AGV自动避障导航的设计与研究

PAGEPAGE9摘要随着经济全球化的热潮渗透设计、生产、销售等各个环节，企业竞争发展的核心趋向于以科技人才作为衡量标准。各个国家地区加大科技研发力度，加强关于科研项目的财政投入比例，以科技创新作为战略发展目标。传统落后的手工操作生产方式逐渐被自动化科技化等先进技术代替，特别是智能化机器操作系统、自动化立体仓库等科研成果吸引了众多厂家的青睐，集自动化程度高、安全可靠性强、操作简单、维修便捷等诸多特点于一身的自动导航小车，开创了搬运工具技术化便捷性的可行性发展前景。为企业发展注入新鲜的科技血液，提升自身的经济效益、社会效益、生产效率。自动导航小车（AGV）是实现精确位置控制、轨迹跟踪的运动监控系统的发展结果，结合智能化的控制策略与运动设计，推进移动生产方式的科技化飞跃发展。首先，本文从科研项目实际应用的需求角度出发，以研究所自主开发的自动导航小车的研究对象，综合采用机械工程技术、计算机控制技术、传感器检测技术、信号处理技术，深入分析研究AGV控制系统的构成，阐述AGV合理的硬件总体布置图及车体结构、可靠的三级安全保护机制和简单实用的电源装置的实现方法；对AGV直线运动距离偏差及AGV原位旋转角度偏差进行了试验，给出了实验数据并对其进行了分析,并且通过实例说明了AGV系统与现代物流实训系统的集成应用效果。其次，通过分析AGV在不同领域的应用差别、及其导引原理及避障方法的等内容，降低AGV设计与实际应用中的误差。针对两轮差速转向式的运动，对自动导航小车的前轮和后轮驱动的运动学进行分析和研究，在实际开发过程中建立自动导航小车的运动学模型。由实践过程中出现的前后车追尾现象发生的频率，引发对自动导航小车传感器的探究分析。最后，针对日常常用的导引方式的导引原理进行分析研究，在理论知识与实践操作相结合的基础上，针对AGV导航定位、规避障碍的试验数据进行综合分析，提出创新见解与研究方式，改善AGV软硬件系统在实际应用中的技术状况，对AGV设计开发具有一定程度上的借鉴意义。关键词：AGV；超声波；定位；避障ABSTRACTToday'sworld,economicglobalization,technologicaladvancesinmanycountriesandregionsregardedasinvestmentsintechnologytoimprovethekeyscientificandtechnologicalinnovation,investmentinscienceandtechnologyasastrategicinvestment,asubstantialincreaseintechnologyinvestment.Withtheincreaseinfinancialinvestmentprojects,thereisgrowingconcernabouttheproductionoftechnicalreferences.Automaticnavigationasanunmannedcarallcarmanufacturersmoreandmorepopular,itshighdegreeofautomation,flexible,safeandreliable,unattendedoperation,simpleconstructionandeasymaintenanceandmanyadvantagesforthesemanufacturerstoprovideaviablecheaptransportationandhandlingtools,theintroductionoftechnologyforbusinessvitality,improvesefficiency.Inthispaper,theInstitutedevelopedanautomaticcarnavigationforthestudy,fromthepracticalneedsofengineeringapplications,combinedwithmechanicalengineeringtechnology,computercontroltechnology,sensortechnologyandsignalprocessingtechnology,autonavigationcarintheactualdevelopmentprocessofthemovementlearnmodeling,AGVsystemcomponents,AGVapplicationsindifferentareas,differentwaysofguidingprinciplesandguidedobstacleavoidancemethodofanalysisforamorein-depthcontentanalysisandresearch.Fortwodifferentialsteeringtype,toestablishakinematicmodel,andfrontandrearwheeldrivekinematicsanalysisandresearch;inpracticeoftenoccursbeforeandafterthecarrear-endphenomenon,soIcreatedademandfortheprincipleofsensoranalysisanddiscussionofinterest,inthetext,specificdetailedguidetoeverydaycommonwayofguidingprinciplesfortheanalysisandresearch;TheAGV’shardwaresystemwasstudiedanddesigned.TheimplementationmethodsforproperAGVoverallhardwarelayout,thereliablethree-levelprotectionmechanismandthesimplebutpracticalwirelesscommunicationprotocolwerealsodiscussed.TheexperimentsforAGVstraightmovementdistancedeviationandrevolvingmovementangledeviationwerecarriedout,andtheexperimentresultsweregivenandanalyzed.AnexamplewasgiventoexplaintheintegratedapplicationeffectofAGVsystemandmodernlogisticstrainingsystem.Thisstudyisbasedonthefielddevelopedonthebasisofpractice,forwhichproposedsomenewideasandmethods,inthecourseoftheinspectionandcanbeimprovedintime,sointhisarticlesomeofthemethodsandconclusionsarerelevantsourcesoftheactualdevelopmentprocess,andthusautomaticcarnavigationdesignanddevelopmentofacertainreference.Keywords:AGV;ultrasonic;positioning;obstacleavoidance目录第一章绪论 11.1自动导航车的发展现状及应用 