Automobile Technology & Material
磁导型AGV控制系统设计
（1.一汽-大众汽车有限公司，长春 130012；2.大众一汽发动机（大连）有限公司，大连 116000）
(Automated Guided Vehicle ，AGV)摘要：自动导引运输车 从线路固定的磁导引到灵活的即时定位与地图
构建(Simultaneous Localization And Mapping ，SLAM)导引，AGV配置发展越来越多元化。针对汽车行业生产物AGV PLC流工况，设计了一种磁导型固定线路 控制系统，该系统采用单片机与 结合的双芯片形式，用来控制
AGV E E-frame及 型物流列车（ ）系统的行走和转向、导引和纠偏、激光防撞、空满交换及信息反馈各项功能。该控制系统设计方案开发周期短、功能拓展灵活，在现阶段汽车行业更新换代快速的背景下，快速匹配用户新的需求，减少资金投入。关键词：AGV PLC 磁导 E型物流列车
中图分类号：U466 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20200486 DOI: Design of Control System for Magnetic Conductive AGV Yang Fan1, Li Kun2
（1. Faw-volkswagen Automobile Co., Ltd., Changchun 130012; 2. Volkswagen FAW Engine (Dalian) Co., Ltd., Dalian 116000）
Abstract： AGV (Automated Guided Vehicle) has changed from fixed line magnetic guidance to flexible Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) guidance. The configuration of AGV development is becoming more and more diversified. A magnetic guided fixed line AGV control system was designed according to the production logistics conditions of the automobile industry. This system uses a dual-chip form of single-chip microcomputer and Programmable Logic Controller(plc) to control the functions of AGV and E- Frame logistics train system, such as walking and steering, guidance and deviation correction, laser collision avoidance, empty full exchange and information feedback. The design scheme of the control system has short development cycle and flexible function expansion. Under the background of rapid upgrading of the automotive industry at this stage, this scheme can quickly match the new needs of users and reduce capital investment. Key words: AGV, PLC, Magnetic guidance, E-frame
1 前言随着工业技术的进步，很多传统的制造业都在向自动化、智能化的趋势发展。自动导引运输
车 (Automated Guided Vehicle，agv)虽然已有数十
年发展历史，由于技术开发稳定性和应用场景差
异性等原因一直未能大规模投入各行各业的生产
中。自2016年起，电子商务和智慧物流蓬勃发展，加快了AGV的普及速度和技术推进，厂商在控制系统设计上也越来越完善，但各厂商设计的控制系统对各应用场景适应性较差，现场应用还需重新匹配调整，影响项目工期，也影响客户使用体验。本设计方案采用了自主研发设计的AGV集成控制电路，实现了单片机与PLC的控制融合，本设计兼有2种控制方式的功能和优点。既拥有单片
作者简介：杨帆（1982—），女，副高级工程师，硕士学位，研究方向为动力总成规划。
参考文献引用格式：
杨帆，李昆. AGV控制系统设计[J]. 汽车工艺与材料, 2022（9）: 59-67.
磁导型
YANG F, LI K. Design of Control System for Magnetic Conductive AGV [J]. Automobile Technology & Material, 2022(9): 59-67.
