磁导航AGV车载控制系统的设计与应用

2022-03-19孙宜敬

现代制造技术与装备 2022年2期

孙宜敬

（赛摩智能科技集团股份有限公司，徐州 221004）

针对现场底壳零部件以及成品的搬运需求，赛摩智能科技集团股份有限公司设计并制造了一套自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）转运系统，目的是通过AGV自动搬运及时转移产品，从而减少员工周转过程，提高工作效率，保持现场干净整洁，最终实现产品转运的自动控制，提高自动化程度和生产效率。

1 系统组成

该AGV转运系统主要包括磁导航潜伏式牵引AGV、车辆调度系统以及自动充电桩等。其中，磁导航AGV是以磁条为导航介质，以磁条感应信号为导引的AGV产品，相对于自然激光导航，定位较为精确、路径规划简单、使用方便、成本较低，且适用于相对固定的物流转运场景，可以快速替代人工，提高劳动生产效率[1]。这种导航方式也存在一些缺点，如磁条容易破损、需要定期维护、路径变更需要重新铺设磁带、AGV只能按磁条行走、无法实现智能避让或通过控制系统实时更改任务等。

本项目的磁导航AGV总体结构主要由车体、两轮差速驱动总成、牵引销及驱动总成、磁导航传感器、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）读卡器、避障激光器、锂电池以及控制系统等组成[2]。根据现场情况及料车尺寸等条件，本项目机械设计使用的是长方形车体，两个差速轮组成的驱动及转向平台总成布置在车体前部，随动万向轮布置在车体后部，用以保持车辆平衡，牵引装置布置在车体中间位置[3-5]。具体组成如图1所示。两个差速轮分别由独立的伺服电机驱动。两台电机以相同的速度旋转时，车辆将沿直线移动。当其中一侧的轮子比另一侧转得快时，车辆将向慢速侧转弯，反之亦然。两侧轮子的差速值由控制器根据磁导航信号的偏移情况给定。

2 车载控制系统硬件设计

AGV车载控制系统的设计目标是通过可编程的主控制器获取AGV上传感器的实时状态，如路线偏移量、当前站点和安全情况等信号，并接收来自车体手动操控按钮或者上位调度系统的配送指令，从而计算出差速轮的偏移控制量，并由驱动伺服电机进行相应的速度调整，以确保AGV始终行驶在预设的路径上，最终在指定的工位站点完成转运任务。本项目AGV控制系统选用赫斯默（HESMOR）的可编程显示器作为主控制器，通过控制器域网（Controller Area Network，CAN）总线连接系统中的传感器和驱动器等设备，具体配置如图2所示。

2.1 CAN总线

CAN总线是国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）标准化的串行通信协议，其高性能和可靠性已被认同，并被广泛应用于运动控制、车辆工业、轨道交通、电机驱动、工程机械以及船舶海运等行业，是当前AGV行业普遍使用的总线通信方式之一。其总线长度可达10 km（速率为5 kb·s-1及以下），网络速度可达1 Mb·s-1（总线长度为40 m及以下），网络上的节点数高达127个。本项目设计中所使用的主要传感器、编码器、驱动器等均使用CAN总线与主控制器进行通信。

2.2 主控制器

本项目选用HESMOR公司的ONE-L5T型产品作为主控制器。它集显示、触摸与控制于一体，是专门针对移动车辆和工程车辆而设计的可编程显示器，能够适应移动车辆和工程机械所处的恶劣工作环境，且其本体配备了2个CAN接口、1个RS485接口和1个通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口。这种主控制器编程符合IEC 61131-3规范，可使用CoDeSys软件进行应用程序的开发。由于其本体上的数字输入输出点数较少，所以还配置了一台扩展输入输出模块，并通过CAN总线与主控制器进行连接。

2.3 磁导航传感器

传感器通常配备多组微型磁场检测传感器，且每个磁场检测传感器对应一个探测点。传感器上电之后，内部控制器会激励磁场检测传感器，从而测量出每个探测点所在空间位置的磁场强度值。此时，根据磁条的磁场特性和传感器采集到的磁场强度信息就能够确定磁条相对磁导航传感器的位置。磁导航传感器信号示意图如图3所示。此处选用的磁导航传感器配置了16个探测点，并将16点信号通过CAN总线进行输出。CAN总线的参数如节点编号、波特率等需先通过厂家专用软件进行配置。配置完毕后，主控制器通过发送相应的指令来获取传感器的检测数据。

2.4 RFID传感器

AGV在运行到不同的站点时需要执行不同的指令，通常要根据需要事先在AGV的行走路线上设置命令地标点。在行走过程中，AGV通过读取地标点的编号信息来执行预先规定的动作，如停止、加速、减速、左转以及右转等。读取地标点的设备为寻址传感器。目前主流的寻址传感器主要分两类：一类为磁地标传感器；一类为射频地标传感器。此处选用的是射频地标传感器，并配置相应的标签卡片。标签进入传感器发射射频场后，将天线获得的感应电流经升压后作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过前端电路变为数字信号进行处理，需要回复的信息则从存储器发出并送回前端电路，最后通过天线发回传感器。该射频传感器也是使用CAN总线进行通信，因此需要先使用专用软件配置其节点编号、波特率、广播方式等参数，然后由主控制器通过发送相应的指令来获取传感器的检测数据。

