AGV小車指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置
??AGV小車指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置 能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車，工業(yè)應(yīng)用中不需駕駛員的搬運(yùn)車，以可充電之蓄電池為其動(dòng)力來源。一般可通過電腦來控制其行進(jìn)路線以及行為，或利用電磁軌道(electromagnetic path-following system)來設(shè)立其行進(jìn)路線，電磁軌道黏貼於地板上，無人搬運(yùn)車則依靠電磁軌道所帶來的訊息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV小車可以非常方便地與其它不同的物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，例如AS/RS(自動(dòng)化立體倉庫/存入取出系統(tǒng))、自動(dòng)積放鏈、各種緩沖站、升降機(jī)和機(jī)器人等；從而實(shí)現(xiàn)在工作站之間對(duì)物料進(jìn)行跟蹤；按計(jì)劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄；對(duì)輸送進(jìn)行確認(rèn)；與生產(chǎn)線和庫存管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線連接以向工廠或車間管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)物流信息。在AGV運(yùn)輸物料過程中，由于AGV按固定規(guī)劃路徑行駛，不易與其它加工設(shè)備或其他障礙物碰撞，很少甚至沒有導(dǎo)致產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的損壞。AGV小車通過安裝地面電纜、磁導(dǎo)航帶或其他不構(gòu)成障礙的地面導(dǎo)引物引導(dǎo)，方便。小車中AGVS系統(tǒng)具有極高的可靠性。AGVS是由若干臺(tái)AGV小車組成，當(dāng)一臺(tái)AGV損壞無法工作時(shí)，其它AGV的生產(chǎn)效率不受影響并可以保持高度的系統(tǒng)可調(diào)度性。AGV小車采用蓄電池作為動(dòng)力來源，既節(jié)約能源又保護(hù)環(huán)境。AGV小車的充電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能少，能源利用率高，并且AGV工作噪音低對(duì)制造和倉儲(chǔ)環(huán)境沒有不良影響。
項(xiàng)目實(shí)施過程，通過分組分工及各研發(fā)階段分期實(shí)施完成?？虏龣?quán)同學(xué)在導(dǎo)師指導(dǎo)下負(fù)責(zé)整體規(guī)劃和過程實(shí)施；張清同學(xué)主要進(jìn)行市場調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，確定AGV小車設(shè)計(jì)功能和成本核算；杜永康、謝延同同學(xué)基于機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)知識(shí)，完成AGV小車硬件結(jié)構(gòu)搭建；團(tuán)體進(jìn)行基于自動(dòng)化傳感檢測技術(shù)和智能控制算法，完成AGV小車軟件程序設(shè)計(jì)，以及AGV小車測試和改進(jìn)。
具體內(nèi)容：第一階段對(duì)AGV進(jìn)行結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，包括傳感器位置安裝；第二階段對(duì)AGV小車進(jìn)行程序編程，包括實(shí)現(xiàn)AGV功能應(yīng)用各類傳感器的程序邏輯結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)、AGV前進(jìn)與后退等狀態(tài)的編寫，以及整體程序的調(diào)試；第三階段對(duì)AGV小車整體功能進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)故障修理、程序微調(diào)及改善等。
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智能AGV小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[摘要]?AGV（Automated Guided Vehicle）即自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車，是指裝備有電磁或光學(xué)等傳感器的自動(dòng)導(dǎo)引裝置，它能夠沿著規(guī)定好的路徑行駛，并且具有安全保護(hù)以及各種移載功能裝置的運(yùn)輸車。
AGV由計(jì)算機(jī)，電控設(shè)備，導(dǎo)航設(shè)備等控制，它的自動(dòng)化程度高，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域。AGV屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人（WMR――Wheeled Mobile Robot）的范疇。自第一輛AGV于1953年誕生以來，AGV技術(shù)不斷發(fā)展并趨向成熟。在歐、美等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用也最為廣泛。由于AGV技術(shù)門檻較低，在我國已有多家企業(yè)生產(chǎn)此類產(chǎn)品，并逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)。
本項(xiàng)目根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，選定以STM32單片機(jī)作為CPU進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文分析研究了AGV硬件設(shè)計(jì)基本要求及并給出實(shí)現(xiàn)方案，軟件設(shè)計(jì)方面采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用無刷直流電機(jī)作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)以及 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PID參數(shù)調(diào)整方案。
首先，介紹AGV小車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求及方案，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)作品為前輪轉(zhuǎn)向，后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的四輪式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
