AGV小车安全预警系统开发与应用|agv|信号|小车安全预警|汽车|警示灯

广告 | 点击查看

摘要：为解决济南卷烟厂卷包车间AGV小车因外来人员误占安全通道导致的安全风险升高、物料损坏及输送效率下降等问题，本文综合应用LEC风险评价法、嵌入式系统及多传感器融合技术，设计并研制了一套AGV小车安全预警系统。该系统通过人体感应传感器实现3m安全距离内人员检测，结合Wi-Fi传输与双线程控制技术，联动高音扬声器、激光直线警示灯及显示屏完成多维度安全预警。以济南卷烟厂卷包车间8台AGV小车为对象进行测试，结果表明：安装该系统后，AGV小车对外来人员的危险程度D值由77降至9（D＜20），物料输送中因紧急制动导致的物料损坏次数由每5000件6次降为0，AGV小车“COM”故障处理时间由24.5min缩短至1.34min。该系统有效提升了AGV小车本质安全水平，为烟草行业AGV设备安全运行提供技术支持。

关键词：AGV小车；安全预警系统；LEC风险评价法；嵌入式系统；多传感器融合

作者：毕玉超段晓威云杰赵衡张世福刘哲

山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂

一

引言

自动导引车（Automated Guided Vehicles，AGV）作为生产制造企业自动化物流的重要部分[1,2]，承担济南卷烟厂卷包车间机台物料供应与空托盘回收任务，其安全稳定运行直接影响车间生产效率。济南卷烟厂卷包车间现有8台AGV小车组成的输送系统，随着企业工业旅游推进及外协施工作业增加，外来参观人员与相关方人员流量显著上升，误占AGV安全通道的频率升高，导致AGV设备的事故发生可能性（LEC风险评价法[3,4]中的L值）增大。现有AGV虽配备基础安全制动装置，但存在预警功能缺失问题：一是外来人员安全意识参差不齐，无法及时感知AGV靠近，易引发碰撞隐患；二是AGV自重2t、载重0.4～0.98t，紧急制动时易导致物料惯性偏移摔落，同时损伤制动系统与车间地面；三是紧急停机后常出现“COM”故障，造成小车定位丢失、引发排队等待，延误物料供应。

要解决上述人机交互引发的安全问题，需引入主动预警机制。当前，随着物流自动化设备的增多，针对自动化设备安全的研究较多。毕玉超[5]等设计了一套ABB机器人辅助吸盘装置，避免了在拆垛过程中因吸盘吸附不稳而造成成品烟箱掉落等问题；王厚英[6]等运用了S7-200SMART PLC控制技术及通信功能，衔接AGV小车辅助控制技术，实现了整个产线的自动化；朱丹[7]选取激光传感器作为路径信息采集装置，以两片8位单片机作为系统的控制核心，提高了小车识别系统的前瞻性和准确度，从而达到了提高小车运行速度和稳定性的目的；李博巍[8]采用嵌入式系统的开发平台，在汽车前、后、左、右四个方向设置人感和视频摄像传感器，当汽车与周围障碍物间的距离小于预警值的时候，能够及时发出预警声光信号。康永新[9]等通过定义路口关键点的可行方向限制算法的搜索范围，降低路径规划时间和AGV转向次数，再结合时间窗口算法对多AGV路径进行碰撞分析，有效避免可能发生的拥堵，减少AGV在关键点的等待时间。安全领域研究多集中于路径规划，针对卷包车间复杂人机环境的多维度预警系统较为缺乏。本研究借鉴工业设备模块化设计思路，结合LEC风险评价法，研制嵌入式AGV安全预警系统，通过多传感器检测与多方式预警，降低事故风险，提升AGV本质安全水平。

二

基于LEC法的AGV小车运行危险分析

1.LEC风险评价

LEC风险评价法是通过评估与系统风险相关的三个指标——事故发生可能性大小（L）、人体暴露在这种危险环境中的频繁程度（E）、一旦发生事故会造成的损失后果（C），并以三者乘积D值来评价风险的大小[2]。具体参见表1。

表1 LEC风险评价法标准

AGV小车在工作时间运行，E值取6，发生小车撞人事故时，一般会造成较严重的机械伤害，C值取3，因此E值和C值相对固定，而当前L值处于较高级别（3～6），因此在设定目标时，考虑通过将L值水平降低来实现D值控制在尽可能低的安全水平。采用LEC风险评价法对一个月内AGV小车对外来人员的危险程度D值进行评价，D值平均水平为“显著危险，需要整改”（77），参见表2。定量目标为AGV小车本质安全危险程度D＜20（稍有危险，可以接受）。