21.1.1工业机器人国内外发展现状 21.1.2自动导航小车的国外发展现状 41.1.3自动导航车国内的发展现状 51.1.4自动导航车的应用 51.2本课题研究的背景和意义 81.2.1影响AGV发展的关键技术 91.3研究课题的确定 131.3.1课题研究的工业背景及实验条件 131.3.2本课题研究的内容 131.3.3论文的主要内容与安排 14第二章差速转向式AGV的运动学分析 162.1AGV的分类 162.2自动导航车的系统组成 162.3AGV的行走机构 192.4驱动系统的研究 202.4.1驱动方式的分类 212.4.2传统驱动转向系统 222.5驱动系统的分析计算 252.6双轮差速驱动的研究 272.6.1双轮差速驱动的运动学分析 282.6.2导向驱动轮运动学的研究 31第三章导航和定位的研究 363.1导引方式 363.2预定路径方式 373.2.1车外连续标记 373.2.2车外间断标志 403.3非预定路径 403.3.1激光导引 403.3.2数字地图引导 443.4智能引导 443.5内饰线上的磁条导航的选择 44第四章自动避障方法的研究 464.1超声波避障方法 464.2人工势场法 474.2.1势场函数的定义 474.2.2人工势场法的改进 484.3实际项目中传感器的选择 50第五章AGV系统实现 515.1车体结构的实现 515.2安全机制 515.3电源装置 515.4AGV控制系统 515.4.1AGV控制系统硬件配置 515.4.2控制系统软件 575.5AGV其他主要软件模块的实现 575.5.1陀螺仪信号处理软件 575.5.2路径规划软件 605.5.3电子地图软件 615.5.4无线通信软件 64第六章结论与展望 747.1结论 747.2展望 75参考文献 76第一章绪论企业在追求整体经济效益和社会效益的同时，针对科学技术创新发展与自身实际生产应用之间的差距做出了及时的调整。传统的生产制造技术以能源消耗作为实现最大化效益的根据，因而无法达到可持续的长远发展前景。以生产能力、工艺、产品、维护、扩展、运行等阶段中采用柔性制造技术为主要应用方向的生产运输方式，吸引了众多厂家的关注与重视。现代工厂广泛地采用柔性制造系统，淘汰落后的传统运输方式，以自动导航车（AGV）为主要柔性制造技术应用到物料输送过程中，尤其是自动化仓储行业和工厂的生产流水线上，灵活的搬运能力与简单的操作技术，适应现代工业生产发展的需求。一方面提升了科技实际应用的效果，另一方面促使人们开展针对自动导航技术的探索和研究，努力迎合科技创新发展层次高度。自动导航车（AutomatedGuidedVehicles，AGV）是一种无人驾驶的智能化自动导航运输车，属于移动式机器人系统，能够沿预先设定的路径行驶，是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统（CIMS）中的关键设备之一徐清.自动导引小车系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2006。由于AGV具有自动化程度高、应用灵活、安全可靠、无人操作、施工简单及维修方便等诸多优点，因而广泛应用于汽车制造行业、烟草行业、工程机械行业、机场等物资运输场所及柔性生产系统（FMS）、柔性般与系统和自动化仓储中沈治.基于自动化仓储技术的自动导航小车（AGV）的研究。其作用是在上位计算机的调度和管理下，指挥AGV车辆完成一系列的作业，图1-1所示为AGV在汽车生产线上的应用，如内饰部件的运输、后桥发动机的运输及轮胎的运输等，它以高精度高效率适用于计算机之间的通讯联系与调配、上位操作系统与下位接受控制设备之间的管理命令等作业形式。不仅如此，在军事以及危险场所，以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷、阵地侦查、危险环境作业，如军用机器人、危险品处理机器人、钢铁炉料运送车、放射物料搬运车、海底电缆铺设等。张辰贝西，黄志球.自动导航车（AGV）发展综述[J]。信息技术应用，53—59按照地面导航系统的控制调节，AGV车沿着预定的轨道行驶，以伺服电机控制驱动轮，带动辅助轮运行。以减速器控制左右驱动轮的速度，调度左右轮拐弯动作。自动识别路径中徐清.自动导引小车系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2006沈治.基于自动化仓储技术的自动导航小车（AGV）的研究张辰贝西，黄志球.自动导航车（AGV）发展综述[J]。信息技术应用，53—591.1自动导航车的发展现状及应用随着社会生产力发展的需求与科学技术应用之间的密切联系，自动导航车技术发展的速度加快、规模扩大、趋向高新化。自动导航车在生产流水线及其他作业方面应用的范围越来越广，大大地降低了生产成本，提高工作效率，保证产品的质量要求。以智能化、灵敏度、便捷性赢得了生产操作技术人员的认可与关注。自动导航车从设计、生产、应用、革新等环节所贡献的努力，不仅仅能从简单的物料搬运方面体现，而是在现代工业生产中实际操作应用中的完美发挥表现出来。从传统落后的人工操作，到智能科技同步应用，自动导航车完成了科技应用的飞跃。1.1.1工业机器人国内外发展现状自动导航车的设计生产经历了漫长的历史过程，最初受到自动化物料搬运作业的刺激影响，人们开始主动探究以高新化自动化驾驶、运行设备的理念。自动引导车（AGV）是20世纪50年代开始发展起来的一种自动化物料搬运设备，能承载一定的质量在出发地和目的地之间自主驾驶、自动运行王冰，张惠侨.舵轮型自动引导车（AGV）导向控制系统设计[J].机械设计与研究，1999（4）：王冰，张惠侨.舵轮型自动引导车（AGV）导向控制系统设计[J].机械设计与研究，1999（4）：60-63.世界上的第一台自主导航车是美国Basrrett电阻公司于1953年开发成功的，它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的，带有车兜，在意见杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。姜永成.自动导引运输车（AGV）的事故[EB/OL].Http:///jycl228/archive/2009/05/11/4166978.aspx，2009—05—11然而这辆牵引式拖拉机在生产应用中的效率并不高。欧美国家研究自动导航车的历史悠久，奠定了扎实的技术基础，因而获得成就相对较高。而美国人GeorgeC.Devol首先将“示教再现机器人的概念”落实为专利项目，在众人之间掀起哗然大波。之后发明家德沃尔与约瑟夫·英格伯格将概念理论具体实践为产品技术，联合制造出真正意义上的第一台工业机器人。随后，“工业机器人之父”英格伯深入研发工业机器人，并且组织建设世界上第一家机器人制造工厂――Unimation公司。工业机器制造的风潮影响到美国，美国AMF公司将生产研制目光投入工业机器人方面，制造出用于物料运输的Versatran(VersatranTransfer)机器人。上世纪70年代开始，美国已在自动化生产线上投入数两百多台工业机器，取得了明显的成效。1996年英国开发出园艺用机器人，利用CCD摄像机和左右两轮的转速差进行导航定位，误差近数厘米，能在无作物处喷洒除草剂，在有作物处喷洒农药和施肥等精细农业作业程娥.自动导航试验车的机械性能计算机辅助分析研究[D].沈阳农业大学硕士学位论文，2007。随后科技公司将工业机器人的生产规格逐次精细化，应用的领域越来越家居生活化，以1999年姜永成.