基于红外传感器与压电电缆AGV综合防护系统研究*

覃才珑，林义忠，黄文玲

（1．广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004;2．广西大学计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004）

0 引言

自动导引小车（AGV）是指按照预先规划行走路线进行一系列自动作业的智能化搬运机器人，工作范围广，工作环境复杂，需要各种避障和防撞传感器为工作过程进行安全保护。AGV的避障传感器通常采用非接触类传感器，如超声波传感器、激光传感器等［1］。由于超声波本身性质，在工作空间较为狭窄，或货架较多的仓库或生产线，声音信号经障碍物过多反射使得误信号增多，不太适合这类工作环境应用;激光传感器探测精度高，但其价格过于昂贵，不方便实际应用。国内外对防撞保护通常选择防撞传感器，此类传感器一般采用机械结构设计，配置触动开关。由于其采用机械结构设计，AGV与障碍物发生碰撞时产生碰撞力较大，有时会对AGV或者被碰撞物产生较大损坏。

针对以上问题，本文提出采用红外传感器和压电电缆作为AGV避障防撞传感器。由于红外信号不会因工作空间复杂而发生多次反射，且具有类似激光传感器高精度、高灵敏、价格低廉的特点［2］，可满足AGV避障要求;压电电缆对扰动信号反应灵敏，触发力度较小，设计安装简单。经测试，红外与压电电缆构成综合防护系统具有较高灵敏度和良好的保护性能，符合实际工作要求。

1 AGV红外传感器与压电电缆工作原理

红外传感器由红外发射管、红外接收管及检测回路构成，通过红外发射管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光;接收管接收的光强随反射物体的距离变化，据此判断前方是否有障碍物，并根据接收信号强弱判断物体的距离［3］。

压电电缆通常采用PVDF压电材料制作，由金属编织芯线、压电材料和金属外壳制成同轴结构。当电缆受到振动、挤压、弯曲等扰动，利用压电材料性质，挤压产生电荷Q经电荷放大器放大

经放大后的电荷信号经过一系列放大稳压过程，最终反馈到 AGV 控制系统［4～6］。

2 AGV综合防护系统总电路设计

AGV安全防护系统总电路设计主要分成两部分:1）红外避障电路设计;2）压电电缆防撞电路设计。

2．1 红外避障电路设计

安全防护系统红外避障电路设计如图1，在安全避障电路设计采用4只红外开关。电路采用NPN开路设计，红外发射管发射红外光，若前方无障碍物，接收管没有接收到反射的红外光线，接收管管内截止，输出端输出为高电平;若前方存在障碍物，接收管接收到障碍物发射回来的红外线，管内导通，输出端接地，输出低电平。调节调距电阻器改变发射管的输入电流大小可调节检测距离，整个电路设计简单，信号输出稳定，响应时间快。

图1 红外避障电路Fig 1 Obstacle avoidance circuit of the infrared sensor

2．2 压电电缆防撞电路设计

压电电缆电路设计如图2所示，压电电缆当受到挤压或者碰撞的情况，产生的微小电压UQ，经过分压电阻和电路滤波后输出电压Uo1为

式中UQ为电路中12 V电压输入;Uo1为压电电缆输出的电压值。

图2 压电电缆防撞电路Fig 2 Collision avoidance circuit of piezoelectric cable

经第一次放大的电压信号稳定性较差，为获得较好的电压信号采取在第二级放大电路加入电容PI调节，通过PI调节减小系统信号振荡，提高信号平稳性。因此，经过PI调节第二级放大电压Uo2

式中i9为经过电容C9的电流。

放大Uo1带有噪声干扰，使得信号尽可能带入干扰信号较少。第三级采用滞回电压比较器，当Uo2+U5＞U6=5 V，第三极放大电路输出饱和电压

因为滞回电压比较可使电平交换加快，所以，系统响应速度快，提高抵抗电路抗干扰能力。电路可通过调节U5电压值调节电路的灵敏度，最后放大的电压Uo驱动一个小型继电器K1，通过继电器的闭合实现信号高低电平翻转，使得输入AGV控制系统的信号物理上进行信号滤波设计，使得最后的信号更为可靠。

压电电缆采用与海绵或其它缓冲物包裹形式在AGV包裹车体周围。在AGV行驶碰撞到物体时，包裹的缓冲物既能在保护碰撞过程物理上的破坏，同时因为缓冲过程使压电电缆变形量增大，产生信号较为稳定，消除误干扰。

3 实验与结果分析

按上述设计的AGV，总质量为125 kg，行驶速度最高为12 m/min。实验测试软件采用QLV型多功能虚拟式分析仪器库（包括 QLVPR—3波形显示记录仪和 QLVSA—3型FFT频谱分析仪，由重庆大学测试中心开发），32位PCI总线，14位分辨率采样频率可设置，最高采样率250 kS/s，采样点数连续可调，最高达2 048点，输入电压范围:±5 V。分别对红外避障系统和压电电缆防撞系统进行信号采集和数据分析。