表2 AGV小车运行危险性分析

2.安全距离判定

AGV小车安全距离是指为了防止人体触及或接近AGV小车处于危险状态，防止AGV小车造成的危害，而在两者之间所需保持的一定空间距离。

AGV小车与人的运动状态分为三种：①小车向静止的人运动：实测，小车在距离人20cm 处紧急停车，安全空间几乎很小，此时L值为3，较大；②人、车同向而行：此时L值最小为1，如果人减速至静止，参考①；③人、车相向而行：此时L值为6，最大，此时危险程度D值最大。

显然，相向而行L值＞小车向静止的人运动L值＞同向而行L值。

参观时外来人员多为驻足观看讲解，对于上述情形①、②，小车向静止的人体运动，经查阅技术资料，小车最高速度为0.5m/s，小车距离人0.4m 处开始紧急制动（制动时实测制动距离0.2m，停止后距人0.2m），人的反应时间通常为0.4～0.6s，在受到惊吓的情况下，反应时间通常在1.5s内。按照人反应时间1.5s，为了避免小车紧急制动，两者需要保持的安全距离为0.4m+1.5s×0.5m/s=1.15m；对于情形③，通常人的行走速度为1m/s，参观时即使人员与小车相向而行，人的速度也远小于正常人行走平均速度，但理论计算时，人行走速度仍按1m/s计算，为了避免小车紧急制动，两者需要保持的安全距离为0.4m+1.5s×（0.5m/s+1m/s）=2.65m。

综合两种情况的计算结果，为使事故发生的可能性L值有效降低，将安全距离统一按 3m来考虑。因此，可见对于情形①、②和③只需在设计过程中，在距离小车3m处检测到人员并输出多种预警提示信号提示人员作出反应，就能最大限度的降低事故发生的可能性L值。

三

AGV小车安全预警系统设计

1.系统总体架构

AGV小车安全预警系统采用模块化设计，分为电源模块、信号采集模块、信号处理模块及预警输出模块4部分，整体架构如图1 所示。电源模块将AGV小车24V电压转换为系统所需12V稳定电压；信号采集模块通过人体感应传感器与I/O触点采集，实现3m安全距离人员检测及AGV运行状态识别；信号处理模块基于Wi-Fi传输与Python双线程控制，完成信号分析与预警指令下发；预警输出模块通过高音扬声器、激光直线警示灯及显示屏，实现声、光、文字多维度预警，与AGV原有安全装置形成双重防护。

图1 系统整体架构图

2.关键模块设计

（1）电源模块

根据已确定相关器件额定电压，电源需提供12V的电压，如选择外加电源，体积较大，需要持续充电。选择AGV小车自带电源，体积小、可随小车移动。通过加装LM2596S电压转换模块，将24V电压稳定转换为12V，满足系统各器件供电需求，且无需额外维护。

（2）信号采集模块

信号采集模块主要围绕AGV的环境感知与人机运行状态监测两大核心需求，通过对关键组件人体感应传感器透镜及信号采集方式的选型与参数设定，确保数据采集的准确性、适用性与可靠性。

人体感应传感器透镜选型。对比球面透镜（检测角度不足）、菲涅尔透镜（成本420元）与多焦点透镜（成本360元），多焦点透镜检测角度覆盖广，可满足AGV前部、左部、右部三向检测需求，因此选择多焦点透镜。结合AGV制动距离0.2m、提前制动距离0.6m及安全间距0.2m，将传感器检测距离设定为3m。

表3 I/O触点采集模拟测试

AGV运行状态采集。对比CAN总线采集（干扰原有系统）、驱动器采集（改造可行性低）与I/O触点采集（无干扰、改造难度小），选择I/O触点采集方式。通过分析AGV电路图确定运动状态信号位置，模拟测试10次，采集成功率达98.3%，参见表3。可准确识别AGV前进、停止、倒车、拐弯等状态。

（3）信号处理模块

信号处理模块主要是处理信号采集模块所发送的AGV运行状态信息，聚焦AGV与系统间的稳定通信传输及高效控制逻辑，通过确定通信方案、部署网络架构并选择适配的控制方式与开发语言，保障数据传输实时性、安全性及控制功能开发效率。

图2 网络连通测试

WiFi传输速率为150Mbps，能够满足实时响应需求。WiFi传输半径为60m，能够覆盖车间AGV运行路径。在车间天花板中间位置安装 AGVSAFE AP 基站，设定8台AGV IP地址（192.168.2.101-108）并设置IP白名单，保障通信安全。通过网络连通性测试保障网络连通正常，如图2所示。

