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摘 要：自动化运输是在组装、生产以及货运部门中优化物流组织中的关键点之一，它能够提供一个非常方便的条件以便于完成这项繁琐的任务，机械与电子技术之间的共同作用结合产生了AGV多功能多价值的产物。其包含了自动控制、信息处理及驱动技术等，能够在各种领域中尤其是物流业得到了许多认可与应用。本文结合以往学者的研究及相关资料查阅，提出了一种新的PLC控制AGV小车的方案设计与实现，能够较好地运用到生活中去，同时也为以后学者的研究提供了参考价值。
关键词：PLC;AVG;自动化
0 引言
根据我国现今企业生产技术的发展，相关技术水平在不断提升，对各种技术的要求也不断严格，即技术水平需尽快跟进生产需求，而且对目前流行的自动化技术同时需不断加深。AGV能够更好地实现生产需求，帮助物流自动化运输，是达成一条稳定的流水线的关键技术。AGV在现代物流系统中起着非常重要的作用。它可以将零件和各种原材料按照计划路线运输到需要的地方，不需要司机。目前，世界上每个制造大国都在不断改革物流结构，降低物流成本。AGV几乎可以应用于任何工厂环境，可以说它在制造业中得到了广泛应用。
在制造业领域，就亚洲范围来说，日本和韩国还是较为发达的国家，AGV作为一种先进的生产技术，其发展速度也是惊人的。此后，日本各大厂商意识到AGV技术的巨大生产潜力，都十分重视AGV技术的开发和应用，发展初期每年有数十台新的AGV机组投入使用。而经过几十年的发展，日本的AGV在产品规格、AGV型号、技术水平和自动化程度等方面都得到了完善。
1 系统设计思路
本设计对AGV的相关技术和控制原理进行了充分地研究和分析，总结了几种主要的AGV导航方式和驱动方案，并详细、全面地比较了各自的优缺点。结合实际需求，选择最佳方案。系统设计主要工作有：
以确保控制方案为基础，选择主要的避障模块、驱动单元、导航仪与PLC作为本次AGV小车硬件的主要设计。设计AGV的供电电路，安装安全装置。设计AGV的控制运算方案，通过运用STEP7来进行编写AGV的控制程序。
在前期工作的基础上，根据设计完成了AGV小车的安装和制造。车身制造完成后，将PLC连接到计算机上，将之前编写的控制程序下载到PLC上。对软件和硬件进行了全面的调试，对调试中出现的所有问题逐一分析解决，直到AGV能够按照设计要求稳定运行。
2 设计方案
2.1 控制系统及导引方式选择
AGV作为控制系统的“心脏”，承担着极其重要的任务，包括处理与信息的采集收集过程。它能够对驱动系统单元发出信号从而控制汽车的运行动态，并通过向驱动单元发出指令来控制汽车的运行状态，做出前进、停车、左转、右转等步进动作。所以需要根据预期的I/O点数、控制内容、指标等来选择合适类型的PLC控制器和相应的扩展模块。
AGV需要配备很好地实现自主导航，故其导航模式是必不可少的。AGV导航装置主要是由导航与其他传感器共同构成的，并且能够实现将路面数据转换为模拟量或者数字量。当前较为成熟的AGV導航技术包括磁带导航、GPS导航、电磁导航、激光导航等等，在这些导航当中，磁带导航是目前运用最广泛最为成熟的技术，即本设计中也同样使用磁带导航。
磁带引导是指在预驱动路径上直接铺设一条宽约50 mm、
