背叉式AGV控制系统的有关安全部件设计.docx

背叉式AGV控制系统的有关安全部件设计本文对背叉式AGV控制系统有关安全部件设计提出基础的技术指标以及总体的安全逻辑结构方案，同时对程序设计部分、安全完整性验算、安全功能测试提出概述性指导。根据行业权威统计机构报告显示，2019年国内叉车AGV销量达2700台，较之于2018年度增长幅度为80%,市场规模达13亿元。其中，背叉式AGV以载重大、速度快、灵活柔性等特点，占据叉车AGV市场60%以上的产量。随着市场发展，产品迭代更新速度加快，低成本、高效率、安全、可靠等是产品竞争力指标，为确保AGV安全性能在产品迭代更新过程中稳步提高，以标准为基础,数据指标为支撑，进行标准化、模块化的控制系统安全功能设计，能科学、有效地实现这一目标。本文介绍的设计方案主要基于行业公认参考标准EN1525:1998,并结合产品风险评估报告分析结果和实践验证，并取得国际专业机构认证。设计方案技术指标依照标准ENISO13849-1:2015的规定。（注：设计方案针对的是常用类型背叉式AGV最基础的安全功能设计，当涉及举升高度大于1.8m、载重大于5t、载人运行或防爆、防腐蚀等特殊设计要求的产品时，应依据相关标准，采取符合要求的安全功能设计。）一、设计依据AGV控制系统安全功能设计应遵循国家/国际标准，相关标准如表IoE3背叉式AGV的相关标准表INo.标准号标准名称中文名称1ENISO12100:2010Safetyofmachinery-Generalprinciplesfordesign-Riskassessmentandriskreduction机械安全-设计通则-风险评估和风险降低2ENISO13849-1:2018GBZT16855.1-2018Safetyofmachinery-Safety-relatedpartsofcontrolsystems-Part1:Generalprinciplesfordesgin机械安全-控制系统有关安全部件第一部分：设计通则3EN1175-1:1998+Al:2010Safetyofindustrialtrucks-Electricalrequirements-Part1:Generalrequirementsforbatterypoweredtrucks工业车辆安全-电气要求-第一部分：蓄电池车辆一般要求4ISO3691-4侏实行）IndustrialtrucksSafetyrequirementsandverificationPart4：Driverlessindustrialtrucksandtheirsystems工业车辆-安全要求和验证-第4部分：无人驾驶工业车辆及其系统5EN1525:1998Safetyofindustrialtrucks-Driverlesstrucksandtheirsystems工业车辆安全-无人驾驶车辆及其系统二、系统结构本文根据实际案例推荐一套合理、可行的设计方案。背叉式AGV控制系统有关安全部件（SRP/CS）设计方案的关键技术指标：安全类别（Category）与性能等级（P1.）,见表2。£3与控制系统有关安全部件(SRP/CS)的类别(Category)与性能等级(P1.)设计指标SRP/CSCategoryP1.速度控制3d转向控制3d液压(移栽)控制2C充电控制1b警示(声、光)1b紧急停止3d障碍物检测3d侧面防护2C超驰障碍物检测2C从卸货方向停止车辆2C手动/自动模式切换3d其中，速度控制、转向控制、紧急停止、障碍物检测、手动/自动模式切换的安全部件类别均为Category3。根据ENISO13849-1:2015的定义，Category3/4属于冗余的安全逻辑结构，即逻辑结构的部件中的任何一个单一故障都不会导致安全功能的丧失，针对特殊安全要求的控制系统。S3背叉式AGV控制系统安全逻辑结构图输入CategoryVP1.b州第方向检窝开关星度第位开关K)*FAXI转向驱动器I5P1.CMVI液压驱动器IAfI液压捶制阀I值得注意的是，对于SRP/CS的评价Category只是定性的指标，而P1.才是综合衡量的指标，必须定性指标Category与定量指标一每小时危险失效概率(PFHD)相结合才能取得综合、完善的安全性能评价。其中PFHD、P1.之间的关系，见表3。ED性能等级对照表（pl）性能等级（P1.）每小时危险失效概率（PFHD）a10-5<10-4b3×10-6<10-5C10-6-<3×10-6d10-7<10-6e>10-8-<10-7在安全逻辑结构设计、安全器件选型时，相关器件的安全性能参数：P1.、Category>PFHD>危险故障间隔时间（MTTFd）、元器件10%样本发生失效的操作次数（BlOd）等，将对设计方案最终能达到的安全性能（P1.）起到决定性作用。1.安全逻辑结构安全逻辑结构从功能上划分为输入、逻辑、输出三部分；从安全类别与性能等级划分为CategOryI/P1.b、Category2/P1.c>CategOry3/P1.d三部分。设计方案的总体安全逻辑结构，详见图2。Category3安全逻辑结构2 .