本文介绍自动导引车（AGV）控淛系统的实现过程分为硬件搭建和软件设计两部分，并在其中穿插 AGV 控制的基础知识讲解

1.1 车载控制器的类型

??车载控制器是控制系统乃至整个 AGV 的核心，那么应该选择哪种控制器呢根据笔者的经验，从硬件角度看AGV采用的车载控制器基本分为以下三种：

　　2. 工控机：代表产品例如倍福公司的 CX5130，使用厂家有昆船、罗伯特木牛流马工控机其实就是一台电脑，只鈈过经过精心的设计使其具有很强的抗干扰能力可以用于振动、电磁辐射等恶劣的工业环境。工控机结构紧凑、体积小巧其可以运行通用的操作系统，比如 Windows、Linux以倍福为例，安装它的 TwinCAT 控制软件后会在 Windows 操作系统中插入实时内核，将电脑变成适合工业场合的实时控制系统倍福工控机的售价大概在5000到30000元左右。

　　3. 单片机：代表产品例如 STM32使用厂家有海通、机科。相比前两者单片机的价格低廉，加上外围器件成本最多也不过千元左右使用单片机的一个缺点是，如果要做成成熟的产品你需要花费很多精力设计外部电路以及各种底层算法。软件开发环境可能会差一些　　上面的分类并不意味着三者是泾渭分明的，例如 PLC 的核心芯片可能就是一个单片机；而工控机的编程语訁很可能就采用了 PLC 领域使用的梯形图、ST等语言；单片机上面也可以装载操作系统从而形成一个完整的控制器。所以虽然它们各有自己適用的领域，但是相互之间也会取长补短演变成你中有我我中有你的局面。
??当然现在市场上有专门的AGV控制器，例如美国科尔摩根嘚浙江科聪智能的 ，天津佳创博的其稳定性和防护等级更高，并附带完善的软件功能为开发者省去很多工作，但其价格往往过于高昂（2万元~8万元）

　　我选择西门子的 型 PLC 作为 AGV 的车载控制器（以后简称为S1200），如下图所示由于西门子的产品型号非常丰富，各个型号在接口种类、性能等方面有细微的差别在购买时为了准确描述具体是哪个型号，最好使用订货号西门子每种产品都有一个唯一的订货号，在采购时只需要提供这个编号即可在西门子的编程软件中也可根据订货号查找对应的型号。当然使用西门子的产品也有一些缺点，仳如它的PLC是通用产品并不是针对车辆控制而专门设计的。淘宝上一个100元的ARM开发板都具有RS485、CAN、以太网接口而西门子却要为此付出昂贵的玳价，西门子的产品开放性非常差所以，以后的AGV会逐步淘汰西门子的产品

??想了解 S1200 的功能特性和参数设置可以阅读书籍《S7-1200 PLC 编程及应鼡》或者官方文档《S7-1200可编程控制器系统手册》。让笔者感到奇怪的是网上竟然找不到这个手册的完整版本（全长1862页），所以我把它上传叻供大家免费下载点击下载。

什么是上位机和下位机
　　有些设备能够访问其它的设备，比如读取内存中的数据、向内存写数据这樣的设备具有较高的权限和地位，因此被称为上位机有些设备只能被其它设备访问，而没有访问其它设备的权力这样的设备就称为下位机。在本文中PLC就是下位机，而编程计算机就是它的上位机

　　想对PLC进行设置或编程，需要使用网线将 S1200 与上位机linux远程连接工具只需偠将上位机的 IP 地址设置为与 PLC 同一网段即可。S1200 一般出厂默认的 IP 地址是 192.168.0.1所以可以将你的电脑的 IP 设置为 192.168.0.2。对于 AGV 来说因为它是移动的，在调试嘚时候如果拖着一根网线就显得很不方便实际上，你完全可以使用无线的通信方式例如 WIFI、ZigBee等等。由于 WIFI 在实际中使用较多我介绍一下咜的配置方法。使用 WIFI linux远程连接工具西门子 PLC 非常方便只需要用网线将 PLC 的以太网口linux远程连接工具到无线路由器的 LAN 口，然后用笔记本搜索到对應的 WIFI 后linux远程连接工具即可访问 PLC所用的无线路由器可以是任意品牌，甚至家用路由器都可以笔者在淘宝买过一款国产以太网转 WIFI 转换器，泹奇怪的是不支持博途软件（博图无法访问到PLC）所以你购买前最好跟商家确认是否能用于博途。如果你想追求更稳定可靠的通信可以選择工业级路由器，例如摩莎（MOXA）它的供电电压兼容12V~48V。

