【干货】从头捋一遍AGV的关键技术与细节

导语

大家好，我是智能仓储物流技术研习社的社长，老K。在现代化工业的发展中，提倡高效，快速，可靠，提倡将人从简单的工作中解放出来。机器人逐渐替代了人出现在各个工作岗位上。机器人具有可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，自动导向小车（Automated Guided Vehicle 简称AGV）便是移动机器人的一种，是现代化工业物流系统中的重要设备，主要为储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。

AGV小车有三个关键系统，运行系统、导引系统、控制系统，其它还包括有路线系统及安全保护系统等。

本文着重介绍AGV小车的三个关键系统。

01 AGV小车运行系统

AGV小车运行系统是由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。AGV小车常设计成三种运动方式：只能向前；能向前与向后；能纵向、横向、斜向及回转全方位运动。

本次研究的AGV小车是能够前进、后退及回转全方位运动。AGV小车能够进行回转运动需要有转向装置。转向装置的结构也有三种：

前轮转向后轮驱动三轮车型：

车的转向和驱动分别由两个不同的电动机带动，车体的前部为转向车轮，车体后部为驱动电机驱动的两个轮。其结构简单、成本低，但定位精度较低。

差速转向式四轮车型：

车体的中部有两个驱动轮，由两个电机分别驱动。前后部各有一个转向轮(自由轮)。通过控制中部两个轮的速度比可实现车体的转向，并实现前后双向行驶和转向。这种方式结构简单，定位精度较高。

全轮转向式四轮车型：

车体的前后部各有两个驱动和转向一体化车轮，每个车轮分别由各自的电动机驱动，可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向任意路线行走，控制较复杂。

从成本及系统应用考虑，本文着重介绍差速转向式四轮车型。两驱动车轮由两伺服驱动器控制，伺服驱动器通过改变两车轮的速度大小、方向，实现AGV小车的前进、后退、加减速及转向动作。

AGV小车通过伺服控制，很容易实现前进、后退及加减速，但如何通过改变两驱动轮的速度差，实现AGV小车的转向及纠偏？下面，我们首先了解一下差速转向式四轮车的运动模型。

AGV小车运动状态及偏差示意图

图中虚线表示的车体为初始位姿，实线表示的车体是在和初始时差为Δt时的位姿。AGV车子的左轮运行速度为Vr、右轮为Vl，AGV小车沿着A点作圆弧运动，转弯半径为d。可以得：

①

AGV小车运动偏移弧度为Δθ，容易得：

②

由式可得AGV小车运动偏移弧度Δθ与左右轮的速度关系式：

③

AGV小车在做圆弧运动时，在X轴上的变化量是ΔX，在Y轴上的变化量是ΔY，ΔX、ΔY与转弯半径d的关系为：

④

⑤

将①式代入④⑤式，可以得出ΔX、ΔY与左右轮运行速度的关系式：

⑥

⑦

所以，通过改变Vr及Vl可以实现AGV小车纠偏，转向等运动控制。

驱动轮的变速控制，有多种方法可选择，包括变频器控制、步进控制、伺服控制等。其中变频器控制及伺服控制除了有高精度的速度控制外，还能提供灵活的转矩控制。

在AGV小车的运动模型中，其有干摩擦力矩、惯性转矩、粘性摩擦力矩、重力力矩、弹性力矩等。所以AGV小车在运行过程中，驱动器需要提供不同的力矩，AGV小车才能运行得更稳定。

而伺服控制比变频器拥有更高的速度控制精度、更小的安装位置、更高的IP防护等级以及更好的停车制动功能。所以，伺服控制器作为AGV小车的运动控制系统使用是更为适合。

02 AGV小车导引系统

AGV小车能自动运行，需要有导引装置。常用的导引方式分为两大类：车外预定路径和非预定路径方式。下面对两种方式分别作介绍。

1）车外预定路径导引方式

是指在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息而得到导向的导引方式，如电磁导引、色带导引、磁带导引(又称磁性导引)等。