厚约1 mm3 mm的磁带。磁带周围会形成一个固定的磁场。通过磁传感器采集磁场强度信号，实现汽车姿态的校正和汽车在预驾驶路径上的自引导功能。磁条可分为表面粘结磁条和埋置磁条两种，表面粘结磁条和埋置磁条都是由铁氧体粉末和合成橡胶复合材料粘结在一起，然后将这两种材料复合成新材料，通过挤出成型等一系列复杂工艺制成。这些磁条是柔软的弹性磁条，并且磁条有两个极性，相同的磁场和相反的磁场，因为在运行过程中需要分别使用相同的磁场和相反的磁场。
通过地面上的磁条由相应的磁导设备实时监测。如果AGV运行在正确的轨道上，磁导设备中的感应信号应向中间的几个信号发出信息。当AGV发生偏差时，磁导设备的感应信号也会发生偏差。AGV通过实时接收信号来判断AGV是否偏离路径。如果有偏差，AGV通过转向调节来引导。
2.2 差速驱动模块
AGV的差动驱动模块由两部分组成：弹簧悬挂机构和驱动模块底盘。当差动驱动模块位于磁道上方时，磁导航传感器会通过差动驱动模块检测到3～5个数字信号。通过其内部独立的数字信号通道，数字信号将被发送到PLC，由PLC对接收到的数字信号进行处理，分析和判断当前车身相对于磁轨的位置。如果磁道不在车身中间，则PLC将向差动驱动模块发送信号。该信号会不断调整两个驱动轮的速度，使两个轮以不同的速度旋转，从而使车身随时可调，直到磁道位于中央的行进方向。而一旦磁道到达车体中心，PLC就会加速。驱动模块发送信号，使两个驱动轮以相同的速度旋转，并且AGV沿着指定的轨道运行。AGV差动驱动模块本身作为标准化的机械机构，不能独立运行。这种差异速度驱动模块通常安装在四轮车的底盘下方，具有更强的稳定性和承载能力。AGV的底盘通过弹簧悬挂机构连接到驱动单元的底盘。通过弹簧悬挂机构的伸缩功能可以微调驱动轮的高度，此功能可保证两个驱动轮始终接触地面。因此磁性导航传感器可以随时收集磁道信号，同时它还可以始终控制AG的方向。差动驱动模块的安装和维护非常简单，另外，其操作可靠性仍然很高，并且转向速度快速且灵活。普通物料车经过简单修改后，增加了该驱动程序模块的安装也可以成为AGV。
2.3 驱动方案及供电系统设计
大多数采用双驱动模式的AGV都是四轮车型。AGV有两个驱动轮，两个驱动轮兼作方向盘。两个轮子都配备了电机，以提供动力输出，并可以自由转向，两个驱动自由轮保持平衡。这类AGV可以实现向前逃生、向后和全方位驾驶等功能，其最突出的特点是在驾驶过程中可以根据要求自由控制自己的身体姿势，可以实现直线、斜线运行。因此，它可用于狭窄的人行横道或运动方向非常明确的环境中。双驱动AGV的缺点与差速驱动的四轮AGV相似。它对地面的平整度有非常严格的要求。由于某些地面有突出物，很容易造成其中一个车轮悬空，使导航仪无法检测到磁导，影响导航，因此其应用范围受到一定限制。另外，双驱动机床的结构比单驱动和差速驱动更复杂，因此生产成本更高。 本次设计的AGV差速驱动是位于磁轨道的上方，能够导航传感器并将检测出的数字信号发送到PLC中去，继而PLC又将数字信号经过一系列的处理与分析小车与轨道之间的相对位置，PLC可以给差速驱动不断发送信号，从而不断调整小车的前进方向，使得AGV是沿着轨道正常行驶。
供电系统是整个AGV的电源保障，一般由蓄电池、充电装置和安全装置组成。AGV的整体电源是基于多对象的，可根据不同对象的电源需求提供电源。
本文设计中AGV小车采用了锂电池作为电源。选取锂电池有以下几个原因：（1）锂电池的储存能量高，可达到450 Wh/kg～600 Wh/kg。（2）锂电池使用的寿命较长，减少更换时的成本费用。（3）锂电池具有很好的温度适应性，能够承受的温度达到60℃以下正常工作。（4）锂电池充电速度较快。
2.4 避让方法设计