自动导引运输车（AGV）的事故[EB/OL].Http:///jycl228/archive/2009/05/11/4166978.aspx，2009—05—11程娥.自动导航试验车的机械性能计算机辅助分析研究[D].沈阳农业大学硕士学位论文，2007同=5\*GB3⑤智能化机器人从欧美国家传入亚洲的历程起步于二十世纪六十年代到八十年代之间，日本最先接触到机器人生产制造技术层面，经过二三十年的不断融合吸收，如今日本的机器人制造创新技术在世界潮流中处于领先地位。1967年日本东京机械贸易公司首次从美国AMF公司引进Versatran机器人，开始进入机器人制造研发的自主引入时期。之后日本川崎重工业公司在技术输入与设备输出生产方面做到有效的调节，引进美国Unimation公司制造的Unimation机器人，并与其缔结国际技术合作协议，共同开发机器人生产技术詹炜.DGR-5A机器人迭代学习控制研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2007詹炜.DGR-5A机器人迭代学习控制研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2007由于我国总体科技水平落后，机器人制造技术在国内应用开发的起步晚，所以上世纪六七十年代，机器人制造技术发展历史完全空白。随着改革开放政策的落实到位，国内学者专家开始积极吸收高新制造技术，并且将这种研发技术作为国家重点规划和战略发展的被容与目标。在“七五”计划整合过程中，国内已将机器人制造列入生产发展的首位，并以实际行动证明科技发展的决心与动力，成立国内第一个机器人生产示范基地。随后近二十年的发展过程中，机器人制造技术已由简单的搬运、弧焊、喷漆等作业形式向军用、工程项目等方面深入发展，将科研技术投入到具体的实践工作之中，获得了众多企业的重视。就机器人生产发展的总体趋势来说，我国应当加强对其研究重视程度，逐步将机器人生产应用到工业生产之中，从而获得技术的超越与进步。1.1.2自动导航小车的国外发展现状自动导航车通过采用电磁、光学、激光、无路径视觉导航等自动导航装置，主要由机器人技术与叉车技术发展而来，在现代物流系统中占据重要位置。自动导航车根据不同的导航方式，以电池为牵引动力，完成相应的操作运行任务。追述自动导航车的发展历史，以早期美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover朱磊磊，陈军.移动式机器人研究综述[J].机床与液压，2009.37（8）。为例，基于陀螺运动原理，采用陀螺稳定的单轮滚动，适用于空间探索与精确定位，以机动性强、灵活性高引起专家学者探索的热情。之后通过对单轮滚动机器人的系统研究，英国巴斯大学的RhodriHArmour总结出七种设计原理：弹性中心构件原理、车辆驱动原理、移动块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、移动于质心轴上的配重块原理朱磊磊，陈军.移动式机器人研究综述[J].机床与液压，2009.37（8）朱磊磊，陈军.移动式机器人研究综述[J].机床与液压，2009.37（8）朱磊磊，陈军.移动式机器人研究综述[J].机床与液压，2009.37（8）上世纪六七十年代，第一个名为Shakey的自主移动机器人被坦福研究院(SKI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人联合研发生产GiraltG，ChatilaRandYaissetM.Anintegratednavigationandmotioncontrolsystemforautonomousmulti-sensorymobilrrobots[M].Roboticresearch.Eds.BradyMandPaulR，MITPress，1984。同时欧美国家对AGV技术进行全面革新，对托盘尺寸结构进行详细的设定与规划，从而使AGV技术进入标准化操作生产阶段。当时欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron，WognerHJC，ACS，BT.CFC，FATA，Saxby，Denford和Blecbert等GiraltG，ChatilaRandYaissetM.Anintegratednavigationandmotioncontrolsystemforautonomousmulti-sensorymobilrrobots[M].Roboticresearch.Eds.BradyMandPaulR，MITPress，1984谷玉川.AGV驱动转向一体化机构及其导航控制研究[J].20061.1.3自动导航车国内的发展现状近年来，受社会化大生产发展的需要，以及国家战略构想的技术革新趋势，自动导航车在国内的发展节奏快速化、规模扩大化，特别是在沈阳建立第一个机器人研发示范工程基地之后，北京、沈阳、云南逐渐建立AGV生产厂家，就发展形势来说，能在科学政策的指挥下，贴合实际生产需求，但是并未达到标准化成批生产的规模与效应张正义.AGV技术发展综述[J].物流技术与应用.2005，10（7）：67-73。随后后起新星如北京机科、深圳日东电子、上海新奥托、安徽合力、泊头中山等厂家，纷纷将发展目标瞄准AGV国内市场。当下全国已经有二十多家企业采用张正义.AGV技术发展综述[J].物流技术与应用.2005，10（7）：67-73纵观自动导航技术在国内的发展趋势，其发展前景依然广阔。并且国内众多企业已经自动化柔性装配线与自动化立体仓库普及到生产流程当中。以海尔集团在2000年新建开发区立体仓库的投入运行为例，每个柔性仓库的自动搬运系统由9台AGV组成，平均每天成功完成23400间的出入库货物和零件的搬运任务同注15。AGV运行的轨迹路线主要集中在生产车间与自动仓库之间，连接不同运输线的工位之间，相对于以往的传送带，AGV灵活简单、移动性高、柔性强、操作简单等优点，能保证产品的高质量与生产环境的稳定性，因而形成简练、精准、规模化的生产制度，广泛适用于仓储业、制造业、食品化工、烟草、港口码头、焊接喷漆、海底探险等危险性高的作业同注15加深对于AGV的研究开发，正是应证科技生产的客观存在的必要性，也是现代工业发展的必然要求。1.1.4自动导航车的应用生产力与生产技术经过三次工业革命的影响，从蒸汽动力、电力向计算机互联技术与资源共享模式推进，逐渐在工业基础领域开拓革命性的发展前景。人类物质生产需求与实际生产现状之间的矛盾，不断地推动自动化生产技术的进展，机械、卷烟、纺织、食品、医疗等行业开始将自动导航车技术应用到物料搬运、传送等工作阶段，在各个加工、装配、分检系统中，AGV无疑产生了重大的作用。1、生产制造业当前国内的生产制造业创造的经济效益占据国民生产总值的绝大比例，特别是汽车制造及机械生产行业，经过对生产工艺流程、工作程序、生产技术革新等方面的调整，生产制造业已经不再停留在依靠传统的人力搬运制造阶段，而是朝着科技化、连续化、效率化方面发展。随着制造业广泛应用AGV技术，及时调整制造生产线上的作业操作，极大降低了搬运传输过程中人力使用频率，提高生产效率，创造有效的价值利润。特别是经过调配的AGV组合搬运系统，可以不间断地连续作业，为企业节省物力人力财力，适应市场多元化发展需求和批量生产标准。2、仓储业仓储业是集中储藏、保管、运输、配送、理货等环节的商业营业活动，是连接生产与销售之间不可或缺的纽带。国内仓储业的发展在现今市场经济调节作用下，形成激烈的竞争趋势。如何改造提升仓储业的整合运作方式，降低运输生产成本，及时调整供求相互关系，必须对装卸搬运方式进行有效的革新。