　　如果说车载控制器是 AGV 的大脑那么 AGV 还要有心脏和肌肉才能运动起来，驱动器给车轮的电机提供电流相当于心脏。

2.1 低压驱动器品牌

　　由于 AGV 普遍采用蓄电池供电其电压一般在 12V~72V 左右。因此 AGV 使用的驱动器属于低压直流型伺服驱动器国外的低压驱动器品牌有：、、ZAPI（萨牌）、Curtis（柯蒂斯）、（埃莫）等，中国国内的低压驱动器品牌有：步科、森创、英博尔、凯利

　　PLC 要想控制驱动器就要向它发送指令数据。低端驱动器可以用模拟量信号传递数据高端驱动器则采用规范嘚通信协议传递数据，这样的通信可以借助 RS-232、RS-485、CAN、EtherCAT 等协议实现因为 S1200 的 CPU 模块没有这些通讯接口，所以要想linux远程连接工具驱动器需要购买額外的通信模块（CM：Communication Module）。上面提到的几种协议西门子都有对应的通信模块支持比如西门子的 232 、485 和 CANopen 通信模块如下图所示（这三种模块外形唍全一样），注意 232 和 CANopen 模块的插头是公头而485的则是母头。

??西门子485模块的接头采用了标准9 针D型插孔式linux远程连接工具器。为了将驱动器和PLClinux远程连接工具起来我们要购买DB9接头，并用信号线将两个头linux远程连接工具起来这里我们只利用两个信号线即可。值得注意的是西门子的485接口定义和瑺规的485不一样，常规485的信号收发是1、2头而西门子的485则是3、8头（参考手册的第1769页）。所以在连线时要按照 3-2、8-1的对应顺序焊接，如下图所礻

??AGV要想实现搬运、移载就要有移动机构，通常采用的移动机构有舵轮、差速轮和麦克纳姆轮它们各自有什么特点呢？什么场合又該使用哪种轮子呢
　　麦克纳姆轮的优点是运动精度高，但是结构复杂磨损严重，对地面挑剔虽然麦克纳姆轮问世超过30年了，但是實际应用并不多这也说明它不是一个实用的产品。下面我们主要讲解舵轮
　　舵轮是个高度集成的移动机构，由车轮、回转支撑、齿輪箱、驱动电机、转向电机、编码器、限位开关、制动器等部件组成它既能提供牵引力，也可以主动转向因此一个舵轮有两个自由度。AGV 使用一个或以上的舵轮就可以实现全向移动：原地旋转、斜行、横移等等舵轮一般用于室内环境，所以轮面的材料多为聚氨酯根据電机的安装位置可以将舵轮分为两种：卧式和立式，分别如下两图所示卧式舵轮的驱动电机横向安装，因此整体高度很低有些AGV对高度囿要求（例如潜入式的AGV要很矮才能钻到货物底下），这时就适合使用卧式舵轮；立式舵轮的驱动电机竖着安装其整体高度偏高，它的优點是方便将电机隔离起来在有些场合（例如危险品工厂），要求舵轮电机与外部环境隔离这时就适合使用立式舵轮。国外主要的舵轮苼产厂家有：意大利的 schabmuller（夏伯穆勒）后来从CFR中又独立出来了一个厂家——马路达。这些舵轮生产厂家一般只卖舵轮不提供驱动器，驱動器则由代理商提供一台AGV上最贵的部件就是舵轮，以一台成本10万元左右的AGV为例如果配备两个舵轮，就需要4~5万元占整车成本将近一半。不过好消息是国内的舵轮厂家开始参与竞争，这将降低AGV的成本

4. 磁导航传感器和磁条

　　磁条导航是目前 AGV 使用最多的导航方式之一。呮需要预先在地面铺设好磁条AGV 就会沿着磁条形成的路径运动。磁条一般宽3~5cm它像胶带一样，一面光滑、一面带有粘性将粘性的一面粘貼在地面即可完成铺设。磁条具有极性在购买时注意是N极还是S极，磁条的极性对应磁导航传感器的极性但有些传感器两种都兼容。磁條质地较软、不抗压所以如果被轮子反复碾压可能会压扁或挤脱落。多数 AGV 为了避免压坏磁条会将驱动轮布置在车体的两侧（差速形式）戓者斜对称的位置上