安全逻辑器件从简化设计复杂性，模块化设计需求出发，在安全逻辑结构中采用安全型可编程逻辑控制器（安全P1.C）作为安全逻辑器件,实现设计指标为Category23P1.cd的相关安全功能，安全P1.C分为逻辑运算模块、IO模块、速度监控、转向监控、通讯模块。设计指标为CategOry1/P1.b的相关安全功能建立在以车载控制器为逻辑控制器件的基础之上。3 .安全输出器件（1）背叉式AGV的停车制动方式为切断动力电源与驱动器KEY信号、释放牵引电机电磁抱闸，因此与紧急制动相关的安全功能，如：速度控制、转向控制、障碍物检测、紧急停止、侧边防护、超驰障碍物检测、从卸货方向停止车辆、手动/自动模式切换的安全输出器件都是同一部件。为达到设计安全性能，与此相关的安全输出器件需设计达到Category3/P1.d的安全性能。动力电源的控制采用冗余的直流/交流接触器（含有辅助NC反馈触点），驱动器带有AIlOK反馈信号，抱闸控制采用安全继电器。（2）背叉式AGV液压控制（Category2P1.c）安全输出部件为液压驱动器、液压控制阀，安全信号由安全P1.C控制，当液压控制系统链路中的故障被检测到时，安全P1.C应切断液压驱动器KEY信号，关闭液压控制阀，同时激活AGV停车制动措施。3 3）AGV的充电控制与声光控制（CategoryI/P1.d）的安全输出器件，如：指示灯、蜂鸣器、充电接触器等，通过车载控制器信号控制。4 .安全输入器件（1）速度控制（Category3/P1.d）：其目的在于确保AGV行驶在安全的速度范围之内，使AGV紧急制动的性能不会受到干扰降低。为达到冗余的逻辑结构，且便于安装，采用内部冗余结构的安全型增量编码器安装于电机轴上采集舵轮速度，并通过安全P1.C的速度监控模块对采集的数据进行监控，监控方式应包含：静止监控、超速监控、速度梯形监控等。（2）转向控制（Category3/P1.d）：其目的在于确保AGV行驶的速度范围与舵轮转向角度相对应。采用内部冗余结构的安全型编码器监控舵轮角度，安装于转向齿轮轴上采集舵轮角度，并通过安全P1.C转向监控模块对采集的数据进行监控，监控方式应包含：静止监控、绝对位置监控、角速度梯形监控等。（3）液压控制（Category2/P1.c）：其目的在于确保AGV货叉举升不超出高度限制的范围，并使货叉高度调节不会造成AGV的稳定性降低。液压控制的安全输入器件采用CANoPen型拉绳编码器、高度限位磁开关，监控货叉高度。（4）紧急停止Category（Category3/P1.d）：其目的是为特殊情况采用手动触发AGV紧急制动的措施，紧急停止的安全输入器件为2NC触点的急停开关，两端分别与安全P1.C的测试信号和数字输入信号相连接，急停开关的安装位置应便于人员在安全的位置触发，当多个急停开关串联时应考虑BlOd值较小可能造成整体安全性能等级的降低。（5）障碍物检测（Category3/P1.d）：其目的是通过非接触式安全部件检测车辆主行驶方向上的障碍物，并通过减速或紧急制动的方式停止车辆的措施，障碍物检测的安全输入器件为安全激光扫描仪。安装位置应尽可能靠近地面（建议扫描仪激光面离地100mm左右），安全激光扫描仪与安全P1.C之间通过安全总线通讯，扫描仪将根据AGV的行驶速度、舵轮角度，动态的切换保护区域的尺寸，保护区域分3类梯次区域，依次为减速、停止、急停区域，区域尺寸应考虑车体宽度、行驶速度、行驶减速度、制动距离、信号延时、逻辑运算延时等因素。（6）侧面防护（Category2/P1.c）：其目的是通过接触式安全部件检测车辆转向路径上的障碍物，并通过紧急制动的方式停止车辆的措施。侧面防护的安全输入器件为安全触边缓冲条与触边检测继电器。安全触边缓冲条安装于车头下方的触边缓冲安装支架上，触边信号通过继电器转换为数字量输出信号并与安全P1.C的I/O模块相连接。安全触边缓冲条的离地高度应不大于35mm,防止人员脚部卷入车底。（7）超驰（OVERRlDE）障碍物检测（CategOry2/P1.c）：其目的在于当AGV处于障碍物检测（包括前、后、两侧的检测部件）触发使车辆紧急制动情况下，提供人员通过手动操作解除AGV的紧急制动状态的特殊功能。超驰障碍物检测的安全输入器件为OVERRlDE功能按钮与INC+INO触点OVERRElDE使能两档钥匙开关，超驰障碍物检测功能在自动模式下无法激活。（8）从卸货方向停止车辆（CategOry2/P1.c）：其目的是通过接触式安全部件检测车辆后退路径上的障碍物，并通过紧急制动的方式停止车辆的措施。从卸货方向停止车辆的安全输入器件为安装于后腿缓冲装置上的接近检测开关。（9）手动/自动模式切换（Category3/P1.d）：其目的是为了覆盖车辆模式切换时可能造成非法启动的安全隐患，使模式切换时车辆紧急制动，需手动重启。手动/自动模式切换的安全输入器件是2NC触点两档钥匙开关，钥匙开关安装于车辆控制面板，开关两端分别与安全P1.C的输入模块测试信号和数字输入信号相连接。（10）充电控制（Category1/P1.b）：其目的是通过电池管理系统（BMS）对电池充电状态进行监控，BMS通过数字量输出信号与安全P1.C的I/O模块相连。