1954年世界首台AGV车在美国的SouthCarolina州的BarretElectronics公司研究开发的MercuryMotorFreight公司仓库里投入使用，用于实现出入库货物的自动搬运王宏玉．探密AGV．现代物流[J]，2005，(5)：50-51。自此自动导航车、起重机、输送机、搬运车深入仓储业发展进程中，并且王宏玉．探密AGV．现代物流[J]，2005，(5)：50-513、纺织、卷烟、医疗、食品当前企业发展正进入高效率高质量阶段，为达到环保生产与无污染排放的技术要求，诸如纺织、卷烟、医疗、食品等行业对生产环境与生产技术设定了严格的标准，生产人员应当保持车间与工位范围内安全、清洁、无污染的环境保证，装卸运输作业不可避免地采用AGV技术完成，这是适应现代工业生产要求，也是强化企业内部吸收引进先进技术的标准规范。AGV以上位操作系统的支撑，直接降低人工操作过程中产生的细菌污染等现象，从而保证产品的质量。4、图书馆、码头、机场1983年，瑞典在大斯德哥尔摩邮局开始使用AGV，中国于1990年在上海邮政枢纽开始使用AGV已完成邮品的搬运工作叶菁．磁导式AGV控制系统设计与研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006。由于图书馆、码头、机场等场合运送的作业量大、可变性强、不可确定性高，因而采用智能化、柔性化、自动化的叶菁．磁导式AGV控制系统设计与研究[D]．武汉：武汉理工大学，20065、危险、特殊作业AGV自身所具有的智能化无人搬运特点，不仅仅适应普通的生产操作环境，而且在高温寒冷、真空等人体所无法承受的恶劣环境中也有广泛的应用。特别是宇宙空间、海洋资源等特殊环境，对仪器和技术操作的要求精度高，因而不得不采用先进的自动导航技术进行探测拆卸作业.在现代军事科技中，AGV的应用程度较高，范围广。以阵地侦察、战场排雷，及航路验证能力为主要用途的侦察车，在军事战略上有极大的用途。如英国军方研制军事侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的能力程娥.自动导航试验车的机械性能计算机辅助分析研究[D].沈阳农业大学硕士学位论文，2007程娥.自动导航试验车的机械性能计算机辅助分析研究[D].沈阳农业大学硕士学位论文，20071.2本课题研究的背景和意义为了提升自动化导航技术在企业生产工作中的适应程度，众多厂家逐渐针对自身生产技术上的弊端，统计研究单位时间内生产工作效率，在延续自动化生产技术的同时，有效地提升工作效率，加大对AGV研究投入。近年来，国内许多企业辩证地对待生产成本柔性化与工作效率高效化之间的关系，以AGV的投入使用为基础，如汽车制造生产车间中，各个零部件均采用自动化导航车的运输系统，从而全面实现生产操作智能化技术化的层面。以往的企业虽然意识到传统的输送设备、输送线的应用，但是造价高、可更改性差、柔性低，因而无法及时解决生产输送过程中的问题。本文针对东风股份有限公司的AGV应用现状进行深入研究，以其优缺点进行全面的分析，解决传输线与输送机等设备应用效率，从全局发展的角度，剖析AGV应哟为企业创造的社会价值与生产效益。有效地调节国内企业生产技术落后的现状，为AGV技术深入发展提供铺设性的道路。1.2.1影响AGV发展的关键技术AGV技术发展的受到内外因素的双重影响，特别是以传感、导航定位、路径规划、任务调度、信息融合技术为关键影响因素，虽然自动化导航技术已经得到飞跃发展，但若想攻克关键技术层面存在的难点，必须深入分析影响AGV发展的关键技术。（1）传感技术传感器（transducer）是感受被测信息，按照一定规律转换为接收形式所需信号形式，满足机体传输、处理、存储、显示、记录、控制等要求的环节。AGVS通过传感技术进行有效的信息处理，根据任务性质、传感器类型的差别将物理表现形式信息资源转化为相应的电量输出信号。根据所完成的任务的不同，配置的传感器类型和规格也不尽相同。内部信息传感器的主要用途是采集AGV内部的信息，如AGV的速度、加速度等。外部信息传感器的主要用途是采集AGV在外部环境或是不同的工作对象之间的信息。传感器的灵敏性与辐射范围直接影响AGV检测周围的障碍的有效性，在实际调试阶段，自动导航车之间发生追尾频率高，本研究针对AGV中传感器进行研究，通过设置多种不同规格的传感器测量AGV运行的状态。如障碍物传感器是主要是针对AGV对运行中障碍物反应的灵敏度，导航传感器主要是测量运行误差，修正定位偏差。（2）导航定位技术AGV的导航技术主要分为直接坐标导航技术、电磁导引、光学导引、激光导引、惯性导航、图象识别导引、GPS导航、视觉导航等。各导引方式的优缺点如下表所示：名称优点缺点直接坐标导航技术可靠性好，成本费用低，环境适应性强测量安装程序复杂，工作量大，导引定位精度低，对路径难易性要求高电磁导引隐蔽性高，不易受损，通讯控制便捷路径更改工作量大，受复杂路径局限性大光学导引灵活性比较好，简单易行对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，且精度不高激光导引导航精度高，无需其他定位设施；控制路径灵活多变，适应环境能力强成本价格高惯性导航定位准确性高，灵活性较强，适用范围广成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及使用寿命密切相关。GPS导航造价高，精度取决于卫星在空中的固定精度和数量，受控制对象周围环境等因素影响程度高定位技术即利用移动机器人上车载传感器的感知信息估计机器人在给定环境中的位姿DieterFox，WolframBurgard，SebastianThrun.ActiveMarkovLocalizationforMobileRobots[J]．RoboticsandAutonomousSystems，1998，25(3)：195-207。确定AGV在二维工作环境中相对于全局坐标的位置，它是AGV导航中最基本的环节。定位方法根据定位效果而言，有相对定位和绝对定位之分；根据定位时所依据的传感器信息类型分惯性定位、信标定位等史恩秀，黄玉美.自主导航小车AGV定位方法的研究[J].传感技术学报，2007，20（1）。惯性定位独立性强，但定位误差有累计效应，需定期修正DieterFox，WolframBurgard，SebastianThrun.ActiveMarkovLocalizationforMobileRobots[J]．RoboticsandAutonomousSystems，1998，25(3)：195-207史恩秀，黄玉美.自主导航小车AGV定位方法的研究[J].传感技术学报，2007，20（1）李磊，叶涛，谭民，等．移动机器人技术研究现状与未来[J]．机器人，20029，24(5)：475--480．（3）路径规划路径规划是针对已知、未知、动态变化环境中的特点，按照AGV传感器获取的环境信息进行全局路径规划，寻找最优质的无碰路径。由于路径环境具有动态性、不可确定性。因而AGV的路径规划一直是自动导航技术领域重点研究问题，通常采用图论算法、遗传算法、神经网络、蚁群算法等全局规划算法，在局部路径规划算法上通常采用A·算法、人工势场法、模糊逻辑算法等。（4）任务调度为优化AGV系统操作的次数、充电时间，任务调度应当按照合理的规则适时的进行处理设定，由于AGVS操作的环境十分复杂，因而要想协调控制AGV工作能力，就必须从全局出发，制定科学合理的调度策略方法，根据具体生产实际情况，进行可行性的排序调度。确保AGVS的高效运行，达到资源合理配置的最优原则。