3 自动导引控制方法

导航系统采集并处理环境数据，确定自动导引机器人 AGV当前的位置、姿态，将与目标位置、姿态的偏差回传控制系统，用于控制系统对驱动系统下达指令，调整位置、姿态的偏差，保证了导航精度，本设计采用磁钉导航和惯性导航的混合导引方式。
磁钉导航：类似于传统的磁带导引，利用磁导航传感器检测出自动导引机器人 AGV 相对于磁钉的偏差来进行位姿调整，它们的区别在于磁带是连续式导引，而磁钉导引则是非连续的。磁钉与磁钉之间的路径是一个“盲区”，为了保证自动导引机器人 AGV 沿着预定的磁钉路径正确行走，在“盲区”行走时实时记录行走轮的行走距离，计算转向角的变化，计算出 AGV 当前位置进行偏差调整。但是自动导引机器人 AGV 行走过程中偶尔会有行走轮打滑的现象，这会导致位置计算结果有偏差，致使自动导引机器人 AGV 行走的安全性、可靠性不高。
惯性导航：利用加速度和角速度积分得到自动导引机器人AGV 的运行速度与航向转向角，进而计算出自动导引机器人AGV 的当前实际位置并，与预定行走的规划路径比对，得出当前位置的实际偏差，也就是导航偏差，然后对偏差进行修正。但是，因为惯性导航模块的性能的差异存在不同程度的漂移误差和噪声，而且漂移误差和噪声也会随时间的增加而累积，会导致自动导引机器人 AGV 行走偏离轨道，从而无法到达下一个磁钉位置。
磁钉和惯性导引联合导航：可以消除磁钉导航和惯性导航各自的不足，使自动导引机器人 AGV 的行走路径更精确。利用磁钉导航补偿惯性导航模块的漂移误差和噪声。磁钉在地面位置坐标是绝对的，安装在自动导引机器人 AGV 车体前后的磁导航传感器相对于自动导引机器人 AGV 车体的位置是绝对的，此时，通过磁导航传感器检测到地面磁钉的偏差距离，即可计算出当前 AGV 的位姿，用于补偿惯性导航模块的累积误差，提高了自动导引机器人 AGV 运行的精度，增加了使用的可靠性和安全性。
如图 4 所示为导航偏差计算示意图。自动导引机器人 AGV车体中心线的方向即是行走方向，其与规划路径的夹角 α 是转向角误差即导航偏差，导航偏差的计算如式（1）所示。

图 4 导航偏差计算示意图

从图 4 中看出，车体是向右的方向偏离了预定规划路线，这时
(DG-AE)> 0 (2)
则有
α>0 (3)
若车体是向左的方向偏离了预定规划路线，这时
(DG-AE)＜ 0 (4)
同理
α< 0 （5） 通过（3）式和（4）式得出结论，自动导引机器人 AGV 在行走过程中实时计算 α 的变化，只要导航偏差 α 不等于 0，主控制器 PLC 就会立即发出指令控制转向电机动作，改变行走方向，使自动导引机器人 AGV 回到预定的规划路径上来。

4 控制系统软件设计

4.1 主程序设计

如图 5 所示为自动导引机器人 AGV 工作的主程序流程图。在自动导引机器人 AGV 上电后，进行总线设备通信状态检测，包括 RS485 通信设备，如电机驱动器、RFID 读写器、磁导航传感器、惯性导航传感器和安全触边检测装置，RS232 通信设备即差分 GPS 导航系统和 Ethernet 通信设备即无线客户端。检测中若发现异常，控制系统发出报警。然后进入安全装置状态检测，若发现有急停按钮被按下、检测到障碍物或安全触边检测装置动作，同样控制系统发出报警并停车。紧接下来是转向电机零点校准工作，因转向电机编码器使用增量编码器，上电后需要零点校准。

图 5 AGV 主程序流程图

4.2 自动导引子程序设计

如图 6 所示为自动导引机器人 AGV 执行搬运任务子程序设计流程图。
接收并解析任务：根据接收到的起始站点与目标站点的信息，进行路径规划并生成地图路径序列，根据路径序列自动导引机器人 AGV 开始运行。
确认当前车辆位姿：接收差分 GPS 导航系统发回的当前车辆的经度、纬度、航向角等位姿信息设定为当前位姿。
比对车辆实时位姿与目标位姿偏差：在接收、解析任务阶段，已得到地图路径序列，其中有途经站点的具体位姿坐标，比对实时位姿与下一站点的信息，计算出位姿偏差。

图 6 AGV 执行搬运任务流程图

控制驱动电机动作消除偏差：根据前一步骤的位姿偏差，控制驱动电机动作消除偏差。
采集地面磁钉位置并补偿矫正实时位姿：因为差分 GPS 导航数据存在误差，而磁钉固定于地面，其位置相对于地面看成是绝对坐标，自动导引机器人 AGV 车身前、后各安装一个磁导航传感器，其安装位置相对于 AGV 车身来讲也是绝对坐标。两个磁导航传感器同时检测到磁钉时，可以根据几何关系计算出AGV 车身位置相对于地面磁钉的坐标数据的偏差即位姿偏差，利用测出的这个位姿偏差补偿差分 GPS 导航数据的误差。
安全装置状态检测：检测急停按钮、障碍检测、安全触边各安全装置状态，如发现异常，AGV 降低速度运行并发出报警或紧急停车。

5 系统人机界面

系统人机界面主要包括开机界面、导航设置界面、驱动系统设置界面、安全触边界面、单任务模式设置界面、连续任务设置界面、系统设置界面、操作记录查看界面和报警界面，其中，操作记录查看界面和报警界面的数据可保留一年。界面内容丰富、操作简单，如图 7、图 8 所示驱动系统设置界面和连续任务模式设置界面。

图 7 驱动系统设置界面

图 8 连续任务模式设置界面

6 结论

针对实际中自动导引机器人的使用，开发了基于磁钉和惯性导航联合使用的自动导引机器人控制系统，并对整个控制系统的整体设计方案做了详细介绍。在硬件方面，介绍了控制系统功能及其组成，详细阐述了各功能单元的功能及满足控制系统自动导引要求的运行策略，着重阐述了通信的构建和运行策略。在软件方面，着重介绍了整个控制系统的主程序设计流程和自动导引子程序设计流程，并给出了详细说明。同时介绍了在行走过程中消除导航偏差的计算方法，为接下来深入研究路径规划问题的提供了依据，具有一定的实际意义。

参考文献

[1]常浩,顾振超,窦岩等.智能工业搬运机器人的设计与研究[J].科技创新导报,2020(15):69-71.
[2]姜汉荣,钱晓明.基于 HSI 图像分割的 AGV 道路标线中心线提取[J].科学技术与工程,2011,11(35):8757-8760.
[3]汪云云,王连明,关建文,等.基于机器人操作系统的室内运输自动导引车系统及其设计[J].科学技术与工程,2020,20(19):7742-7749.
[4]王培松,马世强,吴泊力,等.智能取物机器人的设计及应用研究[J].科技创新导报,2020(15):88-89.
[5]张岩岩.自动导引搬运车设计及其路径规划研究[D].西安:西安科技大学,2016.