糊-最優控制研究[J]. 中國機械工程，2006(24):2546-2550.
[3] 儲江偉，王榮本.基于機器視覺引導的兩輪差速轉向AGV控制問題的研究[J].機械與電子，2010(10)：51-55.
[4] 李麗.AGV在線自動充電系統設計[J]. 河南科技，2012(10)：48-49.
[5] 楊兆虎，程松貴，張文群.位置傳感器PSD在AGV上的應用[J]. 機械工程師，2012(9)：36-37.