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PLC
机低成本和开发优势，又可用 来补充单片机功能上的缺陷和不足。其中单片机负责控制车体的各个信号按钮、防撞系统、磁导引系统、驱动系
统；PLC AGV
负责处理 的光电信号开关、接近控制
E-frame
开关、电机转动的反馈信号信息，和 物流
/ PLC
列车系统的上下料功能。单片机与 通过
Modbus
串行通信协议进行连接，功能完善，拓展灵活性高。
2 AGV简介
2.1 AGV的定义
AGV
泛指配备有磁力导航或通过光学设施进行引导，可以通过预先设定的路径进行行进并完成预定任务，具备相应的周边安全防护设施监控以及
可以完成相应的物体移载的运输设备，AGV
隶属于
轮式移动机器人（Wmr——wheeled Mobile Robot）
2.2 AGV的应用分类
AGV
本文只对汽车生产过程中所应用的 进行
讨论。按照应用用途，AGV 2所
分为两大类，如图示。一类应用是侧重于工艺装配的，称作工艺装
AGV，此类AGV精度要求一般在±5 mm
配 以内，本体上安装有装配支点，用于产品装配过程，此类
AGV
属于工艺设备；另一类应用是侧重于运输货物到规定地点，以代替传统人工驾驶的工业车辆， AGV AGC
范畴。设计简单并且价格低廉的 也称作
Automated Guided Cart）。自 1953
（ 年诞生第一辆
AGV以来，AGV
已经经历了近七十年的发展。
AGV
应用的特点可以归纳为如下几点。
A.与传统的人工驾驶工艺车辆相比，AGV
为无人驾驶方式；
b.可根据应用的工况进行设计行驶路径，柔性
好；
c.采用电能进行驱动，无排放，属于清洁生产。
AGV 1
典型的 本体组成如图 所示，一般具有驱动部分、牵引/承载部分、状态显示反馈部分、安全避障部分、引导部分等。实际应用中，控制系统
AGV
通过无线网络进行传输控制指令，多台 及附属机构在接受指令后，根据预先设计的调度程序,依照对应位置信息,沿着特定行驶路线和停靠位置
自动行驶,并按设计完成一系列作业功能[1]
。
AGV，此类AGV
称作为运输类 应用十分丰富，具体
3
分类如图 所示。值得指出注意的是，以上分类仅是代表现阶
4.0
段大部分的应用技术，伴随着近几年工业 的快
速发展，AGV AGV
技术发展变革，尤其是运输类 的技术变革非常快速，可应用形式也越来越丰富。
AGV+
比如，在 方面应用，通过在本体上加装机械
AGV
手、取放设备，就可以衍生出新的 类型；在与高架存储结合应用方面，通过特殊的机械设计，实
AGV AGV现 爬升货架的能力，衍生出空间移动 等新兴技术。
2.3 AGV的导引方式
AGV 4）相
属于移动轮式机器人，导引部分（图当机器人的眼睛。传统导引方式有磁条引导、电磁感应引导和视觉引导（色带），近几年激光引导、惯性（二维码或磁钉）引导、以及无实物引导方式
的自然引导（SLAM）等快速发展[2]。在视觉引导中
有一类新兴技术，依靠地面纹路视觉引导，在近两年研究较多，此类技术主要应用于精确引导方面。当前一汽-
大众应用比较多的为成熟度比较高的磁条、电磁感应和二维码惯性引导。激光引导和自然引导处于研发、试用阶段，暂未普遍应用。视觉引导不适合快速运行，此类应用当前较少。
AGV
本研究以磁条型 作为设计基础类型，该类型产品在本公司现阶段应用最为广泛。3 双控融合硬件设计
3.1 双核控制方案设计因单片机开发周期长、难度大（维修维护人员学习、后期改造均存在难度，并且外围硬件接入多
还可能对系统造成风险）；PLC
系统功能不灵活，
PLC AGV
高级算法支持性差（由 独立完成的 项目，其编程难度大，响应速度慢、需外扩硬件较多，导
AGV
致成本高），加上现有 控制技术多为纯单片机
PLC 2
控制或 系统控制，这 种控制方式都有优缺点，单片机控制的项目开发周期长、编程难度大。
PLC AGV PLC
开发 控制系统，软件开发费较高，且的软、硬件系统固定封闭，难以进行二次开发，所
PLC
以本文中提出的设计方案为单片机系统加 系统的融合方案。
3
本文提出的双核架构，优势有以下 点。