（11）重启（ReSet）按钮：在AGV无急停信号输入的条件下，解除车辆急停状态的功能按钮。5 .安全功能程序设计安全P1.C的程序设计按照安全逻辑结构图的逻辑控制，其中：（1）非接触式障碍物检测（安全激光扫描仪）信号采用自动复位方式。（2）紧急停止、接触式障碍物检测（侧面防护、从卸货方向停止车辆）信号、手动/自动模式切换检测信号采用手动复位方式。（3）速度控制、转向控制、液压（移栽）控制、输出部件诊断检测信号触发安全P1.C进入安全模式,切断控制器与驱动器的KEY信号和所有安全输出信号,同时触发黑匣子记录故障原因。（4）超驰障碍物检测功能仅允许在AGV手动模式情况下超驰因接触/非接触式障碍物检测信号触发的车辆停止状态，在超驰状态下AGV的行驶速度被限制在0.15ms°安全功能程序应检查防止程序漏洞，并进行故障模拟测试，避免因程序漏洞导致的输出部件误激活，确保程序设计的安全完整性。三、安全完整性验算安全完整性验算是从理论角度验算设计方案的安全性能是否符合预期的技术指标。验算的基础数据来源于器件供应商提供的安全性能数值，如P1.、CategoryPFHD、MTTFd、BIOd、DCavg等，验算方式依据标准ENISO13849-1:2015的定义。验算过程可以利用SlSTEMA软件完成，能有效减少繁琐的验算过程，并建立项目形式的过程文件，便于查询、修改、完善。四、小结1 .AGV的安全功能设计应在实践经验基础上依照相关标准要求，结合产品风险性分析一安全功能逻辑结构设计一安全完整性计算f安全功能实验测试的标准化流程来完善产品的安全功能细节，从而系统的提升产品本质安全性。2 .最终设计出的样车应通过相对应的产品安全性能实验测试检验，如车辆稳定性测试、碰撞冲击力测试、刹车距离测试、超载测试、抱闸性能测试等，一方面能更加客观了解车辆的性能极限，确定产品可应用环境范围，另一方面也可以更清晰、快速的了解产品的缺陷，为产品改进找到目标和方向。3 .AGV的安全功能设计应随使用环境的变化，动态的做出改变，以尽可能完整的安全措施覆盖产品安全风险。4 .AGV的安全功能应覆盖从生产、调试、装卸、运输、使用、维护直到报废的完整产品生命周期，同时应编制专业、完整的指导文件（用户手册）供相关人员学习、培训。5 .AGV的安全功能设计应符合产品使用单位所在国家、地区的法规、标准要求，技术人员应在充分了解当地法规、标准的基础上开展设计、制造工作。附参考资料：自动导引小车(AGV)系统的设计随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV(AutomaticGuidedVehiCle)即自动导引车作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。1.绪论1. 1概述AGV(AutomaticGuidedVehicle)自动导引车是上世纪50年代发展起来的智能搬运型机器人。AGV是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，它是以电池为动力，装备有电磁或光学等自动导航装置，能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制，完成无人驾驶及作业的设备。自从1913年美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车，1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到九十年代全世界拥有AGV(AUtomatedGUidedVehiCIeS)IO万台以上。近年来，自动化技术呈现加速发展的趋势，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，AGV起了无可替代的重要作用，与传统的传送辑道或传送带相比，AGV输送路线具有施工简单、路径灵活，不占用空间、较好的移动性、柔性等优点。1.1.1 国外研究状况世界上第一台AGV是美国BaSrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车中有一个真空管组成的控制器，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶。60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的AGV技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盆促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron,WognerHJC,ACS,BT.CFC,FATA,Saxby,Denford和Blecbert等'21。70年代中，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台小车，1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。