（5）多机器人系统对于企业内部的生产环境来说，单一的AGV工作能力与效率无法达到任务需求，所以企业需要合理地规划AGV系统，解决AGV运行之间的冲突、死锁等问题。特别是AGV工作环境复杂程度高，任务量大，对多系统的机器人要求标准提高。多机器人系统的研究主要分为合作和协调两类，分配任务之后，协调组织分解多个机器人任务执行能力。1.3研究课题的确定1.3.1课题研究的工业背景及实验条件本课题研究的工业背景是基于辽宁省机电研究设计院与当地机电公司合作研究项目，深入研究差动式机器人，从驱动系统电动机性能参数分析、结构设计、样机模型加工研究，针对内饰输送线与后桥发动机输送线的实际应用研究，争取获得突破发展。1.3.2本课题研究的内容自动导航车在现实生活中的实际应用广泛，特别是危险场所与特殊行业的普及应用，更是提升了AGV运输线、设备、技术等各方面的应用价值。因而进一步深入研究AGV的驱动、导航、避障等系统性能分析，有利于实现AGV优化发展。结合试验数据与实践效果，本文的研究内容包括：一、AGV驱动系统分析以运动学原理与导向驱动轮驱动原理的深入分析，进一步揭示差速转向式AGV的运行情况，细致地了解AGV驱动系统的方方面面，为提升驱动系统的性能比提供基础，实现AGV系统设计与软硬件设备性能的共同发展。二、AGV导航定位系统分析针对AGV导航定位方式存在的优缺点，进行分门别类的研究分析，为今后导引方式的全面跃进打下坚实的基础。特别是实际应用中，AGV导航定位系统在试验仿真阶段与落实完善阶段存在的质量断层现状，进行有效的疏导，进一步为合理选择导引方式提供依据。三、AGV避障功能分析AGV系统所选择的传感器种类不同，所起到的作用也不尽相同，特别是传感器的检测范围幅度对AGV避障功能的影响程度呈现正比消长的关系。确定自主定位、智能避障等性能是展开AGV系统设计研发的主要标志，为降低前后车追尾的发生频次，需有效地分析AGV避障功能。1.3.3论文的主要内容与安排论文的主要内容安排如下：第一章绪论本章主要通过机器人技术的引入深化AGV的概念定义、对比国内外AGV发展现状、以及AGV车在不同领域的应用，有计划有目的地侧重介绍自动导航方式的优劣，从而确定课题研究的主题。第二章差速转向式AGV的运动学分析本章以AGV的分类、系统组成、驱动原理、行走机构、双轮差速驱动的运动学分析及导向驱动轮的运动学分析为主要分析方向，从而透彻地分析差速转向式AGV的运行情况。第三章导航系统的研究本章主要介绍自动导航车的分类、组成系统，通过描述和分析差分驱动和导向驱动平台的运动学模型，从而理解AGV导航系统的原理及操作。第四章自动避障方法的研究本章针对AGV的避障性能进行深入分析，通过超声波避障方法和人工势场法解释避障原理，深化AGV避障技能。第五章AGV系统实现针对前文中的驱动系统与导航系统的分析，进一步对AGV车体结构、安全机制、电源装置、控制系统、软件模块的实现进行总结分析，实现AGV整体系统设计规划。通过分析光电组合导引定位的AGV试验结果，从而解决陀螺仪与编码器定位试验与实际操作应用之间的差距。第六章结论与展望对文章进行总结性的阐述，进一步深化课题研究的内容，并对AGV未来发展探索展开期望。1.4本章小结本章主要通过深化AGV的概念定义、对比国内外AGV发展现状、以及AGV车在不同领域的应用，有计划有目的地侧重介绍自动导航方式的优劣，从而确定课题研究的主体，为进一步完善课题研究的内容提供大纲性的建议与指导。第二章差速转向式AGV的运动学分析2.1AGV的分类AGV的分类标准有很多，按照导引方式的不同，可以分为激光导引、电磁导引、惯性导引等AGV形式。按照有无轨道，可以分为无轨AGV和有轨AGV。按照用途功能，可以分为搬运型、拖车型、叉车型。其中按用途分类有以下几个方面：搬运型：广泛应用于机械、家电、纺织、食品制造、卷烟厂及运输码头等行业，自身具有装卸货物的能力，可以有效地降低生产成本，提高工作效率。拖车型：主要应用于生产流水线的传输工作，特别是运输路线短、安装部件多的情况，自身不具备承载力，而是以动力牵引的方式运行在生产线与工位之间。叉车型：叉车型AGV实质上是电池动力带动发动机驱动车体，完成不同高度层级的货物的装卸、运输作业。2.2自动导航车的系统组成自动导航技术是结合机械技术与电子技术一体化的产品，经过不断地研发制造，AGV技术不断得到完善，从传感器、光电器件、电池调配、结构控制等构成部分不断地高新化，从而形成AGV完整的系统结构。一般而言，AGV系统由车体系统、行走系统、移载系统、车载控制系统构成，而这些母体系统中又包含着功能迥异的子系统，每个系统各司其职，共同完成搬运、承载、装卸的职能。按照功能划分为以下组成部分：⑴车载控制系统：它是AGV的核心组成部分，主要由计算机处理器、导航系统、通讯系统、操作装置电机驱动器构成。导航系统主要控制AGV运行路径，通讯系统主要转换控制台与AGV之间的沟通信息命令，电机驱动器主要是按照相关指令带动运转。⑵驱动系统：AGV的动力源泉主要来自于AGV驱动系统，当驱动器将能量转换为动力，进一步变换成机械能，由驱动轮带动辅助轮完成运动要求。常见的驱动器有直流点电机驱动器、步进电机驱动器、交流电机驱动器、气压驱动器、液压驱动器等。⑶导航系统：导引方式不同直接影响到单机AGV导航控制系统，常见的导引方式可以分为磁带导引、电磁导引、光学导引、激光导引、图象识别导引、惯性导航、GPS导引、超声波导引等方式。上文中以分析各个导引方式的优劣，为加强各传感器的性能，确保AGV按照预定行驶路线运行，下面主要分析普遍使用的电磁导引与尚在完善阶段的图像识别导引。电磁导引相对于GPS导引与图像识别导引较为传统，使用的频率高。通过在AGV的运行路线中埋设金属线，以金属线加载导引频率，从而控制AGV的导引方式。图象识别导引在当前军事化技术革新中占据很大的比例，通过对行驶区域内的环境进行图象识别，从而实现AGV智能的操作行驶虽然此项导引技术只是停留在研究阶段，并未产生适用性广的AGV，但是对军事方面的发展作用影响特别大。当前AGV导引技术还在不断地完善当中，类似于GPS导引、超声波导引在实际应用中的频次低，造价成本高，适用于专业生产与特殊环境，因而其实用型AGV的数量较少，但是不能忽视这部分导航系统的研究，因为高精度高标准的控制系统对将来的科技发展会起到极大的反作用。⑷供电系统：区别于一般的机器供电系统，AGV的供电系统完全采用自动化的操作方式，由智能化控制充电和非智能化的充电模式构成。智能化充电模式是指当AGV内部的电池容量消耗程度低于正常标准时，则AGV车体会自动产生充电信号，通过与控制台的调配，指定AGV停留在确定位置，完成充电任务，当AGV车体的充电任务完成后，系统会自动地断离吸合的开关，AGV自动恢复工作状态。非智能化充电模式主要是依靠现场操作技术人员的调配，当车体内部电量不足时，由工作人员连接充电站与AGV单机之间的充电装置，完成充电任务。⑸安全系统：AGV在实际运行中容易发生追尾或者碰触等情况，因而需要在车体两侧装置安全保险防护装置。当防护装置内部的传感器接触到异物或者不明力量时，则自动停留或者向外界发出信号，确保AGV能够完成正常的运行轨迹。一般在AGV车体上装置的安全接触器为保险杠、报警显示灯、恢复按钮等，促使AGV车体在异常行驶状态下做出有效的调节，恢复正常的运行。2.3AGV的行走机构AGV的行走机构关系着车体整体的运行情况，制约着AGV实用性能。随着现代AGV研究力度的加强，对自身行走机构的要求也变得越来越高，由早期的单向运行到现在的加速、减速、前进、拐弯、后退、停止等运行，AGV的行走机构得到了质的改善。当下AGV生产所采用的行走机构一般分为两轮差速行走机构、三轮行走机构、带舵轮的四轮行走机构，各自具备不同的特点，企业选用的标准不同，也造成AGV的生产规格不同。