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摘要：自动导引运输车AGV凭借其安全、可靠、高效和灵活的特点，成为适应当今物流自动化发展的新型物料搬运方式。基于西门子S7-200型PLC和磁导航传感器设计了一种大载重量磁导航式AGV，详细介绍了其车体构成、硬件选型和主要控制程序设计方法，AGV现场运行情况和性能良好，具有广阔的应用前景。
0 引言
自动导引运输车（Automated GuidedVehi-cle）是一种新型物料搬运方式，具有高效、安全、可靠、灵活等特点，适应当今物流自动化的发展需求，具有广阔的应用前景。
本文以横向项目“安全遮拦收放车”为研究背景，根据项目要求，车体的载重量应不低于700 kg，且车体的尺寸需符合工作现场特定要求。目前市场上销售的AGV载重量一般在100 kg左右，载重量大的AGV车体尺寸不符合项目要求且价格昂贵。为此需要研制一款新型AGV，对AGV车体及其导航控制系统进行设计和开发。
1 AGV总体设计
考虑到AGV对承载能力的特殊要求，以及工作现场对车体转弯半径的要求，AGV驱动底盘采用中间双轮驱动，四周万向轮跟随的六轮结构。设计的磁导航AGV总体布局如图1所示。AGV长1.7 m，宽1.1 m，高0.35 m。中间驱动轮采用充气橡胶轮，增加减震效果的同时增大了摩擦力，避免车轮打滑。驱动轮为两两一组，进一步增大了磁导航AGV的承载能力。万向轮采用硬橡胶轮，可减轻驱动轮的承重负担。由于直流无刷电机具有重量轻、体积小、响应迅速、出力大、力矩稳定、转动平滑，而且后期不需要维护等特点，因此选择功率为1.5 kW，额定转矩9N·m的直流无刷电机作为驱动电机。底盘前后各安装一个磁导航传感器，用于检测铺设在地面的磁条，磁导航AGV沿着磁条运动，主控制器根据磁导航传感器的检测信息及时改变各驱动轮的运动速度，实现AGV的自主循迹和导航。AGV前后各安装一个超声波传感器，以实现避障功能。
2 AGV控制系统硬件设计
AGV控制系统主要由中央控制单元、驱动单元、检测寻迹单元、人机接口单元等组成，如图2所示。
传统的AGV小车多采用单片机为核心的控制系统，虽然其集成度和性价比较高，但其算法和可靠性验证困难，开发周期长，且不便于系统功能扩展。为此本文采用西门子小型PLC作为AGV的中央控制单元，具有很高的可靠性、可扩展性，体积小且编程简单。考虑到无线通信模块和触摸屏与控制器之间各需要一个串口连接，光电编码器由于输出脉冲频率较高，需要控制器提供两路高速脉冲输入口，兼顾系统总的输入输出点数的要求，选择西门子57-200系列的CPU226模块作为系统主控制器。由于改变AGV驱动轮的转速需要控制器提供2路可调的0-5V模拟电压信号，系统除了CPU模块还需要扩展一个模拟量输出模块EM232以满足需求。
AGV驱动单元由电机驱动器、直流无刷电机、蜗轮蜗杆减速器、光电编码器和驱动轮组成。电机W动器接口电路如图3所示。模拟量模块EM232输出0～5V程控模拟电压信号给电机驱动器，驱动器根据输入电压指令信号调整PWM信号的占空比，使驱动器输出直流电压发生改变，从而改变电机输出速度。由于直流无刷电机自带的霍尔传感器输出脉冲数太少（4个／转），当电机转速较低时会引起较大的转速测量误差，为此选择欧姆龙的600线光电编码器E6B2-CWZ6C作为测速传感器，为了安装简便和空间考虑，光电编码器直连到减速器的输出轴上。为了避免信号干扰，影响转速测量精度，光电编码器输出与PLC高速脉冲口之间通过光藕PC817进行隔离。由于车体载重量较大，为了增加驱动轮的输出转矩，电动机轴依次经过蜗轮蜗杆减速器（25:1）和链条（2:1）进行两级减速后再作用到驱动轮，降低输出转速的同时，提高了驱动轮的输出转矩，保证了车体运动的灵活性。
检测寻迹单元采用的是基于霍尔传感器原理的磁导航传感器CCF-D08，该传感器具有8路输出，8个点位均匀分布，点间距10 mm，输出采用集电极开路形式。由于磁导航AGV在工作时需要完成前进和后退等动作，因此需要在磁导航AGV底盘的前后两侧各装一个磁导航传感器，前进时采用前磁导航传感器，后退时继电器切换到后磁导航传感器。
3 AGV控制系统软件设计
控制系统软件基于STEP7编程环境下，采用梯形图进行编写。系统上电后，主程序先对自由通信口、高速脉冲计数器和所用中断进行初始化操作。遥控器对按键进行编码后通过无线透传模块发送至S7-200的自由通信口，PLC从自由口中断读取接收到的指令数据，并根据不同指令转向执行不同的操作，系统软件流程图如图4所示。
3.1轮速控制
其中：车轮直径d = 0.33 m，减速机减速比
I1=25，链条减速比i2 = 2。
在编程时，首先在主程序中对高速脉冲计数器相关控制寄存器进行初始化设置，并启动250 ms定时中断。速度闭环控制程序位于定时中断子程序中，即每隔250 ms刷新一次。单轮速度闭环控制程序梯形图如图5所示，其中HCO为高速计数器250 ms内测得的光电编码器输入的脉冲数；VD 104为电机转速设定值寄存器；VD108为电机转速测量值寄存器；VD 124为比例系数KP；VD 128为积分系数K1；AQWO为模拟量模块EM232的控制寄存器。
在进行PID参数整定过程中，为了延长电机的寿命，将TD = 0，即取消微分动作。启动电机观察电机运行情况，预设Kp的值，观察电机转速与目标转速的关系，若超调量过大，则调小Kp ;若转速需要达到目标转速时间过长，则调小Kp和K.L；若偏差难以消除，则增大Kp。经过多次整定之后，最终确定KP=1.3，Ki=4.8，TD=0。
