AGV搬运机器人设计方案
AGV即自动导向小车（Automated Guided Vehicle）被作为搬运机器人广泛使用，应用于自动化仓储系统、柔性搬运系统和柔性装配系统等物流系统。AGV 是以蓄电池作为电源，用某种导航方式控制其运行路线的自动化智能搬运设备。
AGV 具有良好的柔性和较高的可靠性，能够减少工厂对劳动力的需求，提高产品设备在运输中的安全性且安装容易，维护方便。在AGV 的应用环境中，往往由多台AGV 组成自动导向小车系统，该系统是由AGV、导引系统、管理系统、通信系统、停靠工位以及充电工位等组成的自动化AGVs 系统。AGVs 的上位机管理系统通过通信系统与系统内的AGV 通信，优化AGV 的作业过程、控制AGV 的运行路线、制定AGV 的搬运计划和监控AGV 的运行状态。AGVs 易于和其他自动化系统集成，容易扩展。
1、AGV导引方式
1）视觉导航
视觉导引是在AGV 的运行路径上设置导向标线，通过装在AGV 上的摄像机系统动态地获取导向标线图像，计算AGV 相对于标线的距离和角度偏差，从而控制AGV 沿着标线运行的导引方式。该种导引方式精度较高，路径变更容易，但对地面洁净度有一定要求，同时成本相对较高。
2）磁导航
磁导航被认为是一项非常有应用前景的技术，主要通过测量路径上的磁场信号来获取车辆自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差，从而实现车辆的控制及导航。磁导航具有很高的测量精度及良好的重复性，磁导航不易受光线变化等的影响，在运行过程中，磁传感系统具有很高的可靠性和鲁棒性。磁条一旦铺设好后，维护费用非常低，使用寿命长，且增设、变更路径较容易。
2、AGV组成单元
磁导航AGV 系统的技术构成如图1所示。主要包括导向单元、驱动单元、车体、移载单元、供电单元、安全辅助单元，站点识别单元，通讯单元和主控单元。其中导向单元、驱动单元和主控单元是AGV 技术的核心技术。
图1 磁导航AGV 系统技术构成图
1）导向单元
导向单元采用磁导航传感器，安装在AGV 车体前方的底部，磁导航传感器利用其内置的6个采样点，能够检测出磁条上方一定程度的微弱磁场，每一个采样点都有一路信号对应输出，当采样点采集到磁场信号时，该路信号就会输出低电平，而没有采集到磁场信号的信号输出则为高电平。AGV 运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续1~3 个采样点会输出信号，依靠输出的这几路信号，可以判断磁条相对于磁导航传感器的偏离位置，当AGV 的行驶与导引轨迹一致时，由于此时磁导航传感器正好处于磁条轨迹的上方，传感器正中间的检测元件测得的磁感应强度最大，因而中间的霍尔开关传感器输出低电平信号，控制器I/O 口采集到这几路信号，比较发现当前AGV 处于路径中间，控制器将不对该输出信号进行处理，AGV 保持原行驶轨迹；当AGV偏离磁条轨迹时，由于检测到最大磁感应强度的霍尔开关传感器不再处于磁导航传感器的中间，传感器将该低电平信号输出至控制器，控制器I/O 口采集到这几路低电平信号，比较发现当前AGV 位置与路径位置有所偏差，据此AGV 控制系统自动做出调整，控制电机驱动器，使电机差速纠偏，确保AGV 沿磁条前进。磁导航原理图如下图2所示。
图2 磁导航传感器原理
2）驱动单元
AGV 驱动单元的性能直接决定了AGV 的车体运动性能。驱动单元主要包括驱动电机、电机驱动器、差速控制系统和减速刹车系统。电机驱动器由主控单元控制，接收主控单元发出的控制信号，继而控制驱动电机做出相应的加减速以及刹车等动作，驱动电机的性能参数直接决定了AGV 的动力性能。差速控制系统好坏能够影响AGV 行走特别是转向时的平稳度与运行精度。
3）车体单元
采用后轮作为驱动轮，分别由两个电机驱动；前、后轮作为万向轮，只起支撑作用，随本体而动。该结构转向依靠后两个驱动轮差速完成，转弯中心位于两驱动轮之间，能实现零转弯半径转弯，转弯控制精度高。该机构结构简单，便于控制，是目前应用最多的一种轮式移动机构。在前后设计安装两自由轮保持整车平衡，同时也提高AGV整体载荷能力。AGV轮式移动结构如下图3所示。
图3 轮式移动驱动结构
AGV车架主要功能是进行货物承载，安放各种AGV部件，如驱动电机，系统电路、供电电池以及检测用的传感器等。因此车架应该包含可以放置控制电路的空间、用户操作界面和运载货物的平台。
4）供电单元