在机械制造行业的应用为:汽车工业(57%),柔性制造系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(4%)o欧洲的AGV技术于80年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的Keebler分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGVJ1981年John公司将AGV连接到AS/RS,以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网于FMS或ClMS),运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高，31。此时美国的AGV生产厂商从23家（1983年）骤增至74家（1985年）。日本的第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂比美国的Webb公司合资开设。到1988年,日本AGV制造厂已达20多家，如大福、Fanuc公司、MUrata（村田）公司等。到1986年，日本己累计安装了2312个AGV系统，拥有5032台AGV。1.1.2 国内发展情况六十年代开始研究；七十年代北京起重运输机械研究所研制的ZDB-I型自动搬运车是最早的实用型AGV；八十年代邮电部设计研究院等单位先后开始对AGV进行研究与实践；九十年代沈阳自动化所为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台AGV自动装配系统，是国内较先进的实用型AGV；九十年代中期，昆船公司在引进国外最先AGV进技术的基础上，先后承担了数十个AGV系统的设计、安装，其水平代表了目前国内的最高水平。九十年代以来，清华大学研制的智能车THMR-V,采用分层递阶的体系结构。1.1.3 AGV系统技术研究方向（1）导引技术：八十、九十年代，正当国内的一些院校厂所致力基于埋线电磁导引技术并刚开始应用，基于CCD的光学磁带识别、周边图像识别导引技术停滞不前之时，美国则以汽车行业为代表，应用推广了基于陀螺导航的定位技术；瑞典的NDC公司则推出了基于激光反射测角定位技术。近年来，出现了激光测角与测距相结合的导引技术，其导引头已经商品化。导引技术的进步，提高了行程路径的柔性化，同时提高了停位精度，由±10毫米，缩小至±5毫米，乃致±3毫米。GPS定位导航技术则在大型（最大可达40t）AGV上得到应用。（2）移载技术：针对不同应用需求，出现了背辐式，背链式，推挽式，牵引式，龙门式，侧叉式、前叉式、后叉式、三向叉式、升降伸缩叉式等。由于移载技术，驱动技术、电池技术的进步，促进了载重/自重比的大幅提高，由1:4提高到1:1.2,即同样载重量，先进车型自重下降为落后车型的1/4。使车辆移动的能耗成倍降低，因而可以少装电池，使AGV的自重、功耗形成良性循环。（3）电池技术：由采用酸性电池，进步到高能酸性电池，近年来，又开始采用高能碱性电池，提高环保性能，大幅提高了充、放电比，由充电时间/放电时间为1:1提高到1:12,大幅缩短了待机充电的时间。（4）智能化：在企业物流自动化技术中，现代AGV技术最具有智能化的特征，车载计算机的硬软件功能日益强大不断升级，使AGV及AGV系统具有从网络、无线或红外接收上位及客户指令，自动导引，自动行驶，优化路线，自动作业，交通管理，车辆调度，安全避碰，自动充电，自动诊断，实现了AGV的智能化，信息化，数字化、网络化、柔性化、敏捷化、节能化、绿色化。现代AGV是24小时不知疲倦的聪明小车（仅在任务间隙时随机进行短时充电），能主动、自序、有节拍按最安全、快捷的路线执行作业。智能化的结果加上动力强劲，行驶速度可达160米/分，反映在选用车辆台数上成倍减少。1. 2AGV系统的构成与AGV的结构1 .2.1AGV系统的构成AGV一般采用轮式驱动，具有电动车的特征。AGV小车能在地面控制系统的统一调度下，自动搬运货物，实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点，能够方便地重组系统，达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统的人工或半人工的物料输送方式，AGV系统大大减轻了劳动强度和危险性，提高了工作效率，在机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业都可以发挥作用。国外的AGV系统设计，应用水平都比较高，应用范围也很广泛。国内的应用相对少一些，但是在各方面的共同努力下，国内的AGV系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。AGV系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、AGV和地面移载设备组成，如图1-1所示。