特点类型两轮差速的行走机构三轮行走机构带舵轮的四轮行走机构结构原理简单简单较复杂可靠性高高高成本低低较高机动性可进行前进、后退，通过控制；两侧驱动轮的转速控制转弯手动操作完成前进、后退、转弯。自动运行中单向行驶，转弯会便宜预定的导引线路，发生打漂。自动运行中全方位行驶，转弯时贴合导引轨迹，适合狭窄甬道作业环境三轮行走机构示意图四轮行走机构示意图由上面两幅示意图分析可以看出，四轮行走机构是在三轮行走机构基础上完善形成的，通过对车体的对称性研究，控制车体几台，从而使AGV在运行中更加灵便，适用于各种作业环境。2.4驱动系统的研究驱动系统是AGV整体的核心组成部分，是完成整体运动机能的有效载体。为了实现AGV本体的预定功能，需要对AGV总体结构进行细致的了解。如下图所示：1――安全防撞机械挡板2――控制箱3――驱动轮4――电瓶5――安全传感器6――控制面板7――牵引板8――光电开关9――无线网卡10――站点传感器11――辅助支撑定向轮12――辅助支撑万向轮13――导向磁条从示意图中可知，AGV车体包含的驱动系统直接影响到整体的运行定位情况，而且不同的驱动系统对AGV的性能发挥起到关键调节作用。2.4.1驱动方式的分类作为AGV运行的执行机构，驱动系统主要由控制系统所输出的信息命令完成行走或转向等控制命令。按照AGV的驱动系统性质与类型划分为非全方位驱动转向系统和全方位驱动转向机系统。根据车体运动的定位定向，以及受运行路径的限制，定义为非全方位驱动转向系统。如果能够实现平面上全方位的运动姿态控制和方向位置确定的系统，称为全方位驱动转向系统。AGV内部的驱动系统选用与路况性质和车体承载标准做出不同地改变，而且AGV车轮的形状结构在不同的场合也有相应的不同。一般情况下，室内平坦路面适合选用实心轮，室外路面适合选用充气轮胎，轨道上适合选用实心钢轮。如果遇到特殊要求，需要采用全方位的移动轮，以符合任意方向移动的驱动系统。现下轮式移动机器人因为控制简单、运动消耗能量低、移动速度快、反应灵敏等特点应用的领域较广。AGV采用的轮式驱动方式的不同，装置的轮式移动机构可以分为导航驱动式和差分驱动式两种。导航驱动式是指AGV的运动方向和运动速度由不同的轮子和驱动器进行控制。差分驱动式是按照比例控制每个轮子的旋转速度，完成运动方向和AGV运动速度的改变。2.4.2传统驱动转向系统AGV驱动系统经过漫长的探究过程，逐渐在传统的驱动转向系统基础上进行革新。全面的分析传统驱动转向系统，需要得知驱动机构。根据车轮的数量来分为独轮机构、双轮机构、三轮机构、四轮机构。类型类型机体运行平衡控制运行原理实用情况独轮机构平衡控制难度大，平稳性差利用陀螺仪等传感器感知车体信息，反馈回控制系统。控制陀螺仪的加速减速过程的反力矩实现车体的姿态平衡适合平稳宽敞的路径双轮机构稳定性差用驱动电机给后轮提供运动动力、平衡控制机来控制车体的平衡、转向伺服电机控制前轮从而控制车体的运动方向。用平衡伺服控制器来控制车体的稳定，电机和陀螺仪等传感器是该控制器的主要组成部分，它是利用将与车体倾斜角度成比例的力矩作用在轴系上的原理来控制车体的平衡。适合平稳路面三轮机构稳定性较差通过前面的驱动轮实现车体转向和运动速度的改变，两个固定从动轮分布在车体轴线的两边起减震、辅助支撑的作用，无导向力。可以前进、后退、转角小于90°的左右转弯。抓地性好，对地表面要求一般，适用于广泛的环境和场合四轮机构稳定性高由两个驱动兼转向轮的作用，两个从动自由轮，实现车型的前进、后退、全方位（万向）行驶的目的对地表面平整度要求苛刻，适用范围受到一定限制，结构复杂，成本较高。比较四种类型的驱动机构，可以发现传统的驱动转向系统存在着众多的弊端。下面以四轮机构为主要分析对象。四轮机构车型是由两个驱动兼转向轮和两个从动自由轮作用，实现AGV前进、后退、全方位行驶的过程。图（a）前轮起着驱动和转向的作用，实现车体的拐弯，后面两个辅助轮，起支撑车体的作用。即前面的万向轮实现车体的转向，两个驱动电机分别控制两个从动轮的行驶速度。图（b）所示，电机为驱动轮提供运动的动力，车子的速度由驱动轮控制，驱动和转向是由两个驱动轮来完成的。图（c）所示，车体的驱动导向轮与车体的导向保持一致时，车体可在平面上移动。车体在行进过程中可控制车体姿态的全方位变化。但四轮机构对环境和场合有较为特殊的要求，对地表面平整度要求苛刻，适用范围局限性强，车体结构复杂，造价成本较高。图2-6双驱动机器人注明：图中为驱动电机，为随动轮组，为万向轮，为万向驱动根据四轮机构的驱动方式的变化，可以发现传统驱动转向系统存在一定程度的缺陷，对AGV整体的运行情况造成直接影响，在无形中降低生产效率。为了有效地分析驱动系统运行情况，需要针对驱动系统进行分析计算，以便更好的掌握AGV在实际运行情况的效率。2.5驱动系统的分析计算AGV的驱动系统是由直流电机、驱动电源与减速器构成。如以小车在行走过程中的阻力分析可知，根据力学平衡原理及匀速运动时受力分析，分析自动导航车驱动系统的阻力计算。在竖直方向，车体仅受到车体自身的重力G和大地对车的压力Fn，在车体运行的方向，车体受到来自地面的摩擦力Fm和风的阻力Ff，当车作加速度行驶时，车体还受到惯性力Fg，则得到力的平衡方程其中F为车体所受的总推力。1）摩擦阻力Fm摩擦阻力由车轮轴承阻力和车轮与道路之间的滚动摩擦阻力两部分组成。车轮轴承阻力F1：式中：P为车轮所受的轮压，整车重量为250N，四轮承载，故P=62.5N；D为车轮直径，D=80mm；d为车轮轴颈直径，d=8mm；μ为车轮轴承摩擦系数，滚动轴承μ=0.015.则有：设车轮与道路之间的滚动摩擦阻力为W2；不考虑其他因素，可得到：式中：Q为车轮载荷，因车轮为硬质材质，去Q=P=62.5N；f为路面阻力系数，参照混凝土地面，取f=0.015；则有：所以：2)风阻力Ff我们生产的AGV车大多用于室内，此时风阻力Ff=0，当AGV车工作与室外时就需要考虑风的阻力，流线型结构的风阻力计算：式中：A为车辆垂直运动方向的最大截面积，以车体高度和宽度的乘积计算，忽略车辆下缘与地面的空隙，A=0.4×0.25=0.1m2，V为风速，室内工作基本没有风，所以V去车速，则得到V=πDn=π×0.08×200/60m/s=0.8378m/sSg为风的比重，取值为0.0007kg/m3，Cd为风阻力系数，取值为：1.4则得到风的阻力为：3）惯性阻力AGV在加速行驶的过程中，需要克服其质量加速运动时的惯性力，即加速阻力Fm。设AGV从原地起步经过的位移S＝1m时，其车速达到Vt=1.1m/s，则AGV的加速度为：故加速阻力即惯性力为：F=ma=25*0.605=15.125N所以车体所受的总推力为：2.6双轮差速驱动的研究本文根据自动导航车的驱动原理：电磁给驱动电机提供电源，驱动电机的运动产生的驱动力带动整个车体机构运行起来，当车体运行至转弯处时，由减速器控制左右车轮的速度进而达到控制车体向左、向右转弯的任务。在汽车内饰输送线和后桥发动机输送线实际运用中，准确地分析双轮差速驱动导向。图2-8导向驱动平台广义坐标由上面导向驱动平台广义坐标显示可知，车体的驱动力与驱动系统的角度、速度成正比消长的关系，为了有效地调节双轮差速驱动运动情况，应当从运动学与力学角度展开全面的分析。2.6.1双轮差速驱动的运动学分析在进行双轮差速驱动的运动学分析时，应当对机器人移动平台做出如下假设：（1）平台具有刚性的外壳，且两个轮子不变形；（2）轮面与接触面垂直并保持点接触，忽略所有轮厚度对平台的运动影响；（3）轮子与接触免检不发生与轴向平行的华东，而发生绕轮轴方向的纯滚动；（4）平台在二维平面内运动；（5）两个驱动轮具有相同的尺寸，且两轮轴心连线同平台的前后运动方向相垂直。