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浅析自动导引车(AGV)磁钉导航方案

自动导引车(AGV)有很多种导航方式,比如磁条导航、磁钉导航、色带导航、二维码导航、激光导航、视觉自然导航等。

其中磁条导航最为常见,因为AGV的整个行驶路径都有磁条提供连续的导航信息,所以使用简单、安全性高。缺点是磁条因被碾轧或腐蚀而损坏,不易于维护。色带导航与磁条导航有类似的优点,但是和二维码导航一样都属于视觉类导航,对应用环境有较高要求。需要始终保持色带和二维码清晰、整洁,所以也不易维护。激光导航通过激光雷达探测地形的方式获取整个工作环境的地图,可以自主规划路线,有较高的灵活性和易维护性。但是成本较高,技术难度大。磁钉导航方案是用磁钉来替代磁条为AGV行驶提供导航信息,相比磁条不容易损坏,相比二维码和色带导航对环境要求低,相比激光成本很低,虽然磁钉导航有很多优点,但是相对于磁条导航,使用上仍然比磁条导航要复杂。下面我们就介绍一下磁钉导航方案及原理。

磁钉导航和磁条导航一样都需要磁导航传感器来定位AGV相对于路径的左右偏差。由于磁钉导航不可能像磁条一样连续铺设,而且为了方便铺设和维护一般相邻两个磁钉的间距至少达到1米以上。这样AGV在磁钉与磁钉之间就失去了导航信息(简称盲区),在盲区运行是不可预料和不安全的。因此磁钉导航和二维码导航一样需要采用角度传感器来为AGV提供航向角度,引导AGV正确运行在磁钉与磁钉之间。如下图1所示:

浅析自动导引车(AGV)磁钉导航方案

图1

如上图所示,如果角度传感器提供的航向角度始终准确,加上电机的良好控制,磁钉的间距可以做到更大,可以大大减少磁钉铺设和维护的难度,而且还美观。但是角度传感器,也就是惯性导航模块因为陀螺仪的特点会产生积累误差,没办法做到始终准确。惯性导航模块所提供的航向角度信息是通过陀螺仪得到角速度Rt,然后角速度对时间t积分得到累积的角度g,如下:

陀螺仪输出的角速度因性能差异而存在不同程度的漂移误差或者噪声,其误差和噪声也是随时间而积累的。尤其是考虑成本的情况下采用高性价比的陀螺仪,因此陀螺仪带来的角度误差在AGV整个的运行周期内不可能忽略的,否则AGV可能因为角度误差跑偏出轨而无法到达下一个磁钉。所以AGV的整个运行周期内是需要不断对角度传感器进行补偿的。如何进行补偿呢?需要借助磁导航传感器的辅助,此时磁钉的铺设间距和磁导航传感器的安装位置需要特殊对应。具体如下图2所示:

浅析自动导引车(AGV)磁钉导航方案

图2

如上图所示,相比图1的导航方案,图2的方案增加了1个高精度磁导航传感器。同时路径上铺设的磁钉不单单用于AGV循迹,多了对角度传感器补偿的功能。具有角度补偿功能的磁钉铺设间距必须与磁导航传感器的安装间距大致相同,也就是说当AGV经过这种磁钉时,磁导航传感器A和B分别同时位于磁钉A和B的磁场上方。此时若AGV小车实际的航向角度为H1,角度传感器输出的航向角为H,磁导航传感器A在磁钉A的输出偏距是LA,磁导航传感器B在磁钉B的输出偏距是LB,如下图3所示:

浅析自动导引车(AGV)磁钉导航方案

图3

此时根据勾股定理和反三角函数公式即可得知AGV经过A、B上方时实际航向与路径的夹角φ(假设路径正前方航向角为0,φ即AGV实际航向角H1)为:

由此可知角度传感器的误差H为:

每当AGV经过具有角度补偿功能的磁钉时,角度传感器就会被消除误差,为AGV接下来的行进提供持续相对准确的导航,不至于长时间的角度误差累积而导致AGV出轨。由公式(2)可以看出,LB和 LA的精度(即磁导航传感器的输出精度)直接决定了最终角度传感器的误差补偿精度。如果传统点阵式的10 mm精度的磁导航传感器,这个误差就很大了,反而会导致角度传感器得到错误的补偿。苏州曼普拉斯传感科技有限公司推出的数字型磁导航传感器MPMGS200-F01, 输出精度达到1mm, 非常适用于AGV磁钉导航。更高的输出精度带来更可靠的磁钉导航解决方案。1mm精度的磁导航传感器不仅能保证系统的稳定性,同时,降低了对角度传感器的性能要求。

综上所述,AGV磁钉导航方案中,AGV行进的导航并非完全靠磁钉和磁导航传感器的引导,还需要与角度传感器相互配合使用,针对磁钉导航方案曼普拉斯传感科技推出了高性价比的专用惯导传感器MPI204A。如果路径复杂或者过长,可以考虑整个路径中多铺设具有角度补偿功能的磁钉(必须成对出现)。如果路径简单或者较短,又或者角度传感器性能很好,那么整个路径只需要铺设一对具有角度补偿功能的磁钉即可,视实际情况而定。(文章来源于曼普拉斯)

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