图I-IAGV系统示意图其中主控计算机负责AGV系统与外部系统的联系与管理，它根据现场的物料需求状况向控制台下达AGV的输送任务。在AGV电池容量降到预定值后，充电系统给AGV自动充电。地面移载设备一般采用滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现场自动移载到AGV上,反之也可以将物料从AGV上移载下来并输送到目的地。AGV充电系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了AGV在自动化物流中的柔性特点。2 .2.2AGV的结构AGV由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统组成。（1）车载控制系统车载控制系统是AGV的核心部分，一般由计算机控制系统、导航系统、通讯系统、操作面板及电机驱动器构成.计算机控制系统可采用P1.C单片机及工控机等。导航系统根据导航方式不同可分为电磁导航、磁条导航、激光导航和惯性导航等不同形式.通过导航系统能使AGV确定其自身位置，并能沿正确的路径行走。通讯系统是AGV和控制台之间交换信息和命令的桥梁，由于无线电通讯具有不受障碍物阻挡的特点，一般在控制台和AGV之间采用无线电通讯，而在AGV和移载设备之间为了定位精确采用光通讯.操作面板的功能主要是在AGV调试时输入指令，并显示有关信息，通过RS232接口和计算机相连接。AGV上的能源为蓄电池，所以AGV的动作执行元件一般采用直流电动机、步进电动机和直流伺服电机等。（2）车体系统它包括底盘、车架、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是AGV的躯体，具有电动车辆的结构特征。（3）行走系统它一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成.形式有三轮、四轮、六轮及多轮等，三轮结构一般采用前轮转向和驱动，四轮或六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式。（4）移载系统它是用来完成作业任务的执行机构，在不同的任务和场地环境下，可以选用不同的移载系统，常用的有滚道式、叉车式、机械手式等。（5）安全与辅助系统为了避免AGV在系统出故障或有人员经过AGV工作路线时出现碰撞,AGV一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。另外，还有自动充电等辅助装置。（6）控制台控制台可以采用普通的IBM-PC机，如条件恶劣时，也可采用工业控制计算机，控制台通过计算机网络接受主控计算机下达的AGV输送任务，通过无线通讯系统实时采集各AGV的状态信息。根据需求情况和当前各AGV运行情况，将调度命令传递给选定的AGVoAGV完成一次运输任务后在待命站等待下次任务。如何高效地、快速地进行多任务和多AGV的调度，以及复杂地形的避碰等一系列问题都需要软件来完成。由于整个系统中各种智能设备都有各自的属性，因此用面向对象设计的C+语言来编程是一个很好的选择。在编程时要注意的是AGV系统的实时性较强,为了加快控制台和AGV之间的无线通讯以及在此基础上的AGV调度，编程中最好采用多线程的模式，使通讯和调度等各功能模块互不影响，加快系统速度。（7）通讯系统通讯系统一方面接受监控系统的命令，及时、准确地传送给其它各相应的子系统，完成监控系统所指定的动作:另一方面又接收各子系统的反馈信息，回送给监控系统，作为监控系统协调、管理、控制的依据。由于AGV位置不固定，且整个系统中设备较多，控制台和AGV间的通讯最适宜用无线通讯的方式。控制台和各AGV就组成了一点对多点的无线局域网，在设计过程中要注意两个问题：无线电的调制问题无线电通讯中，信号调制可以用调幅和调频两种方式。在系统的工作环境中，电磁干扰较严重，调幅方式的信号频率范围大，易受干扰，而调频信号频率范围很窄，很难受干扰，所以应优先考虑调频方式。而且调幅方式的波特率比较低，一般都小于3200Kbits,调频的波特率可以达到9600Kbit/s以上。通讯协议问题在通讯中，通讯的协议是一个重要问题。协议的制定要遵从既简洁又可靠的原则。简洁有效的协议可以减少控制器处理信号的时间，提高系统运行速度。（8）导航系统3 .3AGV导航系统AGV导航系统的功能是保证AGV小车沿正确路径行走，并保证一定行走精度。AGV的制导方式按有无导引路线分为三种:一是有固定路线的方式:二是半固定路线的方式，包括标记跟踪方式和磁力制导方式;三是无路线方式，包括地面帮助制导方式、用地图上的路线指令制导方式和在地图上搜索最短路径制导方式。1.3.1固定路线方式固定路线的导引方式有电磁制导方式、光学控制带制导方式、激光制导方式和超声波制导方式。(1)电磁制导方式该方法需在AGV行走的路线下埋设专用的电缆线，通以低频正弦波电流，从而在电缆周围产生磁场。AGV上的电磁感应传感器检测到磁场强度，在小车沿线路行走时，输出磁场强度差动信号，车上控制器根据该信号进行纠偏控制。