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作者:謝佩均(2004-06-04);推薦:徐業良(2004-06-07)

自動導引車輛(AGV)原理探討與實驗

自動導引車輛(Automatic Guided Vehicle, AGV)常用於工廠自動化系統,可按照程式所下的命令及導引路線進行、停止、轉彎,並能與搬運系統作連結。本文在探討其基本原理,目標在將其應用在行動式遠端監控系統,讓行動式遠端監控系統的監視器能裝置在一自動行走的AGV承載車上,藉AGV系統直接循著軌跡前進、後退、轉彎等動作達到擴充監視器所視範圍。

AGV基本功能為能自動依循固定的軌道行走,圖1AGV的架構圖,包含感應軌道位置的感應器,控制且驅動車體前進、轉彎、停止的控制器及驅動器,最後當然有承載整體的承載車台。以下及對其原理分別加以探討。

1. 整體架構圖

1.         AGV控制與驅動方式

AGV驅動的方式大致可分成兩種,一種為兩顆馬達各置於左、右邊如圖2所示,利用兩顆馬達正、反轉的運作與兩輪差速的方式達到左右轉、前進後退或停止。另一種方式則類似汽車的轉向及傳動方式,如圖3所示,前輪為轉向輪、後輪為驅動輪。前輪利用RC伺服馬達控制連接前輪的連桿,帶動前輪左、右轉向,而後輪直接利用馬達與減速機構帶動承載車前進、停止或後退。

2. 兩顆馬達正、反轉驅動AGV系統

3. 以類似汽車轉向及傳動方式驅動AGV

這兩種傳動方式會有不同的控制流程,第一種利用兩顆左、右馬達差速達到轉彎,因此控制流程圖如圖4所示,經由光感應器感應地面軌道回傳轉向訊號後,馬上經由控制系統判斷轉向位置,當位置正確時承載車則繼續前進,反之,馬達即會繼續轉向直到光感應器與地面軌道子系統回傳直行訊號。此種傳動方式當承載重量過大(如大於5公斤)時,可能會因馬達扭力不足無法作動。而第二種則類似汽車轉向及傳動方式,如圖5所示,經由光感應器與地面軌道子系統回傳轉向訊號後即時判斷,控制RC伺服馬達旋轉的角度後,輸出訊號讓承載車繼續前進。

4. 控制左、右兩顆馬達轉向流程圖

5. 控制類似汽車轉向及傳動方式流程圖

2.         地面軌道系統與光感應器

目前佈置AGV系統的軌道可分為與承載車車體接觸式和非接觸式兩種,接觸式是在地面鋪設實體軌道承載車行走,而非接觸式有雷射導引、GPS定位系統、磁帶感應等。其中最常應用光感應或磁帶的感測的非接觸式方法,光感應器會因地面反射光,強度的強弱有不同的訊號,而磁感應器會依地面磁帶在不同方向感應的電動勢不同作為訊號。搭配多組的感應器,即可以回傳相關位置資訊,讓系統作下一步的判斷和控制。

在行動式遠端監控系統之應用上,使用非接觸式的光感應方式較為適合,只需在場地內舖上不同於地面顏色的軌道貼紙,或是以噴漆形式,便可讓AGV承載車循著軌跡前進、後退、轉彎,且軌道直接貼附地面,不需地面施工,不影響貨物、人員移動,因此以下主要討論光感應器作動方式。

6OMRON公司編號EE-SPY402的光感應器及其開關接腳位址定義,此光感應器可利用於判斷表面為暗色系的物體,也可以判斷可鏡射的表面,其主要特性如下:

(1)   光遮斷開關感測範圍為垂直方向,最遠距離為20mm

(2)   工作判斷頻率最快55Hz

(3)   發光及接收二極體皆內藏,可有效減少因外界光源的影響。

(4)   工作電壓範圍為,5V~24V

(5)   將繼電器連接訊號輸出端,即為一開關。

(6)   內建LED燈,方便確認光遮斷開關是否有正常運作。

(7)   三支接腳,應用5 PIN母接腳座即可連接。

            

