适用于航站楼的交通助运车的研究

时间：2024-05-04

张佳鹏许赵哲魏明

摘要根据航站楼交通需求，设计了一款“航站楼助运车”;主要由感知控制系统、电源管理系统、交互系统组成;能够完成自动寻迹运输、主动避障、载人行驶、远程调度、自动充电等多种功能的。为实现航站楼的交通智能化、便利化、人性化提供了理论基础。

【关键词】航站楼助运车自动充电控制系统

自动导航车（Automated Guided Vehicles.AGV）又名无人搬运车，是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备，是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统（ CIMS）中的关键设备之一。随着我国工业化水平的发展，自主创新能力的提高，以及互联时代对大数据发展的推动的，在工业自动化方面AGV小车已经得到了长足的发展。在国内，京东以及阿里等已经将AVG广泛运用于仓储运输等方面。在大众日常生活方面，AGV小车仍然没有得到非常好的应用，特别是在航站楼，车站等公共服务领域，许多现代的代步工具无法使用，绝大多数情况下仍然是以传统的步行为主。

作为交通建筑，提高旅客快捷而方便的通行效率一直是航站楼设计致力追求的目标，缩小旅客步行距离也是整个航站区规划设计的主导原则，航站楼一方面强化航站楼的旅客流程和行李流程设计，另一方面是引导航站楼内外的旅客运营系统朝着容量大、效率高、换乘方便的方向发展。目前许多航站楼都装有一定长度的自动人行道，但还不能够满足乘客的便携性，有的自动人行道因为速度偏差过大还存在的安全隐患。因此，把航站楼作为特定区域，研究出能有效辅助旅客出行的助运车，包括助运车的外形结构、软件系统、硬件组成、信息智能化处理等关键性技术所讨论，分析其特有的优势。

1 系统组成

航站楼助运车的设计所包含的主要系统包括如下几个方面：电源管理系统、电机驱动电路、感知系统（红外循迹、超声波、摄像头视觉电路）以及交互系统（蓝牙模块、Zigbee网络模块、交互控制流程软件）组成，系统方案如图1所示。

为了提高系统快速响应及可靠性，摄像头视觉系统采用独立处理器完成;电源管理系统主要负责监控电池的温度、能量估算、运行距离估算、自动充电等任务;软件交互系统配合调度中心及用户控制终端完成路线规划等任务。

2 助运车的外形结构

本文所提出的航站楼助运车为单人使用的代步工具。作为航站楼内部的主要运输工具，其包含了支撑结构、动力系统、传感器阵列、中央处理单元、智能电源管理系统等部分。如图2所示。

“助运车”外观结构主要包括了座椅、扶手、护栏、置物区、动力系统等部分，座椅设置有扶手，可方便不同人士并将根据实际情况和安全因素进行修改和完善。“助运车”的前两个轮子为固定方向的主动轮，根据两个主动轮的速度差控制“助运车”方向，后面两个轮子为万向轮，配合主动轮转动。

3 电源及管理系统

航站楼助运车作为一个独立运行的自动化设备，一个稳定而又高效的供电系统是必不可少的。在电源的选择方面，考虑到航站楼助运车的工作环境以及工作对象，往往需要中速率供电以及大电流快速充电，因而铅酸电池无法满足实际应用的要求;镍镉电池由于其容量小寿命短等缺点;目前，最为环保和高效的是锂电池，锂电池在输出等量电压的情况下锂电池使用的单个电池组合数目较少，重量和体积也大大减少，必要重要的是放电率极低，无记忆性。

由于锂电池过充时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，而过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，都大大地缩短了电池的寿命，所以在助运车的控制系统中要加入电池的管理系统（BMS管理系统）来避免过充、过放、过载、过热。通过处理器内部模数转换器，监视电池工作电流和输出端电压，实现上述状态监视，并在给出剩余电量指示，通过温度采集芯片18820监视运行过程及充电过程的电池温度，也有利于延长电池寿命和系统安全;

