基于单片机控制AGV小车设计及应用

闫书燕

（谢菲尔德大学机械工程系，英国 S102TN）

铁路机车是铁路运输业发展的基础和支柱，按时提供大量工作状态良好的机车是机务部门的基本任务，是维持铁路运输生产秩序的基本保障。然而，当机车使用一段时间后，发生零部件磨损变形或是由于材料性质而表现出的金属疲劳现象，都会成为机车发生危险事故的诱因。因此在铁路机车定期检修制度中，以机车安全预防为目的的定期检查和专业化、集中化维修是十分必要的[1]。但是，在铁路机车常规检修过程中，经常带来很多问题，诸如投入劳动力多、耗时长和容易发生人身伤害事故等。自动导引车（Automated Guided Vehicle,简称AGV小车）属于一种无人驾驶小车，因为其在现代物流搬运装备中具有的高度自动化和智能化等特点，受到交通运输业越来越多的重视[2-3]。铁路检修部门应用AGV小车作为一种智能搬运零配件的自动化运输工具，具有节能、环保和柔性运输能特点，能够提高工作效率、降低工作成本，具有很高的使用价值和市场优势。

1 AGV小车的定义和分类

1.1 AGV小车的定义

AGV小车作为无人自动导引运输车，集合声、光、电、计算机技术于一体，应用了自控理论和机器人技术，装配有电磁或光学等自动性导引装置，能够按照使用人员设定好的导引路径行驶，具备完成目标识别、避让障碍物和各种移载功能，同时具有自我安全保护的应急能力[4-5]。

AGV小车一般由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池等构成。微处理器是控制核心，把小车各部分有机联系在一起，通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令，同时不断地把小车的位置信息、运行状况等数据传回地面站，控制整车的运行[6]。AGV小车首先要根据模拟工作地图进行编程，然后按照预定程序完成行走轨迹，当传感器检测出的位置信号超出预定轨迹位置时，数字编码器把相应的电压信号送给控制器，由控制器根据位置偏差信号调整电机转速，进行纠正偏差，从而实现AGV小车行走系统的实时控制。

1.2 AGV小车的分类

AGV小车根据用途和结构分类，包括辊道移载、推挽移载和叉式移载搬运型等[7]。辊道移载搬运型AGV，是通过自身辊道与地面站台辊道对接之后实现装卸货物，AGV可准确停靠在地面站台侧面，AGV和站台上的辊道对接无误后，两者的输送机同时驱动，同步传动完成物料移载。辊筒输送机的驱动方式是通过在AGV上安装辊筒输送机和摩擦辊筒，在地面上设置无动力辊筒输送机。此类AGV小车可左、右双向装卸托盘货物，作业效率高、安全性好，缺点是站台需要有连锁信号和动力传动，常用于可滚动式托盘或大型木箱、板材、集装箱等重载物料的移载搬运；推挽移载搬运型AGV是通过自身推挽机构的伸缩推拉，实现货台货物的装运卸过程。AGV作业时停靠在货台一侧，通过推挽机构侧向移动臂的推拉完成装卸货物，地面货台不需要动力传动，特别适合于同高度站台之间的搬运场合。由于作业点定位精度要求高，故此类AGV小车常用于平面托盘和规则物料的搬运；叉式移载搬运型AGV，通过倒车完成移载，托盘存放时必须与地面有一定高度，以保证货叉和下方的两个支腿同时进入实现搬运任务，此类AGV可承担空托盘、带载托盘、纸卷等升降搬运工作，能适应从地面到不同高度范围货架的运输作业场合[8-9]。

1.3 AGV小车的激光导航技术

导航技术是衡量AGV小车技术水平的重要标志。传统导航方式以电磁导航和磁带导航为主，适用于简单的工作环境，使用物理路径，无需地图创建和目标识别技术。当前，随着激光传感器、图像传感器开始应用到AGV小车中，激光雷达导航技术得到成功推广[10]。激光导航与传统导航方式相比较，具有定位精度高、路径柔度高，无需对地面进行改造等诸多优点。首先，不需要创建物理路径，AGV小车通过激光雷达采集环境数据，通过处理后与预先创建好的环境地图进行比对获得位置信息，即作为定位信息。其次，激光导航使用的工作地图具有明显测度信息，其精确度会影响AGV小车的自身定位精确度，AGV小车可通过激光自动地创建精确地图，与人力绘制地图信息相比，节省了大量人力和时间。最后，激光导航可以通过环境感知技术，从大量环境数据中，提取和构建更高层次环境信息，作为地图创建与目标定位的基础，提升AGV小车的智能性。