其次，本項(xiàng)目將AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車控制硬件設(shè)計(jì)組成，主要內(nèi)容有：供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、控制電路原理圖設(shè)計(jì)方法、各類傳感器設(shè)計(jì)原理方法。
最后，介紹AGV軟件設(shè)計(jì)方法，主要內(nèi)容為利用定時(shí)器中斷、串口中斷、I/O口數(shù)據(jù)傳輸、定時(shí)器定時(shí)等方法實(shí)現(xiàn)AGV自動(dòng)控制功能。
關(guān)鍵詞：AGV，STM32單片機(jī)，磁導(dǎo)航設(shè)計(jì)，PWM。
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AGV小車一直以來都作為為物料搬運(yùn)使用。世界上第一輛AGV由Barrett電子公司于1953年在美國開發(fā)成功，并且其具有一個(gè)以真空管為基礎(chǔ)的控制器。上世紀(jì)五十年代末到六十年代初期時(shí)，已有多種類型的牽引式AGV作用于工廠和倉庫。
在上世紀(jì)六十年代和七十年代AGV技術(shù)則主要在歐洲得到發(fā)展。當(dāng)時(shí)的導(dǎo)引技術(shù)主要依靠地面控制器開關(guān)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率指引AGV沿著規(guī)劃路徑行駛。到了20世紀(jì)八十年代，發(fā)展中心又轉(zhuǎn)移到美國，無線式引導(dǎo)技術(shù)被引入到AGV系統(tǒng)中，例如激光和慣性進(jìn)行導(dǎo)引。
自20世紀(jì)80年代以來，AGV系統(tǒng)已經(jīng)逐步發(fā)展成為生產(chǎn)物流系統(tǒng)中最大的專業(yè)分支之一，并趨向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，成為現(xiàn)代化企業(yè)不可缺少的自動(dòng)化裝備之一。
1.2??自動(dòng)引導(dǎo)小車（AGV）定義和特點(diǎn)
AGV(Automatic Guided Vehicle),即自動(dòng)導(dǎo)引車，根據(jù)美國物流協(xié)會(huì)定義，AGV是指裝備有電磁或光學(xué)傳感器等自動(dòng)導(dǎo)引裝置，并且能夠沿著規(guī)劃好的導(dǎo)引路徑行駛，且具有小車編程和停車選擇裝置、安全保護(hù)以及各種移載或裝卸物料功能的輪式運(yùn)輸車。AGV是以電池為動(dòng)力來源、車體裝有非接觸導(dǎo)向裝置，具備獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。
AGVS(Automatic Guided Vehicle?System)即自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)，它由AGV小車、上位機(jī)管理系統(tǒng)、路徑導(dǎo)引系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、小車?？抗の灰约俺潆姽の坏冉M成。AGVS的上位機(jī)管理系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)的AGV小車通信，控制和制定AGV小車作業(yè)調(diào)度和計(jì)劃，并優(yōu)化AGV的作業(yè)過程和控制AGV的運(yùn)行路線、實(shí)時(shí)監(jiān)控AGV的運(yùn)行狀態(tài)，使AGV在計(jì)算機(jī)的管制下有條不紊地作業(yè)，并通過物流系統(tǒng)軟件而集成于整個(gè)工廠與車間的生產(chǎn)監(jiān)控和管理系統(tǒng)中。自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)(AGVS)易于和其他自動(dòng)化系統(tǒng)集成，并且容易擴(kuò)展。
應(yīng)用AGV小車具有很多特點(diǎn)：
1）AGV可以非常方便地與其它不同的物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，例如AS/RS(自動(dòng)化立體倉庫/存入取出系統(tǒng))、自動(dòng)積放鏈、各種緩沖站、升降機(jī)和機(jī)器人等；從而實(shí)現(xiàn)在工作站之間對(duì)物料進(jìn)行跟蹤；按計(jì)劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄；對(duì)輸送進(jìn)行確認(rèn)；與生產(chǎn)線和庫存管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線連接以向工廠或車間管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)物流信息。
2）采用AGV后，可以大大減少人工檢取或堆置物料的人力勞動(dòng)力輸出，同時(shí)操作人員可以直接的減少為跟蹤物料而進(jìn)行大量的報(bào)表工作，進(jìn)而加快勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外，可以直接取消或者減少非直接勞動(dòng)力如物料倉庫會(huì)計(jì)員、運(yùn)貨車調(diào)度員以及發(fā)料員的工作。
3）在AGV運(yùn)輸物料過程中，由于AGV按固定規(guī)劃路徑行駛，不易與其它加工設(shè)備或其他障礙物碰撞，很少甚至沒有導(dǎo)致產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的損壞。
4）AGV的最初投入可能較高，但絕大多數(shù)購置AGV的使用者均證明，2到3年間內(nèi)均能收回AGV的投資成本。
5）AGV通過安裝地面電纜、磁導(dǎo)航帶或其他不構(gòu)成障礙的地面導(dǎo)引物引導(dǎo)，方便。
6）AGVS系統(tǒng)具有極高的可靠性。AGVS由若干臺(tái)AGV小車組成，當(dāng)一臺(tái)AGV損壞無法工作時(shí)，其它AGV的生產(chǎn)效率不受影響并可以保持高度的系統(tǒng)可調(diào)度性。
7）AGV采用蓄電池作為動(dòng)力來源，既節(jié)約能源又保護(hù)環(huán)境。AGV小車的充電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能少，能源利用率高，并且AGV工作噪音低對(duì)制造和倉儲(chǔ)環(huán)境沒有不良影響。
1.3 ?自動(dòng)引導(dǎo)小車（AGV）引導(dǎo)方式
