磁导型AGV控制系统设计

杨帆李昆

（1.一汽-大众汽车有限公司，长春 130012；2.大众一汽发动机（大连）有限公司，大连 116000）

1 前言

随着工业技术的进步，很多传统的制造业都在向自动化、智能化的趋势发展。自动导引运输车(Automated Guided Vehicle，AGV)虽然已有数十年发展历史，由于技术开发稳定性和应用场景差异性等原因一直未能大规模投入各行各业的生产中。自2016年起，电子商务和智慧物流蓬勃发展，加快了AGV的普及速度和技术推进，厂商在控制系统设计上也越来越完善，但各厂商设计的控制系统对各应用场景适应性较差，现场应用还需重新匹配调整，影响项目工期，也影响客户使用体验。

本设计方案采用了自主研发设计的AGV集成控制电路，实现了单片机与PLC的控制融合，本设计兼有2种控制方式的功能和优点。既拥有单片机低成本和开发优势，又可用PLC来补充单片机功能上的缺陷和不足。其中单片机负责控制车体的各个信号按钮、防撞系统、磁导引系统、驱动系统；PLC负责处理AGV的光电信号开关、接近控制开关、电机转动的反馈信号信息，和E-Frame物流列车系统的上/下料功能。单片机与PLC通过ModBus串行通信协议进行连接，功能完善，拓展灵活性高。

2 AGV简介

2.1 AGV的定义

AGV泛指配备有磁力导航或通过光学设施进行引导，可以通过预先设定的路径进行行进并完成预定任务，具备相应的周边安全防护设施监控以及可以完成相应的物体移载的运输设备，AGV隶属于轮式移动机器人（WMR——Wheeled Mobile Robot）范畴。设计简单并且价格低廉的AGV也称作AGC（Automated Guided Cart）。自1953年诞生第一辆AGV以来，AGV已经经历了近七十年的发展。

AGV应用的特点可以归纳为如下几点。

a.与传统的人工驾驶工艺车辆相比，AGV为无人驾驶方式；

b.可根据应用的工况进行设计行驶路径，柔性好；

c.采用电能进行驱动，无排放，属于清洁生产。

典型的AGV本体组成如图1所示，一般具有驱动部分、牵引/承载部分、状态显示反馈部分、安全避障部分、引导部分等。实际应用中，控制系统通过无线网络进行传输控制指令，多台AGV及附属机构在接受指令后，根据预先设计的调度程序,依照对应位置信息,沿着特定行驶路线和停靠位置自动行驶,并按设计完成一系列作业功能[1]。

图1 AGV的组成

2.2 AGV的应用分类

本文只对汽车生产过程中所应用的AGV进行讨论。按照应用用途，AGV分为两大类，如图2所示。

图2 AGV按用途分类

一类应用是侧重于工艺装配的，称作工艺装配AGV，此类AGV精度要求一般在±5 mm以内，本体上安装有装配支点，用于产品装配过程，此类AGV属于工艺设备；另一类应用是侧重于运输货物到规定地点，以代替传统人工驾驶的工业车辆，称作为运输类AGV，此类AGV应用十分丰富，具体分类如图3所示。

图3 运输类AGV

值得指出注意的是，以上分类仅是代表现阶段大部分的应用技术，伴随着近几年工业4.0的快速发展，AGV技术发展变革，尤其是运输类AGV的技术变革非常快速，可应用形式也越来越丰富。比如，在AGV+方面应用，通过在本体上加装机械手、取放设备，就可以衍生出新的AGV类型；在与高架存储结合应用方面，通过特殊的机械设计，实现AGV爬升货架的能力，衍生出空间移动AGV等新兴技术。

2.3 AGV的导引方式

AGV属于移动轮式机器人，导引部分（图4）相当机器人的眼睛。传统导引方式有磁条引导、电磁感应引导和视觉引导（色带），近几年激光引导、惯性（二维码或磁钉）引导、以及无实物引导方式的自然引导（SLAM）等快速发展[2]。在视觉引导中有一类新兴技术，依靠地面纹路视觉引导，在近两年研究较多，此类技术主要应用于精确引导方面。

图4 AGV导引方式

当前一汽-大众应用比较多的为成熟度比较高的磁条、电磁感应和二维码惯性引导。激光引导和自然引导处于研发、试用阶段，暂未普遍应用。视觉引导不适合快速运行，此类应用当前较少。