（4）预警输出模块

预警输出模块通过构建声音、光源、屏幕三位一体的多维度预警体系，针对AGV运行场景设计适配的预警设备、安装方案及内容，确保在保障人员清晰感知避让信号的同时，兼顾实用性与环境兼容性。

声音预警。选用高音扬声器，定制“AGV靠近，请避让”语音内容，在3m安全距离处分贝值约68dB（＜85dB），既保证人员清晰识别，又避免噪音干扰。

光源预警。对比高亮一字投影灯（3m处散光）与激光直线警示灯（3m处清晰无散光），选择激光直线警示灯，安装于AGV前部与两侧，AGV非充电状态时持续点亮，提醒人员避让。

屏幕预警。显示屏安装于AGV上部盖板（钢板厚度3mm，符合人眼15°～40°最佳俯角），显示内容与声音预警同步，额外增加物料名称、机台及运输路线信息。固定支架采用3D打印（PLA材料），制作周期21小时，承重＞20kg，满足安装稳定性要求。

3.控制程序设计

控制方式选择双线程控制方式，在程序中创建两个独立的线程，分别负责充电状态管理和设备运行状态管理，两者并行运行且互不堵塞。编程语言选用Python，开发环境基于PyCharm编写系统控制程序，分为主模块、数据模块与中断模块，流程如图3所示。

图3 软件编程流程图

当人体感应传感器检测到3m内人员时，触发中断程序，信号经Wi-Fi传输至AGV控制器，控制器同步启动高音扬声器、激光警示灯及显示屏，预警系统的实物如图4所示。

图4 AGV小车安全预警系统展示

四

应用效果

1.试验设计

本试验在济南卷烟厂卷包车间开展，试验对象为车间内投入使用的8台AGV小车，其主要负责“泰山”牌箱装件烟的输送作业。试验参数设定如下：AGV小车运行速度统一控制为0.5m/s；为模拟车间实际人员流动场景，重点模拟外来人员参观情境，设定参观频次为每日10～13次，月均参观人数为300～450人；试验周期规划为2025年6月至9月，共计4个月，以确保数据采集的全面性与时效性。

2.结果分析

（1）安全风险改善

采用LEC风险评价法统计AGV危险程度D值，D值由平均77降至9（＜20），达到“稍有危险，可接受”，满足烟草行业安全标准，参见表4。

表4 AGV小车本质安全危险程度测算

（2）生产效率提升

系统安装前后物料输送关键指标参见表5。安装后，AGV紧急制动次数减少，每5000件物料损坏次数由6次降至0；“COM”故障处理时间由24.5min缩短至1.34min，避免小车连锁排队，AGV有效运行时间由18.2h/天提升至21.5h/天，物料准时输送率提高15%。

表5 AGV小车预警系统安装前后生产效率对比

五

结论

本文研制的AGV小车安全预警系统，通过多焦点透镜人体感应传感器实现3m精准检测，结合Wi-Fi传输与双线程控制技术，联动声、光、文字多维度预警，有效降低事故可能性L值，使AGV危险程度D值＜20。系统应用后，物料损坏率降至0，“COM”故障处理时间大幅缩短，AGV有效运行时间提升，保障卷包车间物料供应效率，降低运维成本。

参考文献:

[1]徐佳祥,王宁.生产车间多AGV运输系统能耗优化路径规划算法[J].汽车工艺与材料,2025, (10):1-9.

[2]陶顺育.生产型企业引进AGV的决策研究[J].物流科技, 2025, 48 (18):75-78.

[3]于海,刘振国,单雪垠,朴文泉.LEC法在变压器作业危险评估中的应用[J].电力安全技术,2025, 27(06):8-13.

[4]鲁德意.LEC法在金属3D打印机风险评估中的应用[J].实验室科学,2025,28(04):158-163.

[5]毕玉超,高勇,丛鑫,刘辉,高坤.ABB拆垛机器人辅助吸盘装置的设计[J].烟草科技,2019,52 (05):105-108.

[6]王厚英,李福武,何经纬.基于PLC与AGV控制的工业机器人自动产线[J].轻工科技,2019,35 (12):75-77.

[7]朱丹.基于激光传感器的智能循迹小车设计[J].电子技术与软件工程,2016,(22):254.

[8]李博巍.基于嵌入式的汽车防碰撞预警系统[D].导师:孟宪福.大连理工大学,2014.

[9]康永新,张永聪,张磊,郝艳鹏,韩丹.基于关键点和时间窗口的多AGV路径规划研究[J].物流技术与应用,2025,30(09):123-129.

———— 物流技术与应用融媒 ————

编辑、排版：王茜