供电单元用以给主控单元、导向单元、驱动单元、移载机构等设备提供电能，是AGV一切设备正常运行的保证，一般包括蓄电池、电压隔离模块、电压采集系统。蓄电池为一般的工业蓄电池或者汽车蓄电池，一般要求能够保证8 小时连续工作时间。
电压采集模块通过A/D 转换，实时采集当前AGV 电源电量，并将电压值反馈至控制器，由控制器来监控当前电压。当控制器发现当前电源电压值即将低于正常工作电压时，将该信息反馈给地面控制中心上位机，同时AGV 报警显示电量不足，并在完成当前任务后自行回到充电站充电，当AGV 充电完成后，解除报警信号并通知上位机，回到正常运行路径并接受来自上位机的任务指令。
5）移载单元
移载装置是为了满足各种生产线上物件的分流、合流、移送、转向和搬运功能的一种装置。而在物流生产线中实现AGV 与移载机构的结合能够达到物流顺畅、路径最优、时间最短、速度最快以及效率最高的目的。
采用叉车式AGV实现移载，货物通过AGV 倒车装卸，能够在高低差很大的站台以及地面间装卸货物，在使用多层货架或者驶入式巷道的仓库中装卸货物具有得天独厚的优势，车身窄，重心低，作业灵活，适用范围广。初步选用侧叉式AGV ，如下图4所示。其安装有两级或者三级传动比例的伸缩叉，工位上设有站台，站台上安装有无动力的台架，当AGV 到达指定工位后停靠在站台一侧，利用升降机构实现伸缩叉与货物的离合，从而实现货物的装卸。侧叉式AGV 安全性好，移载原理比较简单，货物能够通过伸缩叉装卸且能在不同高度站台作业。
图4 叉车式AGV
6）安全辅助单元
安全辅助单元主要包括障碍物接触缓冲器、接近监测装置、警示装置、停车按钮和紧急停车按钮，主要为了避免AGV 之间、AGV 与周围物体以及AGV 与人的碰撞，是确保AGV安全运行的保证系统。
障碍物接触缓冲器是用来防止AGV 前后左右侧障碍物的碰撞，以免对AGV 和障碍物造成不必要的伤害。通常在AGV 的前后左右安装安全挡圈，在安全挡圈上安装各种检测传感器，一旦任意一个传感器触发，AGV 就采取急停动作。
在AGV 车体前设置安全挡板，通过弹簧弹性连接到两个接触开关传感器，弹性连接具有一定的缓冲作用，能够在一定程度下保证车体和障碍物在碰撞中不会受到损伤，正常工作时接触开关传感器电平状态都为高电平，当任意一个接触开关传感器发出低电平信号传递到控制器I/O 口时，控制器就发出急停指令同时发出报警信号并将该信号传递给地面控制系统，只有当障碍物清除后该信号才复位。
接近检测装置一般有红外区域扫描、激光测距扫描和超声探测三种方式，用来检测AGV运行方向是否存在障碍物。采用光电传感器安装在磁导航AGV 车体正前方中部距离地面150mm 处，该传感器拥有两级I/O 输出，二级检测区域分为左中右三个区域，分别能在0~3m 内调节，当该级监测区域内检测出障碍物时，该检测单元对应的输出电路输出低电平信号，AGV 控制器接收到该低电平信号后立即控制驱动电机减速，同时发出警告信号并反馈给地面控制中心，通知前方障碍物离开，直到障碍解除才恢复正常速度行驶；一级临近检测区域较二级监测区域短，但两侧检测范围较二级检测区域大，同样具有左中右三个监测区域，分别能够在0~1m 内调节，当该级监测区域内检测出障碍物时，该路对应的输出电路输出低电平信号，AGV 控制器接收到该低电平信号后立即发出急停指令同时报警并通知地面控制中心，直至障碍物解除。
警示装置包括警示灯和警示蜂鸣器，用以提醒应用现场的人们及时发现正在靠近的AGV 并采取相应的措施。
停车按钮用于AGV 的受控停车，该按钮按下之后AGV 应当安全可靠地停止运行，并且该方式停车能够通过人工操作简单快速地使AGV 恢复运行，该按钮用以保证AGV 周围的临时工作人员的安全，采用停车按钮停车方式可以不切断AGV 的驱动电源。磁导航AGV 在地面控制中心、AGV 车用遥控器和AGV 车身侧面等三处均设置停车按钮，方便操作人员采取停车措施。
紧急停车按钮用以在紧急情况下中断AGV 的运行，为便于紧急情况下操作，磁导航AGV 在地面控制中心、AGV 车用遥控器和AGV 车身两侧设置红色的急停按钮。当紧急停车按钮按下后，AGV 切断一切设备的动力供给，启动制动器并报警，在排除紧急停车原因之前AGV 维持停止状态。
7）站点识别单元
