閆書燕

（謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程系，英國 S102TN）

鐵路機(jī)車是鐵路運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱，按時提供大量工作狀態(tài)良好的機(jī)車是機(jī)務(wù)部門的基本任務(wù)，是維持鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序的基本保障。然而，當(dāng)機(jī)車使用一段時間后，發(fā)生零部件磨損變形或是由于材料性質(zhì)而表現(xiàn)出的金屬疲勞現(xiàn)象，都會成為機(jī)車發(fā)生危險事故的誘因。因此在鐵路機(jī)車定期檢修制度中，以機(jī)車安全預(yù)防為目的的定期檢查和專業(yè)化、集中化維修是十分必要的[1]。但是，在鐵路機(jī)車常規(guī)檢修過程中，經(jīng)常帶來很多問題，諸如投入勞動力多、耗時長和容易發(fā)生人身傷害事故等。自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle,簡稱AGV小車）屬于一種無人駕駛小車，因為其在現(xiàn)代物流搬運(yùn)裝備中具有的高度自動化和智能化等特點(diǎn)，受到交通運(yùn)輸業(yè)越來越多的重視[2-3]。鐵路檢修部門應(yīng)用AGV小車作為一種智能搬運(yùn)零配件的自動化運(yùn)輸工具，具有節(jié)能、環(huán)保和柔性運(yùn)輸能特點(diǎn)，能夠提高工作效率、降低工作成本，具有很高的使用價值和市場優(yōu)勢。

1 AGV小車的定義和分類

1.1 AGV小車的定義

AGV小車作為無人自動導(dǎo)引運(yùn)輸車，集合聲、光、電、計算機(jī)技術(shù)于一體，應(yīng)用了自控理論和機(jī)器人技術(shù)，裝配有電磁或光學(xué)等自動性導(dǎo)引裝置，能夠按照使用人員設(shè)定好的導(dǎo)引路徑行駛，具備完成目標(biāo)識別、避讓障礙物和各種移載功能，同時具有自我安全保護(hù)的應(yīng)急能力[4-5]。

AGV小車一般由導(dǎo)向模塊、行走模塊、導(dǎo)向傳感器、微處理器、通訊裝置、移載裝置和蓄電池等構(gòu)成。微處理器是控制核心，把小車各部分有機(jī)聯(lián)系在一起，通過通訊系統(tǒng)接收地面管理站傳來的各種指令，同時不斷地把小車的位置信息、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)傳回地面站，控制整車的運(yùn)行[6]。AGV小車首先要根據(jù)模擬工作地圖進(jìn)行編程，然后按照預(yù)定程序完成行走軌跡，當(dāng)傳感器檢測出的位置信號超出預(yù)定軌跡位置時，數(shù)字編碼器把相應(yīng)的電壓信號送給控制器，由控制器根據(jù)位置偏差信號調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行糾正偏差，從而實(shí)現(xiàn)AGV小車行走系統(tǒng)的實(shí)時控制。

1.2 AGV小車的分類

AGV小車根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)分類，包括輥道移載、推挽移載和叉式移載搬運(yùn)型等[7]。輥道移載搬運(yùn)型AGV，是通過自身輥道與地面站臺輥道對接之后實(shí)現(xiàn)裝卸貨物，AGV可準(zhǔn)確?？吭诘孛嬲九_側(cè)面，AGV和站臺上的輥道對接無誤后，兩者的輸送機(jī)同時驅(qū)動，同步傳動完成物料移載。輥筒輸送機(jī)的驅(qū)動方式是通過在AGV上安裝輥筒輸送機(jī)和摩擦輥筒，在地面上設(shè)置無動力輥筒輸送機(jī)。此類AGV小車可左、右雙向裝卸托盤貨物，作業(yè)效率高、安全性好，缺點(diǎn)是站臺需要有連鎖信號和動力傳動，常用于可滾動式托盤或大型木箱、板材、集裝箱等重載物料的移載搬運(yùn)；推挽移載搬運(yùn)型AGV是通過自身推挽機(jī)構(gòu)的伸縮推拉，實(shí)現(xiàn)貨臺貨物的裝運(yùn)卸過程。AGV作業(yè)時?？吭谪浥_一側(cè)，通過推挽機(jī)構(gòu)側(cè)向移動臂的推拉完成裝卸貨物，地面貨臺不需要動力傳動，特別適合于同高度站臺之間的搬運(yùn)場合。由于作業(yè)點(diǎn)定位精度要求高，故此類AGV小車常用于平面托盤和規(guī)則物料的搬運(yùn)；叉式移載搬運(yùn)型AGV，通過倒車完成移載，托盤存放時必須與地面有一定高度，以保證貨叉和下方的兩個支腿同時進(jìn)入實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)任務(wù)，此類AGV可承擔(dān)空托盤、帶載托盤、紙卷等升降搬運(yùn)工作，能適應(yīng)從地面到不同高度范圍貨架的運(yùn)輸作業(yè)場合[8-9]。

