智能物流导引系统的设计与实现

1 系统概述

　　智能物流导引系统由远程控制计算机及应用软件、机器人载计算机及控制软件、机器人本体、无线遥控手柄、机器人运行轨迹等部分组成。远程控制计算机及应用软件是系统自主运行和远程控制的核心。远程控制计算机硬件应带有USB接口，安装W IN 2000以上操作系统。应用软件安装在远程控制计算机上，软件内包含路径手动和自动编辑、路径生成与传输、运行控制、运行结果返回显示、远程命令控制等功能。机器人载计算机及控制软件是机器人自动运行的控制核心。RFlD读卡器连接在机器人载计算机上，远程控制应用软件通过无线数传与机器人载计算机控制软件进行无线通讯，机器人载计算机与机器人本体控制器间通过USB通讯端口进行通讯，实现对机器人姿态及信息采集和机器人运动方向、速度等控制。机器人本体由机器人单片机控制板模块、电源控制与管理模块、电机驱动与控制模块、传感器模块、按键与指示灯、电池及保护电路等组成。

2 智能物流系统的导引方式

　　自动导引车(Automatic Guided Vehicle，简称：AGV)按照导引方式可分为电磁感应导引、激光导引、磁带导引、惯性导引和视觉导引等。其中，电磁导引、磁带导引和惯性导引是传统的导引方式，目前仍被许多系统所采用。激光导引方式近几年发展较快，在国内外都有广泛的应用”。

　　RFID和光学导引是智能物流导引系统采用的全新导引方式。RFID和光学导引的基本原理是：在AGV运行的路径两侧或中心铺设与地面色差较大的轨迹， 并在关键点地下埋设RFID标签，在AGV上安装有光电传感器和RFID阅读器，通过光电传感器对轨迹的识别控制AGV前进。当左侧光电传感器脱离轨迹后，信号传至AGV控制器，AGV自动调整电机转速，实现AGV姿态和运行方向的调整。当RFID阅读器读到预埋的RFlD 标签后，根据标签内预先写入的坐标信息和AGV的任务路径，自动判断是前进、调头还是转弯，实现按规定路径作业。在AGV转弯过程中，根据AGV 上安装的电子罗盘判定当前姿态和旋转的角度，实现转弯或调头。

　　目前，国内常用的AGV主要采用电磁导引方式，这种导引方式属于传统导引方式，技术较成熟，AGV本身的成本低，工作可靠。其缺点是需要在运行线路的地表下埋设电缆，施工时间长，费用高，不易变更路线，这种电磁感应导引式导航方法目前在汽车行业和绝大多数商业化的AGV系统上使用。RFID和光学导引与原有导引方式相比较，采用RFID技术和光学色差比较技术实现，配合使用电子罗盘进行姿态判断，在导引方式上提出新的思路。这种导引方式，具有成本低，施工时间短，路线改变容易，自主性强和改变灵活等特点。

3 智能物流导引系统的组成及原理

　　系统是由机器人本体、机器人运行场地及RFID标签、远程控制PC机和应用控制软件组成。机器人本体包括机器人机械本体、运动及控制模块、蓄电池及电源管理模块、传感器信息采集模块、AVR单片机控制模块、单片机与机器人载PC机通讯模块、RFID阅读模块、无线遥控模块、机器人人工智能控制应用软件等组成。机器人运行场地为双轨色差场地，铺设有橡胶底面。远程控制PC机在机器人运行场地之外，采用无线控制方式实现对机器人控制。应用控制软件为人性化人机交互软件，实现对智能物流导引系统的控制与管理 。

　　现今的AGV基本上由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装置、控制装置和蓄电池等构成。其中，微处理器是车的控制核心部分，它把车的各个部分有机地联系在一起，不仅控制整个车的运行，而且还通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令，并不断把车的所处位置、运行状况等信息返回给地面站。通讯装置根据车的通讯方式不同可以分为：红外通讯、感应通讯、无线电通讯等。控制方式有手动和自动2种。在没有人为干涉的情况下，AGV的所有动作均来自于导向传感器对外界事物的感知。由此可知，传感器技术是AGV技术中非常重要的一环。机器人本体包括机器人机械本体、运动及控制模块、蓄电池及电源管理模块、传感器信息采集模块、AVR单片机控制模块、单片机与机器人载PC机通讯模块、RFID阅读模块、无线遥控模块、机器人人工智能控制应用软件等。机器人机械本体分为外罩和底盘2个部分。机械本体外罩由铁板加工而成，根据AGV的工作性质要求，采用无棱角设计，各个几何面均采用平滑弧线和倒角设计。传感器信息采集模块包括轨迹识别和探物传感器2种。轨迹识别传感器采用进口DC5V功率可调节光电反射式传感器，数字量输出：探物传感器采用进口小型DC5V功率可调节光电反射式传感器， 数字量输出。