AGV小车的设计中包含设计了避让模块，它也是在小车行驶过程中一个必要的组成部分。当AGV小车在道路中行驶遇到一些障碍物时，其内部的避让模块会检测出障碍物的存在，并立刻发送信号到控制模块中，经过控制模块的分析，电机将立刻采取刹车，避免小车的碰撞从而造成不必要的损失。
本文设计采用了PX-2松下障碍物传感器检测系统，其具有检测距离长、防干扰功能、睡眠模式及体积小的优点。
2.5 PLC信息处理
PLC通过I/O口获取磁导航传感器的信号。16个数字代表16个磁探头的输出信号。一般采集到的磁信号为高电平，未采集到的磁信号为低电平。PLC同时采集15个输入信号的电平值，通过识别哪些磁探头检测到磁信号，进而判断其是否偏离。如果出现偏差，多个端口的电平信号也可以判断AGV是向右移动还是向右移动。向左偏移，依次进行相应的处理。
由于磁导的制导过程是按照固定的轨道进行的，所以修整和矫直过程是在不偏离磁条的前提下，在磁导系统液位控制器中检测到的，确定了AGV的电流方向和偏离程度，如果右侧的磁导航传感器信号为高电平，则AGV应向右转，直到磁导向系统的电平信号返回至头部的中部为高电平为止，表示AGV的路径轨迹与建立后，当前向前移动，AGV必须向左移动，为了恢复AGV状态，应转向左侧，直到AGV返回给定的轨迹，因此AGV的磁导过程是不断调整的过程车身。从微观上看，AGV一直在做本地工作。
3 实验运行
3.1 测试环境
本次项目所测试的AGV小车在一个铺设封闭环境下轨道50 m，拐弯处半径为0.6 m的圆弧型状，其主要目的是测试小車在运行过程中的方位引导能力、避让方式以及其小车供电运行速度是否达到设计参数的指标。
3.2 引导能力测试
方法：关闭AGV，用手拨动小车使其重心线脱离轨道行驶，待小车完全偏离轨道时启动AGV，观察小车是否能够回到运行轨道中。
结果：在启动AGV后小车的路径感应器接收到信号，小车能够在较短的时间内回到运行轨道中，但其归回过程比较曲折。
3.3 避让方法测试
方法：小车在运行的轨道中任意放置一定的障碍物（板砖、行人、铁桶），将小车AGV启动并运行，观测小车的在运行轨道上当遇到障碍物时是否及时停止，观测小车上报警器是否报警，并测量出小车在遇到障碍物停止时距离障碍物的距离长度。
结果：AGV小车在运行过程中并不区分板砖、行人及铁桶，在距离各类障碍物5 m左右时开始减速并报警器开始报警，当距离障碍物2 m左右时停止运行，即小车满足避让障碍物的要求。
3.4 小车供电运行速度测试
方法：小车在运行轨道中正常运行，在蓄电池充满电情况下，每隔1小时测一次小车的运行速度，直至锂电池消耗完毕，记录出相应的数据结果。
结果：小车锂电池共供电18.6 h电池消耗完毕，满足锂电池的性能要求。小车的运行速度在前14 h运行速度基本保持不变，当超过14 h后，随着锂电池的消耗，电压不足使得小车在轨道中运行速度减慢，即小车在运行过程中超过一定的时间时应更换电池。
4 结语
本设计是在前人工作的基础上，对磁带导引AGV小车的控制方式进行了系统而全面地阐述。可根据车体与磁道的相对位置进行换车，保证磁道位于车的中心位置。该车响应速度快，实时性好，在试运行过程中，AGV具有良好的可控性和较高的性价比，可为今后的研发提供一定的参考价值。
参考文献：
[1]刘光明.AGV智能小车电池管理系统的研究与设计[D].广东工业大学，2019.
[2]汤良宇.基于PLC的送料小车控制系统设计[J].农村实用技术，2019（10）：45.
[3]张昭，辛鑫，李志.基于AGV智能小车的通信模块设计[J].数码世界，2019（1）：22.