1.3 AGV小車的激光導(dǎo)航技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)是衡量AGV小車技術(shù)水平的重要標(biāo)志。傳統(tǒng)導(dǎo)航方式以電磁導(dǎo)航和磁帶導(dǎo)航為主，適用于簡單的工作環(huán)境，使用物理路徑，無需地圖創(chuàng)建和目標(biāo)識別技術(shù)。當(dāng)前，隨著激光傳感器、圖像傳感器開始應(yīng)用到AGV小車中，激光雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)得到成功推廣[10]。激光導(dǎo)航與傳統(tǒng)導(dǎo)航方式相比較，具有定位精度高、路徑柔度高，無需對地面進(jìn)行改造等諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，不需要創(chuàng)建物理路徑，AGV小車通過激光雷達(dá)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過處理后與預(yù)先創(chuàng)建好的環(huán)境地圖進(jìn)行比對獲得位置信息，即作為定位信息。其次，激光導(dǎo)航使用的工作地圖具有明顯測度信息，其精確度會影響AGV小車的自身定位精確度，AGV小車可通過激光自動地創(chuàng)建精確地圖，與人力繪制地圖信息相比，節(jié)省了大量人力和時間。最后，激光導(dǎo)航可以通過環(huán)境感知技術(shù)，從大量環(huán)境數(shù)據(jù)中，提取和構(gòu)建更高層次環(huán)境信息，作為地圖創(chuàng)建與目標(biāo)定位的基礎(chǔ)，提升AGV小車的智能性。

2 AGV小車的設(shè)計

2.1 AGV小車控制系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合以上技術(shù)和功能特點(diǎn)，設(shè)計一種單片機(jī)AGV小車用于鐵路機(jī)車維修，按照預(yù)先設(shè)定的地圖路線行駛，能夠完成小車的直行、倒退、轉(zhuǎn)彎和停止等連貫動作，同時具備目標(biāo)識別、故障暫停等功能，AGV小車控制系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。

圖1 AGV小車控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)作為核心控制器，數(shù)字編碼器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)過脈沖鑒向電路，向電機(jī)傳發(fā)方向信號；來自鑒向電路的正反方向脈沖信號進(jìn)入到兩塊8253計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)，以獲得電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和位移；經(jīng)過AT89C51單片機(jī)控制程序的運(yùn)算比較后，輸出的控制量經(jīng)過兩塊DAC1208數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成模擬量，輸出到兩塊UC3637直流電動機(jī)脈寬調(diào)制器，通過H橋開關(guān)放大器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或者位移給定值，從而控制電機(jī)A和B的運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動AGV小車完成動作任務(wù)。

2.2 AGV小車的機(jī)械設(shè)計

AGV小車主要由機(jī)械和電氣兩部分組成。如圖2和圖3所示，機(jī)械部分包括車架、車輪、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、固定板、電機(jī)、驅(qū)動器、驅(qū)動輪裝置、從動輪裝置、蓄電池、運(yùn)動控制器和電源保險杠和充電連接器等。