本研究以磁条型AGV作为设计基础类型，该类型产品在本公司现阶段应用最为广泛。

3 双控融合硬件设计

3.1 双核控制方案设计

因单片机开发周期长、难度大（维修维护人员学习、后期改造均存在难度，并且外围硬件接入多还可能对系统造成风险）；PLC系统功能不灵活，高级算法支持性差（由PLC独立完成的AGV项目，其编程难度大，响应速度慢、需外扩硬件较多，导致成本高），加上现有AGV控制技术多为纯单片机控制或PLC系统控制，这2种控制方式都有优缺点，单片机控制的项目开发周期长、编程难度大。PLC开发AGV控制系统，软件开发费较高，且PLC的软、硬件系统固定封闭，难以进行二次开发，所以本文中提出的设计方案为单片机系统加PLC系统的融合方案。

本文提出的双核架构，优势有以下3点。

a.响应速度快，并可接入高级算法，以提升控制精度。

b.AGV应用项目场景复杂，可用PLC灵活控制外围设备，可有助于项目改造，降低应用成本和改造周期。

c.维修维护人员只需有PLC基础，即可自行维护及工况变化的一般改造，降低维修人员学习周期，降低维护保养难度，方便批量推广应用。

3.2 嵌入式控制系统硬件方案

该控制系统设计选取的AGV控制器主控制芯片是STM32F407ZGT6型号，并依托RS485总线通讯电路进行整体通讯设计，并配置485总线隔离器，通过该通讯设计与车体上的导引传感器、角度编码器、读写传感器进行实时通讯，并将采集到的车体运行数据进行反馈解码。

该控制芯片通过RS485通信电路连接以太网与PLC系统进行MODBUS通信，并将控制器采集到的车辆信息实时显示在触控屏上，并且可以实时通过触控屏进行指令的下达，来控制车辆进行相应的规定动作，比如前进、停止、转弯等等。

该控制芯片在设计时为保证车辆可以在多种工况下使用特别进行了抗干扰处理。通过使用GPIO口控制的继电器来保证需使用大电流的硬件可以正常工作，通过继电器小电流的通断，控制外部硬件可以平稳的运行[3]。

3.2.1 嵌入式最小系统设计

该系统设计的STM32型号单片机是由主控芯片、上电电路、空间时间控制电路、供电电路以及电源组成。同时单片机还包括具备LED指示的控制电路和运行下载电路，如图5所示。

图5 STM32F407ZGT6芯片引脚图部分

3.2.2 串行总线通信设计

该设计应用的通信架构是RS485，RS485是一种标准的通用总线架构，因其具有功能多样性和在远距离传输上能力超强，使其在各种不同的通讯接口上得以广泛应用,选用该架构扩展性更强，可兼容不同厂商的产品。本论文论述中485通信电路用两片ADM2582E芯片设计了2组串口通讯电路。如图6所示。

图6 ADM2582E-RS485电路原理

3.2.3 无线通讯模块

在生产现场的实际工况内，单台AGV无法满足实际生产中需要的高效率运输需求，这时就需要多台车辆同时运行以提高生产能力，满足实际需求。随着无线通讯技术的发展，包含WIFI、5G技术的发展以及物联网的概念逐渐成熟，现阶段已经可以使用无线技术来群控多台车辆，系统可以对每一台车辆进行监控定位，也可以调取每一台车辆的状态信息，通过系统任务的输入，可以根据现场实际工况来调配每一台车执行相应的工作任务，以此满足实际生产要求，本控制系统设计时考虑应用不同的应用环境和场景，特使用了2种通信技术，以满足后续发展需求。

a.WIFI通信技术。WIFI通信技术现阶段使用十分广泛，目前基本上所有的手持移动终端、移动笔记本电脑、无线通讯设备、智能装备均支持WIFI通信。WIFI通信技术工作频段为2.4 GHz，按照通讯协议标准出现的时间先后，所执行的协议标准有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g三种，最大传输速度其可达54 Mbit/s，2点间通信距离在10～300 m之间。WIFI技术的其缺点为组网过于复杂，需要经过周密的布局，才能达到全覆盖；可扩展性差。

b.ZigBee技术。ZigBee技术是现阶段比较先进的通信技术，该技术遵循着IEEE802.15.4标准，该技术特点如下。

a.超低功耗，损耗较小。

b.可进行自组网、组网十分简单便捷、

c.使用该技术进行的网络扩展性强。

ZigBee技术支持多对点、树状、网型等方式进行拓扑布局。

3.2.4 通用I/O及辅助功能设计

为保证该系统的安全性与稳定性，重要的GPIO（General-Purpose Input/Output）接口添加了光耦隔离模块。以下文章介绍接口设计情况。其中输入隔离如图7所示、输出隔离如图8所示。