AGV技術(shù)是生產(chǎn)過程自動(dòng)化先進(jìn)性的重要體現(xiàn)，AGV之所以能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，導(dǎo)航和導(dǎo)引對(duì)其起到了至關(guān)重要的作用，而AGV的導(dǎo)航引導(dǎo)方式是決定AGV能否進(jìn)一步應(yīng)用于復(fù)雜、惡劣環(huán)境的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前能夠用于實(shí)際運(yùn)行AGV的導(dǎo)航/導(dǎo)引技術(shù)主要有：電磁引導(dǎo)方式、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航等。本項(xiàng)目采用了磁帶引導(dǎo)。
表 1-1 AGV常用引導(dǎo)應(yīng)用現(xiàn)狀比較
1.3.1 ?磁帶導(dǎo)引（Magnetic Tape Guidance）
磁導(dǎo)引方式與電磁導(dǎo)引相近，用鐵氧（磁體）體料粉與合成橡膠組成的磁帶替代在地面下埋設(shè)金屬線，通過磁感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其特點(diǎn)是靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑容易，磁帶鋪設(shè)簡單，適用于小型或臨時(shí)設(shè)備，但此導(dǎo)引方式易受環(huán)路周圍磁性和金屬物質(zhì)的影響，容易受到機(jī)械損傷，因此，此導(dǎo)引方式受外界影響較大。
磁導(dǎo)航方式被認(rèn)為是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，主要通過磁傳感器測量路徑上的磁場強(qiáng)度信號(hào)來獲取AGV自身相對(duì)于磁導(dǎo)引帶之間的位置偏差，從而實(shí)現(xiàn)車輛的姿態(tài)控制及導(dǎo)航。磁導(dǎo)航具有很高的測量精度及良好的重復(fù)性，磁導(dǎo)航不受光線變化及路面污損破壞等影響，在應(yīng)用運(yùn)行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。磁條鋪設(shè)成本低，維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長，且增減、變更路徑容易。
由于AGV具有地上系統(tǒng)簡單、機(jī)能集中、易施工和系統(tǒng)構(gòu)成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在汽車制造、港口貨運(yùn)、機(jī)械加工、發(fā)電廠、電子產(chǎn)品裝配、電子行業(yè)、造紙行業(yè)等諸多行業(yè)。AGV的運(yùn)輸速度及負(fù)載能力遠(yuǎn)高于人力運(yùn)輸，速度可達(dá)每分鐘百米，負(fù)載能力可從幾千克到幾十噸，相比人類而言它具備非常高的實(shí)用價(jià)值?？梢钥闯?，AGV無人自動(dòng)引導(dǎo)小車是一種非常有發(fā)展前途的物料運(yùn)輸裝備，它在柔性裝配系統(tǒng)(FAS)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)中更是一種最有效的物料運(yùn)輸設(shè)備。
隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，AGV的功能以及其導(dǎo)航技術(shù)也在不斷進(jìn)步，并朝著性能優(yōu)越、自由度更高、廉價(jià)、超大型化和微型化方向發(fā)展。AGV的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，從起初只是用作于工廠內(nèi)的物料運(yùn)輸，到現(xiàn)在己經(jīng)不僅僅局限于工廠或車間之內(nèi)，而是已經(jīng)在飯店、醫(yī)院、辦公室、物流和超市等諸多行業(yè)成功的運(yùn)用，并且取得了很好的運(yùn)用效果。
AGV主要應(yīng)用在制造業(yè)領(lǐng)域，在重型機(jī)械運(yùn)輸以及部分非制造行業(yè)中也有運(yùn)用。AGV在制造業(yè)中的運(yùn)用主要有物料裝配、物料分發(fā)和物料加工制方面。其中在裝配作業(yè)中AGV的運(yùn)用量最大，并且AGV也是汽車制造工業(yè)的應(yīng)用大戶。美國通用汽車公司的汽車裝配線有90%應(yīng)用了AGV，在西歐國家更是有57%的運(yùn)用中的AGV被應(yīng)用于汽車裝配。
隨著電子行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，電子工業(yè)領(lǐng)域中的AGV運(yùn)用潛力越來越大。由于消費(fèi)者需求加大，市場對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的需求增加， FMS(柔性制造系統(tǒng))作為靈活的生產(chǎn)方式滿足了市場變化的要求，而將AGV用作中小批量元件的運(yùn)輸更是適應(yīng)了這一需求，并且AGV可以根據(jù)不同運(yùn)用場合需要進(jìn)行輸送路徑的編程，從而達(dá)到指定運(yùn)輸任務(wù)。這在超凈電子行業(yè)凈化室中，AGV代替人工作業(yè)更是發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢。
而在重型機(jī)械制造行業(yè)中，AGV主要用來運(yùn)輸中大型物料和重型物料。而設(shè)計(jì)功率較大并配置重型物件移栽裝置的AGV便可用來代替人工裝卸運(yùn)輸中的大量勞動(dòng)力輸出，更是增加了生產(chǎn)過程中的安全性。
AGV運(yùn)用在非制造業(yè)中也越來越普遍。例如醫(yī)療部門、郵政部門、食品生產(chǎn)、餐廳點(diǎn)菜等。并且AGV可以代替人類，在具有核輻射危險(xiǎn)的地方，用于核材料的搬運(yùn)。
在世界范圍內(nèi)，隨著市場需求的增長，近幾年先進(jìn)制造技術(shù)、工廠物流自動(dòng)化有了很大發(fā)展。AGV技術(shù)的發(fā)展，則進(jìn)一步促成了先進(jìn)的柔性生產(chǎn)線、自動(dòng)化物流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。國外發(fā)達(dá)國家中日本、美國、德國、意大利、瑞典AGV產(chǎn)品種類齊全，技術(shù)先進(jìn)，處于領(lǐng)先地位。
國內(nèi)外在先進(jìn)的加工制造生產(chǎn)線上采用柔性加工系統(tǒng)(FMS),在裝配生產(chǎn)線上使用柔性裝配系統(tǒng)(FAS)技術(shù),在倉庫存取輸送線上使用自動(dòng)化柔性物流系統(tǒng)技術(shù), 進(jìn)而增加了制造生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)的柔性, 加快了生產(chǎn)效率, 適應(yīng)了生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的市場需求。