移动平台的位姿可由广义坐标向量表示，其中为平台参考点P在二维平面内的投影坐标，θ为平台的航向角，即平台前进方向同坐标系X轴之间的夹角，两驱动轮之间的轴向间距为d，驱动轮半径为r，轴间连线的中心点为M，其坐标为；参考点P同M之间的距离l，直线|PM|同平台中轴线之间的夹角为β，两轮的旋转速度为WL和WR，由图可得：对上面两个方程的左右两端分别对时间t求导得：(1)对于图所示的平台，可将两个驱动轮简化为居于轴连线中点M处的单个驱动轮，则该虚拟单轮系统所受非完整约束为(2)结合⑴和⑵可得：(3)该式即为利用参考点P的坐标和航向角θ作为广义坐标对系统进行描述下的非完整运动约束方程。再由左右两轮的旋转速度分别为WL和WR，则得到以下关系：(4)再由(5)由①④⑤，可得：（6）即：(7)当P为M点时，上面方程简化为：（8）及（9）由上诉运动学模型可知，移动平台的广义坐标向量有三个分量：x，y和θ，而平台的控制分量只有两个驱动轮的旋转角速度WL和WR。平台在运动过程中，约束方程始终满足，这意味着平台运动的瞬时速度方向和平台朝向完全相同。平台方向的改变只能通过两个轮子之间的速度差值实现，而平台的运动轨迹则是由一系列绕瞬时圆心旋转的小段圆弧组成。该系统的可控制性可借助于类似于单轮系统的方程得以证明。转弯半径R的计算由式⑷和⑸可知，M点的线速度和角速度分别为：(10)（11）因为，可得平台M点处的转弯半径：（12）由12式可以看出：当时，旋转角速度，转弯半径为无穷大，平台做前后方向上的直线运动；当时，转弯半径等于0，平台围绕M点做原地旋转运动。转弯半径可以从0到无穷大变化，这是双轮独立驱动的一个显著特点。2.6.2导向驱动轮运动学的研究通过对导向轮和驱动轮进行同步控制实现导向驱动轮式平台的运动。通常将导向轮放置在平台前端位置，起到控制调节平台的运动方向的作用。导向驱动轮运动原理可以简化为处于前端中间未知的单轮导向方式，如下图中平台前侧中的虚线轮所示。驱动轮提供平台运动所需的动力，既可以安放在平台后端，也可以安放在平台前端，使前端轮成为同时具有导向和驱动功能的复合轮。图2-9导向驱动平台广义坐标1)后轮驱动假设沿平台中轴线方向上驱动速度为vd，导向轮的旋转角速度为wg，则根据上图所示的几何关系，有下式成立：（1）由于采用后轮驱动，可以确定为：（2）根据式①与②，可得：（3）（4）因此，平台以任意点P为参考点的运动学模型可最终确定为：（5）如果参考点选为M，则可简化为（6）式中，vd和wg为系统输入的驱动速度和导向角速度。在式⑸和式⑹中，如果，则方程中的第一个矢量场不连续，从而成为系统的一组奇异点。此时，前轮轴线和平台中轴线互相垂直，导致平台运行出现“自我堵转”的现象。在现实中，导向角度经常受到机构本身结构的限制，并且本身能够独立控制，故这些奇异点对系统的整体性能影响不大。2)前轮驱动如图2-9所示，如果前轮同时具有导向和驱动两种控制输入，则驱动速度vd的方向始终处于前轮的轮面平行轴线上。故平台的航向角速度θ和导向角速度φ可分别确定为：（1）又（2）由此可以计算出P点的各速度分量分别为：（3）（4）结合式⑴⑶⑷，可得出系统以P为参考点的运动学模型为：（5）若选择M点为参考点，则上诉模型可简化为：（6）由⑹式可以看出，后驱动轮中所出现的奇异点在前驱动方式中不复存在，在实际情况中，当时，M点个速度分量为0，平台将以该店进行原地旋转操作。2.7本章小结本章通过对AGV的分类、系统组成、驱动原理、行走机构、双轮差速驱动的运动学分析及导向驱动轮的运动学分析为主要分析方向，从而透彻地分析差速转向式AGV的运行情况。特别是针对驱动系统中的各种驱动平台运动模型进行详细的描述和分析，总结在不同运动状态中的AGV驱动形式，为有效地控制驱动平台的运行提供实验数据与理论基础。第三章导航和定位的研究导航与定位的研究是AGV系统的重要组成部分，为了确保AGV沿预定路线行驶，就必须加强对AGV导航系统的研究。近年来，关于AGV导引技术的发展取得了极大的飞跃与成就，为革新AGV系统的创新发展提供借鉴指导方向。3.1导引方式导航系统对于AGV车有效的定位与导航有着重要的作用，导航系统的导引方式分为两大类：车外预定路径的导引方式和非预定路径的导引方式张辰西贝，黄志球.自动导航车(AGV)发展综述[J].中国制造业信息化，2010.1.。车外预定路径的导引方式是指通过在运行路径上设置导引的信息媒介物，AGV经过时自动检测导引方式和信息，从而完成正确的行驶要求，一般车外预定路径导引方式有磁带导引、电磁导引、光学导引等形式。非预定路径导引方式又称为自由路径导引方式，一般是在AGV中储存相应布局的尺寸坐标，系统自身通过识别车体当前方位以及路径状况，从而完成自主决定行驶路径张辰西贝，黄志球.自动导航车(AGV)发展综述[J].中国制造业信息化，2010.1.加强对AGV导引技术的研究工作显得十分必要，当前针对这方面的研究也表现得相当积极活跃，主要由以下几个方面可以看出：设置机动灵活的路径；从路径简单易行角度出发，变更传统行驶路径；提升路面环境的可变性与适应性；实施精确检测位置与方位值，提升AGV导引性能；加强关于AGV感知与避障性能的智能化研究；从长远发展角度出发，降低AGV系统对中央计算机的控制调节的依赖性，增强信息通信功能，尽快实现人机对话的发展前景；有效地协调多台AGV的工作能力杨甜甜，刘志远，陈虹，裴润.移动机器人编队控制的现状与问题[J].智能系统学报，杨甜甜，刘志远，陈虹，裴润.移动机器人编队控制的现状与问题[J].智能系统学报，2007.8为保障AGV导航系统的飞跃发展，实现以上几种技术革新要求，设计生产人员应当有效地把握关键操作技术，更好地适应生产发展的需要。如掌握高精度低成本的方向、位置检测方法，具备必要的信息通讯手段，有效地处理、识别图像，实现自动转换器的实用发展要求，提升多台AGV操作控制技术，从而真正地将AGV导航技术落实到实处。3.2预定路径方式通过对AGV预定路径引导方式的研究，可以深入了解分析不同导引技术在试验测量与实际应用中的差别，及时地反馈各种信息，完善针对导航系统中预定路径引导方式设置的合理性，降低因设置方式及技术经验的不到位产生的运行失误情况。3.2.1车外连续标记(1)电磁导引电磁导引方式需要在地面开槽，埋设电缆，接通低压、低频信号，在电线周围产生磁场。通过电磁波对AGV产生引导作用，完成行预定路径中的引导问题。电磁引导是当前在AGV领域应用最为广泛的一种导引方式(见图3-1)。图3-1电磁导引原理图由上图显示的信息可知，当位于引导电线两侧的两个感应线圈发出的磁场，当运行中的AGV车在预定路径上行驶时，可以感知偏差检测装置中输出的导引频率，通过识别不同的导引频率，进而完成相应的导引环节。一般而言，引导电线中的电流控制在200mA～300mA的范围内，产生的导引频率为2kHz～35kHz，这些数据是经过反复试验磨合，从而完成一系列的操作导引。(2)反射式或磁带导引1)反射式导引。反射式导引是通过在路径上铺设完整的一条由发光材料制成的反光带，或是在预设路径上涂抹具有反光效果的颜料，并且在AGV车体底部装设自动反光检测传感器，通过偏差检测装置控制AGV车体的驱动电机，完成车体前进、后退的方向。如下图所示：图3-2反射式导向由上图显示可知，在反射式导引方式中，光源反射对整个导引作用起到很大程度上的影响力。由于反光材料的应用致使AGV车体自动辨别接收信息，完成导航系统中的作业操作。2)磁带导向磁带导引方式主要是通过平均排布磁导航传感器的采样点，在距离AGV车体近20mm—40mm的范围内，铺设宽度约30mm—50mm，厚度为1mm的磁条，利用磁场偏差测定磁条上方100gauss以下的微弱磁场，从而控制驱动转向电机从而达到调整车辆行驶方向的目的。