[4]陈健.AGV移动小车运动控制系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2018.
[5]高天宇.基于PLC的自动往返送料小车控制系统设计[J].数字技术与应用，2017（3）：7+10.
[6]何钢.基于PLC的车体运送小车无线控制系统设计[D].大连交通大学，2016.
关键词：PLC;AVG;自动化
0 引言
根据我国现今企业生产技术的发展，相关技术水平在不断提升，对各种技术的要求也不断严格，即技术水平需尽快跟进生产需求，而且对目前流行的自动化技术同时需不断加深。AGV能够更好地实现生产需求，帮助物流自动化运输，是达成一条稳定的流水线的关键技术。AGV在现代物流系统中起着非常重要的作用。它可以将零件和各种原材料按照计划路线运输到需要的地方，不需要司机。目前，世界上每个制造大国都在不断改革物流结构，降低物流成本。AGV几乎可以应用于任何工厂环境，可以说它在制造业中得到了广泛应用。
在制造业领域，就亚洲范围来说，日本和韩国还是较为发达的国家，AGV作为一种先进的生产技术，其发展速度也是惊人的。此后，日本各大厂商意识到AGV技术的巨大生产潜力，都十分重视AGV技术的开发和应用，发展初期每年有数十台新的AGV机组投入使用。而经过几十年的发展，日本的AGV在产品规格、AGV型号、技术水平和自动化程度等方面都得到了完善。
1 系统设计思路
本设计对AGV的相关技术和控制原理进行了充分地研究和分析，总结了几种主要的AGV导航方式和驱动方案，并详细、全面地比较了各自的优缺点。结合实际需求，选择最佳方案。系统设计主要工作有：
以确保控制方案为基础，选择主要的避障模块、驱动单元、导航仪与PLC作为本次AGV小车硬件的主要设计。设计AGV的供电电路，安装安全装置。设计AGV的控制运算方案，通过运用STEP7来进行编写AGV的控制程序。
在前期工作的基础上，根据设计完成了AGV小车的安装和制造。车身制造完成后，将PLC连接到计算机上，将之前编写的控制程序下载到PLC上。对软件和硬件进行了全面的调试，对调试中出现的所有问题逐一分析解决，直到AGV能够按照设计要求稳定运行。
2 设计方案
2.1 控制系统及导引方式选择
AGV作为控制系统的“心脏”，承担着极其重要的任务，包括处理与信息的采集收集过程。它能够对驱动系统单元发出信号从而控制汽车的运行动态，并通过向驱动单元发出指令来控制汽车的运行状态，做出前进、停车、左转、右转等步进动作。所以需要根据预期的I/O点数、控制内容、指标等来选择合适类型的PLC控制器和相应的扩展模块。
AGV需要配备很好地实现自主导航，故其导航模式是必不可少的。AGV导航装置主要是由导航与其他传感器共同构成的，并且能够实现将路面数据转换为模拟量或者数字量。当前较为成熟的AGV導航技术包括磁带导航、GPS导航、电磁导航、激光导航等等，在这些导航当中，磁带导航是目前运用最广泛最为成熟的技术，即本设计中也同样使用磁带导航。
磁带引导是指在预驱动路径上直接铺设一条宽约50 mm、
厚约1 mm3 mm的磁带。磁带周围会形成一个固定的磁场。通过磁传感器采集磁场强度信号，实现汽车姿态的校正和汽车在预驾驶路径上的自引导功能。磁条可分为表面粘结磁条和埋置磁条两种，表面粘结磁条和埋置磁条都是由铁氧体粉末和合成橡胶复合材料粘结在一起，然后将这两种材料复合成新材料，通过挤出成型等一系列复杂工艺制成。这些磁条是柔软的弹性磁条，并且磁条有两个极性，相同的磁场和相反的磁场，因为在运行过程中需要分别使用相同的磁场和相反的磁场。