1.4.2??國內(nèi)AGV的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，由于國內(nèi)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，其對(duì)配套生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量要求不斷提高，特別是裝配制造業(yè)?；谶@種情況對(duì)柔性裝配系統(tǒng)的需求正在不斷提高。
1.5 ?本項(xiàng)目的研究內(nèi)容及AGV的關(guān)鍵技術(shù)
本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款實(shí)用的AGV車開發(fā)平臺(tái)，為保證AGV車的導(dǎo)航準(zhǔn)確性、快速糾正性，以及本設(shè)計(jì)作品中所有的軟件和硬件開發(fā)研究，將主要涉及以下幾個(gè)方面：
2）AGV車體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3）AGV控制器硬件設(shè)計(jì)。將對(duì)控制器與各傳感器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。
4）AGV軟件設(shè)計(jì)。涉及傳感器檢測程序、無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等。
5）項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，保證AGV車運(yùn)行性能。
設(shè)計(jì)為一款既具有實(shí)用價(jià)值同時(shí)利于后期拓展開發(fā)的AGV小車平臺(tái)，AGV將在手動(dòng)開機(jī)情況下，自主抵達(dá)發(fā)出信息的各個(gè)工位，并進(jìn)行任務(wù)將物料搬運(yùn)抵達(dá)至目標(biāo)工位，其中將主要包括如下幾個(gè)關(guān)鍵問題：
- AGV如何實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前周圍環(huán)境的障礙物并及時(shí)躲避
- AGV如何與工位進(jìn)行位置數(shù)據(jù)通信以及物料數(shù)據(jù)通訊。
- AGV如何擇優(yōu)選擇運(yùn)行路徑并抵達(dá)目標(biāo)工位。
- AGV如何獲取當(dāng)前位置信息并確定當(dāng)前行徑方向。
5）AGV如何適當(dāng)?shù)脑谥钡缽澋兰訙p速度并始終在路徑上行走。
這些問題是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的AGV所必需解決的問題，將對(duì)應(yīng)到AGV的傳感器技術(shù)、定位技術(shù)、路徑規(guī)劃策略和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于AGV而言，及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)下達(dá)的任務(wù)指令，并安全、準(zhǔn)確、無物料丟損、無碰撞的完成指令任務(wù)，是AGV最基本的功能。而在各種復(fù)雜環(huán)境中，有效的完成任務(wù)，將很大程度上取決于AGV車自身的導(dǎo)航與環(huán)境識(shí)別能力，而這樣一個(gè)自主式程度高的AGV系統(tǒng)一直都為很多AGV研究者重視，而這樣的一種AGV也具有更廣闊的應(yīng)用前景。
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第二章 ?AGV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 ?AGVS（Automatic Guided Vehicle System）配送系統(tǒng)組成
AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車配送系統(tǒng)由帶輔助裝卸裝置的AGV車、在線自動(dòng)充電系統(tǒng)、地面導(dǎo)航系統(tǒng)、周邊工位及倉庫輸送系統(tǒng)、AGV控制臺(tái)（調(diào)度計(jì)算機(jī)）和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)等構(gòu)成，部分系統(tǒng)工作任務(wù)如下：
1）AGV（Automatic Guided Vehicle）
帶輔助裝卸裝置的AGV小車，完成系統(tǒng)指定從各個(gè)工位的之間輸送任務(wù)。
2）在線自動(dòng)充電系統(tǒng)
為了保證AGV小車全天候運(yùn)行任務(wù)的可靠性，系統(tǒng)會(huì)采用大電流快速充電的方式為AGV蓄電池充電。AGV小車的充電過程是由電量不足情況下向控制臺(tái)發(fā)送電量不足信息，并由控制臺(tái)下達(dá)允許指令后方可執(zhí)行充電程序。
3）地面導(dǎo)航系統(tǒng)
地面導(dǎo)航系統(tǒng)主要由磁導(dǎo)航帶或激光反光板等地面路徑指示標(biāo)志構(gòu)成，使得AGV在規(guī)定的路徑下運(yùn)行運(yùn)輸任務(wù)。
4）周邊輸送系統(tǒng)
周邊輸送系統(tǒng)主要是AGV的自動(dòng)上下貨工位所處的位置，這些設(shè)備在與AGV進(jìn)行裝卸貨物的過程，會(huì)在對(duì)應(yīng)系統(tǒng)監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的互鎖和協(xié)調(diào)配合，保證物料運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)安全性。
5）AGV控制臺(tái)（調(diào)度計(jì)算機(jī)）
控制臺(tái)是AGV小車的上位機(jī)管理系統(tǒng)，是所有處在本系統(tǒng)內(nèi)的AGV小車的調(diào)度管理中心。此系統(tǒng)負(fù)責(zé)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)交換物料及AGV運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，分配系統(tǒng)下各個(gè)AGV的運(yùn)行任務(wù)，解決多臺(tái)AGV之間的協(xié)調(diào)問題。同時(shí)將AGV系統(tǒng)的物料搬運(yùn)完成度等狀態(tài)反饋給中心控制管理系統(tǒng)。
6）通訊系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)由AGV控制臺(tái)和各AGV之間組成無線局域網(wǎng)（此通訊系統(tǒng)頻率采用開放的2.4GHz頻道，覆蓋范圍500米內(nèi)）并進(jìn)行信息交換?？刂婆_(tái)通過多個(gè)無線接入點(diǎn)組合通信，從而覆蓋整個(gè)AGV工作區(qū)域，使得AGV在遠(yuǎn)距離跨越區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)信息連接。