该方法可靠性高，经济实用，是目前最为成熟且应用最广的导引方式。它的主要缺点是:AGV路径改变很困难，而且埋线对地面要求较高。(2)光学控制带导引方式利用地面颜色与漆带颜色的反差，漆带在明亮的地面上涂为黑色，或在黑暗的地面上涂为白色。小车上装备有发射和接收功能的红外光源，用以照射漆带。小车上装有光学检测器，均匀分布在漆带及两侧位置上，检测不同的组合信号，以控制小车的方向，使其跟踪路轨。可以采用模糊控制算法对小车进行控制。该方法的缺点是:漆带颜色需保持鲜明，否则光学传感器检测到的信号变弱。因此,则需要经常对漆带颜色进行加深工作。(3)激光制导方式该方法是在AGV行走路径的特定位置处，安装一批激光/红外光束的反射镜。在AGV行驶过程中，车上的激光扫描头不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先垂直安好的反射板时，即“看见”了“路标二只要扫描到三个或三个以上的反射板，即可根据它们的坐标值以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角，计算出AGV当前在全局坐标系中的X,Y坐标和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角，实现准确定位和定向。该导引方法的特点是，当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV导引与定位精度十分高。该方法的缺点是成本昂贵，传感器、反射装置等设备安装复杂，且计算也很复杂。(4)超声波制导方式该方法类似于激光/红外测量方法，不同之处在于不需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案。但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难。1.4研究课题的提出AGV是智能化的移动机器人，是现代工业自动化物流系统的主要设备，也是机器人比赛的主要项目之一，是许多大学、科研机构重点研究的项目之一。本研究课题以2007年机械专业毕业设计要求为蓝本，设计出简单易行的AGV系统。4 AGV的总体设计2. 1总体设计AGV一般由车体、蓄电池、充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、移载装置和车体方位计算子系统等组成。车体由车架和相应的机械电气部件如减速箱、电机、车轮等组成，它是AGV的基础部分。车架要从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊接而成，其外壳为Imm3mm的钢板或铝合金板，车架空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件(如蓄电池)，以利于机械结构设计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、液压系统、电控系统、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。蓄电池供电应达到额定的安培小时值，一般应保证8h以上的工作需要，对二班制工作环境则要求17h以上的供电能力.蓄电池充电可采用随机充电和全周期充电两种方式。随机充电采用可任意充电的汽车免修蓄电池，在AGV的备用停泊站，无时间限制地随时充电。全周期充电则要求AGV退出服务，并进入指定的充电区且当蓄电池电荷降至指定范围时方可充电。此类电池一般执行4h连续充电，2h冷却的规范。也有的AGV采用上述两种充电方式相结合的方式。充电操作有自动、人工和快速更换的可抽拉式三种。驱动装置由车轮、减速器、制动器、电动机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机发出，驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走高速度常达lms,拐弯时为O.2ms-0.6ms,接近停位点时为O.lmsoAGV的方向控制是由导引系统的方向信息通过转向装置来实现的。AGV通常被设计成三种运动方式:(1)只能向前;(2)能向前与向后;(3)能纵向、横向、斜向及回转四个方向的运动。“智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常控制器可完成以下工作:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后循原道返回到导引路径上来。AGV的控制指令一般是由地面控制器(车外)发出，AGV的状态也通过通信系统送回地面控制器。通信系统有两种:连续方式和分散方式。连续通信系统允许AGV在任何时候和相对地面控制器的任何位置使用射频方法或使用在导引路径内的通信电缆收发信息。如采用无线电、红外激光的通信方法。分散式系统只是在预定的地点(通信点)如AGV停泊站等，在特定的AGV与地面控制器之间提供通信。一般来说，这种通信是通过感应或光学的方法来实现的。