a.响应速度快，并可接入高级算法，以提升控制精度。
B.AGV PLC
应用项目场景复杂，可用 灵活控制外围设备，可有助于项目改造，降低应用成本和改造周期。
PLC
c.维修维护人员只需有 基础，即可自行维护及工况变化的一般改造，降低维修人员学习周期，降低维护保养难度，方便批量推广应用。
3.2 嵌入式控制系统硬件方案
AGV
该控制系统设计选取的 控制器主控制芯
STM32F407ZGT6 RS485
片是 型号，并依托 总线通
485
讯电路进行整体通讯设计，并配置 总线隔离器，通过该通讯设计与车体上的导引传感器、角度编码器、读写传感器进行实时通讯，并将采集到的车体运行数据进行反馈解码。
RS485
该控制芯片通过 通信电路连接以太网
PLC MODBUS
与 系统进行 通信，并将控制器采集到的车辆信息实时显示在触控屏上，并且可以实时通过触控屏进行指令的下达，来控制车辆进行相应的规定动作，比如前进、停止、转弯等等。该控制芯片在设计时为保证车辆可以在多种工况下使用特别进行了抗干扰处理。通过使用
GPIO
口控制的继电器来保证需使用大电流的硬件可以正常工作，通过继电器小电流的通断，控制外
部硬件可以平稳的运行[3]
。
3.2.1
嵌入式最小系统设计
STM32
该系统设计的 型号单片机是由主控芯片、上电电路、空间时间控制电路、供电电路以及
LED
电源组成。同时单片机还包括具备 指示的控5
制电路和运行下载电路，如图 所示。图5 STM32F407ZGT6芯片引脚图部分3.2.2
串行总线通信设计
RS485，RS485
该设计应用的通信架构是 是一种标准的通用总线架构，因其具有功能多样性和在远距离传输上能力超强，使其在各种不同的通讯接口上得以广泛应用,选用该架构扩展性更强，
485
可兼容不同厂商的产品。本论文论述中 通信
ADM2582E 2
电路用两片 芯片设计了 组串口通讯
6
电路。如图 所示。图6 ADM2582E-RS485电路原理3.2.3
无线通讯模块
AGV
在生产现场的实际工况内，单台 无法满足实际生产中需要的高效率运输需求，这时就需要多台车辆同时运行以提高生产能力，满足实际
WIFI、5G
需求。随着无线通讯技术的发展，包含技术的发展以及物联网的概念逐渐成熟，现阶段已经可以使用无线技术来群控多台车辆，系统可以对每一台车辆进行监控定位，也可以调取每一台车辆的状态信息，通过系统任务的输入，可以根据现场实际工况来调配每一台车执行相应的工作任务，以此满足实际生产要求，本控制系统设计时
2
考虑应用不同的应用环境和场景，特使用了 种通
信技术，以满足后续发展需求。
A.WIFI WIFI
通信技术 。 通信技术现阶段使用十分广泛，目前基本上所有的手持移动终端、移动笔记本电脑、无线通讯设备、智能装备均支持
WIFI 通信。WIFI 2.4 GHZ，
通信技术工作频段为按照通讯协议标准出现的时间先后，所执行的协
IEEE802.11A、IEEE802.11B、IEEE802.11G
议标准有
54 Mbit/s，2
三种，最大传输速度其可达 点间通信
10~300 m WIFI
距离在 之间。 技术的其缺点为组网过于复杂，需要经过周密的布局，才能达到全覆盖；可扩展性差。
Zigbee 技术。Zigbee
b. 技术是现阶段比较先
IEEE802.15.4
进的通信技术，该技术遵循着 标准，该技术特点如下。
a.超低功耗，损耗较小。b.可进行自组网、组网十分简单便捷、c.使用该技术进行的网络扩展性强。
Zigbee
技术支持多对点、树状、网型等方式进行拓扑布局。
3.2.4 I/O
通用 及辅助功能设计为保证该系统的安全性与稳定性，重要的
Gpio（general-purpose Input/output）接口添加了光
耦隔离模块。以下文章介绍接口设计情况。其中
7 8
输入隔离如图 所示、输出隔离如图 所示。图7 输入隔离图8 输出隔离3.3 PLC硬件方案设计
3.3.1
安全系统
SICK
应用采用独立 安全系统，安全系统在车载运行的过程中全周期内保障车体及工况周边安全防护和监控工作。如工况周边遇危险，立即切
