停车AGV 液压控制系统的设计与研究

马立超

（上海羿弓精密科技有限公司，上海200232）

随着国民经济水平的提升，我国车辆保有量大幅度上升，“停车难”是城市发展一直以来的重点问题，在医院、商场和机场等区域都面临用户找车位难、停车效率低、车位数量少等问题[1]。停车机器人是一种在无人停车库中进行车辆搬运的重载AGV（Automated Guide Vehicle），可以按照设定的路线运行实现自动泊车的功能。现有的智能停车库中的停车机器人多数为有轨运行，结合横移平台实现汽车的搬运，运行方式单一，自由度差[2]。

图1 为本文设计的停车机器人的工作模式。每次搬运需要两台AGV 协作完成，主从两台AGV 依据激光雷达的点云数据识别车轮的位置进行移动，进行位置的微调直至车轮对准左右两侧抱臂的中心点，由液压驱动四个抱臂夹持轮胎底部，最后液压悬挂系统整体抬升，使得汽车轮胎离开地面。每个AGV 由四个差速舵轮控制全向移动，可以实现直行、转弯、斜移、自转等多种运动模式[3]。

图1 停车机器人的工作方式

1 液压系统设计

图2 为AGV 的液压系统示意图，顶升01~04 液压缸负责AGV 四个轮组的液压抬升与下降，其中顶升03 和顶升04 并联与另外两个液压缸共同构成整车的液压悬挂系统，可以适应地面的不平整性。无论当AGV 运行在抬升状态或是降低状态时，液压缸都不运行到极限位置，留出5mm 的余量作为适应地面不平整性的补偿量。所设计的液压缸全行程为40mm，因此当AGV 运行在降低状态时，控制液压缸运动到5mm 行程的位置；当AGV 运行在抬升状态时，控制液压缸运动到35mm 行程的位置。液压缸的行程可通过超声波传感器获得。左01 和02 液压缸负责左侧抱臂的伸缩运动，右01 和02 液压缸负责右侧抱臂的伸缩运动。

图2 停车机器人液压回路

如表1 所示，相关数据为液压系统的主要参数。可以看出，决定系统流量的为液压阀，因此液压缸的动作时间（s）为：

表1 液压系统参数

V/（Qvalve/n）×60，

式中，V-对应液压缸容积，Qvalve-液压阀最大流量，n-一个液压阀控制的液压缸数量。

升降运动中，每个液压阀对应1 个液压缸；伸缩运动中，每个液压阀对应2 个液压缸。因此，抬升时间为6s，下降时间为4.2s，抱臂伸开时间为18.24s，抱臂收回时间为11.64s。

2 结构设计

图3 为停车机器人驱动轮组机械结构，每个停车机器人有四个驱动轮组，整个AGV 包括AGV 抬起汽车的重量通过驱动支撑框架加载在液压缸上。图3（a）为整车降低状态，当AGV 潜伏入汽车底盘的时候，系统工作在降低状态；图3（b）图为整车抬升状态，当AGV 抬起汽车时由泵电机带动齿轮泵驱动液压缸顶杆向上抬升，直至抬升至预设位置。而液压缸的运动行程由超声波传感器间接测量得到。

图3 停车机器人驱动轮组

由图3 可知，当AGV 处于降级状态时，超声波传感器测得与驱动支撑的距离为H0——理论值52.5mm；抬升时，控制系统应当通过控制逻辑使得顶杆上升30mm，使得超声波传感器与驱动支撑的距离达到H1——理论值82.5mm。

所选用的超声波传感器能够将20~250mm 的距离信息转换为4~20mA 的电流信号输出，选择249Ω 的采样电阻将电流信号转换为电压信号传入ADC 采集引脚。因此，高度数据与电压信号的换算关系为：