图7 输入隔离

图8 输出隔离

3.3 PLC硬件方案设计

3.3.1 安全系统

应用采用独立SICK安全系统，安全系统在车载运行的过程中全周期内保障车体及工况周边安全防护和监控工作。如工况周边遇危险，立即切换到程序控制策略，危急情况会自动予以切断控制电源。

3.3.2 E-Frame控制

E-Frame采 用Siemens Automatic S7-1200系 列的PLC控制；将S7-1215C（S7-1200系列CPU(Central Processing Unit)模块）布设集成到AGV牵引车内部，SM223扩展I/O布设集成到E-Frame上，用于采集工位对准信号、物料有无检测信号和自动控制送货叉的伸出与收回。

车体采用S7-1200系列PLC的原因是由于目前工厂大量使用Siemens公司的PLC，对于后续自主维修AGV提供方便；同时S7-1200系列PLC性价比较高，可以节省费用成本支出。全车采用S71215C的中央处理器模块，通过PROFINET协议控制SM223扩展I/O的布控方式完成对E-Frame的监控和操作。

3.3.3 E-Frame硬件设计要求

a.中央处理器使用S7-1215C的CPU模块（型号为：6ES7 215-1AG40-0XB0），原因是AGV全车供电采用标准的直流电24 V，因此使用直流型CPU有效减少电源类型的布控。

b.I/O扩展线采用带有屏蔽功能的8绞线。

c.数字量输入/输出模块使用SM-1223的I/O扩展模块（型号为：6ES7 223-1PL32-0XB0）原因是该模块采用直流电24 V供电，同时有较高的输入扫描周期，可以很好地监控光电信号的输入。

d.工位对正信号采用OMRON反射板式光电开关（型号为：E3FA-RN12 1M），该开关可以有效监测工位过桥是否与E-Frame对正；E-Frame上的空车检验传感器采用OMRON漫反射式光电开关（型号为E3FA-DP12 2M），该开关对被检测物体的表面没有较高的要求，在2 m内的物体均可被检测到。

e.E-Frame固定料车的倒钩采用直流电24 V电动传动，用于固定和释放料车；驱动料车送入工位和拉回空料车的货叉采用带抱闸的直流电24 V电机驱动，该电机需要配合驱动器使用。

3.3.4 人机交互

AGV的人机交互主要靠触控屏来实现，在触控屏上可以对AGV进行IO检测以及路径切换、站点属性及运行参数等功能进行修改。

站点的属性（表1）设置包括站点正向属性设置以及站点反向属性设置。单向运行的AGV只需设置站点前向属性，双向行驶的AGV必须设定站点前向属性以及站点后向属性。在站点属性这一栏中以下情况需要在该界面设定AGV的站点属性：

a.无序到站模式；

b.顺序到站模式。

其中进站模式相关站点属性设定如表1所示。

表1 站点属性

分岔路径设置可以让AGV在遇到岔路时做出规定的选择，参数设定如表2所示。

表2 分支路径界面各参数设定方式

3.3.5 通用I/O设计

AGV要在现实生产中按照实际工况进行应用，还需要做很多辅助功能设定，比如保证安全距离的安全感应扫描器、检测车辆辅助执行机构是否正常运行到位的检测信号、遇险时急停机构、设置功能配置的按键，手动操作的操作手柄、用于警示作用的音响、用于警示的警示灯光提示等，这些信号是通过PLC控制的数字量耦合开关，生产所需要的辅助功能越多，相对应配置的电气原件就会越多，相对应的就对占用更多的控制器通用GPIO。