圖2 AGV小車總體模型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在小車主體的下方，用于驅(qū)動AGV小車運(yùn)行，包括分別設(shè)置在左側(cè)和右側(cè)的固定板、左執(zhí)行機(jī)構(gòu)和右執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括車輪、馬達(dá)、驅(qū)動器和旋轉(zhuǎn)編碼器，車輪主軸與馬達(dá)主軸連接，左執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的車輪和右執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的車輪產(chǎn)生速度差，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎；馬達(dá)與驅(qū)動器電連接，驅(qū)動器與下位機(jī)系統(tǒng)電連接，驅(qū)動器用于控制馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)編碼器的輸入軸與馬達(dá)的主軸連接，并且與下位機(jī)系統(tǒng)連接，向下位機(jī)反饋馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)[11]。

圖3 AGV小車驅(qū)動系統(tǒng)

2.3 AGV小車的電氣設(shè)計

AGV小車的電氣部分包括激光掃描儀、角度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出裝置、觸摸屏、無線電臺和電源等。AGV小車電氣控制原理，如圖4所示，激光掃描儀與上位機(jī)系統(tǒng)連接，當(dāng)接收反射激光信號后轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給上位機(jī)系統(tǒng)；上位機(jī)系統(tǒng)接收到掃描儀的信號后構(gòu)建工廠模擬地圖，并進(jìn)行軌跡路徑規(guī)劃；上位機(jī)與下位機(jī)電連接，與之發(fā)送控制指令；輸入輸出裝置與下位機(jī)系統(tǒng)連接，輸入裝置用于接收操作人員發(fā)送的控制指令，而輸出裝置顯示AGV小車的工作狀態(tài)信息，輸入裝置包括按鈕、遙控器和觸摸屏，輸出裝置包括聲音輸出設(shè)備和障礙物傳感器，分別與下位機(jī)系統(tǒng)電連接。按鈕用于開閉AGV小車，聲音輸出設(shè)備用于提示運(yùn)行工作狀態(tài)，障礙物傳感器用于AGV小車的避障報警，遙控器與上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)無線連接，用于工人手動遠(yuǎn)距離操控AGV小車。

圖4 AGV小車電氣控制原理圖

3 AGV小車的應(yīng)用

3.1 AGV小車在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用

AGV小車在工業(yè)環(huán)境下的具體操作程序如圖5所示，首先通過遙控器設(shè)定遙控模式，在手動遙控操作下控制AGV小車在既定工作區(qū)域演戲運(yùn)行一次，在此過程中，AGV小車上的激光掃描儀連續(xù)向外界環(huán)境發(fā)出激光，經(jīng)過四周墻體或者區(qū)域內(nèi)障礙物反射回來后轉(zhuǎn)換為電信號，上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)接收到電信號后，計算由發(fā)射激光到接受到反射激光的時間，以及發(fā)送激光的角度信息，由此推算出物體距AGV小車的距離和角度位置信息；當(dāng)AGV小車初次運(yùn)行完工作車間的全部區(qū)域后，上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)上述信息建立繪制工作場地的初始地圖，隨后操作人員可對原始地圖進(jìn)行設(shè)定，得到安全運(yùn)行地圖，如圖6所示。

圖5 AGV小車行動操作流程圖

AGV小車在安全運(yùn)行地圖中設(shè)定為自主運(yùn)行模式，當(dāng)操作工人在車間通過電腦發(fā)送料單到配料車間，配料車間控制平臺得到指令后，下發(fā)指令給配料機(jī)，配料機(jī)開始配料，同時AGV管理系統(tǒng)根據(jù)配料單指派AGV小車到配料位接料；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)后，上位機(jī)根據(jù)地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃得到最佳路徑，并發(fā)送控制指令至AGV小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制AGV小車的運(yùn)行送料。在此期間，旋轉(zhuǎn)編碼器將通過下位機(jī)向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋控制，進(jìn)一步調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)中車輪的轉(zhuǎn)速，直至到達(dá)設(shè)定的目的地[12-13]。

圖6 AGV小車模擬行動地圖

3.2 應(yīng)用特點(diǎn)

經(jīng)過對AGV小車現(xiàn)場工作情況的跟蹤與測驗，總結(jié)了設(shè)計經(jīng)驗和問題，為后續(xù)改進(jìn)AGV小車提供依據(jù)。

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）設(shè)計的靈活性。通過修改AGV小車導(dǎo)向程序，就可以改變、修正或擴(kuò)充小車的移動路線。如果改變固定的傳送帶運(yùn)輸線或有軌小車的軌道，相比之下改造的工作量要大很多。