　　RFID阅读模块为工业用RFID读写模块，实现发卡与读卡，是机器人导引和定位的主要采集模块。无线遥控模块采用微功率433 MHZ无线数传模块，实现与遥控器无线通讯。机器人载PC机(笔记本电脑)应具有1个RS232串口，2个USB2．0 口。RS232串口实现与RFID 阅读器通讯；USB 口分别实现与无线通讯模块和AVR单片机控制模块通讯。RFID及光学导引方式一个重要的特点就是场地可移植性。关键点下埋设有RFID标签，为克服机器人机械惯性影响，在关键点下埋设有冗余标签。用户可以根据环境和工作需要，按垂直、平行、冗余原则埋设坐标标签，即可将机器人运行场地任意移植和变更。RF1D标签表面印刷有标签1D号，便于客户登记、存档和编辑路径关键点RFID标签坐标。智能物流导引系统的电气部分硬件主要由CPU(MCU)、RFID输入、传感器输入、电子罗盘(陀螺仪)输入、按键输入、无线遥控输入、语音播放、指示灯、电机驱动控制等部分组成。智能物流导引机器人主控制板上有AVR单片机M EGA128、MEGA48， 复杂可编程逻辑器件(CPLD)语音功率放大电路，传感器变换电路，USB／UART转换电路和接口电路等。机器人的电源采用的是24 V镍氢电池组供电，考虑电池节能，电源模块部分设计有电源管理，最大限度降低无工损耗。机器人电源模块主要由DC—DC隔离、稳压、电源滤波、电源指示等部分组成，为机器人主板、驱动模块等各个部分提供电源。机器人使用的电机为大功率直流减速电机，采用了直流电机驱动芯片作为驱动核心，使用PWM 控制方式实现电机速度调节，为实现速度均衡调节和抗干扰，在机器人驱动模块中设计有继电器电路、可调电阻阵列和电源隔离电路。由于机器人电机功率较大，工作电流较高，电机驱动芯片温度过高，为保证模块寿命和工作稳定性，机器人驱动模块采用金属外壳封装，内安装有散热片 。

　　智能物流导引系统体积大、质量重，正常运动过程中速度较快，为避免因有物体挡住机器人运动路线受到机器人撞击，在机器人本体前方安装一对传感器，因场地环境复杂，为避免误检测障碍物，避障传感器检测距离调节较近 。避障传感器受障碍物体颜色影响较大，当障碍物颜色为深色，检测距离最近；当障碍物颜色为浅色，检测距离最远。智能物流导引系统具有电源模块管理功能，在机器人本体电源上电后，电气各模块电源都处于关闭状态，在机器人运行时，相应的模块按要求开启电源，从而实现电池消耗电量最低、使用时间最长。系统上安装有电子罗盘，用来确定机器人姿态和旋转角度。电子罗盘通过感应地球磁场偏角，判断自身转动的方向及行走方向。

　　电子罗盘计算出的数据由单片机读出，通过12C协议传输给主控模块。智能物流导引系统本体上安装有前左、前右、后左、后右、前下左、前下右6个传感器。下部2个传感器为轨迹识别传感器，实现机器人对设定的轨迹识别，辅助完成机器人在规定轨迹内运动功能。前后传感器为避障保护传感器。智能物流导引机器人使用分为软件设置、软件控制、软件监测、硬件启动与遥控控制等几个部分。智能物流导引系统运动可分为自动和手动，自动是要在事先设置的轨迹范围内，根据特定的程序控制运动；手动是通过遥控器控制机器人运动。当机器人本体电源开关打开后，机器人运行方式默认为自动。使用上位机控制软件设置机器人运行路线后，通过无线传输将上位机控制程序传输置下位机，由下位机控制软件将上位机程序转换为机器人控制命令，在接收到上位机自动运行命令后，控制机器人按上位机程序运行。智能物流导引系统的探物传感器为探测距离可调节传感器，基本工作原理为光学反射，所以探测距离受光线和障碍物颜色影响，使用时应根据现场情况进行微调。智能物流导引系统是将RFID技术与现代智能机器人控制技术紧密结合的新型高科技产物，是RFID技术应用领域的创新，是传统AGV导引方式和技术应用领域的突破。