浅谈舞台剧目中的AGV控制

 浅谈舞台剧目中的AGV控制

高艳锋

身份证号：142326198108191814

一、摘  要：

目前，随着控制技术水平的提高，AGV控制系统越来越趋于成熟。从物流行业、汽车行业、运输行业、包装行业等，AGV控制都得到了广泛的使用，本文通过一个非标室内剧场来阐述了AGV控制在舞台表演中起到的作用，以技术+艺术的手法来提高表演效果，在实际中取得了非常好的效果。

关键词：变频器、编码器，PLC、磁导航、AGV

二、概述：

AGV又叫自动导向搬运车，是指不借助于人力的控制，车辆通过传感器、控制器、电机等自动化控制元件，控制搬运车移动到固定的位置或者沿着固定的轨迹运行的一种设备。AGV循迹的方式大致有这么几类：光电开关循迹、磁导航循迹、激光循迹等。不论何种循迹方式，最终的目标是使得搬运车能在预定的范围内自动的运行，而无需人工干预。

AGV控制系统一般由以下几个部分组成：传感器、控制器、驱动器、电机。传感器负责信号的采集与反馈，它将采集到的信号反馈到控制器；控制器是系统的核心，它负责程序的运算集成，在接收到传感器的信号后，通过程序处理输出相应的控制信号至驱动器；驱动器接收控制器的信号，并控制电机旋转，电机在物理上和设备进行连接以驱动设备运动。

大部分AGV系统，一般使用磁导航传感器+磁条来进行数据的采集，传感器将采集到的数据传输到控制器上后，控制器根据此信号建立数学模型，使得AGV小车沿着磁条的轨迹进行运行。现实中根据不同的需求磁条的铺设方式也不一样，有的要求轨迹为直线、有的要求轨迹为圆弧、有的要求圆弧加直线等，需要根据不同的要求进行磁条的铺设。

在舞台剧的表演当中，表演的形式越来越多样化。很多时候设备在空间中是纵横交错的，同一个空间有很多设备需要进行同时动作或者分时动作，所以要求设备与其他设备干涉的可能性最小。像舞台中移动的车台以及其他的一些移动道具，这种设备往往在空间结构上和其他设备会相互冲突。如何通过优化的结构设计使得其与其他设备相互独立，便成了设计时需要特别考虑的课题，类似这样的舞台设备使用AGV的控制系统是一种比较合适的技术手段。

三、项目介绍

在重庆1949大剧院，整个舞台是360度可旋转的。演出的时候，舞台会根据剧情需要在几个特定的时间进行特定的旋转，每一次旋转的角度和速度都不尽相同，但是在这个旋转的舞台上又需要有一个道具船在某一个场景中从舞台外面开进来以实现表演的效果。这样子，旋转舞台和道具的相互干涉便成了比较棘手的问题。按照传统驱动方式，使用钢丝绳曳引、或者使用有轨导向驱动都是一种可行性的方法，但是选择这种方式意味着，要对舞台下面进行预埋导向，做预埋导向就需要在舞台下面开辟出一片空间来安装驱动设备，会比较占用空间，同时也需要在舞台面上开一条比较大的缝隙以使得预埋导向与道具船进行物理连接。这样做会导致舞台中设备的轮换受到影响，影响演出效果；舞台面上有一条较大的缝隙也有安全上的隐患。

这样的一种情况下，考虑一种自由行驶的小车控制技术，它可以使道具船沿着舞台上预定好的磁条来运行运动。不需要占用其他空间，仅需要在舞台面上铺设一条磁条即可，道具船的电力驱动采用DC24V电池组。这样设计，道具船便成了一件独立于其他设备的单一设备，在物理上可以和旋转舞台以及舞台上的其他的设备隔离开来。

四、技术解析

1. 搭建控制系统架构

道具船重量约500KG，行驶速度最快为0.5m/s，根据舞台地面摩擦情况、道具船沿轨迹行走时左右纠偏的加减速，选择2台3KW三相异步电机进行差速控制以此为基础来搭建控制系统平台。