色带导引示意图

上图为光学导引示意图，这种导引方式是在地面上连续敷设一条带颜色的带子，在车辆的底部中央安装光源以及在两边安装相同的色标传感器（如欧姆龙产品E3X-DA□AN-S），它们同时检测色带反射回来的色度值，并将色度值转换成模拟量传送给AGV小车的中央控制系统–PLC。

当AGV小车运行在正确的运行轨道上时，两放大器反馈给PLC模拟量的值相同，当AGV小车偏离轨道时，两放大器反馈给PLC的值便有差别，PLC根据两模拟量的差值便能判断出AGV小车偏离运行轨道的程度及方向，并通过控制运动控制器使AGV小车往正确的轨道运行。

色带导引灵活性较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求高，导引可靠性较差，精度较低。

在预定路径导引方式中，还有电磁导引等。电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设磁条，并在磁条上加载导引频率。磁导航传感器通过检测磁条上的磁场，便能判断出AGV小车的运行是否偏离轨道。

磁导航传感器工作原理图

上图为磁导航传感器的工作原理图，磁导航传感器可安装在AGV小车的底部中央，距离磁条表面20-40mm，磁条宽度为30-50mm，厚度1mm。磁导航传感器内部每隔10mm排布一个采样点，共排布16个采样点，能够检测出磁条上方的磁场，每一个采样点都有一路对应输出。

AGV运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续3-5个采样点会输出信号（如图中磁导航传感器上黄色条为检测到磁场信号的采样点，蓝色条为未能检测出磁场的采样点）。AGV小车的控制系统便能依靠16路通道中输出的3-5路信号，可以判断磁条相对于磁导航传感器的偏离位置，自动作出调整，确保沿磁条前行。

拥有了运行路径后，还需要在每个工位及节点设置位置标签，使AGV小车在运行到特定位置时，能做出加速、减速、停车、拐弯等动作。如在每个工位敷设不同颜色的色条，当色标传感器检测出到颜色信号时，小车控制系统便能掌握小车运行的位置。色条作为位置标签，使用简单、方便，但对外部环境要求较高，容易产生误检测，可靠性差。

AGV小车系统还可以使用RFID标签作为位置标签。RFID标签能存储大量的位置信息，并能多次读写，RFID标签的体积较小安装方便，抗干扰能力强。RFID读写器安装在AGV小车前方底部，对标签信息进行读取，并通过控制系统控制小车的下一步动作。

比如欧姆龙公司拥有成熟的RFID系列产品。RFID主推产品有V680系列，包括有读写器V680-CA5D01-V2，能读写ID标签，可通过RS232/485接口与PLC通讯；天线V680-HS63，天线的读写距离为7.0~30.0mm，ID标签V680-D2KF67M，使用FRAM用来作为存储器，不需要电池，外壳材质为填充树脂，形状为40×40×4.5mm。下图为AGV小车RFID系统工作原理图。

AGV小车RFID系统工作原理图

电磁导引引线隐蔽，不易污染和破损，便于控制，对声光无干扰，制造成本低。但所有车外预定路径导引方式都存在共同缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。与车外预定路径导引相反，非预定路径导引方式没有固定路径，其自主性更高。

2）非预定路径导引方式

AGV小车在运行中没有固定的路径，其通过激光、视觉、GPS等方式，掌握运行中所处的位置，并自主地决定行驶路径的导引方式。其中，较常用的是激光导引方式。

激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。

激光扫描器工作示意图

非预定路径导引方式优点是：AGV定位精确，地面无需其他定位设施，行驶路径灵活多变，适合多种现场环境。但它有一个很大的缺点是制造成本高，所以在本文不作重点讨论。

03 AGV小车控制系统

AGV小车系统除了上文提及的运行系统及导引系统外，还需要有中央控制系统，它能采集导引系统返回的位置信息，通过运算转换，反作用于运行系统，使AGV小车能做出需要的动作。

PLC便可以作为AGV小车的中央控制器，它可以接收导引系统返回的模拟信号或开关量信号；它可以安装RS232、RS422/485接插件，通过串行通讯方式与RFID控制器通讯，采集ID标签的位置信息；它能输出控制伺服运行的脉冲信号或模拟量信号；PLC编程命令较简单，程序修改方便，而且还自带有AGV小车运行中需用到的PID等高级命令。