关于磁导航叉车式AGV控制导引系统的研究与开发.docx

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Summary：目前，叉车式AGV以其自有的高工作效率和高导引精确度以及低成本等优势，在现代物流仓储运输中有着较高的利用率。本文主要以磁导航叉车式AGV作为重点研究对象，对其控制导引系统中的磁导引工作原理和自动模糊控制特点及其关键模糊程序设计等展开着重分析，以推动现代物料行业的发展提供可靠的参考依据。
Keys：磁导航叉车式AGV；控制导引系统；结构分析；开发研究
前言
随着现代物流行业的飞速发展，自动导引车（AGV）已成为当前仓储运输中不可缺少的重要组成部分。其中，尤以磁导航叉车式AGV的应用范围最为宽泛，因为该自动化搬运设备具有较高的运行效率和导引精度以及可靠性等，可以大幅提升仓储生产运输效率，降低其运营成本。所以，对该设备的控制导引系统的设计与开发进行深入分析，很有必要。

图一为叉车式AGV的总体结构，主要是由货叉、电瓶、驱动器和电机、手动控制柄以及控制柜所构成。其选择的导引方式为磁导引，其主要是利用图二所示的磁敏感器来感应磁条，进而对叉车式AGV的位姿予以准确判断。由于叉车式AGV驱动方式为舵轮驱动，所以在布置磁导航传感器时，就要将其置于AGV尾部车架中间，并观察其是否位于磁条正中央上方，以便使磁传感器两边所受的磁场强度达到均衡，进而判断AGV导引路径是否位于磁条正中央上方。因为磁传感器不在磁条中央上方，其两边受到的磁场强度就会出现不一致的情况，这种情况下也会导致AGV容易偏离导引路径，一旦控制器接收到偏差信号，就会立即发出纠偏指令。要想准确估算距离磁场中心a处的磁场强度，可根据经典物理学，按照公式（1）来进行。在该式中，表示真空中的磁导率、KL表示相关系数[1]。
图一 叉车式AGV总体布局
图二 磁敏感器


磁导航叉车式AGV核心控制算法主要以模糊控制算法为主，因为该算法具有较强的容错能力，可以根据控制环境特征和运动模型进行灵活的变换。同时，该算法设计的控制导引系统具有较强的鲁棒性，可以很好的解决非线性、强耦合时变等控制问题，从而提高叉车式AGV的运行性能，使其能按照规定的导引路径行驶， 并具有编程与停车选择、安全保护以及各种移载功能[2]。


首先，要通过钥匙开关对AGV通电，并选择自动控制模式对AGV解锁，然后接通驱动控制器电源，按下启动按钮。若此时AGV运行方向存有障碍物，磁导航传感器就会立即检测出来，但无法检测到磁条信号，证明AGV不符合启动条件；其次，AGV启动后，应使其保持直线位置，一旦在行驶过程中出现偏离的情况，AGV可通过自身的纠偏程序自动调整姿态，使其可以始终沿着预定轨迹行走；最后，当AGV在启动后检测到前方有障碍物时，会第一时间停车，直至
障碍物移除后才可再次行走。另外，还会根据行驶路线的弯度大小利用转弯程序和自动调节程序灵活调整。若是遇到紧急情况，还要通过急停功能在任意时刻随时停车。在这一环节中，急停方式主要是指直接断开AGV电源或断开AGV内部的启动条件两种方式。

为了充分保证AGV得以安全稳定运行，就要在编写主程序时，对安全保护程序予以科学合理的布置，这样才能确保AGV遇到障碍物或偏离预定轨迹时，可以通过该程序及时将AGV停车。在具体设计时，应在AGV安装2个超声波传感器，这样通过其形成的二维锥形超声波就可以全方位地检测AGV运行轨迹以及行驶方向上的障碍物。其中，在检测AGV运行轨迹时，由于磁传感器将检测不到磁条，所以安全保护程序就会根据这一特点来判断AGV是否驶离预定轨迹，并将这一特征转变成主控制器PLC 接收信号，这样在PLC控制下就可保证AGV的运行安全。

自动纠偏程序是AGV软件系统的核心，在具体设计时，应以模糊算法为基础，利用磁导航传感器和自动控制程序来准确掌握AGV位姿。在具体设计时，应先对磁传感器具有的16点磁信号进行编号分类，从H0到H15分别进行表示，如图三所示，使其形成16个检测点。这样在此基础上各检测点感应到磁条磁场后就会第一时间启动对应的指示灯。为了便于分析，可将各检测点分为直行、左偏、右偏三种独立的磁信号形式。这样自动控制程序根据这些磁信号，就可准确判定AGV位姿，并根据实际情况控制转向电机做出相应的纠偏动作，进而使其能够始终沿着预定轨迹行驶。
图三 磁传感器对应检测点


在对磁导航叉车式AGV的自动导引性能进行测试时，主要是针对AGV在行走过程中的轨迹平均误差和随机偏差纠正能力予以全面检测。具体应结合图四和图五所示的AGV导引路径及流程开展实施。并将水性画笔胶黏在磁传感器中心位置，使画笔笔芯与地面接触，然后再在导引路径上贴长度为20cm、宽度为3cm的磁条，并灵活调整磁条间距，这样才能获得更加精准、可靠的检测数据。根据最终检测结果可以得知，AGV在初启动阶段，存有较小的运行偏差，当从直线路段转至弯路段时，整体运行偏差范围在±6cm之间，满足最大偏差设计范围。同时，AGV在走转弯路段时，行走路径呈S型，且偏离距离在0-60mm之间，所以AGV通过来回走动保证偏差精度及运行安全。此外，叉车式AGV的舵轮驱动方式集行走和转向于一体，当舵轮转向时，AGV车身并未转向，待运行一段路程后，车身才能和舵轮转角处在同一个方向上。
图四 叉车AGV导引路径
图五 叉车AGV导引运行流程

在测试叉车AGV安全防护性能时，主要是针对AGV两层安全防护系统进行检测，如超声波传感器和安全防撞边。其中，前者在AGV启动后会持续发出超声波，以便可以检测到障碍物，并引导AGV立刻停车。而后者则是指超声波检测范围外的障碍物一旦对AGV的正常运行造成影响，就要通过防撞边的缓冲能力
来保护AGV运行安全，使其在与障碍物接触后，会第一时间停止AGV运行。在实际检测时，可选择高度为20cm的木板作为障碍物，并将其放置在距离磁条20m
m的位置上，这样每将木板移动10mm，就要观察检测AGV是否停车以及其具体刹车距离，最终结果如表一所示。从该表可以得知，AGV每次都能够安全停车，并且刹车距离不会随着障碍物与磁条横向距离的变化发生明显改变，只有当运行速度发生变化时，刹车距离才会随之增大或减小。
表一 叉车AGV安全防护性能检测结果
与障碍物距离（mm）
20
30
40
50
运行速度（m/s）




是否安全停车
能
能
能
能
刹车距离（cm）




结束语：
综上所述，对于磁导航叉车式AGV而言，控制导引系统是保证其高效安全稳定运行的关键所在。鉴于此，在该系统研究和开发过程中，就要以磁导引和模糊控制算法为基础，加强对自动模糊控制主程序、安全保护程序以及自动纠偏程序的合理设计，这样才能使AGV的整体运行性能得到相应的提升，进而在运行使用过程中可以安全、快速地完成任务。
Reference
[1][J].西安科技大学,2023,(04):23-24.
[2]覃尚活,林义忠,杨中华,[J].装备制造技术, 2017,(08):46-47.
 
-全文完-