2）能實(shí)時監(jiān)控及控制。由于控制平臺能夠?qū)GV進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視，如果工廠車間要求改變進(jìn)度表或作業(yè)計劃，則可以重新計算小車路線。此外，還可以添加緊急服務(wù)，向計算機(jī)報告負(fù)載失效、零件錯放等事故。如果采用無線電控制，可以實(shí)現(xiàn)AGV和計算機(jī)之間的雙向通訊。

3）更加安全可靠。AGV具有智能控制單元，同工作區(qū)域的控制器通訊，采取了多級保護(hù)措施，具體分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。當(dāng)發(fā)生運(yùn)動異常、位置丟失、偏離導(dǎo)航線路通訊故障等問題時，軟件保護(hù)系統(tǒng)啟動自我解決模式；硬件保護(hù)設(shè)置有狀態(tài)提示、故障提示、運(yùn)行提示等，例如設(shè)置有非接觸式激光防碰感應(yīng)器，在車身四周安裝有保險杠，并且設(shè)有應(yīng)急停開關(guān)，可以防止小車相互碰撞；AGV安裝定位精度傳感器，可保證定位精度達(dá)到±300 mm，在良好環(huán)境下最高可達(dá)到±30 mm，從而避免了發(fā)生碰撞和工件卡死等現(xiàn)象[8]。

3.2.2 存在的問題及改進(jìn)措施

1）必須有定位參照物。AVG小車在長距離、大面積場景或者無參考物環(huán)境下會定位失效；在室外運(yùn)行且有強(qiáng)風(fēng)情況下，工作路徑旁花草或其他雜物的隨風(fēng)運(yùn)動會導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確而迷路。需要加強(qiáng)激光定位準(zhǔn)確度，引進(jìn)遠(yuǎn)距離（80 m以上）激光掃描測距系統(tǒng)[6]。

2）高溫環(huán)境下易失控。AGV小車中電子元器件的工作溫度為-10℃～50℃，相對濕度≤80%；在夏天的高溫環(huán)境下，室外地表溫度達(dá)到60℃，高溫導(dǎo)致部分電子元件失靈，使AGV小車發(fā)生急停、啟動按鈕失控等現(xiàn)象[8]。建議更換耐高溫元器件，或者加裝散熱裝置。

3）惡劣路況下會自行停機(jī)。AGV小車未對過軌道功能做專門設(shè)計，而實(shí)際工作情況下，由于為方便鐵路機(jī)車運(yùn)輸便利，工作車間的運(yùn)行路線分布有20余處橫跨路面的機(jī)車軌道（軌道槽寬90 mm、槽深70 mm），當(dāng)AGV小車經(jīng)過軌道時，伴隨顛簸、卡車輪等現(xiàn)象及由此帶來的瞬間過電流會熔斷電源保險絲?？梢蕴鎿Q橡膠輪或履帶式車輪，或者重新設(shè)計和裝配大直徑車輪。

4 結(jié)論

本文以無人駕駛自主移動導(dǎo)引車（AGV）為研究對象，在調(diào)查和分析了鐵路機(jī)車維修用AGV小車原理和類型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單片機(jī)控制AGV小車，包括車體機(jī)械部分和電氣部分的設(shè)計，并且應(yīng)用到實(shí)踐環(huán)境中，能夠按照預(yù)先設(shè)定的地圖路線，完成小車的直行、倒退、轉(zhuǎn)彎和停止等連貫行駛動作，同時具備目標(biāo)識別和故障暫停等功能。AGV小車作為生產(chǎn)輔助的搬運(yùn)工具，集合了聲、光、電和計算機(jī)技術(shù)于一體，應(yīng)用了自控理論和機(jī)器人技術(shù)，相比傳統(tǒng)鐵路導(dǎo)引車，AGV小車，極大程度降低了車間工人的勞動強(qiáng)度和安全事故發(fā)生率，提高了鐵路機(jī)車維修的自動化水平和工作效率，在物流運(yùn)輸行業(yè)具備較大開發(fā)潛力和市場前景。