各系統(tǒng)之間的具體關(guān)系如圖2-1所示。
2.2 AGV車身結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.2.1 AGV車身硬件結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)
1、車身額定載重量：即自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)車所能承載貨物的最大重量。通常AGV的載重量范圍在50kg到20000kg，多以中小型噸位。本設(shè)計(jì)的AGV車的載重量在60KG左右，最大載重量70KG，并可以調(diào)整車身部件增加載重量。
2、車體尺寸 ：車體尺寸是指車體的長、寬、高外形尺寸。本設(shè)計(jì)作品車體數(shù)據(jù)為650mm*330mm*250mm。
3、導(dǎo)航精度 ：指AGV行走時(shí)的精度，本設(shè)計(jì)作品精度±10 mm。
4、停位精度 ：指AGV到達(dá)目的工位處并準(zhǔn)備自動(dòng)移載物料時(shí)時(shí)所處的實(shí)際位置與程序設(shè)定的位置之間的偏差值（mm）。停位精度確定移載方式的主要依據(jù)，不同的裝卸方式要求不同的停位精度。本設(shè)計(jì)作品停位精度為。
5、最小轉(zhuǎn)彎半徑：是指AGV在空載低速行駛、偏轉(zhuǎn)程度最大時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到AGV縱向中心線的距離。它是確定車輛彎道路徑運(yùn)行所需空間的重要參數(shù)。本項(xiàng)目作品最小轉(zhuǎn)彎半徑。
6、運(yùn)行速度：指自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)車在額定載重量下行駛時(shí)所能達(dá)到的最大速度。它是確定車輛作業(yè)周期和搬運(yùn)效率的重要參數(shù)。本設(shè)計(jì)作品運(yùn)行速度0-200m/min。
7、導(dǎo)引方式：采用磁導(dǎo)航方式。
8、控制方式：按鈕開關(guān)、計(jì)算機(jī)遙控、工位調(diào)度控制器。
9、電源：36V15AH鋰電池組。
10、安全裝置：故障報(bào)警、急停按鈕、遠(yuǎn)程非接觸防碰防碰裝置。
11、驅(qū)動(dòng)方式：直流伺服驅(qū)動(dòng)。
12、驅(qū)動(dòng)形式：后置雙輪驅(qū)動(dòng)
13、通訊方式：AGV控制臺(tái)與AGV間采用無線局域網(wǎng)通訊交換信息。
14、信息顯示終端：AGV上帶有顯示信息液晶觸摸屏幕
2.2.2 AGV車身設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目采用四輪布置結(jié)構(gòu)，前輪由數(shù)字舵機(jī)控制的一組差數(shù)轉(zhuǎn)向組件來實(shí)現(xiàn)AGV小車轉(zhuǎn)向，后輪由兩組無刷直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2-2所示。
AGV的車架結(jié)構(gòu)采用2525鋁合金材料制作而成，既符合了AGV小車的載重設(shè)計(jì)要求同時(shí)也在外觀上符合了審美。車架三視圖設(shè)計(jì)如圖2-3所示，圖2-4為小車車架實(shí)物。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV小車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)采用數(shù)字舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向組件，達(dá)到AGV小車的轉(zhuǎn)向功能，具體轉(zhuǎn)向部件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下圖所示。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV小車機(jī)身結(jié)構(gòu)考慮了作為AGV開發(fā)平臺(tái)的拓展性，因而在外形以及結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)上充分考慮了后期的改造方便性，并且始終兼顧了它的實(shí)用性能，最終小車的機(jī)身設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖2-8所示。
2.2.3 AGV驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型
AGV小車的主要功能是作為物料運(yùn)輸用途，因此要特別考慮小車的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力（電機(jī)功率參數(shù)），同時(shí)要需要考慮在小車運(yùn)行過程中的停車精度問題，因此選擇一款既具備高低速運(yùn)行情況下力矩良好同時(shí)精度有高的驅(qū)動(dòng)電機(jī)極為重要。因此項(xiàng)目將通過以下參數(shù)計(jì)算選擇電機(jī)型號(hào)。
1、計(jì)算小車最大負(fù)載時(shí)拉力（F）值，圖2-9為小車受力分析。
則小車牽引力為 ：
2、本項(xiàng)目中小車驅(qū)動(dòng)輪尺寸為6寸，半徑約為9.9cm,換算得出負(fù)荷力矩為：
為了使得AGV具備適當(dāng)?shù)呐榔履芰Γ剐≤囋谂榔逻^程中仍具備較大力矩，經(jīng)過爬過過程的小車受力計(jì)算（如圖2-10所示），本設(shè)計(jì)中提高了電機(jī)輸出扭距參數(shù)要求使之達(dá)到5.9的力矩。
????3、小車設(shè)計(jì)最大速度為200m/min,驅(qū)動(dòng)輪半徑為9.9cm
經(jīng)過上面的詳細(xì)參數(shù)計(jì)算，選擇的是一款型號(hào)為Z5BLD250-24A-30S的無刷直流電機(jī)，通過1:7.5減速箱減速，可以達(dá)到空載轉(zhuǎn)速400r/min，力矩達(dá)到5.97N·m，滿足了AGV設(shè)計(jì)的要求。表2-1為電機(jī)性能參數(shù)。
| 型號(hào) | Z5BLD250-24A-30S |
| 額定電壓 | 24V |
| 額定功率 | 250W |
| 額定電流 | 13.0A±10% |
| 額定轉(zhuǎn)速 | 3000RPN±10% |
| 額定力矩 | 0.796 |
| 空載電流 | |
| 空載轉(zhuǎn)速 | 3600RPN±10% |
| 電機(jī)壽命 | 5000h |
| 電氣強(qiáng)度 | 660V/S |
| 絕緣等級(jí) | B |
| 防護(hù)等級(jí) | IP20 |
| 使用環(huán)境溫度 |
?
