摘要

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。在硬件方面,详细介绍了控制系统功能及其组成,着重介绍了自动导引的工作原理及实现方法,同时介绍了通信系统的构建和运行策略。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,同时介绍了在行走过程中消除导航偏差的计算方法。这些研究为接下来深入探讨路径规划问题提供了依据,具有一定的实际意义。

随着《工业 4.0》及《中国制造 2025》的不断推进，企业对于柔性化制造的需求也在不断提高，品种多、数量少的产品定制生产已是现代生产企业的智能化制造显著的特点。企业生产过程中所需材料及货物的搬运成为自动化生产和制造的重要环节。如何高效率、自动化、智能化的完成将生产、制造、搬运等一系列工作实现自动化和智能化是人们一直所需要探索和研究的目标[1]。自动导引机器人 AGV(Automatic Guided Vehicle)因其具有自主定位导航装置，可以依据规划的路线行驶，具有安全保护和移载功能，能够在物流运输自动化中不需驾驶员实地操作的运输车[2][3]，所以 AGV 在工厂自动化产品生产与智能制造中随之得到广泛应用，成为产品生产、智能制造及物流系统中必要的自动化搬运手段，极大地提高了生产加工工序之间工件的运输效率，降低了生产成本。

1 控制系统方案

本研究的控制系统方案主要适用于自动导引机器人 AGV用于产品生产过程中的生产、制造及组装的生产现场，按照产品生产所需零件原材料及零件加工的顺序，自动导引机器人AGV 从原材料库选货后，自动导引、自动搬运到指定的工位。若要完成这些动作，自动导引 AGV 必须满足按照生产调度人员在服务器端输入的搬运指令，把原材料、半成品或零部件可靠地运送到指定的工位，并且可以根据指令连续运送多个工位。另外，在搬运期间，自动导引机器人 AGV 应具有安全防护措施，如遇到紧急情况下的急停、避障和安全触边等功能，保证生产现场人员及设备的安全，满足企业生产过程的自动化及柔性化，为智能制造打下良好基础。

2 控制系统功能及组成

自动导引机器人的各种细微动作都由机器人的大脑 CPU中央处理器来由各个部件控制程序体来完成，以电脑技术和程序来实现程序化控制[4]。自动导引机器人 AGV 控制系统实现的功能主要包括：
（1）服务器端与自动导引机器人 AGV 之间通过无线通信模块实现无线通信，生产调度人员在服务器端通过上位机人机交互界面 HMI 输入搬运指令，通过无线通信模块将指令传送到自动导引机器人 AGV 的中央处理器，中央处理器对输入指令进行处理，控制自动导引机器人 AGV 开始运行并做出指定的动作。

（2）自动导引机器人 AGV 开始运行，自动规划路径，并在搬运过程中实时采集路径信息并上传回服务器端，在上位机人机交互界面 HMI 显示当时的 AGV 状态信息，同时修正行进间的转向偏差及消除累计误差。
（3）在搬运物料过程中，可靠准确地定位的控制指令指定的工位，实现物料的搬入和搬出。待本工位的规定动作完成后，根据（1）中生产调度人员输入的指令继续前往下一工位或返回自动导引机器人 AGV 的始发地等待下一次任务的运行。
（4） 实时监测自动导引机器人 AGV 供电电源的蓄电池电压，当电压低于规定值时发出报警，提示给蓄电池充电。

2.1 控制系统组成

控制系统分用户层、执行层和感知层三个层次，各层次之间用网络连接起来。如图 1 所示为自动导引机器人 AGV 控制系统组成框图，图中描述了控制系统三个层次之间各控制功能单元之间详细的连接关系。其中，用户层是指人机交互单元，执行层包括中央处理单元、导航单元、驱动单元、供电单元和安全单元，网络层指通信单元及各功能单元之间的通信网络。

图 1 AGV 控制系统组成框图

2.2 控制系统各控制单元功能

中央处理单元：自动导引机器人 AGV 控制系统采用可编程控制器 PLC 作为主控制器，是整个控制系统的核心控制单元，通过对传感器采集到的数据信息进行分析处理，做出相应的判断[5]，完成对 AGV 的逻辑控制和运动控制。

自动导引机器人 AGV 控制系统的控制程序存储在主控制器 PLC 中，生产调度人员从上位机的人机交互界面输入工作指令，主控制器 PLC 对指令解析后对各相关控制单元进行控制，完成指令规定的任务。人机交互单元：有两个主要显示自动导引机器人 AGV 的人机交互界面，一个是服务器端的人机交互界面，另一个是在自动导引机器人 AGV 本体上的人机交互界面，两个界面的功能相同，均由组态王软件开发，包括状态画面、操作画面、报警画面、操作记录等功能。

导航单元：采集并处理环境数据，确定 AGV 当前位置、姿态，将计算的与目标位置、姿态的偏差回传到自动导引机器人AGV 主控制器 PLC，用于控制系统对驱动系统下达指令、调整位置、姿态的偏差。