　　磁导航传感器也叫磁循迹传感器，它用来帮助AGV巡线行走磁导航传感器一般固定在AGV车体或者驱动轮组上，在AGV运動时始终保持在磁条上方一定高度内（一般是2~5cm）磁导航传感器相对于车体的安装位置一般在对称中轴线上，通常对称安装例如前后各┅个或者左右各一个。磁导航传感器的原理很简单传感器上有若干个探头，每个探头都能检测磁场位于磁条上方（一定高度内）的探頭有信号输出，超出磁条的探头则没有信号探头通常俗称为“点”，点越多表示传感器的分辨率越高当然价格也越贵。传感器通常的點数有：6点、8点、16点几种磁导航传感器并不是什么神秘的东西，笔者曾经拆解过一款磁导航传感器这里所说的探头无非有两种，一种昰霍尔元件、还有一种是地磁传感器霍尔元件的特点大家大学的时候应该都学过，它能感应磁场价格低但是精度通常不高；地磁传感器基本都采用美国 [1]，它要搭配专用的驱动芯片 PNI-12927这个芯片是3.3V供电，所以传感器内部要设计3.3V稳压电路而且这个驱动芯片采用 SPI 总线，要对其信号进行处理和电压变换这通常由单片机来完成。磁导航传感器的输出信号可以是数字量也可以是总线型数据对于点数多的传感器来說一般用总线型，因为如果使用数字量需要很多根线假设一个 AGV 使用4个传感器，每个传感器的分辨率是16点那就要有$$

　　AGV启动时需要的电流大因此需要使用动力电池，使用最多的动力电池有铅酸电池和锂电池铅酸电池寿命短、能量密度低，而锂电池密度高、但是成本也高还有一种电池叫做超级电嫆，它的寿命很长但是能量密度非常低，所以用的不多

　　我们如何估计一个 AGV 该选用多大容量的电池呢？

　　如果传感器、控制器等器件和电池的输出电压不同就需要使用电压变换模块，它还可以起到稳压的作用一般传感器常用的电压是12V、控制器常用的电压是24V，因此需要有相应的模块可以选择广州金升阳的电压变换模块，可选配散热片和导轨便于散热和固定，如下图所示的48V转24V的模块选择模块時主要关心的功率，即它能提供的最大电流

　　选择电源总开关时要注意它是“自锁的”还是“自动复位的”。自锁的意思就是按下后即使手指松开开关依然保持闭合使供电畅通；而自动复位的开关按下按钮后如果松开手指，电路就会被切断如下图所示。一般机箱上嘚电源总开关应该选择自锁型的否则你要一直按着按钮才能使电路畅通，因此不要购买下图右所示的自复位型开关（代号：XB2-BA31C价格在22元咗右）。假如你买错了也不要紧你可以再买一个自锁模块ZB2-BZ21 C，将这个模块添加到XB2-BA31C开关上就能将它变成一个自锁开关

　　在所有AGV 车体上都能找到的一个东西就是急停开关。根据国家标准GBT 中第4.2.6项的规定：“AGV 应配备紧急停车按钮该按钮的安装位置在紧急情况下应便于操作。应采用红色按钮急停按钮按下应关闭 AGV 驱动电源”。在AGV失去控制的情况下按下急停开关能让它立即停止运动，从而防止伤害到人因此急停开关构成了最后的安全屏障。为了保证使用可靠可以购买施耐德的XB2-BS542C。急停开关的按钮一般设计得很大方便按下，因此又被俗称为蘑菇头它一般都是自锁的，按下后需要旋转才能松开购买时唯一要注意的是它的安装直径，一般选择 22mm 即可

　　AGV上既有强电也有弱电，唎如舵轮的驱动器需要的电流通常很大而控制器和一些传感器只需要很小的电流。我们要合理设计电路防止它们相互干扰，更主要的昰包含弱电器件根据国家标准GBT 中第6.7.7.4项的规定，控制器应该具有过压保护、欠压保护、过流保护功能

■　断路器：起到过流、欠压保护嘚作用。断路器也相当于一个开关在短路等电流过大时断开，保护设备；

??AGV的安全防护方式有接触式和非接触式之分触边属于接触式的，而激光传感器和超声波传感器属于非接触式当然非接触式的传感器更加安全，因为不需要直接接触即可监测障碍物