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV是采用次導(dǎo)航技術(shù)，其系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)成如圖3-1所示。其中主要包括：供電單元、主控單元、驅(qū)動(dòng)單元、安全感應(yīng)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、站點(diǎn)識(shí)別單元、通訊單元、車體。其中供電單元、主控單元、驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)向系統(tǒng)是本章節(jié)敘述核心。
3.1 AGV小車供電系統(tǒng)
AGV的供電系統(tǒng)用以給主控單元、導(dǎo)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)單元等設(shè)備提供電能，是AGV小車的連續(xù)工作、穩(wěn)定工作、安全工作的重要保證。AGV小車的電壓采集模塊通過 A/D 轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前AGV電池的電量，將電壓數(shù)據(jù)反饋給AGV主控制器?？刂破魍ㄟ^監(jiān)控當(dāng)前電壓及時(shí)調(diào)整AGV的工作任務(wù)。當(dāng)控制器監(jiān)測到當(dāng)前電池電壓值即將低于正常工作電壓時(shí)，則將需要充電的信息反饋調(diào)度計(jì)算機(jī)，同時(shí)AGV小車顯示屏報(bào)警顯示電量不足，并在完成當(dāng)前任務(wù)后自行回到充電站充電，充電完成后，解除報(bào)警信號(hào)，發(fā)送上位機(jī)當(dāng)前充電完成信號(hào)，并接受上位機(jī)調(diào)度任務(wù)。
3.1.1 AGV電池選配
AGV電池一般采用鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰電池、鉛酸蓄電池。
本項(xiàng)目選擇的是一款36V15AH的高能鋰電池，體積小，能量大，非常適合作為本文設(shè)計(jì)AGV小車的動(dòng)力電源。如圖3-2是本車電池實(shí)物圖。電池采用DC充電接口，T型供電插口。鋰電池?fù)碛懈吣芰棵芏?，與高容量鎳鎘電池相比，體積能量是其1.5倍，能量密度是其2倍，高電壓，平均使用電壓為3.7V，是鎳鎘電池和鎳氫電池的3倍，使用是電壓穩(wěn)定而且高容量，在溫度-20度-60度使用時(shí)，充放電壽命長，經(jīng)過500次放電后其電源容量至少還有70%以上。由于鋰電池具備了能量密度高電壓高，工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，通常使用在航模等大電流放電設(shè)備上。
3.1.2 供電電路設(shè)計(jì)
為了增加AGV供電可靠性，保證電路設(shè)計(jì)的安全性，本項(xiàng)目中的電路采用電源一鍵啟動(dòng)，增設(shè)急停按鈕，電壓顯示器，電源指示燈。以下是電路設(shè)計(jì)圖。
1）電源充電及電源部分電氣圖，圖3-3
2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電接線圖，圖3-4
3.2 控制器選型與設(shè)計(jì)
3.2.1 STM32F4簡介
STM32F4是由意法半導(dǎo)體（ST）推出的以基于ARM Cortex-M4為內(nèi)核的高性能微控制器，其采用了90nm的NVM工藝和ART技術(shù)（自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator）。ART技術(shù)可實(shí)現(xiàn)程序零等待執(zhí)行，提升程序執(zhí)行效率，將M4架構(gòu)的性能發(fā)揮到了極致，使得CPU最大可以運(yùn)行于168MHZ。STM32F4系列的微控制集成了單周器DSP指令和FPU（浮點(diǎn)單元），提升計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)了一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。
作為Cortex M3市場的最大占有者，STM32F4主要優(yōu)勢如下：
1、內(nèi)核更加先進(jìn)。STM32F1采用的是Cortex M3內(nèi)核，不帶FPU和DSP指令集，然而STM32F4采用CortexM4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集，優(yōu)勢明顯。
2、STM32F4有更多的資源，高達(dá)1M字節(jié)的片上閃存，擁有多達(dá)192KB的片內(nèi)SRAM，增設(shè)了攝像頭接口（DCMI）、加密處理器（CRYP）、USB高(480Mbit/s)速OTG功能、32位真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）、OTP 存儲(chǔ)器等。
3、增強(qiáng)了外設(shè)功能。對(duì)于相同的外設(shè)部分，STM32F4 具有更快的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換速度、具備更低的ADC/DAC工作電壓、32 位定時(shí)器、帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、 IO復(fù)用功能大大增強(qiáng)、4K字節(jié)的電池備份SRAM以及更快的USART 和SPI通信速度。
4、更高的性能。STM32F4 最高運(yùn)行頻率可達(dá)168Mhz，可運(yùn)行達(dá)到210DMIPS的處理能力，而STM32F1只能達(dá)到 72Mhz；STM32F4 擁有ART自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器，可以達(dá)到相當(dāng)于FLASH零等待周期的性能，可實(shí)現(xiàn)單周期內(nèi)相乘和相加指令，采用單周期的SIMD指令，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)數(shù)據(jù)參與運(yùn)算，STM32F1則需要等待周期； STM32F4的FSMC采用32位多重AHB總線矩陣，相比STM32F1的總線訪問速度明顯提高。
5、更低的功耗。 STM32F40x 的功耗為： 238uA/MHZ，其中低功耗版本的 STM32F401 更是低到： 140uA/ MHZ， 而 STM32F1 則高達(dá) 421uA/ MHZ。
3.2.2 STM32F407ZGT6硬件資源介紹
STM32F407ZGT6芯片集成FPU和DSP指令，并具有192KB的SRAM、1024KB FLASH、12個(gè)16 位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、 2個(gè)DMA控制器（共16個(gè)通道）、2個(gè)全雙工I2S、2個(gè)12位DAC、6個(gè)串口、2個(gè)USB（支持 HOST /SLAVE）、2個(gè)CAN、3個(gè)IIC、3個(gè)SPI、3個(gè)12位ADC、1個(gè)RTC（帶日歷功能）、1個(gè)SDIO 接口、1個(gè)FSMC 接口、1個(gè) 10/100M 以太網(wǎng) MAC 控制器、1個(gè)攝像頭接口、1個(gè)硬件隨機(jī)數(shù)生成器、以及112個(gè)通用IO口等。