式中，H-超声波测得的高度，V-电压幅值，Rsample-采样电阻的值。

3 控制系统设计

3.1 电气系统设计

图4 为本文电气系统的框图。主控芯片选择ST 公司的STM32F407 芯片，主频最高可达168MHz，模数转换芯片选择TI 的ADS8688 芯片，采样电压范围±10V、分辨率16 位，最高采样频率可达500K，通过SPI 总线与主控芯片通信。泵电机为Kinco 的1kW 伺服电机，额定扭矩3.18Nm，额定转速3000rpm，通过Can 总线与主控芯片通信。超声波传感器为Pepperl+Fuchs 的UC250，测量范围250mm，死区范围20mm，测量精度0.1%FS。由GPIO 驱动MOSFET，从而控制电磁阀的通断实现液压控制。

图4 停车机器人电气系统

3.2 软件设计

泵电机的启停控制以及转速转矩的读取完全通过CanOpen 协议，CanOpen 是工业控制中常用的现场总线，通常通过SDO 进行请求式数据通信和通过PDO 进行触发式数据通信。通过电子数据表（EDS 文件）对通信内容进行配置，实现主站和从站对通信数据结构的统一映射[4]。

表2 为CanOpen-PDO 设置。电机的转速和电流以事件触发的方式通过TPDO1 发送至CanOpen 主站。当数值有变化时，驱动器主动发送数据。电机的使能与去使能则通过SDO 写入参数的方式进行控制。

表2 CanOpen 设置

图5 为整车升降控制的流程图，当系统收到升降命令后首先启动电机，然后依据升降来打开相应的阀组。抬升命令则打开U01~U04，下降命令则打开D01~D02。然后通过超声波传感器得到的hight[i]数据判断升降是否到位，如果到位则关闭相应阀组。因为03 和04 阀组对应的是并联的两路液压回路，其高度会随着地面不平整度动态调整，因此需满足两者的平均值达到预设高度才整体关闭阀组。当所有阀组都关闭后停止电机，升降任务完成。

图5 升降控制流程图

图6 为夹持和松开轮胎的流程图。为了简化控制电路，本文没有依赖接近开关或到位开关等器件来判断抱臂是否已经完成夹持，而是通过实时监测电机扭矩和转速来进行判断。当系统收到夹持指令后，启动电机并打开S01 和S02 阀组，此时左右抱臂同时开始动作。当其中一个抱臂到位后，所有的流量将集中到另一个抱臂的液压回路中，速度得到提升，因此左右两个抱臂到位的时间非常接近。当两个阀组都到位后液压系统的压力瞬间增加，电机将无法维持在设定的转速运行，转而切换至设定的扭矩限幅以恒扭矩模式运行。这时电机的转速将接近于零速，扭矩将接近额定扭矩，为了防止干扰引起误判，程序判断上述状态持续300ms 后认为左右抱臂已经到位，于是关闭阀组停止电机。

图6 抱臂控制流程图

4 实验测试

图7 为抱臂收回过程中实测的电流和转速变化曲线。因电流和扭矩直接相关，在分析的时候可以用电流的变化趋势来等效电机输出扭矩的变化。可以看到在200ms 以前的时间里抱臂处于收缩状态，电机的电流和转速基本保持恒定；从270ms 开始，抱臂到达限位，电机转速下降，在PID 控制器的调解下驱动电流开始增加；而从400ms 开始，电机电流达到峰值40A，电机开始工作在恒扭矩模式下，电机转速继续下降；700ms 时，系统判断抱臂已经到位，于是停止电机，电流下降为0A，转速下降为0rpm。

图7 抱臂收回测试

5 结束语

本文设计了停车AGV 的液压系统，用4 个双作用液压缸控制AGV 的升降并提供整车的液压悬挂系统，用两组双作用液压缸控制AGV 左右两边的抱臂，通过抱臂的收缩来夹持和释放汽车。应用超声波传感器测量轮组与驱动支撑之间的距离来辅助控制AGV 液压悬挂30mm行程的切换。通过CanOpen 协议实时获取齿轮泵驱动电机的转速和电流，由转速和电流的组合关系判断抱臂是否运动到位，并通过实验验证了当抱臂到位后电流维持在限幅40A，转速从额定转速持续下降至0rpm。