磁條導航全向機器人設計方案

        自動導向小車（Automated Guided Vehicle）-AGV被作為搬運機器人廣泛使用，應用於自動化倉儲系統、柔性搬運系統和柔性裝配系統等物流系統。小車是以蓄電池作為電源，用某種導航方式控制其執行路線的自動化智慧搬運裝置。

       系統主要是由小車、導引系統、管理系統、通訊系統、停靠工位以及充電工位等組成的自動化系統。上位機管理系統通過通訊系統與系統內的小車通訊，優化作業過程、控制小車的執行路線、制定小車的搬運計劃和監控小車的執行狀態。

1、導引方式-----磁導航

        磁導航被認為是一項應用性非常好的技術，主要通過測量路徑上的磁場訊號來獲取車輛自身相對於目標跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實現車輛的控制及導航。磁導航具有很高的測量精度及良好的重複性，磁導航不易受光線變化等的影響，在執行過程中，磁感測系統具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設好後，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑較容易。 


 

2、小車組成單元

       磁導航系統的技術構成如圖1所示。主要包括車體、導向單元、驅動單元、供電單元、安全輔助單元，站點識別單元，通訊單元和主控單元。

                                                                                                                                圖1 磁導航系統技術構成圖
 

（1）導向單元

       導向單元採用磁導航感測器+磁條，安裝在 車體前方或者其他部位的底部，磁導航感測器利用其內建的8個取樣點，能夠檢測出磁條上方一定程度的微弱磁場，每一個取樣點都有一路訊號對應輸出，當取樣點採集到磁場訊號時，該路訊號就會輸出低電平，而沒有采集到磁場訊號的訊號輸出則為高電平。小車執行時，磁導航感測器內部垂直於磁條上方的連續 1~3 個取樣點會輸出訊號，依靠輸出的這幾路訊號，可以判斷磁條相對於磁導航感測器的偏離位置，當小車的行駛與導引軌跡一致時，由於此時磁導航感測器正好處於磁條軌跡的上方，感測器正中間的檢測元件測得的磁感應強度最大，因而中間的霍爾開關感測器輸出低電平訊號，控制器 I/O 口採集到這幾路訊號，比較發現當前小車處於路徑中間，控制器將不對該輸出訊號進行處理，小車保持原行駛軌跡；當小車偏離磁條軌跡時，由於檢測到最大磁感應強度的霍爾開關感測器不再處於磁導航感測器的中間，感測器將該低電平訊號輸出至控制器，控制器 I/O 口採集到這幾路低電平訊號，比較發現當前小車位置與路徑位置有所偏差，據此小車控制系統自動做出調整，控制電機驅動器，使電機差速糾偏，確保小車沿磁條前進。磁導航原理圖如下圖2所示。

圖2 磁導航感測器原理

（2）站點識別單元

射頻識別技術作為站點識別技術（RFID）。

最基本的RFID系統由三部分組成：

 標籤(Tag)：由耦合元件及晶片組成，每個標籤具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標物件； 
 閱讀器(Reader)：讀取(有時還可以寫入)標籤資訊的裝置，可設計為手持式或固定式； 

 天線(Antenna)：在標籤和讀取器間傳遞射頻訊號。

       事先將唯一的地址ID存入電子標籤中，同一應用環境的任意兩張 RFID 卡中的地址 ID 都不相同。小車 系統工作時，地面控制中心能夠通過 小車 的 ID 號來實時向某一臺 小車 傳送電子地圖，該電子地圖包括需改變執行狀態的地址 ID 以及在這一地址 ID 指定的 RFID 卡所在站點需要進行的動作，當指定的磁導航 小車接收這一電子地圖後，將這一電子地圖儲存至控制單元內部儲存器中。當磁導航 小車 行駛在路徑中，讀卡器讀到區域中的 RFID 卡並將該 RFID 卡中的地址 ID 傳送至控制單元，控制單元比對該地址 ID 與電子地圖中的地址 ID，若該地址 ID 不存在當前電子地圖中時，磁導航小車無視該RFID卡所在站點並繼續以當前狀態行駛；若該地址存在於當前電子地圖中時，控制單元讀取電子地圖中在該地址 ID 所應該執行的動作並控制磁導航 小車 執行這一動作。電子地圖中的執行動作具體包括 小車 以高速狀態行駛、小車 以中速狀態行駛、小車 以低速狀態行駛、小車 在該站點停靠等待、小車 在該站點取貨、小車 在該站點卸貨、小車 在分歧路徑處左、右轉、等。這些動作基本可以覆蓋磁導航 小車 在汽車生產線中應用的所有動作，且控制系統和上位機可以隨時增、刪功能，系統的適應能力比較強。