如下图所示为磁条导向的导引图，主要是依据磁场感应的原理，完成整个AGV车体的导引环节。图3-3磁条导引根据上面图片中战士的磁条导引可知，在AGV车运行的轨迹边上，有三条不同颜色连续间隔的短磁条与磁条轨道垂直，这种短磁条称为地标磁条，主要起到控制AGV车的加速、减速、停止，或者开合障碍物检测传感器等方面的作用。根据试验数据研究表明，三条短磁条的间距应当维持在在55mm到65mm的区间内。根据磁条顺序的车别，所能起到的作用也不尽相同，如下图所示：磁条顺序作用S-N-N高速S-S-N中速N-S-N低速N-S-S停止N-N-N打开障碍物传感器S-S-S关闭障碍物传感器S-N-S打开远端传感器，关闭近端侧位传感器地标在AGV车的运行的过程中起到改变车体运行状态的作用，如果在AGV车运行的过程中，关闭电源，或者碰撞车体的保险杠，可能并不能强行将AGV车停止，车体可能会按照预定的设计继续前行。3.2.2车外间断标志由于车外间断标志与跟踪方式多种多样，如以反射板、玻璃球为主要载体的间断标志，所能起到的引导效果也未必相同。当下设计产生一种基于视觉导引的自动导向小车（简称V-AGV），根据检测预先断续地铺设若干反射板或引导标志自动识别或判断路径(见图3-4)，有效地达到导引性能。。图3-4AGV的视觉导引法如上图所示，视觉导引法以图像识别来调整路径，通过前进用的摄像机检测到的远视野信息，从而判断车体是否异常；通过前进用的摄像机检测到的近视野信息，有效地读取条形码、车体的恒变位、姿态角等信息；通过左右轮转数检测数据和条形码信息，完成计算条形码间自主行走的数据任务。3.3非预定路径通过对AGV非预定路径引导方式的研究，可以深入了解分析不同导引技术在试验测量与实际应用中的差别，及时地反馈各种信息，完善针对导航系统中非预定路径导引方式设置的合理性，降低因设置方式及技术经验的不到位产生的运行失误情况。3.3.1激光导引AGV非预定导引方式中包含的激光导引又分为光扫描导引、信标方式导引，在非预定导引方式中起到不可替代的作用。(1)光扫描导引光扫描导引方式主要是通过计算机对从高处投至的光束沿着路径从进行扫描，根据扫描角度及扫描装置标号，从而检测出AGV运行的精密位置(图3-5)。图3-5光扫描导引光扫描导引方式可使用于路径变换范围广的情况，而且这种导引方式操作简单，只需对光束的位置进行有效地吸收与转换，就能极好地控制AGV车体的行程与方向。(2)信标方式信标方式又称为激光导航，主要是在AGV车体运行的路径上设置众多标记，从标记主动发射的信号，提供关于信号的相关信息。如下图所示，信标方式的设置必须寻找对应的信标位置点，可以根据路径的方向机位置信息，通过利用三角测量原理，从而计算出AGV车体现在行驶的位置。图3－6利用激光导航方式的高精度位置检测原理标记可用再现反射体(直角棱镜等)，激光或红外线被优先采用于扫描射线。由求得的两组两个再现反射体之间的开度角计算出现在的位置、方位，这种方法称为激光导航法。标记设置简单、廉价，精度也非常好。图3-7信息分析原理图3-7中参数的计算式如下：式中：代替检测多个信标方向的方法，是通过从一个地方的信标发出扫描激光光束，用AGV上若干个传感器来检测的方法(称为激光信标方法)。采取这种方法，在作为移动物体的AGV上设置的3个传感器，如果都接收到激光站(即使是一个)的光就能检测出位置，即便存在很多AGV，如果某AGV上的3个传感器能接收到信标发出的光，这个AGV就能进行高精度的位置检测。这种位置检测法是强噪声检测法，可作为用于自立分散型群控AGV的高精度位置检测。3.3.2数字地图引导对于路径情况复杂多样，可以通过数字地图引导方式完成AGV车体的行驶。首先将完整的路径复制在数字地图上，利用中央核心计算机的指令规定路径的设定，将串行数据输入计算机张，形成有效的人与机器对话的系统模式，十分贴近实际操作应用中的情况。这种数字地图引导方式是企业内部物流传输系统高度自动化的标志，能极好地适应各种路径。3.4智能引导智能引导方式有示教式和路径规划两种。示教式引导又称为初级智能引导，是指按照预定路径行驶过后，当即保留之前的行走路线。在随后出现的新的行走路线情况下，示教式引导会及时地反馈信息给中央计算机，从而调配主体计算机发出相应的指令，引导其他AGV车适应新路径的信息。路径规划时指按照试验过程中整合的相关数据，合理地规划出AGV车体应当行驶的路径状况，自动地形成无障碍行驶模式。3.5内饰线上的磁条导航的选择根据所参与的《华晨总装车间内饰KIT线和AGV运输线》的项目，综合考虑各方面的因素，如工厂实际场地的标准要求、不同导引方式的价格比、AGV车与引入项目之间的关系与作用等因素，决定选用磁条导引的方式。为了达到预期的理想效果，针对选用磁条导引方式，进行以下几点原因的概括：（1）场地地面环境下图是AGV导航小车实际应用于汽车内饰线上的行驶路线图，该自动导航车所在的工作地面环境为橡胶地面，表面光滑平整，所以对自动导航车的影响较小。可以归纳为自动导航车的工作环境很平稳，相对于其他导引方式来说，选择适合磁条导引比较科学，因为经过上文分析可知，磁条导引方式是几项导引方式中对路面要求程度比较高的一种导引方式，因而实际场地环境比较适合磁条导引。图3-8导航小车的行驶路径由上图可知，在实际操作中，场地中的障碍物较少，整个路径呈现规则化，方便于自动导航车的全程行驶。综合考虑各方面因素，特别是地面状况，采用磁条导引方式较为合理。（2）场地面积从实际测量的路面可知，实际的场地面积较小，并不适合大型的机械运转，特别是输送机的引用，将会给工作带来潜在的隐患。针对总装车间的场地范围狭小的特点，选择使用自动导航小车正是这种场地面积。而且自动导航车的灵活性适合在范围小的场地里运转。加上磁条导引方式铺设的技术要求并不高，因而根据实际车间面积选择磁条导引方式。（3）行驶路线的可变性从上图3-8可知，总装车间的实际情况相对来说并未造成自动导航小车的运行困难，但是实际铺设的路径必须根据路面情况进行有效的改变。由于选择使用磁条导引方式，因而在铺设的路径中的磁条导航传感器的采样点所发出的磁场信号，可以有效地纠正不规则的行驶路线，使自动导航小车能够自然地根据行驶路线的可变性，重新获得改变。避免因为难以更改路线的缺点，导致自动导航车存在一定工作上的偏差。拆装方便，造价低相对于其他导引方式来说，磁条导引方式的性价比比较高，造价成本低，能够有效降低生产成本，增加企业的生产利润。而且其他的导引方式一般经过装卸之后，就已经固定在原有的位置上，很难进行第二次的装卸。而磁条导引则能够装拆方便，无需花费过多的人力物力财力，特别是它相对于以往的输送路线价格低，因而获得众多企业厂家的认可和信赖。3.5自动导航系统试验设计自动导航车的运行细节主要由控制系统主导，包括对采集导航信息，处理碰撞信息、发射控制信息，引导车体的转弯与行进等作用。根据本实验中采用的磁条导引方式，可执行如下的操作流程：停止开始检测运行导航控制系统初始化运行操作停止开始检测运行导航控制系统初始化运行操作由示意图可知，在自动导航系统执行的流程中，引导方式系统、cincinnati传输系统必须通过自动控制系统起作用。车体在执行运行指令、数据采集、监控等动作时，由导航系统控制发送指令，以便获取运行区域中的环境信息。3.5.1导航系统硬件设计无线传输模块AGV导航系统主要是由控制器、控制软件等硬件设备，对AGV的各种驱动轴进行操控，以连接上位机对不同模块如中央控制器、无线传输模块、速度采集模块、电机控制模块、导航控制模块等相关监控，完成相应的任务指令。无线传输模块电机控制模块速度采电机控制模块速度采集模块中央控制器中央控制器导航控制模块导航控制模块中央控制器本实验中采用16位MC9S12DG128单片机，接口丰富，包括IIC,PWM,