2.5 伺服驱动器

本项目选用的是步科低压直流伺服驱动系统，工作电压为直流24～70 V，支持CAN、Modbus、EtherCAT总线以及脉冲等多种控制方式，而且可以匹配光电、磁电、多圈绝对值等编码器电机，支持位置、速度、力矩控制模式。驱动器接线完毕并上电后，应先使用厂家专用软件进行参数配置，包括电机型号、工作模式、IO定义、CAN总线通信参数等。参数配置完成后注意进行保存。主控制器通过CAN总线发送相应的指令来获取当前速度、故障信息等数据，并根据系统纠偏需要写入两个差速轮驱动的不同目标速度。

2.6 绝对值编码器

本项目中的AGV小车在差速总成结构上配置了一只绝对值编码器，作用是提供小车反向行驶时的角度反馈，以便进行差速运算调节，同时可提供小车运行过程的实时角度数据，用于小车的手动行驶控制。此处选用HESMOR品牌的CAN总线型12位单圈绝对值编码器，单圈分辨率为4 096。相对于增量型编码器，因为绝对值编码器的输出值由光电码盘的机械固定位置决定，所以其位置和数据是惟一的，无须寻找参考点，即使断电也不会受到影响，从而简化了编程过程，提高了数据的稳定性。

该编码器在投入运行之前，需要进行一些初始设置，包括节点ID、波特率、数据发送模式以及零点等。设置软件为PCAN-View，若要将当前编码器的值设置为0，则先手动将编码器所在驱动总成机构旋转至希望的零点角度位置，然后通过PCAN-View写入下述指令（CAN总线数据格式为：ID、DLC、D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，所有的数据都是16进制）：写入地址索引为2103，00；写入数值为00 00 00 00；发送指令为600+NN,8,22,03,21,00,00,00,00,00；返回指令为580+NN,8,60,03,21,00,00,00,00,00。其中，NN为编码器节点编号。如果返回内容不是以上格式，则表示发送错误。写入之后，如需读取当前值进行确认，则可以发送下述指令：600+NN,8,40,03,21,00,00,00,0 0,00。此时返回指令为：580+NN,8,43,03,21,00,00,00,00,00。需要注意的是，当所有参数设置完成后，需要另外发送下述指令进行参数存储：600+NN,8,22,10,10,01,73,61,76,65。

3 车载控制系统软件设计

3.1 控制逻辑

本项目车载控制系统有手动和自动两种工作模式。手动模式下，AGV的行走和转向以及牵引机构的操作等均由本体上的操作按钮或者触摸屏上的控制元件来完成，一般仅用于单机调试。自动模式时，AGV通过无线通信接收来自上位机的一系列目标站点信息后，以当前站点为起始站点开始判断并搜索合适的路径，得到合适路径并收到配货区操作人员通过上位机发送过来的启动信号后，AGV开始牵引已经配货完成的料车出发，之后RFID传感器会一直检测站点信号。当到达目标站点时，AGV停止行走，操作人员取走料车上的相应货物，然后AGV等待接收上位机发送过来的取料完成（启动）信号并再次出发。AGV运行过程中，如有障碍物进入到预先设定的激光检测范围内，AGV将根据障碍物所处位置的远近而进行减速或者停止动作。当障碍物移除后，AGV继续运行。

3.2 编程环境

CoDeSys软件工具包是一款基于.net架构且符合IEC 61131-3国际编程标准的、面向工业4.0及物联网应用的软件开发平台。其独特优势是单一软件工具套件可以实现完整的工业自动化解决方案，即逻辑控制、运动控制、人机界面、冗余控制和安全控制等多个目标和需求。本项目的循迹算法、控制逻辑以及触摸屏界面等均使用CoDeSys软件实现，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）编程语言主要为结构化文本（Structured Text，ST）。程序主要包括CAN总线设备通信和数据处理部分、RS485通信和数据处理部分、循迹算法部分、手动控制部分和自动控制部分。最终制定的循迹导航流程图和自动运行流程图分别如图4和图5所示。

4 现场应用

4.1 现场准备

首先，根据工艺路径要求敷设磁条，确保地面干燥、整洁、干净，且直线段的磁条应使用辅助工具（如激光水准仪）使之尽量保持平直，转弯处的磁条应使之尽量平滑且角度不可过小。其次，磁条敷设完成后可在其表面粘贴一层保护胶带，以便保护磁条、减少磨损。若工艺路径相对固定，也可直接将磁条埋入地下，以保护磁条并保持现场美观。再次，根据需要布设RFID地标标签，并根据工艺需要设置如出发、充电、停止、转弯、加速以及减速等地标。最后，确保现场的无线网络符合与AGV的实时通信要求。一般AGV轨道区域的无线信号覆盖强度应不低于-70 dBm，且其他如充电桩和上位机等也应按要求布设到位。