3.3.開發(fā)板最小系統(tǒng)
STM32最小系統(tǒng)主要包括：電源電路、外部晶振電路、外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路，如圖3-5為開發(fā)板最小系統(tǒng)部分電路原理圖。
3.4磁導(dǎo)引傳感器控制與設(shè)計(jì)
3.4.1 傳感器控制原理
導(dǎo)向單元的作用是讓AGV小車根據(jù)規(guī)定路徑行駛，本項(xiàng)目采用的是磁導(dǎo)航傳感器，安裝在AGV 車體前方的底部，磁導(dǎo)航傳感器利用其內(nèi)置的8個(gè)采樣點(diǎn)，能夠檢測出磁條上方一定程度的微弱磁場，每一個(gè)采樣點(diǎn)都有一路信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出，當(dāng)采樣點(diǎn)采集到磁場信號(hào)時(shí)，該路信號(hào)就會(huì)輸出低電平，而沒有采集到磁場信號(hào)的信號(hào)輸出則為高電平。AGV運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的連續(xù) 1-3 個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)輸出信號(hào)，依靠輸出的這幾路信號(hào)，可以判斷磁條相對(duì)于磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置，當(dāng)AGV的行駛與導(dǎo)引軌跡一致時(shí)，由于此時(shí)磁導(dǎo)航傳感器正好處于磁條軌跡的上方，傳感器正中間的檢測元件測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，因而中間的霍爾開關(guān)傳感器輸出低電平信號(hào)，控制器 I/O口采集到這幾路信號(hào)，比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)前AGV 處于路徑中間，控制器將不對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行處理，AGV保持原行駛軌跡；當(dāng)AGV偏離磁條軌跡時(shí)，由于檢測到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的霍爾開關(guān)傳感器不再處于磁導(dǎo)航傳感器的中間，傳感器將該低電平信號(hào)輸出至控制器，控制器 I/O 口采集到這幾路低電平信號(hào)，比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)前AGV位置與路徑位置有所偏差，據(jù)此AGV控制系統(tǒng)自動(dòng)做出調(diào)整，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)差速糾偏，確保AGV 沿磁條前進(jìn)。磁導(dǎo)航原理圖如下圖3-6所示。
3.4.2 導(dǎo)航工作控制
AGV的地面磁導(dǎo)航系統(tǒng)是AGV在運(yùn)行過程中所能達(dá)到的路徑，主要由以下幾部分構(gòu)成：運(yùn)行路徑導(dǎo)航線、地標(biāo)導(dǎo)航線和彎道導(dǎo)航線。采用磁導(dǎo)航的方法，運(yùn)行路徑導(dǎo)航線由寬30mm、厚度為1mm的磁性橡膠磁帶鋪設(shè)而成，根據(jù)路徑的具體要求可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?。地?biāo)導(dǎo)航線由長150mm、寬50mm、厚度為1mm的磁性橡膠鋪設(shè)而成，在地圖上地標(biāo)是各個(gè)站點(diǎn)的標(biāo)志。彎道導(dǎo)航線由路徑導(dǎo)航線和地標(biāo)導(dǎo)航線構(gòu)成，如下圖3-7所示：
AGV在彎道的運(yùn)行分成下述幾個(gè)步驟：
1）找到地標(biāo)。
2）按一定的轉(zhuǎn)彎半徑，AGV靠碼盤的位置編程來完成圓弧的軌跡。
3)以此，AGV尋找導(dǎo)航線，按導(dǎo)航線的路徑行走。
磁導(dǎo)航傳感器是AGV的眼睛，決定了AGV的運(yùn)行穩(wěn)定性。本項(xiàng)目選擇的是LS-06型AGV磁導(dǎo)航傳感器，該傳感器主要應(yīng)用于磁條導(dǎo)航方式的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV，自動(dòng)手推車AGC，無軌移動(dòng)貨架，物流揀選等行業(yè)。該磁導(dǎo)航傳感器采用6路采樣點(diǎn)輸出，該系列磁導(dǎo)航傳感器采用8路采樣點(diǎn)輸出，與日本名電舍的ME-9006AM-1性能相同，溫漂，磁飽和等性能指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品
磁條導(dǎo)航方式的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV，沿著地面鋪設(shè)的磁條行駛。LS-06型AGV磁導(dǎo)航傳感器，安裝在AGV車體前方的底部，距離磁條表面20-40mm，磁條寬度為30-50mm，厚度1mm.LS-06型AGV磁導(dǎo)航傳感器利用其內(nèi)部間隔10mm平均排布的8個(gè)采樣點(diǎn)，能夠檢測出磁條上方100gauss以下的微弱磁場，每一個(gè)采樣點(diǎn)都有一路信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出。AGV運(yùn)行時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器內(nèi)部垂直于磁條上方的連續(xù)2-3個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)輸出信號(hào)。依靠6路通道中輸出的2-3路信號(hào)，可以判斷磁條相對(duì)于LS-06型AGV磁導(dǎo)航傳感器的偏離位置， AGV會(huì)自動(dòng)作出調(diào)整（ PID），確保沿磁條前行。
下表為本作品中磁導(dǎo)航傳感器的技術(shù)參數(shù)。
| 名稱 | 內(nèi)容 |
| 檢測距離 | 30±20mm |
| 檢測極性 | N極和S極 |
| 紅燈N極 | |
| 綠燈S極 | |
| 檢測點(diǎn)數(shù)量 | 6（20mm等距） |
| 輸出極限 | 耐壓：DC60V |
| 單路輸出電流：50mA | |
| 總輸出電流：300mA | |
| 相應(yīng)時(shí)間 | 10mS |
| 保存溫度范圍 | -40—+80 |
3.4.3 傳感器接線
下圖為傳感器輸出端口定義（圖3-8和圖3-9），表3-2為傳感器接線表）。
| 管教名稱 | 內(nèi)容 |
| 1 | SW1 第1位輸出 |
| 2 | SW2 第2位輸出 |
