基于数字化技术的智能AGV 实训平台设计与实现

摘要：为满足机电工程及智能制造相关专业学生的AGV实训需求，文章设计了一种基于数字化技术的智能AGV实训教学平台。该平台融合物联网、大数据、人工智能等技术，可实现AGV系统的远程监控、数据分析、智能调度等功能，为学生提供逼真的实训体验。平台包含控制、通信交互、用户接入三大功能模块，通过构建虚拟与实物相结合的实训场景，使学生能够直观地理解AGV的工作原理、系统架构及关键技术，并在安全可控的环境下进行编程调试、任务执行、故障排查及优化等实践操作。

关键词：自动导引车（AGV） ；数字化；智能制造；物联网；人工智能；实训平台

中图分类号：TP301 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）01-0133-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

自动导引车（Automated Guided Vehicle， 简称AGV） ，也称为自引导车辆或自推进车辆，是一种无人驾驶、计算机控制的移动运输装置，其由电动机提供动力，能在无人监督或操作的情况下执行任务。AGV技术作为自动化物流系统的重要组成部分，已被广泛应用于工业制造、物流仓储等诸多领域，对相关专业人才的需求不断增加，要求也不断提高[1]。国外AGV实训教学平台的研究起步较早，技术相对成熟，通常具备较高的自动化和智能化水平，注重跨学科研究，将机械工程、电子工程、计算机科学等多个领域的知识融合在一起，形成综合性的实训教学体系。当前，国内AGV实训教学平台的研发正处于快速发展阶段，研究与实践方面均取得了显著进展，但仍存在一些问题和不足。比如，技术更新速度快导致教学内容滞后、实训设备成本高导致普及难度大，实训内容单一缺乏综合性等[2]。

本文基于数字化技术设计了一种智能AGV实训教学平台，融合物联网、大数据、人工智能等技术，可实现AGV系统的远程监控、数据分析、智能调度等功能，为学生提供逼真的实训体验。平台包含控制、通信交互、用户接入三大功能模块，通过构建虚拟与实物相结合的实训场景，使学生能够直观地理解AGV的工作原理、系统架构及关键技术，并在安全可控的环境下进行编程调试、故障排查及优化操作等实践操作。

1 AGV 技术概述

AGV机器人由多个关键部分组成，包括导航系统、传感器系统、执行系统、电源系统、通信系统、控制系统等功。其工作原理可以概括为“感知、规划、执行”3个步骤：1） 感知：通过传感器系统感知周围环境，获取自身位置和姿态信息；2） 规划：根据感知信息和目标位置，通过控制系统计算出最优路径，并生成行动策略：3） 执行：通过执行系统驱动AGV按照规划路径移动，同时实时调整以适应环境变化，确保精确到达目的地。AGV常用的导航技术有激光导航、电磁导航、磁带导航、惯性导航、视觉导航等。控制系统是AGV智能化、自动化的核心，通常由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括主控制器（如PLC/工业计算机） 、伺服驱动器、传感器、通信模块等。软件部分包括导航与定位软件、运动控制算法、任务调度与管理软件、安全监控软件等[3]。

2 智能AGV 实训教学平台设计

2.1 平台设计指导思想和原则

基于数字化技术的智能AGV实训教学平台设计，旨在为学生提供一个集理论、实践和创新于一体的综合学习环境。平台设计指导思想和原则主要有以下3 个方面：1） 以OBE教育理念为指导，以学生为中心，以产出为导向，构建“虚实结合、软硬兼施”的智能AGV 实训教学平台；2） 对接产业需求，将新技术、新工艺、新规范融入实训教学内容，突出实用性和先进性；3） 采用模块化设计，便于平台扩展和升级。

2.2 系统架构

2.2.1 硬件架构

智能AGV实训教学平台系统的整体设计基于模块化，包含中央控制单元、AGV机器人模块、机器视觉模块、通信与交互模块等。其硬件架构，如图1所示。

AGV机器人模块通过Wi-Fi与中央控制单元互联，机器视觉模块通过相机串行接口（Camera Serial In⁃terface，简称CSI） 与中央控制单元互联，导航管理控制器通过集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，简称IIC） 与中央控制单元互联，并控制光纤导航模块和电磁导航模块，道闸和射频识别 （Radio Frequency Identi⁃fication，简称RFID） 存取车模块均通过控制器局域网总线（Controller Area Network，简称CAN） 与中央控制单元互联。

