差速轮自动引导运输车运动底盘设计与控制

胡振

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。

Abstract： With the increasing level of intelligence in China's industrial production and the continuous expansion and popularization of AGV applications， AGVs are in increasing demand in the industrial field. Guided by the actual needs of engine manufacturers， this article introduces the design process of the magnetic navigation two-wheel differential AGV chassis. The design process is based on the principles of scientific calculation and industry standards， and with the assistance of many years of AGV industry design experience， the design of this vehicle is completed， and has a successful application.

关键词： 自动运输车;磁导航;两轮差速;西门子PLC;运动控制

Key words： automatic transport vehicle;magnetic navigation;two-wheel differential;Siemens PLC;motion control

中图分类号：U469.6+2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0020-02

1  自动运输车简介

1.1 自动运输车（AGV）简介  AGV（Automatic Guided Vehicle）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]。

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

2.1.1 AGV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盤系上，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。

2.1.2 AGV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SMC60S-0040-30MAK-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-M5 i3，保证减速机输出端扭矩能满足2.3.1中的要求。

3  AGV底盘运动控制设计

3.1 电气件选择  主要电气件清单见表1。

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EPLAN Electric P8 2.7（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， SIMATIC S7-1200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”輪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"） THEN

IF  "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，當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.