3．1 AGV红外避障实验

AGV红外避障刹车实验原理如图3所示。AGV采用不同的速度行驶，当红外传感器检测到障碍物时，AGV控制系统进行刹车处理，通过测量AGV刹车距离可反映整个红外避障系统是否反应灵敏，是否满足留有足够空间距离来保证不与障碍物发生碰撞工作反应能力和稳定性，实验实际过程如图3。

红外传感器标定测量距离为0．80 m，AGV在50 kg负载行驶速度选择不同速度行驶，每个不同速度测试10次，获得平均刹车距离d（d=D－l）和AGV停止平均响应时间进行列表，结果如表1。

图3 AGV红外避障实验原理图Fig 3 Principle diagram of AGV infrared obstacle avoidance experiment

表1 AGV红外避障系统不同速度刹车距离Tab 1 The braking distances at different speeds of AGV infrared obstacle avoidance system

实验表明:满载行走AGV红外避障传感器探测障碍物时有效平均刹车距离为0．025 m，最大值为0．041 m（见表1），在实际应用中正常速度一般不达到10m/mim，因此，该红外避障系统可保证刹车距离能在0．05 m范围内，实际响应平均时间0．28 ms（图4）。在实际工作过程AGV探测障碍物避障要求大于0．5 m，并且一般AGV常用超声波传感器的探测距离通常在0．5～1．2 m之间，响应时间为5 ms（以德国CANKEY公司U系列超声波，其响应时间为5～10 ms，倍加福UB500系列，响应时间在50 ms以内），红外传感器响应时间比超声波传感器缩短了94%，因此，在相对复杂需要高应急能力工作环境下，红外传感器可替代超声波传感器作为AGV的非接触类避障传感器。

图4 红外避障系统检测到障碍物时输出信号变化Fig 4 Output signal changes of infrared obstacle avoidance system when obstacle is detected

3．2 AGV压电电缆防撞系统碰撞力与灵敏度实验

当AGV行驶过程中发生碰撞情况，控制系统必须判断该碰撞是否会产生对车体，或被碰撞的物体物理上损伤，及时报警并停止当前运动阻止碰撞加剧。实验原理如图5所示，AGV车体外围裹覆防撞缓冲物，压电电缆包裹在里面，与S型力传感器进行碰撞，通过采集碰撞过程传感器输出电压变化计算碰撞时力的大小，同时将压电电缆响应输出信号进行采集分析碰撞过程中压电电缆输出信号关系。

图5 AGV压电电缆碰撞实验原理图Fig 5 Principle diagrm of AGV piezoelectric cable collision experiments

对AGV防撞系统识别灵敏度和碰撞力检验，本实验采取将AGV以不同速度对装载有传感器的固定物体进行碰撞力与响应时间实验。传感器选用S型拉压传感器，量程100 kgf，激励电压输入为10 V，输出灵敏度为2．0 mV/V，综合精度0．2%～0．5%。实验过程，因传感器输出电压值较小，所以，传感器输出要采用电压变送，变送输出值0～5 V，实验以与障碍物发生接触开始计时采样，每次不同速度均测试10次，10次平均测试值如表2所示。

表2 AGV压电电缆防撞系统碰撞力与响应时间Tab 2 The collision force and response time of AGV piezoelectric cable collision avoidance system

通过表2可知，AGV压电电缆防撞系统响应触发的碰撞力传感器均值输出为2．030 V，换算为本实验AGV加速度为3．19 m/s2，碰撞力为40．6gn（gn为当地重力加速度），最大碰撞力为44．18gn，对一般碰撞不会造成损坏。通常AGV常用压电机械式防撞系统触发阈值一般为100gn（以由中国电子科技集团公司第十三研究所生产MCS001～004系列碰撞传感器为例，触发最小开关力度为70～100gn;其他常规碰撞传感器设计均在100～1000gn范围［7，8］），因此，压电电缆防撞系统比常规压电机械防撞系统灵敏度要高59．4%，更能有效保护AGV车体和被碰撞物。

4 结论

本文提出了基于红外光电开关传感器来设计避障系统和基于压电电缆的防撞系统，并给出系统电路设计和实现。实验结果表明:红外传感器与压电电缆构成的AGV安全防护系统可以满足工业应用的要求，响应时间比超声波传感器缩短了94%，所驱动的车体在发生碰撞时碰撞力比压电机械式系统减少了59．4%。整个防护系统设计生产成本比较低，安装方便。现整个安全防护系统已安装并调试完成，并在实验AGV上运行，整系统运行良好，碰撞、避障防护均达到实际运行要求。

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