       射頻識別技術作為磁導航的站點識別技術的作用還在於當控制單元接收來自讀卡器的地址 ID 資訊，在比對電子地圖中的地址 ID 的同時，無論該地址 ID 是否存在於當前任務電子地圖中，都會將該地址 ID 傳送給地面控制中心，地面控制中心可以根據由磁導航小車 傳送的 小車 的 ID 號和地址 ID 號，來確定該 ID 指向的磁導航 小車 所處的位置，這有助於地面控制中心對磁導航 小車 的監督與控制。
 

（3）驅動單元

        小車驅動單元的效能直接決定了小車的車體運動效能。驅動單元主要包括驅動電機、電機驅動器、差速控制系統和減速剎車系統。電機驅動器由主控單元控制，接收主控單元發出的控制訊號，繼而控制驅動電機做出相應的加減速以及剎車等動作，驅動電機的效能引數直接決定了小車的動力效能。差速控制系統好壞能夠影響小車行走特別是轉向時的平穩度與執行精度。
 

（4）無線通訊單元

        無線通訊單元是磁導航 小車與地面控制中心上位機通訊的中介，是小車 系統正常執行的保證。磁導航小車通過無線通訊單元接收上位機的指令，這些指令包括上位機手動控制時的小車啟動指令、小車停止指令、小車加速指令、小車 減速指令、小車急停指令和全自動執行等，同時，磁導航小車通過無線通訊單元將小車的實時狀態包括當前站點、當前動作、執行速度、啟停情況和報警訊號等反饋給上位機，以便於上位機對當前小車系統的監控與排程。

        採用ZigBee模組作為磁導航小車的無線通訊單元，可使用一款RS232 轉 ZigBee 無線資料透明傳輸的通訊模組。ZigBee 與藍芽類似，是一種新興的短距離無線技術。它基於 IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網協議，具有距離短、複雜度低、自組織性強、功耗和資料傳輸速率低以及成本低等優點。主要適合用於遠端控制和自動控制領域，應用範圍廣。模組具有自動組網功能，當所有模組上電後即自動組網，而網路內的模組如掉電，則網路具有自動修復功能，利用該模組使用者通過串列埠即可在任一節點間進行資料傳播且資料傳輸透明，使用者在使用時不需要考慮 ZigBee 協議，如同使用普通串列埠線一樣即可使用無線模組。

（5）安全輔助單元

        安全輔助單元主要包括障礙物接觸緩衝器、接近監測裝置、警示裝置、停車按鈕和緊急停車按鈕，主要為了避免小車之間、小 與周圍物體以及小車與人的碰撞，是確保小車安全執行的保證系統。

        障礙物接近檢測裝置一般有紅外區域掃描、鐳射測距掃描和超聲探測三種方式，用來檢測小車執行方向是否存在障礙物。採用光電感測器（紅外、超聲波）安裝在磁導航小車車體四周，該感測器擁有兩級 I/O 輸出，二級檢測區域分為左中右三個區域，一般能在 0~3m 內調節，當該級監測區域內檢測出障礙物時，該檢測單元對應的輸出電路輸出低電平訊號，小車控制器接收到該低電平訊號後立即控制驅動電機減速，同時發出警告訊號並反饋給地面控制中心，通知前方障礙物離開，直到障礙解除才恢復正常速度行駛；一級臨近檢測區域較二級監測區域短，但兩側檢測範圍較二級檢測區域大，同樣具有左中右三個監測區域，分別能夠在 0~1m 內調節，當該級監測區域內檢測出障礙物時，該路對應的輸出電路輸出低電平訊號，小車 控制器接收到該低電平訊號後立即發出急停指令同時報警並通知地面控制中心，直至障礙物解除。