2 AGV小车的设计

2.1 AGV小车控制系统的设计

结合以上技术和功能特点，设计一种单片机AGV小车用于铁路机车维修，按照预先设定的地图路线行驶，能够完成小车的直行、倒退、转弯和停止等连贯动作，同时具备目标识别、故障暂停等功能，AGV小车控制系统示意图，如图1所示。

图1 AGV小车控制系统示意图

系统使用AT89C51单片机作为核心控制器，数字编码器在电机运转时发出的脉冲信号，经过脉冲鉴向电路，向电机传发方向信号；来自鉴向电路的正反方向脉冲信号进入到两块8253计数器进行计数，以获得电机的旋转速度和位移；经过AT89C51单片机控制程序的运算比较后，输出的控制量经过两块DAC1208数模转换器变成模拟量，输出到两块UC3637直流电动机脉宽调制器，通过H桥开关放大器，作为执行机构的速度或者位移给定值，从而控制电机A和B的运转，带动AGV小车完成动作任务。

2.2 AGV小车的机械设计

AGV小车主要由机械和电气两部分组成。如图2和图3所示，机械部分包括车架、车轮、执行机构、固定板、电机、驱动器、驱动轮装置、从动轮装置、蓄电池、运动控制器和电源保险杠和充电连接器等。

图2 AGV小车总体模型

执行机构安装在小车主体的下方，用于驱动AGV小车运行，包括分别设置在左侧和右侧的固定板、左执行机构和右执行机构；驱动机构包括车轮、马达、驱动器和旋转编码器，车轮主轴与马达主轴连接，左执行机构中的车轮和右执行机构中的车轮产生速度差，促使执行机构转弯；马达与驱动器电连接，驱动器与下位机系统电连接，驱动器用于控制马达运转；旋转编码器的输入轴与马达的主轴连接，并且与下位机系统连接，向下位机反馈马达的转速和转角数据[11]。

图3 AGV小车驱动系统

2.3 AGV小车的电气设计

AGV小车的电气部分包括激光扫描仪、角度传感器、旋转编码器、上位机系统、下位机系统、执行机构、输入输出装置、触摸屏、无线电台和电源等。AGV小车电气控制原理，如图4所示，激光扫描仪与上位机系统连接，当接收反射激光信号后转换为电信号，传送给上位机系统；上位机系统接收到扫描仪的信号后构建工厂模拟地图，并进行轨迹路径规划；上位机与下位机电连接，与之发送控制指令；输入输出装置与下位机系统连接，输入装置用于接收操作人员发送的控制指令，而输出装置显示AGV小车的工作状态信息，输入装置包括按钮、遥控器和触摸屏，输出装置包括声音输出设备和障碍物传感器，分别与下位机系统电连接。按钮用于开闭AGV小车，声音输出设备用于提示运行工作状态，障碍物传感器用于AGV小车的避障报警，遥控器与上位机系统、下位机系统无线连接，用于工人手动远距离操控AGV小车。

图4 AGV小车电气控制原理图

3 AGV小车的应用

3.1 AGV小车在工业环境中的应用

AGV小车在工业环境下的具体操作程序如图5所示，首先通过遥控器设定遥控模式，在手动遥控操作下控制AGV小车在既定工作区域演戏运行一次，在此过程中，AGV小车上的激光扫描仪连续向外界环境发出激光，经过四周墙体或者区域内障碍物反射回来后转换为电信号，上传至上位机系统，上位机接收到电信号后，计算由发射激光到接受到反射激光的时间，以及发送激光的角度信息，由此推算出物体距AGV小车的距离和角度位置信息；当AGV小车初次运行完工作车间的全部区域后，上位机系统根据上述信息建立绘制工作场地的初始地图，随后操作人员可对原始地图进行设定，得到安全运行地图，如图6所示。

