磁条导航全向机器人设计方案

        自动导向小车（Automated Guided Vehicle）-AGV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。小车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。

       系统主要是由小车、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系统。上位机管理系统通过通信系统与系统内的小车通信，优化作业过程、控制小车的运行路线、制定小车的搬运计划和监控小车的运行状态。

1、导引方式-----磁导航

        磁导航被认为是一项应用性非常好的技术，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、小车组成单元

       磁导航系统的技术构成如图1所示。主要包括车体、导向单元、驱动单元、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。

 

                                                                                                                                图1 磁导航系统技术构成图

（1）导向单元

       导向单元采用磁导航传感器+磁条，安装在 车体前方或者其他部位的底部，磁导航传感器利用其内置的8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。小车运行时，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，当小车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，比较发现当前小车处于路径中间，控制器将不对该输出信号进行处理，小车保持原行驶轨迹；当小车偏离磁条轨迹时，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，比较发现当前小车位置与路径位置有所偏差，据此小车控制系统自动做出调整，控制电机驱动器，使电机差速纠偏，确保小车沿磁条前进。磁导航原理图如下图2所示。

 

图2 磁导航传感器原理

（2）站点识别单元

射频识别技术作为站点识别技术（RFID）。

最基本的RFID系统由三部分组成：

 

 标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； 
 阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式； 

 天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。

       事先将唯一的地址ID存入电子标签中，同一应用环境的任意两张 RFID 卡中的地址 ID 都不相同。小车 系统工作时，地面控制中心能够通过 小车 的 ID 号来实时向某一台 小车 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 RFID 卡所在站点需要进行的动作，当指定的磁导航 小车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 小车 行驶在路径中，读卡器读到区域中的 RFID 卡并将该 RFID 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，磁导航小车无视该RFID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 小车 执行这一动作。电子地图中的执行动作具体包括 小车 以高速状态行驶、小车 以中速状态行驶、小车 以低速状态行驶、小车 在该站点停靠等待、小车 在该站点取货、小车 在该站点卸货、小车 在分歧路径处左、右转、等。这些动作基本可以覆盖磁导航 小车 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小车 发送的 小车 的 ID 号和地址 ID 号，来确定该 ID 指向的磁导航 小车 所处的位置，这有助于地面控制中心对磁导航 小车 的监督与控制。

（3）驱动单元

        小车驱动单元的性能直接决定了小车的车体运动性能。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小车的动力性能。差速控制系统好坏能够影响小车行走特别是转向时的平稳度与运行精度。

（4）无线通信单元

        无线通信单元是磁导航 小车与地面控制中心上位机通信的中介，是小车 系统正常运行的保证。磁导航小车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小车启动指令、小车停止指令、小车加速指令、小车 减速指令、小车急停指令和全自动运行等，同时，磁导航小车通过无线通信单元将小车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小车系统的监控与调度。

        采用ZigBee模块作为磁导航小车的无线通信单元，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。

（5）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，主要为了避免小车之间、小 与周围物体以及小车与人的碰撞，是确保小车安全运行的保证系统。

        障碍物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，用来检测小车运行方向是否存在障碍物。采用光电传感器（红外、超声波）安装在磁导航小车车体四周，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，一般能在 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，小车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，小车 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小车 并采取相应的措施。

 

        停车按钮用于小车的受控停车，该按钮按下之后小车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小车恢复运行，该按钮用以保证小车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小车 的驱动电源。磁导航小车在地面控制中心、小车车用遥控器和小车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小车的运行，为便于紧急情况下操作，磁导航小 在地面控制中心、小车车用遥控器和小车车身两侧设置红色的急停按钮。当紧急停车按钮按下后，小车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小车维持停止状态。

（6）主控单元

        使用ARM为核心的32位单片机为主控核心。主控单元是磁导航小车的核心，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小车的行驶控制，并将小车实时状态送至上位机。主控单元是小车系统得以顺利运行的关键。

（7）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 小车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 小车 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 小车 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 小车 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。

3.系统组成及工作流程

3.1主要组成部分：

1）上位机系统

管理、监控小车的运行状态和相关参数，实时做出调度决策。

2）网络数据传输

数据传输、共享的硬件保障，根据实际场地环境选择相应的网络设备，覆盖全车间并支持大数据交换；

3）全方位移动小车

基于麦克纳姆轮的全方位移动搬运车（AGV），通过无线信号与系统通信，接受调用命令并反馈位置信息，自主导航到达指定地点，行进过程中可自主避障，确保安全。

4)路径识别线

AGV小车的自动导引轨迹，实现AGV小车的自主导航

5）定位地标

AGV小车在岔路选择、目标点定位的判断依据；

 3.2系统工作简易流程大致如下：

（1）上位机系统通过无线局域网和AGV等进行通讯；
（2）生产设备输出端发送输送请求给上位机系统，上位机经过处理后发送调度命令给AGV，派遣小车去起点；
（3）自主导航至起点取货，然后将物料循迹导航至终点各工位。
（4）回到初始位置，自主或人工进行充电，并等待下一条命令，动作依次循环。