通过地面上的磁条由相应的磁导设备实时监测。如果AGV运行在正确的轨道上，磁导设备中的感应信号应向中间的几个信号发出信息。当AGV发生偏差时，磁导设备的感应信号也会发生偏差。AGV通过实时接收信号来判断AGV是否偏离路径。如果有偏差，AGV通过转向调节来引导。
2.2 差速驱动模块
AGV的差动驱动模块由两部分组成：弹簧悬挂机构和驱动模块底盘。当差动驱动模块位于磁道上方时，磁导航传感器会通过差动驱动模块检测到3～5个数字信号。通过其内部独立的数字信号通道，数字信号将被发送到PLC，由PLC对接收到的数字信号进行处理，分析和判断当前车身相对于磁轨的位置。如果磁道不在车身中间，则PLC将向差动驱动模块发送信号。该信号会不断调整两个驱动轮的速度，使两个轮以不同的速度旋转，从而使车身随时可调，直到磁道位于中央的行进方向。而一旦磁道到达车体中心，PLC就会加速。驱动模块发送信号，使两个驱动轮以相同的速度旋转，并且AGV沿着指定的轨道运行。AGV差动驱动模块本身作为标准化的机械机构，不能独立运行。这种差异速度驱动模块通常安装在四轮车的底盘下方，具有更强的稳定性和承载能力。AGV的底盘通过弹簧悬挂机构连接到驱动单元的底盘。通过弹簧悬挂机构的伸缩功能可以微调驱动轮的高度，此功能可保证两个驱动轮始终接触地面。因此磁性导航传感器可以随时收集磁道信号，同时它还可以始终控制AG的方向。差动驱动模块的安装和维护非常简单，另外，其操作可靠性仍然很高，并且转向速度快速且灵活。普通物料车经过简单修改后，增加了该驱动程序模块的安装也可以成为AGV。
2.3 驱动方案及供电系统设计
大多数采用双驱动模式的AGV都是四轮车型。AGV有两个驱动轮，两个驱动轮兼作方向盘。两个轮子都配备了电机，以提供动力输出，并可以自由转向，两个驱动自由轮保持平衡。这类AGV可以实现向前逃生、向后和全方位驾驶等功能，其最突出的特点是在驾驶过程中可以根据要求自由控制自己的身体姿势，可以实现直线、斜线运行。因此，它可用于狭窄的人行横道或运动方向非常明确的环境中。双驱动AGV的缺点与差速驱动的四轮AGV相似。它对地面的平整度有非常严格的要求。由于某些地面有突出物，很容易造成其中一个车轮悬空，使导航仪无法检测到磁导，影响导航，因此其应用范围受到一定限制。另外，双驱动机床的结构比单驱动和差速驱动更复杂，因此生产成本更高。 本次设计的AGV差速驱动是位于磁轨道的上方，能够导航传感器并将检测出的数字信号发送到PLC中去，继而PLC又将数字信号经过一系列的处理与分析小车与轨道之间的相对位置，PLC可以给差速驱动不断发送信号，从而不断调整小车的前进方向，使得AGV是沿着轨道正常行驶。
供电系统是整个AGV的电源保障，一般由蓄电池、充电装置和安全装置组成。AGV的整体电源是基于多对象的，可根据不同对象的电源需求提供电源。
本文设计中AGV小车采用了锂电池作为电源。选取锂电池有以下几个原因：（1）锂电池的储存能量高，可达到450 Wh/kg～600 Wh/kg。（2）锂电池使用的寿命较长，减少更换时的成本费用。（3）锂电池具有很好的温度适应性，能够承受的温度达到60℃以下正常工作。（4）锂电池充电速度较快。
2.4 避让方法设计
AGV小车的设计中包含设计了避让模块，它也是在小车行驶过程中一个必要的组成部分。当AGV小车在道路中行驶遇到一些障碍物时，其内部的避让模块会检测出障碍物的存在，并立刻发送信号到控制模块中，经过控制模块的分析，电机将立刻采取刹车，避免小车的碰撞从而造成不必要的损失。
本文设计采用了PX-2松下障碍物传感器检测系统，其具有检测距离长、防干扰功能、睡眠模式及体积小的优点。