         警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應用現場的人們及時發現正在靠近的小車 並採取相應的措施。

        停車按鈕用於小車的受控停車，該按鈕按下之後小車應當安全可靠地停止執行，並且該方式停車能夠通過人工操作簡單快速地使小車恢復執行，該按鈕用以保證小車周圍的臨時工作人員的安全，採用停車按鈕停車方式可以不切斷小車 的驅動電源。磁導航小車在地面控制中心、小車車用遙控器和小車車身側面等三處均設定停車按鈕，方便操作人員採取停車措施。

        緊急停車按鈕用以在緊急情況下中斷小車的執行，為便於緊急情況下操作，磁導航小 在地面控制中心、小車車用遙控器和小車車身兩側設定紅色的急停按鈕。當緊急停車按鈕按下後，小車切斷一切裝置的動力供給，啟動制動器並報警，在排除緊急停車原因之前小車維持停止狀態。
 

（6）主控單元

        使用ARM為核心的32位微控制器為主控核心。主控單元是磁導航小車的核心，對外，它通過無線通訊單元接收地面控制中心的控制與排程，通過遙控器接受工作人員的手動控制，利用磁導航感測器接收判斷當前行駛狀態，接收射頻讀卡器傳遞而來的地址 ID 分析判斷當前站點資訊，通過安全輔助感測器接收判斷外界狀況等；對內、對外界條件進行綜合判斷後控制電機驅動器達到對磁導航小車的行駛控制，並將小車實時狀態送至上位機。主控單元是小車系統得以順利執行的關鍵。

（7）供電單元

        供電單元用以給主控單元、導向單元、驅動單元、移載機構等裝置提供電能，是 小車一切裝置正常執行的保證，一般包括蓄電池、電壓隔離模組、電壓採集系統。蓄電池為一般的工業蓄電池或者汽車蓄電池，一般要求能夠保證 8 小時連續工作時間。

        電壓採集模組通過 A/D 轉換，實時採集當前 小車 電源電量，並將電壓值反饋至控制器，由控制器來監控當前電壓。當控制器發現當前電源電壓值即將低於正常工作電壓時，將該資訊反饋給地面控制中心上位機，同時 小車 報警顯示電量不足，並在完成當前任務後自行回到充電站充電，當 小車 充電完成後，解除報警訊號並通知上位機，回到正常執行路徑並接受來自上位機的任務指令。
 

3.系統組成及工作流程

3.1主要組成部分：

1）上位機系統

管理、監控小車的執行狀態和相關引數，實時做出排程決策。

2）網路資料傳輸

資料傳輸、共享的硬體保障，根據實際場地環境選擇相應的網路裝置，覆蓋全車間並支援大資料交換；

3）全方位移動小車

基於麥克納姆輪的全方位移動搬運車（AGV），通過無線訊號與系統通訊，接受呼叫命令並反饋位置資訊，自主導航到達指定地點，行進過程中可自主避障，確保安全。

4)路徑識別線

AGV小車的自動導引軌跡，實現AGV小車的自主導航

5）定位地標

AGV小車在岔路選擇、目標點定位的判斷依據；

 3.2系統工作簡易流程大致如下：

（1）上位機系統通過無線區域網和AGV等進行通訊；
（2）生產裝置輸出端傳送輸送請求給上位機系統，上位機經過處理後傳送排程命令給AGV，派遣小車去起點；
（3）自主導航至起點取貨，然後將物料循跡導航至終點各工位。
（4）回到初始位置，自主或人工進行充電，並等待下一條命令，動作依次迴圈。