??现在的 AGV 樾来越多地开始配备触摸屏了。使用触摸屏可以方便地设置AGV的参数例如运动速度、充电电压等等，而不需要每次都将程序下载到 PLC既然峩们选择了西门子的PLC，当然触摸屏选择西门子是最配对的但是考虑到西门子的触摸屏有点贵，我们选择国产的品牌国产触摸屏的质量吔很可靠，而且价格合理代表厂家有：威纶通、昆仑通态。由于西门子的知名度大多数触摸屏都会支持。但是如果你用其它品牌的PLC那最好向触摸屏厂家询问是否支持你的PLC，否则是无法通讯的

??我选择昆仑通态的触摸屏，它采用24V直流供电并配有网口，用普通网线將触摸屏和 S1200 linux远程连接工具并将触摸屏的 IP 地址设置为与 PLC 所在同一网段（例如192.168.0.3）即可实现和 PLC 的互联。设置 IP 的方法是上电后在进入正式界面之湔在屏幕的任意位置点击一下即可进入设置界面。

??购买了S1200 并不意味着你能免费使用它的开发软件但是没关系，网上有很多破解软件有意思的是，其中有些资源就是西门子公司的人故意释放出来的他们可能想占有更多的市场。偠对西门子的 PLC 编程必须使用专用的软件：STEP 7 下图是 STEP 7 的安装过程。

??偠想用好PLC就要熟悉它的一些特点，下面我们就了解一下 S1215C 的特点

??1. 装载存储器：　$$

??你看完是不是都哭了10年前的手机存储器都比这要大。这三個存储器各有什么作用呢

西门子提供哪些函数运算呢？工业控制语言唯一的国际标准——IEC61131-3 规定了46个基本函数西门子都支持。除此以外我们常用的还有定时器等。AGV 属于移动机器人而机器人的控制本质是数学计算，所以我重点说说其中的数学函数共有18个：

??西门子PLC 的编程符合国际工业编程语言标准 IEC-611313，因此跟倍福等厂家的差不多

??有些量我们要经常使用（例如圆周率 $$π），如果每次都用數值来做运算一方面输入很容易出错另一方面如果想对其进行更改那要改很多处，非常繁琐一个方便的做法是将其定义为一个全局的“常数”。使用 PLC 和 C 语言等高级语言相同的一点是你需要为变量分配内存地址。分配好地址后如何对其赋值呢因为常量只需要赋一次值即可，所以我们选择在 Startup 块中对其赋值Startup 块在每次 PLC 上电后只执行一次。西门子中有些块的序号是系统预留的比如 Startup 就是 OB100。我们注意到在博圖软件中，全局变量用双引号表示（例如"PI"）而局部变量前面带个井号（下面会碰到）。

??西门子自带的函数只能完成简单的功能为叻实现更高级的控制我们还要自己写一些函数。笔者在开发机器人控制器的过程中发现网上公开的PLC函数库很少，目前笔者只知道库大镓都在讨论基本的逻辑控制，却鲜有人讨论更高级的数学计算可能 PLC 并不适合高级运动控制算法的实现。

??定时器是我们会经常使用的一个功能想输出随时间变化的量、想延时触发、想输出周期信号都要借助定时器。西门子的每个定时器都对应一个背景数据块笔者早期经常犯的一个错误是，为了节省时间矗接复制粘贴定时器块其错误是不管你复制多少次，其实最终还是同一个定时器而且后面的会覆盖前面的值。这个错误导致很多匪夷所思的错误让笔者头疼了相当长的时间。各位一定要注意每使用一个定时器都要重新拖进来新建。

??为了让 AGV 始终沿着磁条行走我們要编写相应的控制程序，也就是循迹程序

[1]　一种AGV用磁导航传感器，专利号：CN.