在充电方面，传统的充电方式往往是通过建立充电坞利用手动插线对AGV进行充电。而对于航站楼助运车而言，由于其自主寻迹的功能，因此当AGV小车检测到自身电力不足时会自主运行到充电坞充电。在确认进入到相应位置之后，伸出的充电接口可通过电磁铁来实现正负极对应连接，即可进行自动充电。

以24V 10A对锂电池为例，设计了锂电池充电电路，电路原理图如图3所示。

该充电系统，采用被动启动工作方式，即充电电路由助运车电池供电后启动，这样有利于节省長时间通电待机损耗。

4 电机及驱动系统

航站楼助运车的主要作用为对客及行李的运输，因此强有力同时又灵活的运动系统必不可少。其控制系统主要包由电机及驱动器、基于传感器导引系统组成。在航站楼助运车运动系统当中，电机是整个能量转换的枢纽。目前，市面上绝大数AGV小车常用的是普通的轮边电机，具有体积笨重且不易于控制的缺陷，其效率也很低;而轮毂电机则是将驱动电机直接与车轮相连，中间不需要差速器和减速器，减化了驱动结构，提高了传动效率，同时提高了可利用的空间。助运车采用独立的轮毂电机驱动，因此每个驱动轮的转矩都独立可控，增加了控制自由度，从而可以非常灵活方便地实现车身稳定控制。结合助运车载客载物的主要工作，速度不能太快，主要选用大扭矩慢速运行的轮毂电机。

电机驱动器的型号选用AQMD3610NS直流电机驱动器，其具有以下特性：电机回路电流精确检测技术、有刷直流电机转速自检测技术、再生电流恒电流制动（或称刹车）技术和强大的PID调节技术，可完美地控制电机启动、制动（刹车）、换向过程和堵转保护;电机响应时间短，且反冲力小;输出电流实时监控防止过流，有效保护电机和驱动器。并可通过拨码开关或串口配置电机额定电流，可使电机启动、制动、堵转电流均限定在电机额定电流范围以内，高效而安全。这些特性，配合32位ARM高速处理器，能够充分展现出来，平稳地控制助运车的运行。

5 感知系统

感知系统对于航站楼助运小车而言就相当于小车的眼睛和耳朵，准确的定位以及对障碍物的有效地避让是关系到助运小车安全性能的关键一环。

实现航站楼助运车的视觉和接近觉功能有多种方式：

（1）可使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但是不适用在小体积系统使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域;

（2）电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化;

（3）超声波传感器，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度;

（4）反射式红外光电传感器，一个发射，一个接收。

在航站楼内部，其地面上往往会有指引方向的引导线。根据此特点，可以利用光电寻迹模块来实现主干道及支路的寻迹引导功能。在光电寻迹模块的安装方面对于单线线轨迹，可以采取一字型排列的方式，当中心光电模块检测到黑线时，发射端发射的光线全部被黑线吸收，接收端收不到任何信号，则光电三极管不会导通。若边缘光电模块则没有检测到黑线，发射端发射的光线背白纸反射回接收端，接收端导通导致接收端电位被拉低。高低电平被传送到处理器进行处理，给出实时的路线修正，最终达到沿着单黑线走即寻迹的目的。但是单线一字型排列的模式在小车转弯时可能会出现脱离线路的情况。因而可以考虑使用铺设双边线以及多重光电模块的寻迹模式，上下排用于旋转扫描边线，前排固定用于辅助扫描边线以确保在任何时候都可以准确的寻找到正确的路径，传感器布局如图4所示。

此外，航站楼助运车是一种集各种机械装置、传感器、计算机等于一体的非线性复杂系统，对其建立数学模型很困难，传统的基于模型的控制方法很难适用，而基于经验知识的模糊逻辑控制器不需要精确的数学模型且控制的鲁棒性较好，所以可以通过模糊逻辑来对助运车进行控制。

