差速轮自动引导运输车运动底盘设计与控制

　　摘要：随着我国工业生产智能化水平的日益提高以及AGV应用领域不断地扩大和普及，AGV在工业领域中的需求越来越多。本文以发动机生产企业实际需求为引导，介绍了磁导航两轮差速式AGV底盘的设计过程，设计过程以科学计算及行业标准为原则，并加以多年AGV行业设计经验为辅助，此车设计完成后得到了成功的应用。

　　关键词：自动运输车;磁导航;两轮差速;西门子PLC;运动控制

　　1自动运输车简介

　　1.1自动运输车(AGV)简介

　　AGV(AutomaticGuidedVehicle)属于轮式移动机器人，具有多种机器人单元技术，如智能移动机器人涉及到的环境感知、导航与定位，路径规划、运动控制等技术，均在AGV中得到应用，所以也称它为“搬运机器人”“无人智能导航车”。随着AGV智能化水平的日益提高以及AGV应用领域不断地扩大和普及，AGV有广阔的发展前景[1-2]。

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　　1.2自动运输车(AGV)分类及组成AGV按其导引方式的不同可分为两大类：固定路径导引方式和自由路径(无固定路径)导引方式。固定路径导引方式是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而得到导引;自由路径(无固定路径)导引方式是指AGV上储存着布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定路径面的行驶，如行驶路径轨迹推算导向法导引、惯性导航导引、环境映射法导引等。一台自动运输车(AGV)的运动地盘通常包括电池单元，控制单元，导航单元，安全保障单元，动力单元等部分组成。

　　2差速轮驱动形式

　　AGV运动底盘机械设计本文以已知预定方案为基础，逐步介绍自动运输车差速轮运动底盘设计的全过程，包括机械设计和电气设计两大主要部分。已知方案需求如下：某汽车发动机装配车间，需求一台转运用AGV，用以搬运发动机半成品至各个工序并进行抽检，入库等操作。要求外形尺寸为L1200*W900*H800mm(以内)，导航形式为差速轮，通讯形式为WIFI，载重≤500kg，爬坡能力<3°，行驶速度≤30m/min，定位精度为10mm，续航能力6-8小时，运行方向为前进、后退、左转、右转。

　　2.1驱动方式的选择

　　2.1.1AGV按转向方式

　　舵机转向式舵机转向式中，一般使用舵机(步进电机)作为转向控制电机，舵机上装有减速机，减速机连接转向铰轴，铰轴另一端连接转向轮，这样即实现了舵机控制转向的目的。有时，可不设置转向轮，而将驱动轮固定在一盘系上，舵机带动盘系转动，也可实现舵机转向。另外一种方式是差速转向式，一般用于需要前后双方向运动的情况中。此时，没有单独舵机或其他形式的电机用于控制方向。两个驱动轮上分别装有一台驱动电机，当两台驱动电机速度相同时，AGV保持直线行驶，当两台电机速度不同时，即存在差速，AGV实现转向。

　　2.1.2AGV轮系种类AGV按轮系分，常分为：三轮式、四轮式、六轮式等。三轮式AGV轮系结构简单，能够满足一般常规性运行。四轮式分析较复杂，主要问题在于轮系于地面接触上，但四轮式承载能力强，运用也较广泛。六轮式与四轮式基本情况类似，也是用于高承载低速度的情况下，其运行较为平稳，分析方法同四轮式相近。

　　2.2底盘形式选择方案分析，根据AGV尺寸和载重要求，主要考虑车体高度和制造成本，本方案计划采用差速轮形式底盘，差速轮为主动力单元，负责为整车提供动力，前后辅助轮作用为提供支撑。具有如下优点：如使底盘沿驱动轮轮轴中线前后对称，运行平稳可靠;差速驱动对实现双向运行较为简便，相比较其它的方法，减少了电机数量，节约了设计和生产的成本;差速驱动的双电机驱动方式，有效提高了电机的使用效率，使电机提供的能量均作为动力，增强了小车的驱动力，适合需要小型重载AGV的场所[3]。

　　2.3电机及减速机选择

　　2.3.1参数计算

　　已知负载重量(m1)500kg，车身重量(m2)500kg，轮径(D)200mm，驱动轮数量(j)2个，最大爬坡角度(α)3°，电机转速(n)3000rmp，减速机减速比(i)50，聚氨酯轮和地面滚动摩擦系数(μ)取值0.04，电机选取安全系数(k)1.3;①计算底盘负载运行时整体重量(m)：m=m1+m2=1000kg;②坡面总的牵引力(f)：坡面总的牵引力为重力在坡度方向的分力(f1)与摩擦力(f2)之和，即f=f1+f2=mg*sinα+μmg*cosα=904N;③每个轮牵引力分力(f轮)：f轮=f/2=452N;④AGV的线速度(v)：v=πDn=37.7m/min;⑤减速机输出端扭矩(M)：M=f轮*(D/2/1000)=45.2N*m;⑥电机输出扭矩(M电)：M电=M/i=0.904N*m;⑦电机额定扭矩参考值(M额)：M额=M电*k=1.176N*m。