主控制系统配置为： PLC、变频器、编码器、磁导航传感器。PLC作为控制的核心器件，负责接收磁导航传感器的-10V-10V的偏差信号，并通过路径规划、数学计算来分别控制两台变频器的频率，以控制道具船沿着磁条轨迹进行运行；2台变频器负责控制2台三相异步电动机，通过调整变频器的频率来控制电机的转速；磁导航传感器负责感知道具船与磁条的关系，并实时输出对应的-10V-10V内的电压信号至PLC；另外，变频器上加装了PG卡反馈元件，电机上安装旋转编码器以反馈到变频器的PG卡，如此变频器与电机形成了速度闭合回路，这样做的好处是将速度闭环交给变频器，电机能精准的执行PLC发出的命令信号。

2. 控制原理

差速控制意思是根据左右两侧两台电机的速度差来控制道具船的左右偏转。基本控制原理是：道具船运动的时候，给左右两台电机同样的速度，则道具船走直线；如果左电机的速度小于右电机速度，则道具船发生右偏；如果右电机的速度小于左电机速度，则道具船发生左偏。

选择30mm宽的磁条贴于舞台面，在道具船的纵向中线，安装磁导航传感器，磁导航传感器输出的-10V-10V的信号接入到PLC的模拟量输入端口，对应到PLC上的数据为-30000到30000，即30mm对应为60000，每mm单位对应的数值为2000。当道具船没有偏差时绝对数据为0，为了使控制不发生震荡，需要设置一个死区数值，本项目设置为+/-2000，即在的+/-1mm的范围内的偏差道具船不进行纠偏的动作。

控制算法上使用一套典的PID控制，磁导航传感器作为PID的反馈，根据左偏或右偏来切换PID的给定和输出。无偏差或者在死区范围内，左右电机的速度等于上位机给定速度；左偏时，右面电机的速度作为PID的给定，PID的输出作为左电机的给定频率叠加；右偏时，左面电机的速度作为PID的给定，PID的输出作为右电机的给定频率叠加，通过PID自动整定控制参数，道具船能很平稳的沿着磁条的方向进行运动。

3. 远程控制

虽然道具船相对于旋转舞台和其他设备来说是一台单独的设备，但是演出的时候也需要它受控于总控系统。在道具船上安装了一个无线AP接收装置，将无线AP的有线输出直接连到PLC上；同时在距离道具船最近的地方安装一个无线发射装置，此无线发射装置与网线连接并直接传输到总控系统。通过这样配置，总控系统就可通过以太网来控制道具船的所有动作，譬如速度调整、人工干预，启动、停止等等。

4. 手动介入

道具船控制系统具备手动介入功能，配备了一个无线按键与接收系统，此系统直接进入控制电路，一旦由于某种原因道具船检测不到磁条信号后，可以人工手动将其复位。无线按键具备前进、后退、左转向、右转向、急停的功能。

5. 安全控制

道具船的四周安装区域扫描传感器，传感器信号连接到PLC控制系统，只要有人员或者障碍物进入扫描区域后，即触发道具船停止。在实际演出中，由于剧情需要，道具船前进的时候，左右两侧都有演员进行表演，这种情况需要指挥人员临时屏蔽区域扫描系统，并全程有舞台监督人员监视安全的情况下才能继续前进，演出完毕后将其恢复；同时道具船上安装有紧急停止按键，一旦有紧急情况，操作人员按下紧急停止，直接切断道具船的供电以确保安全。

参考文献

1. 《舞台机械设计》，作者：艾伦.亨德里克森（著），魏发孔（编译）；
2. 《SIMATIC1200 系统手册》，西门子工业自动化与驱动集团出版；
3. 《智能物流机器人设计与制作》，清华大学出版社，作者：陈建；
4. 《现代机电控制工程》，机械工业出版社，作者：张皓。