除寻迹之外，考虑到可能发生的一些意外状况，还需要添加相应的避障功能。避障方式由超声波避障与红外避障混合构成，能够有效减少误判率。超声波传感器一般作用距离较短，在近距离处存在一定的盲区且传播速度较慢，同时对于被测物体表面的性质要求较高，须为平面且不能为吸音材质。红外传感器速度快，但是受阳光干扰较大。考虑到航站楼助运车主要应用在室内且红外线在传播时具备不扩散的性质，在使用时助运车相互之间的影响较小，因而实用性较高。综合上述优缺点，感知系统以红外探测为主判断（循迹最快）、以视觉系统为第二辅助判断（壁障较好，辅助循迹）、以超声波探测为第三辅助（受光线影响条件下，壁障较准）的形式。

6 交互系统

航站楼助运车，在整个航站楼运输系统中虽各自独立工作，但依然隶属于一个整体的综合调度中心系統。一方面，各台助运车之间首先需按照既定好的路线运行，彼此之间的互补干扰;另一方面，助运车还需要接收来自乘客所发出的指令，来完成各自独立的任务。

本文选用ZigBee组网技术，实现总控室对助运车的统一控制，或是助运车单车与整个系统之间信息的交换。组网方式采用星型拓扑网络结构由网络协调器和多个终端设备组成，所有端节点智能与协调器通信，需要在一定距离安装协调器，助运车分时复用方式与调度中心通讯，有效防止节点数量饱和。

在人机交互的方式也是乘客使用体验的一个重要衡量指标，工业3.0时代向工业4.0时代的过渡，实质上是现有的工业自动化向工业智能化、网络化转型，而这其中人工智能和人机交互技术将会起到至关重要的作用。特别是像机场航站楼这类面向公共服务的设施，人机交互的质量更是一种无法回避的问题。人机交互的大致解决方案如下：首先，随着智能手机的普及，借助蓝牙等无线通信技术，可以通过手机应用的形式来实现乘客与助运车之间信息交互的个性化，从而进一步提高助运车的操作性和用户体验。其次，得益于语音识别技术的发展，通过人机之间的对话也给乘客带来较好的用户体验。再者，结合近年来飞速发展虚拟现实技术与智能穿戴设备，也可以推出相关的增强型现实的人与助运车之间的人机交互方式。

7 总结

本文根据航站楼实际交通需要，结合当今工业AGV小车的特性及人们生活习惯，提出了航站楼助运车这一概念性的代步工具，其主要优势表现在：

（1）相对于传统固定直行道而言，助运车具有无可比拟的灵活性、秩序性;一方面，在主干道上，助运车车之间可以自动保持一定的距离按照主干道有序行进;另一方面，在支路口小车可以独立地根据自己预先设定好的目的地前往不同的分支，或者按照乘客的意愿前往不同的区域。

（2）相对于传统运输方式，助运车可提供坐椅以及置物区且为一人一车，其设计更加人性化;同时，在人机交互的模式下，以手机作为控制终端，实现对小车的远程遥控、智能跟随等控制。

（3）控制系统集成度提高，且采用模块化结构，提高了系统的兼容性和扩展性、易操作性、易维护等。总之，随着各项技术的发展，这种技术在民用及公共服务领域会得到普遍的应用，具有很大的研究空间。

参考文献

[1]徐清.自动导引小车系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2006.

[2]欧阳杰，蒋作舟，我国机场航站楼的现状特征及发展趋势[J].华中建筑，2005 （01）：76-77+80.

[3]姬永红，机场自动旅客输送系统技术发展与应用展望[J].城市轨道交通研究，2011，14 （03）：10-14.

[4]黄磊，机场行李输送设备管理及节能改造[J].智能建筑与城市信息，2013 （05）：114- 115.

[5]靳学婷，自动扶梯或自动人行道速度偏差计算方法研究[J].大众标准化，2017 （12）：45-46.

[6]丁莹，王小铎，赵玮，冯作鹏.AGV供电系统综述[J].机械研究与应，2014， 27 （03）：179-182.