　　2.3.2电机及减速机选取

　　目前差速轮式AGV底盘驱动电机通常选取直流无刷电机或直流伺服电机两种，随着国产伺服电机的发展，目前市面上的优质伺服电机价格区间出现了较大的降幅，并且伺服电机具备精度高、转速高、适应性好、稳定性高、及时性好、舒适性好等特点。因此，国产直流供电伺服电机成为了本项目的选择方案。根据厂家提供的电机选型样本，选取电机型号为SMC60S0040-30MAK-3DSU，额定扭矩1.27N·m可以满足2.3.1中的要求。考虑底盘宽度和伺服电机的长度，为节省AGV宽度方向空间，本方案选取L型减速机，减速比选取1:50，根据减速机输出端扭矩计算结果，选取减速机型号为：TAD090L2-50-P2-OP2-14-42-50-70-M5i3，保证减速机输出端扭矩能满足2.3.1中的要求。

　　3AGV底盘运动控制设计

　　3.1电气件选择主要电气件清单。

　　3.2绘制电气原理图及编写控制程序本项目电气图纸绘制软件为EPLANElectricP82.7(X64)，编程软件为TIA_V16。

　　3.3供电单元设计供电电源为48V40AH磷酸铁锂电池。供电电路设计思路为，电池放电端接到48V端子台，从端子台出来三路分回路，分别对应稳压电源供电、左轮伺服驱动供电和右侧伺服驱动供电，每一处回路增加电路安全保护设备，保护设备额定电流值大于回路电流额定值的1.25倍。为电池设计好电量反馈和手动充电回路。其中手动充电回路直接由电池充电端接到充电插座上，充电插座安装到车体上以方便充电。电量反馈端为模拟量通讯直接接到PLC上。

　　3.4控制单元设计

　　S7-1200控制器是西门子近些年新推出产品的核心，SIMATICS7-1200控制器实现了模块化和紧凑型设计，可扩展性强、灵活度高的设计，可实现高标准工业通信的通信接口以及一整套强大的集成技术功能，使该控制器成为完整、全面的自动化解决方案的重要组成部分。通过分析能够胜任本项目的所有需求。

　　3.5传感器接线设计及获取磁条位置

　　磁导航数据获取通讯模块分为两部分，其中SEND_PTP模块负责向磁导航传感器发送获取位置信息请求，数据信息储存在数据块DB2中共8个字节;功能块RCV_PTP用于接收磁导航反馈的位置信息，并将数据信息储存在数据块DB2中，共16个字节。

　　3.6伺服电机输出控制

　　伺服驱动控制可以有多种方案，如RS232或RS485、CAN总线等，本项目选用的控制方案为脉冲控制，脉冲控制有如下优点，可靠性高，信号抗干扰性能好，对于本项目成本低，不用增加额外的控制模块。电机速度控制模块可以通过Velocity参数的赋值数据转换成对应的脉冲数据发送给伺服驱动，进而实现对伺服电机的差速控制。

　　3.7底盘速度控制程序举例

　　控制程序总体思路如下：首先通过磁导航传感器获取AGV相对于磁条的位置，通过位置信息判断AGV是否偏离磁条中心区域，如果偏离需要对AGV的运行状态进行调整，使AGV重新回到磁条中心区域位置运行。通过调整两轮的差速值使车快速回归轨道中心区域，如左轮速度大于右轮，则AGV会向右侧转弯。

　　本文通过建立差速值与速度、偏离量等因素的数学模型实现了对车辆的精确控制。如示例程序，参数介绍，“EMG”急停信号;“Auto_PB”手动自动状态信号; “RM_Vel_ModifyValue”车轮速度调整值;“RM1_Base_Speed”轮1基础速度;“RM2_Base_Speed”轮2基础速度;“RM1_Auto_Velocity”轮1实际输出速度;“RM2_Auto_Velocity”轮2实际输出速度;“AQ_i、AR_i”为安全系数;“RM_Differential_TRight”轮需要向右调节信号，“RM_Differential_TLeft”轮需要向左调节信号。

　　IF"EMG"AND"Auto_PB"AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM1_Base_Speed")AND("RM_Vel_ModifyValue"<="RM2_Base_Speed")THENIF"RM_Differential_TRight"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";ELSIF"RM_Differential_TLeft"THEN"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed"-"RM_Vel_ModifyValue")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";ELSE"RM1_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM1_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";"RM2_Auto_Velocity":=DINT_TO_LREAL("RM2_Base_Speed")*"AQ_i"*"AR_i";END_IF;END_IF;程序解析，当满足急停和手动自动状态等基础条件时，开始对两轮速度进行调整，轮基础速度由系统给定，当AGV偏向磁条左侧时，通过减少右侧轮的实际速度就可以实现对AGV的矫正，当AGV偏向磁条右侧时，通过减少左侧轮的实际速度就可以实现对AGV的矫正;“AQ_i、AR_i”为安全系数，当触发某一安全条件时，可直接将安全系数变为0，这样就可以使车实际输出速度为0，同时还会配合急停等多种保护，确保AGV停止运行。

　　4总结

　　以市场实际项目需求为指导，本文设计了AGV的整体运动底盘方案，包括：驱动方式的选择，底盘形式的选择，电机及减速机的参数计算及型号选择，减震结构的设计，车体底盘整体三维模型的设计，运动控制电气件的选择，电气原理图的绘制，运动控制程序的编写。

　　参考文献：

　　[1]金鑫.AGV小车的发展现状与应用趋势[J].北京工业职业技术学院学报，2021，20(1)：10-13.

　　[2]武启平，金亚萍，任平，查振元.自动导引车(AGV)关键技术现状及其发展趋势[J].制造业自动化，2013，35(5)：106-109，121.

　　[3]杨先龙.磁导航式差速AGV的结构及控制设计[D].合肥：合肥工业大学，2014.

　　作者：胡振HUZhen