4 双控融合软件设计

4.1 双核控制系统

单片机及PLC融合控制中，各控制模块自主控制主导的功能实现如图9所示。

图9 双核控制系统

4.2 嵌入式控制系统软件模块

4.2.1 电机控制算法

对应相对比较固定的车辆线路循迹，需要根据电机转速与所控制电机控制器占空比的信号输入关系进行确定。在图10中可以看到Arduino的3号、5号引脚被接入左侧驱动器的PU+和DIR-引脚，Arduino UNO的6号11号引脚则被接入右侧驱动器的PU+和DIR-引脚。DIR-和PU+所对应的驱动器方向与速度输入信号，对DIR-引脚所输入电流大小可以决定电机的正转和反转，对PU-引脚，输入频率大于1 kHz的占空比10%～90%的波可以决定电机转速。

图10 电机控制算法

4.2.2 纠偏算法

AGV在行驶过程中，无论是行驶转弯还是控制程序自动偏差的原因，都无法保证全程AGV车身的运行姿态，在测算得出AGV对固定磁条的偏差量，AGV需要根据自身算法计算出的偏差量，用合适的纠偏循迹方式来控制车体两轮的行进速度，可以理解为是电机通过使两轮不同转速的差速行驶使车辆与引导磁条的偏移量始终处于合理或者逐渐减小的状态。本文中所设计的车辆是采用了2个车轮同时进行变速，使车辆进行纠偏，并对车辆进行速度控制。以下介绍中将利用模糊PID算法在以形成闭环的车辆运行系统中，使得车辆能稳定的循迹。

模糊PID控制（图11）是将PID算法和模糊控制理论结合的一种控制技术，该技术是生产中不断总结不断更新得来的，并通过转化为理论经验所得出的控制策略。然后通过算法对不精确的输入信号进行解析，然后进行有效的处理。车辆控制器根据任务设定的程序输入信号和反馈信号来判断当前运行路径与设定值的偏差量及变化量，然后通过预设算法进行推理计算，得到可以让模糊控制器可以解读并可执行的控制参数[4]。

图11 模糊PID算法

4.3 PLC软件模块

4.3.1 E-Frame控制流程

E-Frame受PLC模块控制，在车辆停靠后进行上料和下料工作，控制流程见图12。

图12 E-Frame控制逻辑

4.3.2 PLC与单片机通讯信号

PLC与单片机的信号交互是主要以下功能的控制构成。

a.手动及自动模式的切换；

b.地标号的处理解读；

c.电池电压信息的检测与实时监控；

d.激光雷达区域的选择与监控反馈；

e.运行线路号的设定与反馈；

f.舵轮电机速度的设定与反馈；

g.舵轮限位的控制和检测；

h.车辆脱线的判定与监控。

信号的来源和指向如图13所示。

图13 PLC与单片机信号交互

4.3.3 报警系统

由于控制系统是一个复杂的动作判断和信号交互系统，存在的不稳定因素较多，所以在建立完善的故障策略和报警指示策略，能快速的帮助处理异常情况的发生。本文中，故障类型有如下8个方面。

a.调度系统的通讯故障；

b.车身本体故障；

c.车辆脱线故障；

d.电池电量预警；

e.安全系统故障；

f.E-Frame故障；

g.超时连接故障；

h.故障信息的通报警灯。

以上故障在人机控制界面及调度系统均能实时显示反馈。

4.3.4 日志系统

系统日志是记录系统中硬件程序、软件控制以及系统问题的信息，同时还可以监视控制系统中发生的事件。用户可以通过它来检查错误运行发生原因，或者寻找受到异常触发时留下的痕迹。

系统日志包括如下内容。a.系统日志；

b.应用程序日志；

c.安全日志。

日志系统记录了双核之间关键通讯信息、与调度系统通讯信息、同时记录了报警信息、安全系统日志、运行状态日志，E-Frame等关键设备的日志信息。

5 AGV验收标准

应用该控制系的磁导型AGV在交付使用时，需要对其功能进行验证，具体验收项目见表3。

表3 AGV验收检验标准

6 结束语

因磁导型AGV在汽车制造领域大量应用，本设计中的磁导型AGV控制系统通过不同功能模块间的组合并相互通信，使AGV在应用时更加灵活可靠，后续拓展性更强，相对比传统磁导型AGV柔性更加出色，并且本文中设计的采用单片机与PLC结合的双控控制方式用来控制AGV及E-Frame系统的舵轮行走和转向、磁条导引、安全策略等各项功能使得各功能模块配合更加协调、反应更加迅速。同时在开发、拓展领域使得AGV的开发周期更短、各种功能拓展更加灵活，应用匹配度更好，整体资金投入更小，经济性更好。