将射频识别技术作为站点识别技术，事先将唯一的地址ID 存入EPC 卡（电子标签）中，同一应用环境的任意两张EPC 卡中的地址ID 都不相同。AGV 系统工作时，地面控制中心能够通过AGV 的ID 号来实时向某一台AGV 发送电子地图，该电子地图包括需改变运行状态的地址ID 以及在这一地址ID 指定的EPC 卡所在站点需要进行的动作，当指定的磁导航AGV接收这一电子地图后，将这一电子地图存储至控制单元内部存储器中。当磁导航AGV 行驶在路径中，读卡器读到区域中的EPC 卡并将该EPC 卡中的地址ID 发送至控制单元，控制单元比对该地址ID 与电子地图中的地址ID，若该地址ID 不存在当前电子地图中时，磁导航AGV无视该EPC卡所在站点并继续以当前状态行驶；若该地址存在于当前电子地图中时，控制单元读取电子地图中在该地址ID 所应该执行的动作并控制磁导航AGV 执行这一动作。电子地图中的执行动作具体包括AGV 以高速状态行驶、AGV 以中速状态行驶、AGV 以低速状态行驶、AGV 在该站点停靠等待、AGV 在该站点取货、AGV 在该站点卸货、AGV 在分歧路径处左、右转、等。这些动作基本可以覆盖磁导航AGV 在汽车生产线中应用的所有动作，且控制系统和上位机可以随时增、删功能，系统的适应能力比较强。
射频识别技术作为磁导航的站点识别技术的作用还在于当控制单元接收来自读卡器的地址ID 信息，在比对电子地图中的地址ID 的同时，无论该地址ID 是否存在于当前任务电子地图中，都会将该地址ID 发送给地面控制中心，地面控制中心可以根据由磁导航AGV 发送的AGV 的ID 号和地址ID 号，来确定该ID 指向的磁导航AGV 所处的位置，这有助于地面控制中心对磁导航AGV 的监督与控制。
8）无线通信单元
无线通信单元是磁导航AGV 与地面控制中心上位机通信的中介，是AGV 系统正常运行的保证。磁导航AGV 通过无线通信单元接收上位机的指令，这些指令包括上位机手动控制时的AGV 启动指令、AGV 停止指令、AGV 加速指令、AGV 减速指令、AGV 急停指令和全自动运行是的AGV 电子地图指令等，同时，磁导航AGV 通过无线通信单元将AGV 的实时状态包括当前站点、当前动作、运行速度、启停情况和报警信号等反馈给上位机，以便于上位机对当前AGV 系统的监控与调度。
采用ZigBee 模块作为磁导航AGV 的无线通信单元，可使用一款RS232 转ZigBee 无线数据透明传输的通信模块。ZigBee 与蓝牙类似，是一种新兴的短距离无线技术。它基于IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议，具有距离短、复
杂度低、自组织性强、功耗和数据传输速率低以及成本低等优点。主要适合用于远程控制和自动控制领域，应用范围广。模块具有自动组网功能，当所有模块上电后即自动组网，而网络内的模块如掉电，则网络具有自动修复功能，利用该模块用户通过串口即可在任一节点间进行数据传播且数据传输透明，用户在使用时不需要考虑ZigBee 协议，如同使用普通串口线一样即可使用无线模块。
9）主控单元
主控单元是磁导航AGV 的核心，对外，它通过无线通信单元接收地面控制中心的控制与调度，通过遥控器接受工作人员的手动控制，利用磁导航传感器接收判断当前行驶状态，接收射频读卡器传递而来的地址ID 分析判断当前站点信息，通过安全辅助传感器接收判断外界状况等；对内、对外界条件进行综合判断后控制电机驱动器达到对磁导航AGV 的行驶控制，并将AGV 实时状态显示于液晶屏上。主控单元是AGV 系统得以顺利运行的关键。
3、磁导航AGV控制系统
控制系统是磁导航AGV 的核心部分，通过它才能实现磁导航AGV 快速平稳安全运行。磁导航AGV 控制系统的关键技术主要包括控制系统的硬件设计、控制系统软件的设计和控制系统的算法设计。
磁导航AGV 控制系统硬件设计，初步设计磁导航AGV 控制系统硬件的结构框图，如图5所示。
S3C2440
图5 磁导航AGV 控制系统硬件结构框图
主控芯片采用ARM9系列的三星S3C2440（或者选用FPGA）。系统接收来自DC/DC 模块隔离产生的24V 与5V 电压，24V 电源用于外接传感器的供电和继电器的输出，5V 电源用于对控制主板的供电；通过PWM 输出来控制磁导航AGV 的驱动电机；通过UART0 与无线通信模块交换数据来完成与上位机之间的通信；通过UART1 与射频读卡器相连，完成对站点信息的采集；通过I2C 模拟串口来实现液晶显示屏的实时状态显示；采集角度传感器和电压检测单元反馈的模拟信号，并通过A/D 转换为数字信号；通过GPIO 来采集磁导航传感器、避障传感器、安全挡板、遥控器和操作面板所传递的数据。为了减轻主控制器的负担，在移载平台控制单元采用PLC 控制器，主要用于控制电机实现垂直升降机构的升降以及与主控制器之间的通信（待考虑）。