1） 中央控制单元。中央控制单元即主控制器，采用高性能服务器支撑，通常由PLC/工业计算机作为硬件设备，负责数据处理、决策制定及指令下发，确保系统运行的稳定性和高效性。中央控制单元实现导航、路径规划和引导控制。AGV控制系统分为地面（上层） 控制系统、车辆（单机） 控制系统和导航/引导系统，其中地面控制系统是指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配、车辆调度、路径（线路） 管理、交通管理等自动充电功能；车辆（单机） 控制系统收到指令后，主机系统进行AGV导航计算、直接执行、车辆、装卸操作等；导航/引导系统负责计算AGV的行驶方向和路径，确保AGV能够按照预设的轨迹或根据实时环境信息进行调整并完成任务。地面（上层） 控制系统是AGV 系统的核心，其主要功能是为AGV系统的多套AGV 单机任务分配、交通管理、交通管理和通信管理等。车辆（单机） 控制系统和导航/引导系统在收到命令后，为AGV实现单机导航、引导、路径选择、车辆驾驶、装卸操作等功能[4]。

2） AGV机器人模块。设计中使用的机器人采用仓储夹抱式，四轮驱动，配备高精度电机、编码器、激光雷达、超声波传感器等硬件设备，支持前进、后退、转向、循迹、避障等操作，具备无线局域网通信、声光报警、自动充电桩充电等功能。

3） 机器视觉模块。该模块集成高清晰度摄像头和图像处理模块，采用深度学习算法，支持物体识别、形状检测、颜色识别、二维码识别等功能。首先，在视觉引导方式上，通过集成摄像头或传感器阵列，利用高分辨率摄像头捕捉环境特征，通过算法实时处理图像，确定自身位置。其次，在图像识别与处理方面，通过高清摄像头获取环境图像，随后通过高速处理器进行分析，以识别路径标识、障碍物以及其他关键环境特征。再次，在特征提取与物体识别方面，能够从环境中提取特征，并进行三维视觉分析，通过分析从立体摄像头或激光扫描仪获得的数据，构建环境的三维模型，从而更准确地进行空间定位。最后，采用深度学习与神经网络，允许从经验中学习，提高图像分类和识别的准确性[4]。

4） 通信与交互模块。该模块利用无线网络和标准化通信协议实现AGV机器人与中央控制单元、用户终端之间的实时信息交换，包含导航管理控制器和RFID存取车模块。导航管理控制器通过对光纤导航模块，电磁导航模块实现对机器人的导航，FRID存取车模块实现存取车管理。通信与交互模块基于对Zig⁃Bee、Wi-Fi、蓝牙等多种无线通信方式的支持，实现机器人与上位机、其他机器人之间的高速数据传输和指令控制。

2.2.2 软件架构

平台设计在软件支持方面采用嵌入式控制系统，基于ARM或Cortex等高性能处理器，实现AGV的运动控制、数据处理和无线通信等功能；在编程方面采用机器视觉算法，在开发语言方面根据需求选择合适的开发语言，如Java、C++、Python等，实现图像处理、特征提取、目标跟踪等算法。此外，开发框架的应用层可以采用Spring Boot、Django等成熟的Web开发框架，以提高开发效率和系统稳定性。数据库可选择MySQL、PostgreSQL等关系型数据库或MongoDB等非关系型数据库，根据数据特点和查询需求进行选型。前端技术采用React、Vue等现代前端框架，结合Web⁃Socket等技术实现实时数据交互。智能AGV实训平台软件架构采用分层设计，以确保系统的模块化、可扩展性和可维护性，如图2所示。

总体架构可以分为以下3 个层次：1） 操作系统层：为上层应用提供统一的运行环境，包括实时操作系统（RTOS） 或通用操作系统（如Linux、Windows等） 。操作系统层负责任务调度、资源管理、中断处理等底层功能；2） 中间件层：提供一系列通用的服务和接口，如网络通信、数据交换、任务调度等。中间件层是连接应用层和操作系统层的桥梁，使得上层应用可以更加专注于业务逻辑的实现；3） 应用层：包括各种面向用户的软件应用，如AGV监控与管理系统、任务分配系统、路径规划系统等。应用层通过调用中间件层提供的服务和接口，实现具体的业务功能[5]。

2.3 功能模块设计

本研究在功能模块设计上融合控制、通信交互和用户接入三大功能。通过完整的培训项目，使学生能够全面了解AGV系统的工作原理及研发过程，熟悉并掌握各个环节的知识与技能，以培养和提高学生分析解决问题、实践操作、团队合作和创新思维等综合能力。