图5 AGV小车行动操作流程图

AGV小车在安全运行地图中设定为自主运行模式，当操作工人在车间通过电脑发送料单到配料车间，配料车间控制平台得到指令后，下发指令给配料机，配料机开始配料，同时AGV管理系统根据配料单指派AGV小车到配料位接料；当系统设定起始点和目标点后，上位机根据地图进行路径规划得到最佳路径，并发送控制指令至AGV小车的执行机构，从而控制AGV小车的运行送料。在此期间，旋转编码器将通过下位机向上位机传送转速等数据，从而实现对执行机构的反馈控制，进一步调整执行机构中车轮的转速，直至到达设定的目的地[12-13]。

图6 AGV小车模拟行动地图

3.2 应用特点

经过对AGV小车现场工作情况的跟踪与测验，总结了设计经验和问题，为后续改进AGV小车提供依据。

3.2.1 优点

1）设计的灵活性。通过修改AGV小车导向程序，就可以改变、修正或扩充小车的移动路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道，相比之下改造的工作量要大很多。

2）能实时监控及控制。由于控制平台能够对AGV进行实时监视，如果工厂车间要求改变进度表或作业计划，则可以重新计算小车路线。此外，还可以添加紧急服务，向计算机报告负载失效、零件错放等事故。如果采用无线电控制，可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。

3）更加安全可靠。AGV具有智能控制单元，同工作区域的控制器通讯，采取了多级保护措施，具体分为软件保护和硬件保护。当发生运动异常、位置丢失、偏离导航线路通讯故障等问题时，软件保护系统启动自我解决模式；硬件保护设置有状态提示、故障提示、运行提示等，例如设置有非接触式激光防碰感应器，在车身四周安装有保险杠，并且设有应急停开关，可以防止小车相互碰撞；AGV安装定位精度传感器，可保证定位精度达到±300 mm，在良好环境下最高可达到±30 mm，从而避免了发生碰撞和工件卡死等现象[8]。

3.2.2 存在的问题及改进措施

1）必须有定位参照物。AVG小车在长距离、大面积场景或者无参考物环境下会定位失效；在室外运行且有强风情况下，工作路径旁花草或其他杂物的随风运动会导致定位不准确而迷路。需要加强激光定位准确度，引进远距离（80 m以上）激光扫描测距系统[6]。

2）高温环境下易失控。AGV小车中电子元器件的工作温度为-10℃～50℃，相对湿度≤80%；在夏天的高温环境下，室外地表温度达到60℃，高温导致部分电子元件失灵，使AGV小车发生急停、启动按钮失控等现象[8]。建议更换耐高温元器件，或者加装散热装置。

3）恶劣路况下会自行停机。AGV小车未对过轨道功能做专门设计，而实际工作情况下，由于为方便铁路机车运输便利，工作车间的运行路线分布有20余处横跨路面的机车轨道（轨道槽宽90 mm、槽深70 mm），当AGV小车经过轨道时，伴随颠簸、卡车轮等现象及由此带来的瞬间过电流会熔断电源保险丝。可以替换橡胶轮或履带式车轮，或者重新设计和装配大直径车轮。

4 结论

本文以无人驾驶自主移动导引车（AGV）为研究对象，在调查和分析了铁路机车维修用AGV小车原理和类型的基础上，设计了一种基于单片机控制AGV小车，包括车体机械部分和电气部分的设计，并且应用到实践环境中，能够按照预先设定的地图路线，完成小车的直行、倒退、转弯和停止等连贯行驶动作，同时具备目标识别和故障暂停等功能。AGV小车作为生产辅助的搬运工具，集合了声、光、电和计算机技术于一体，应用了自控理论和机器人技术，相比传统铁路导引车，AGV小车，极大程度降低了车间工人的劳动强度和安全事故发生率，提高了铁路机车维修的自动化水平和工作效率，在物流运输行业具备较大开发潜力和市场前景。