自动引导小车的设计

康迎曦 刘晓东 李延平

一、引言

物料运输是一项繁重复杂的工作，传统的物料运输方式是由人工操作，不仅浪费人力资源，而且危险系数高。自动引导小车，简称AGV（Automated Guided Vehicle），装备有自动引导装置，作为新兴的物料运输方式，现场无需人工操控即可完成搬运、避障、装载等工作。自动导引车系统（AGVS）集传感器、信号处理、自动控制、图像处理等多种技术于一体，是现代物流系统中的关键设备。随着科学技术的发展，物流技术在制造业、第三方物流、电子商务等方面迅速发展，AGV在縮短生产周期和提高经济效益等方面都有着显著的作用，因此得到了越来越广泛的应用[1]。

二、自动引导小车的发展历史及现状

1953年，美国Barrett Electric公司制造了世界上第1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。到了 20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。在20世纪70年代和20世纪80年代初，AGV的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发[2]。20世纪80年代中期，57%的AGV用于汽车制造业。另外，根据对国外公司物料搬运系统装备类型的统计，采用自动导向车、有轨搬运车、起重机、辊子输送机、悬挂运输机的比例分别占41%、29%、9%、10%和11%。

AGV在我国的研究及应用起步较晚。20世纪70年代后期，北京起重运输机械研究所研制了三轮式AGV。20世纪80年代后期，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的AGV，沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配专用AGV。20世纪90年代，清华大学国家CIMS工程中心将从国外引进的AGV成功地应用于CIMS的实验研究；清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中心的AGV；昆明船舶设备研究所研制了激光导向式AGV以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向AGV等。目前国内一些AGV技术正赶超国际层面，比如沈阳新松机器人公司，广东地区也有不少厂家AGV迅速发展。

总之，我国的AGV发展速度虽然在稳步提升，但与国际水平还有着明显的差距，需要各研究机构和企业的研发部门加强自主研发或引进一些国外的先进技术[3]。

三、自动引导小车的技术优势

AGV的发展如此迅速，是因为它与其他物料搬运方式相比有很多优点，主要表现在导向柔性、空间利用、运行安全性以及使用费用等方面，具体情况如下表所示。

四、自动引导小车系统的设计

1.总体方案设计

物流中心AGV控制系统由车体、车上控制器、驱动装置、蓄电池、信息采集子系统、转向装置、状态显示系统、避障系统等组成。工作过程是通过接入互联网的手机或者微机客户端通过无线网络向远程的AGV发送控制指令代码，期间传输信号由发送端使用加密狗加密。当信号经互联网发送到接收终端时，AGV网络模块把接受的指令传送到处理器，处理器指示驱动模块驱动AGV执行动作。运动的同时监视模块把采集到的图像通过无线互联网传输到客户机端，其基本结构如图1所示：

（1）车体：由车架和相应的机械装置所组成，是AGV的基础部分，是其他总成部件的安装基础。

（2） 电力储存及充电装置：AGV经常使用24V和48V直流电池供电，电池供电应保持其 8小时的连续工作。

（3）驱动装置：由车轮、减速器、电机及电机驱动器等部分组成。其运行指令由计算机或人工控制器发出，运行速度、方向、制动的调节分别由计算机控制。为了安全，在断电时制动装置靠机械实现制动。

（4）导向装置：接受导引系统的方向信息，通过转向装置来实现转向动作。

（5）车上控制器：接受控制中心的指令并执行相应的指令，同时将本身的状态（如位置、速度等）及时反馈给控制中心。

（6）通信装置：实现AGV与地面控制站及地面监控设备之间的信息交换。

（7）安全保护装置：包括对AGV本身的保护、对人或其他设备的保护等方面。

（8）移载装置：与所搬运货物直接接触，实现货物转载的装置。

（9）信息传输与处理装置：对AGV进行监控，监控AGV所处的地面状态，并与地面控制站实时进行信息传递。

2.控制系统的设计

从AGV的总体结构叙述来看，AGV的控制系统是核心部分，采用Atmel公司的 8位系列最高配置单片机ATmega128作为控制器的处理器，其他主要模块包括：电磁检测模块、电源检测模块、避障报警装置、电机驱动模块、液晶显示模块及无线网络通信模块（蓝牙通信）部分组成。控制模块框架如图2所示：

（1）ATmega128单片机：作为控制器的处理器，负责和蓝牙通信模块、检测模块、驱动模块、数据存储、键盘、红外、显示屏等模块进行数据通信和对无线网络客户端发送的信号进行采集和处理。

（2）无线通信模块。AGV无线网络通信模块是AGV通信信号传输的重要组成部分，由Wi-Fi、GPRS或蓝牙模块来实现处理器与客户端的通信连接。

（3）电机驱动模块。AGV驱动模块是通过可编码的直流电机来驱动的。当处理器接收到客户端传来的指令，处理器就会对驱动模块信号进行处理，从而实现AGV的全方位移动。

（4） 路径检测及避障模块。AGV通过单片机驱动舵机实现全方位的监视，通过在AGV的行驶路径上埋设金属导线，并加载低频、低压电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导航磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。避障模块可以判断小车前方是否有障碍物并确定小车与障碍物之间的距离、障碍物的位置。为了确保小车在行驶过程中避免撞到障碍物，系统需要利用传感器检测出障碍物与小车之间的距离，使小车做出正确的动作，避免与障碍物相撞。

（5） 电源模块。 电源部分采用的是12V直流锂电池，功率为10W。对各个模块部分进行分别供电。稳压管采用的是7805，由于GPRS对电源要求特别高，所以单独采用一个LM2941S对其供电。

五、结语

本文设计的自动引导小车系统，可以实现AGV的远程控制及工作环境实时监控。结合运输机械装置可以实现在特殊工作环境下的智能远程控制搬运工作，在物流中心等一些环境较差的场所可以代替人工工作，实现更多的功能，为货物搬运工作带来便利。

近年来AGV和AGVS技术发展很快，我国的AGV发展也已经取得了迅速发展和可喜成就，越来越多的自动引导小车在各行各业得到了应用。AGV的出现和大量使用，促进了科技和生产的发展，提高了生产率，AGV必将为将来的工业发展做出重要的贡献[4]。

参考文献：

[1]于连国，李 伟，王妍玮.基于单片机的智能小车设计[J].林业机械与木工设备，2011（4）：39-40，42.

[2]聂 茹.基于单片机的WIFI智能小车系统[J].微型电脑应用，2016（10）：77-79.

[3]张正义.AGV技术发展综述[J].物流技术与应用，2005（7）：67-73.

[4]姚 培，张李坚，周晶香.基于单片机控制的智能循迹避障小车[J].机电信息，2010（12）：192-193.