接腳

符號

定義

1

電源

2

OUT

訊號輸出端

3

Θ

接地

6. OMRON EE-SPY402光感應器

利用三個感測器排成ㄇ字形如圖7所示,當前端光感應器判斷底下有暗色膠帶,且另外左、右兩個光感應器判斷為沒有膠帶時,表示AGV正筆直沿著軌道前進;而當右端感應器判斷底下有膠帶,且另兩個光感應器判斷沒有膠帶時,表承載車應該向右轉直到回筆直的軌道,反之亦然。有了光感應器的訊號,即能搭配驅動與控制系統,讓承載車持續循著軌跡前進、後退、轉彎。

7. ㄇ字型光感應器配斷轉彎示意圖

3.         AGV應用實驗

為瞭解AGV實務應用,本實驗使用PIC16877單晶片配合數個EE-SPY402光遮斷開關與兩組RC伺服馬達,製作一小型AGV無人自走車。利用光遮斷開關在感測範圍內,會因反射物體表面顏色與粗糙度不同,而有不同的訊號,配合多組光遮斷開關的訊號,進而當作判斷轉彎感測器。在經由單晶片擷取與處理訊號後,控制兩組RC伺服馬達的轉速,進而達到讓AGV無人自走車,自行行走、轉彎、後退、停止等動作。

本實驗首先如圖7中利用三個光遮斷開關排成ㄇ字型,經過實驗後發現解析度不夠,導致承載車在轉彎時會過於靈敏,且當前進速度過快時會產生轉向過度的情形。因此接下來本實驗7個光遮斷開關佈置成一H型的幾何分佈,如圖8所示。

8. H型判斷轉彎感測器

9為本實驗判斷程式流程,此7個光遮斷開關是一直供電,且幾百個微秒內對單晶片做一次訊號的更新,隨時待命接收地面不同情況的訊號。感測器讀入訊號後,馬上將訊號傳到單晶片,感應器的狀態為二進位八個字元組成的訊號,在單晶片中將此訊號轉換成十進位正整數,利用C語言的SWITCHCASE的邏輯命令,讓單晶片執行不同代碼的CASE,接著執行RC伺服馬達的副程式,控制車身動作。利用7個光遮斷開關所組成的不同的訊號,對應程式中的不同CASE,即可控制AGV無人自走車的轉彎、修正位置、停止、前進、後退等動作。1H型判斷轉彎感測器與輸出訊號對照表【1】,圖10為單晶片利用不同CASE控制RC伺服馬達的程式。

9. 程式流程

1. H型判斷轉彎感測器與輸出訊號對照表:

行走狀態

感測器的狀態圖(黑色表示光遮斷開關被遮斷)

感應器的狀態

CASE 代號 (Dec)

直走

10000001

192

右修正(偏左)

11000011

11110001

11110000

225

248

184

10000011

11000001

10110000

193

224

152

左修正(偏右)

10011001

10001111

10001110

204

199

135

10010001

10001001

10000110

200

196

131

左轉

10000101

10000010

194

129

右轉

10100001

10010000

208

136

後退

10000000

128

停止

11111111

255

10. H型判斷轉彎感測器與控制RC伺服馬達對應程式

經過多次實驗後,將H型判斷轉彎感測器裝置在與RC伺服馬達同一水平線,如圖11所示,可以減少H型判斷轉彎感測器RC伺服馬達距離過大時,所會產生RC伺服馬達轉速過大造成H型判斷轉彎感測器判斷時間過短且判斷不正確的情況發生。圖12即是本實驗AGV無人自走車再制訂的軌道上行走的情況。

11. H型判斷轉彎感測器與RC伺服馬達位於同一水平位置示意圖

12. AGV無人自走車行走情形

應用EE-SPY402光遮斷開關的特性,解決了AGV無人自走車判斷轉彎感測器的設計,並且可以利用更改CASERC伺服馬達的對應副程式,輕易的改變AGV無人自走車行走或轉彎的速度,甚至在感測器的電源端加上一可變電阻,即可調整感測器所感測的距離,進而讓AGV無人自走車能輕易的在不同場地上行走。

參考資料

1微電腦自走車設計與製作,余曉銘,ETImags-TW No.29