换到程序控制策略，危急情况会自动予以切断控制电源。
3.3.2 E-frame
控制
E-frame Siemens Automatic S7-1200
采用 系列
PLC S7-1215C（S7-1200 CPU(CEN⁃
的 控制；将 系列
tral Processing Unit)模 AGV
块）布设集成到 牵引车
内部，SM223 I/O E-frame
扩展 布设集成到 上，用于采集工位对准信号、物料有无检测信号和自动控制送货叉的伸出与收回。
S7-1200 PLC
车体采用 系列 的原因是由于目
Siemens PLC，对于后续自
前工厂大量使用 公司的
AGV S7- 1200 PLC
主维修 提供方便；同时 系列 性价比较高，可以节省费用成本支出。全车采用
S71215C PROFINET
的中央处理器模块，通过 协议
SM223 I/O E-frame
控制 扩展 的布控方式完成对 的监控和操作。
3.3.3 E-frame
硬件设计要求
S7-1215C CPU
a.中央处理器使用 的 模块（型
号为：6ES7 215-1AG40-0XB0），原因是AGV
全车
24V
供电采用标准的直流电 ，因此使用直流型
CPU
有效减少电源类型的布控。
B.I/O 8
扩展线采用带有屏蔽功能的 绞线。数字量输入/输出模块使用SM- 1223 I/O
c. 的
扩展模块（型号为：6ES7 223-1PL32-0XB0）原因是24V
该模块采用直流电 供电，同时有较高的输入扫描周期，可以很好地监控光电信号的输入。
OMRON
d.工位对正信号采用 反射板式光电
开关（型号为：E3FA-RN12 1M），该开关可以有效E-frame 对正；E-frame
监测工位过桥是否与 上的
OMRON
空车检验传感器采用 漫反射式光电开关
E3FA-DP12 2M
（型号为 ），该开关对被检测物体
2m
的表面没有较高的要求，在 内的物体均可被检测到。
e.e- Frame 24V
固定料车的倒钩采用直流电电动传动，用于固定和释放料车；驱动料车送入工
24V
位和拉回空料车的货叉采用带抱闸的直流电电机驱动，该电机需要配合驱动器使用。
3.3.4
人机交互
AGV
的人机交互主要靠触控屏来实现，在触
AGV IO
控屏上可以对 进行 检测以及路径切换、站点属性及运行参数等功能进行修改。
1）设置包括站点正向属性设
站点的属性（表
AGV
置以及站点反向属性设置。单向运行的 只
AGV
需设置站点前向属性，双向行驶的 必须设定站点前向属性以及站点后向属性。在站点属性
AGV
这一栏中以下情况需要在该界面设定 的站点属性：
a.无序到站模式； b.顺序到站模式。
1
其中进站模式相关站点属性设定如表 所示。
AGV
分岔路径设置可以让 在遇到岔路时做出
2
规定的选择，参数设定如表 所示。
3.3.5 I/O
通用 设计
AGV
要在现实生产中按照实际工况进行应用，还需要做很多辅助功能设定，比如保证安全距离的安全感应扫描器、检测车辆辅助执行机构是否正常运行到位的检测信号、遇险时急停机构、设置功能配置的按键，手动操作的操作手柄、用于警示作用的音响、用于警示的警示灯光提示
PLC
等，这些信号是通过 控制的数字量耦合开关，生产所需要的辅助功能越多，相对应配置的电气原件就会越多，相对应的就对占用更多的控
GPIO。
制器通用
4 双控融合软件设计
4.1 双核控制系统
PLC
单片机及 融合控制中，各控制模块自主
9
控制主导的功能实现如图 所示。
4.2 嵌入式控制系统软件模块
4.2.1
电机控制算法对应相对比较固定的车辆线路循迹，需要根据电机转速与所控制电机控制器占空比的信号输
10 Arduino的3
入关系进行确定。在图 中可以看到
号、5 PU+ DIR-
号引脚被接入左侧驱动器的 和 引
脚，Arduino UNO 6 11
的 号 号引脚则被接入右侧驱
PU+和 DIR-引脚。DIR-和PU+所对应的驱
动器的
DIR-引脚所输入电
动器方向与速度输入信号，对
PU-引脚，
流大小可以决定电机的正转和反转，对
1 khz 10%～90%的波可以
输入频率大于 的占空比决定电机转速。