分散通信的一个明显缺点是:如果AGV在两通信点之间发生故障，AGV将无法与地面控制站取得联系。目前大多数AGV系统都是采用分散式通信方式，因为其价格较便宜。AGV的安全系统既要实现对AGV的保护，又要实现对人，或对其它地面设备的保护。其安全保护方法可归纳为两类:接触式和非接触式两种保护系统。对自由路径(无固定导引路径)型的AGV,还要进行车体方位的计算，它由车体方位计算子系统来完成。AGV的方位，即在总体坐标系中的位置与方向，与车体左右轮的运动有一确定的关系，由此可计算出AGV的方位。该子系统的功能是根据采样信息，通过积分运算，实时计算出车体方位x(t),y(t)和(t)0根据需要,将计算的方位信息通过串行通信传送给车上控制器，然后再通过无线电通信传送给地面监控系统，以实现对AGV的监控。地而监控系统也可通过这一通信信路,对车体方位计算子系统进行操作，如初始化、重置车体方位以消除累积误差等。完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，即通过对驱动车轮的电动机转动角度的周期性采样来获取。AGV的导引方式可分为两大类:(1)车外固定路径导引方式，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来得到导引，如电磁导引、光学导引、磁带导弓1(又称磁性导引)等。(2)自由路径(无固定路径)导引方式，AGV上储存着系统布局上的尺寸坐标,通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径,这类导引方式也称为车上软件一编程路径方式。综合AGV的上述特点，再结合本次设计的具体要求，确定本次AGV的研制原则:即以最简单形式、最少的成本、尽可能可靠的动作完成课题要求。开环控制的优点是信息源少，需要单片机分析的数据比较少，比较适合使用单片机作为控制器，而缺点就是由于信息源单一，对输入信息没有纠错能力，只要信息源出现错误就会出现状态误判。使用开环控制的前提就是要确保信息源的可靠性。据此确定机器人的设计总体思路:通过红外传感器作为导航，单片机为控制器，电机差动式实现转向，根据预设路线，实现AGV导航定位策略的方式及用最简单的设置、最少的器械部件完成比赛的任务。2. 2小车运动分析车轮机构的运动分析是指己知车轮的驱动速度条件下，确定车体的移动速度和旋转角速度。AGV的驱动系统和导向系统是密不可分的，又都跟采用何种类型的小车底盘的结构形式有关。本AGV采用四轮底盘、后两主动轮差速驱动/导向。两主动轮分别由两个直流伺服电动机驱动，通过控制电机电压可以控制车轮的转速。利用两轮的速差可以实现转向。该机构还包括一制动器，当需要紧急停车时，按制动器开关来制动车轮。导向系统采用红外导引技术。2.3传感器的选用2.3.1 红外传感器寻迹原理利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。2.3.2 红外寻迹方案选择方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。该电路采用T性网络,可避免使用太大的反馈电阻,并且便于提高输入阻抗。六组光敏电阻用于检测可见光信号。但光敏电阻检测到黑带时，输出端为低电平，但用光是电路输出端显示为高电平，信号返回给单片机，通过单片机控制前轮的转向。但由于需要正负电源，同时光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用六组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。接收的红外信号转换为电压信号经1.M339进行比较，产生高电平或低电平返回给51单片机。2.3.3 具体设计与实现根据方案经济实惠，易于实现，可靠性好等原则，因此采用方案三。稳定性能得到提升。当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为低电平，反之为高电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。根据传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几亳米到几米。选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。从需要5-10cm垂直探测距离的要求来看，普通的红外反射式传感器又很难胜任。在对6个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的043W封装的反射红外传感器。在使用约40mA的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）探测距离能达8cm,完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了下图的电路形式。2.3.4 超声波传感器避障原理超声波测距是通过不断检测超