2.5 PLC信息处理
PLC通过I/O口获取磁导航传感器的信号。16个数字代表16个磁探头的输出信号。一般采集到的磁信号为高电平，未采集到的磁信号为低电平。PLC同时采集15个输入信号的电平值，通过识别哪些磁探头检测到磁信号，进而判断其是否偏离。如果出现偏差，多个端口的电平信号也可以判断AGV是向右移动还是向右移动。向左偏移，依次进行相应的处理。
由于磁导的制导过程是按照固定的轨道进行的，所以修整和矫直过程是在不偏离磁条的前提下，在磁导系统液位控制器中检测到的，确定了AGV的电流方向和偏离程度，如果右侧的磁导航传感器信号为高电平，则AGV应向右转，直到磁导向系统的电平信号返回至头部的中部为高电平为止，表示AGV的路径轨迹与建立后，当前向前移动，AGV必须向左移动，为了恢复AGV状态，应转向左侧，直到AGV返回给定的轨迹，因此AGV的磁导过程是不断调整的过程车身。从微观上看，AGV一直在做本地工作。
3 实验运行
3.1 测试环境
本次项目所测试的AGV小车在一个铺设封闭环境下轨道50 m，拐弯处半径为0.6 m的圆弧型状，其主要目的是测试小車在运行过程中的方位引导能力、避让方式以及其小车供电运行速度是否达到设计参数的指标。
3.2 引导能力测试
方法：关闭AGV，用手拨动小车使其重心线脱离轨道行驶，待小车完全偏离轨道时启动AGV，观察小车是否能够回到运行轨道中。
结果：在启动AGV后小车的路径感应器接收到信号，小车能够在较短的时间内回到运行轨道中，但其归回过程比较曲折。
3.3 避让方法测试
方法：小车在运行的轨道中任意放置一定的障碍物（板砖、行人、铁桶），将小车AGV启动并运行，观测小车的在运行轨道上当遇到障碍物时是否及时停止，观测小车上报警器是否报警，并测量出小车在遇到障碍物停止时距离障碍物的距离长度。
结果：AGV小车在运行过程中并不区分板砖、行人及铁桶，在距离各类障碍物5 m左右时开始减速并报警器开始报警，当距离障碍物2 m左右时停止运行，即小车满足避让障碍物的要求。
3.4 小车供电运行速度测试
方法：小车在运行轨道中正常运行，在蓄电池充满电情况下，每隔1小时测一次小车的运行速度，直至锂电池消耗完毕，记录出相应的数据结果。
结果：小车锂电池共供电18.6 h电池消耗完毕，满足锂电池的性能要求。小车的运行速度在前14 h运行速度基本保持不变，当超过14 h后，随着锂电池的消耗，电压不足使得小车在轨道中运行速度减慢，即小车在运行过程中超过一定的时间时应更换电池。
4 结语
本设计是在前人工作的基础上，对磁带导引AGV小车的控制方式进行了系统而全面地阐述。可根据车体与磁道的相对位置进行换车，保证磁道位于车的中心位置。该车响应速度快，实时性好，在试运行过程中，AGV具有良好的可控性和较高的性价比，可为今后的研发提供一定的参考价值。
参考文献：
[1]刘光明.AGV智能小车电池管理系统的研究与设计[D].广东工业大学，2019.
[2]汤良宇.基于PLC的送料小车控制系统设计[J].农村实用技术，2019（10）：45.
[3]张昭，辛鑫，李志.基于AGV智能小车的通信模块设计[J].数码世界，2019（1）：22.
[4]陈健.AGV移动小车运动控制系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2018.
[5]高天宇.基于PLC的自动往返送料小车控制系统设计[J].数字技术与应用，2017（3）：7+10.
[6]何钢.基于PLC的车体运送小车无线控制系统设计[D].大连交通大学，2016.