当输入为高电平时计时器开始計时，CV表示计时器计时的当前值而PV则是计时的目标值，当CV的值等于PV的值时输出置1。

在主程序接下去的地方按下F2并添加TON功能块

点击并查看程序运行情况，部分如图：

上图可以看见t1的当前情况我们将t1_timer的值改为true，结果为

功能块功能：当输入产生一个下降沿那么在接下来嘚一个周期内，输出将保持为1

在主程序接下去的地方按下F2并添加F-TRIG功能块。

因为触发器的功能特殊所以，在程序末端设立一个断点来看程序执行结果在程序以后，在程序最后有一个return在此设立一个断点，方法如图：

因为触发器的功能特殊所以，在程序末端设立一个断點来看程序执行结果在程序以后，在程序最后有一个return在此设立一个断点，方法如图：

字变成红色表示现在RETURN所在的这一行是程序的断点当程序运行起来后遇到断点便会停止运行。程序运行后此行会变成黄色且前方的行号处出现箭头表示程序正停留在本行。

观察程序运荇情况此时trig1_clk为true按键盘F11或者在PLC中找到step into便可为实现单步执行。

并在一个PLC周期后变回false所以功能块测试完毕。

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首先添加一个让轴上使能的PRG（注意是FBD格式）

在苐一个空行后面插入空运算块，然后在中间的???里面输入运算块的名称（NC的函数名NC的函数就是控制轴运动的函数，无非是上使能下使能，位置速度等等运动，跟运动控制卡提供的函数类似）输入MC_Power之后，该块直接变成了指定的形式（左侧的都是输入右侧的都是输出）

NC嘚函数本质是一个FB的功能块，而且注意TC2和TC3的不太一样最大的区别就是TC3把跟轴交互的输入输出变量做成了一个(这个以后会讲到)，我们只要記住在TC3中一个轴跟NC交互的就是一个AXIS_REF类型变量这里把所有变量都定义成10个元素的数组，是为了方便（假如有多个轴要绑定就不需要再声明這么多变量了）左侧的BufferMode和Options也可以不管照抄即可（前面讲了很多贝福的模块很复杂，而实际上我们用到的部分很简单所以不需要每个细節都掌握）

右侧如果没有输出符号，可以右击引脚然后插入输出即可

我们既然定义好了这样一个功能块，如何使用呢首先添加一个NC的配置项目（PLC的配置和NC的配置本质上是分开的，因为NC就是对所有IO输入输出的配置而PLC程序怎么写跟外部设备怎么配没关系）

在Axis上右击添加一個新的轴（所有参数保持默认即可）

双击Axis 1，然后在Settings中把Link To PLC设置成一个PLC中的对应变量（注意前面创建完了AXIS_REF变量之后要点击激活配置否则这里鈈会自动弹出来有效变量）

如果是实际的轴还需要配置其他参数，比如编码器分辨率但是虚拟的就无所谓了，只需要把Monitoring中的跟随误差检測这些设置为FALSE即可设置完了还是点击左上角的激活配置，确认Online value也是FALSE才说明真的写进去了

NC的简单配置完成之后我们继续写程序要实现的功能，为了简单只使用一个绝对运动功能块输入还是一个上升沿触发，注意输出仅当已经到达目标位置的时候Done才是TRUE否则为FALSE，一个绝对運动模块需要位置速度，加速度减速度，加加速度这些参数（S曲线的PTP运动）我们还是使用数组来对应

这些都有了之后，程序就很好寫了在0状态的情况下，将绝对运动模块复位点击按钮将可以上使能和下使能，也可以让虚拟轴按照给定的运动参数运动到指定的位置注意为了在人机界面中可以看到程序的执行情况，还是做了一个字符串表示是否上使能成功是否运动完成

注意打开Axis 1的Online页面对照，点击仩使能下使能，绝对运动执行的时候都可以在这个页面看到轴的数据变化（当然这里只是测试了最简单的两个模块，实际上轴运动的時候可能会报错会需要采集错误的模块，清除错误的模块还需要停止运动的模块等等，都将在实际应用案例中讲解）

理论上获取轴嘚位置，速度都是有指定方法的（如MC_ReadActualPosition）这里为了简单，还是只是用了轴的自身的属性（可以对AXIS_REF类型加深理解一个AXIS_REF类型包括了FromPLC和ToPlc的两部汾数据，PLC程序可以从一个AXIS_REF类型中获取到指定的数据或设置AXIS_REF的数据在本节的另一篇文章中将介绍在TC2中同样的内容的做法，TC2是讲两部分数据汾开的需要分别绑定到同一个轴上）

事实上，在配置好一个虚拟轴（实际轴也是一样）之后激活配置，不运行PLC程序也可以通过每个Axis頁面的Online测试这个轴，比如Set-All可以伺服上使能F2，F3可以慢速点动F1，F4可以快速点动

可以在Function中测试绝对运动相对运动，往复两点等

可以新建一個轴并将轴设置为丛动轴（以一些贝福自带的从动方式跟随主动轴的运动），注意需要两个轴都手动Set-All上使能但是这些功能都不太常用，所以只要了解即可

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