2.3.1 控制功能

AGV控制功能由中央控制单元实现导航、路径规划和引导控制。AGV控制系统分为地面（上层） 控制系统、车辆（单机） 控制系统和导航/引导系统，其中地面控制系统主要负责任务分配、车辆调度、路径（线路） 管理、交通管理等自动充电功能；车辆（单机） 控制系统收到指令后，主机系统进行AGV导航计算、直接执行、车辆、装卸操作等；导航/引导系统负责计算AGV 的行驶方向和路径，确保AGV能够按照预设的轨迹或根据实时环境信息进行调整并完成任务。运动控制由运动控制伺服系统实现，其工作原理为由运动控制模块将控制信号（如脉冲信号和脉冲频率、脉冲方向或模拟电压等） 发送给伺服驱动单元，伺服驱动单元将接收到的信号转换为驱动信号，将驱动信号输出为角位移或角速度，可以调节电机的扭矩，使其按照预定的控制拖动机械运动。

2.3.2 通信交互功能

通信交互功能通过无线通信来实现，采用广泛应用的RS232或RS485通信，选择无线数据传输模块实现AGV与主机的通信。当无线数据传输模块接收到上层机密数据时，先将数据发送到发送缓冲区，同时将模块的状态由接收状态转换为启动状态，完成状态转换后开始发送打包过程。发送打包的应用程序将缓冲区中的数据转换为适合无线传输的数据包，并将控制信令动态插入数据包中，然后将数据包发送到模块调制口。当无线数据传输模块接收到数据时，会按照规定将串口的帧格式和速率传输到PC串口。无线数据传输模块通常提供标准的RS-232、RS-485 和UART（TTL电平） 3种接口模式，与计算机、用户设备、RS-485单片机或其他使用UART设备直接连接[6]。

2.3.3 用户接入功能

学生通过用户界面通过接入中央控制单元，进入实训平台。平台提供友好的用户界面，学生可以通过PC或移动设备远程控制AGV，进行编程调试、参数设置、数据采集等操作。实训环境的构建可包含多种障碍和路径的实训场地，模拟真实工厂或仓库环境。也可以通过虚拟仿真系统，提供虚拟仿真环境，让学生在虚拟场景中进行AGV的编程和调试。首先，要使用网线、串口线或无线网络等方式接入用户界面，将用户终端与中央控制单元建立物理连接。其次，配置网络参数，需要确保用户终端与中央控制单元在同一局域网内，并配置正确的IP地址、子网掩码、网关等网络参数。最后，在用户终端上启动控制软件，根据软件提示输入必要的登录信息（如用户名、密码） 以完成登录。此外，还可以在用户终端上构建在线学习平台，结合数字化教学平台，提供课程资料、教学视频、在线测试等资源，支持学生的自主学习和远程学习。

3 结束语

本文以OBE教育理念为指导构建了一个“虚实结合、软硬兼施”的智能AGV实训教学平台，对接产业需求，将新技术、新工艺、新规范融入实训教学内容。平台包含控制、通信交互、用户接入三大功能模块，通过构建虚拟与实物相结合的实训场景，使学生能够直观地理解和学习AGV的工作原理、系统架构及关键技术，并在实训环境下进行编程调试、任务执行、故障排查及优化等实践操作。展望未来，AGV实训教学平台的开发应更加注重引入虚拟现实技术以及智能化的实训项目，以实现与新技术的紧密融合，不断提升学生的知识水平、实践技能和创新能力。

参考文献：

[1] 江涵.产线智能复合机器人控制系统研究[D].济南：山东交通学院，2024.

[2] 杨文华.谈谈AGV的技术标准[J].起重运输机械，2024（13）：14-16.

[3] 栗文涛，郑继强，徐进壮.自动导引车路径规划技术研究[J].装备机械，2024（2）：47-51.

[4] 陈纪钦，谢智阳，陈斌，等.基于搬运AGV的智能停车教学台架设计[J].广东交通职业技术学院学报，2019，18（3）：72-76.

[5] 张毓兰，田海兰，宋梦悦，等.基于智能物流的AGV路径优化研究[J].长江信息通信，2024，37（6）：100-101，139.

[6] 成威.基于5G移动机器人远程控制网络系统实时性研究[D].北京：北方工业大学，2024.

【通联编辑：闻翔军】

基金项目：2024 年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目，项目名称：《基于数字化技术的智能AGV 实训教学平台设计》（项目文号：桂教科研〔2024〕1 号；项目编号：2024KY1545）