| 3 | NC |
| 4 | SW4 第4位輸出 |
| 5 | SW5 第5位輸出 |
| 6 | NC |
| 7 | SW6 第6位輸出 |
| 8 | SW7 第7位輸出 |
| 9 | OV |
| 10 | 10-30VDC |
3.5超聲波避障傳感器
3.5.1 AGV小車接近裝置及報(bào)警、停車工作方式
AGV小車的接近檢測裝置一般有紅外區(qū)域掃描、激光測距掃描和超聲探測三種方式，用來檢測AGV運(yùn)行方向是否存在障礙物。采用光電傳感器安裝在磁導(dǎo)航 AGV 車體正前方中部距離地面150mm 處，該傳感器擁有兩級(jí) I/O 輸出，二級(jí)檢測區(qū)域分為左中右三個(gè)區(qū)域，分別能在 0-3m 內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)該級(jí)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)檢測出障礙物時(shí)，該檢測單元對(duì)應(yīng)的輸出電路輸出低電平信號(hào)，AGV 控制器接收到該低電平信號(hào)后立即控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速，同時(shí)發(fā)出警告信號(hào)并反饋給地面控制中心，通知前方障礙物離開，直到障礙解除才恢復(fù)正常速度行駛；一級(jí)臨近檢測區(qū)域較二級(jí)監(jiān)測區(qū)域短，但兩側(cè)檢測范圍較二級(jí)檢測區(qū)域大，同樣具有左中右三個(gè)監(jiān)測區(qū)域，分別能夠在 0~1m 內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)該級(jí)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)檢測出障礙物時(shí)，該路對(duì)應(yīng)的輸出電路輸出低電平信號(hào)，AGV 控制器接收到該低電平信號(hào)后立即發(fā)出急停指令同時(shí)報(bào)警并通知地面控制中心，直至障礙物解除。
警示裝置包括警示燈和警示蜂鳴器，用以提醒應(yīng)用現(xiàn)場的人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)正在靠近的AGV 并采取相應(yīng)的措施。
停車按鈕用于 AGV 的受控停車，該按鈕按下之后 AGV 應(yīng)當(dāng)安全可靠地停止運(yùn)行，并且該方式停車能夠通過人工操作簡單快速地使 AGV 恢復(fù)運(yùn)行，該按鈕用以保證 AGV 周圍的臨時(shí)工作人員的安全，采用停車按鈕停車方式可以不切斷 AGV 的驅(qū)動(dòng)電源。磁導(dǎo)航 AGV 在地面控制中心、AGV 車用遙控器和 AGV 車身側(cè)面等三處均設(shè)置停車按鈕，方便操作人員采取停車措施。
緊急停車按鈕用以在緊急情況下中斷 AGV 的運(yùn)行，為便于緊急情況下操作，磁導(dǎo)航 AGV 在地面控制中心、AGV 車用遙控器和 AGV 車身兩側(cè)設(shè)置紅色的急停按鈕。當(dāng)緊急停車按鈕按下后，AGV 切斷一切設(shè)備的動(dòng)力供給，啟動(dòng)制動(dòng)器并報(bào)警，在排除緊急停車原因之前 AGV 維持停止?fàn)顟B(tài)。
3.5.2 超聲波傳感器原理
超聲波傳感器主要包括發(fā)射器和接收器兩大部分，由于超聲波在空氣中傳播的速度為已知（340m/s）,我們只需要計(jì)算出從發(fā)射到接收之間的時(shí)間差就可以算出距離。具體的作法是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）。
本項(xiàng)目選用的是HC-SR04型傳感器（圖3-10實(shí)物圖），左邊為接收頭，右邊為發(fā)射頭，共引出分個(gè)引腳，一個(gè)電源正極（5V），一個(gè)電源地，Trig為觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)控制端，Echo為回響信號(hào)端。下面介紹一個(gè)超聲波傳感器的時(shí)序圖。
通過時(shí)序圖可知，在使用時(shí)，觸發(fā)控制端Trig，首先必須給一個(gè)10us以上的高電平，然后等待發(fā)射頭聲波信號(hào)輸出，一旦有信號(hào)輸出，回響信號(hào)端會(huì)產(chǎn)生高電平，此時(shí)開始計(jì)時(shí)。隨后聲波信號(hào)一直在空氣中傳播，遇到障礙物會(huì)反射回來，當(dāng)反射回來的信號(hào)到達(dá)接收頭時(shí)，此時(shí)回想信號(hào)端會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，停止?jì)時(shí)。此時(shí)我們就可以算出檢測的距離S=340*(t1-t2)/2 ( t1為開始計(jì)時(shí)時(shí)間，t2為停止計(jì)時(shí)時(shí)間，注意距離為一邊的距離，所以時(shí)間應(yīng)該除以2)。
3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制和接線
本項(xiàng)目選用的是一款BLCD型號(hào)的高性能，多功能，低成本的帶霍爾傳感器的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器選用全數(shù)字式設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多種輸入控制方式，擁有極高的調(diào)速比，噪聲低，軟硬件保護(hù)功能完善，可以通過串口通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)連接并進(jìn)行電機(jī)的PID參數(shù)調(diào)整，保護(hù)參數(shù)調(diào)整，電機(jī)參數(shù)調(diào)整，加減速時(shí)間等參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可以進(jìn)行IO輸入狀態(tài)，模擬量輸入，告警狀態(tài)及母線電壓監(jiān)視。
下圖是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)列表
3.6.1 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制方案
無刷直流電機(jī)（brushless direct current?motor ,BLDCM）轉(zhuǎn)子采用永磁鐵激磁，電機(jī)功率密度高控制簡單，調(diào)速性能良好，因此在無刷直流電機(jī)在交流傳動(dòng)中受到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于本項(xiàng)目AGV對(duì)電機(jī)的控制要求，采用了閉環(huán)控制，與開環(huán)控制相比，采用閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的機(jī)械特性有很大優(yōu)越性。閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)相比，其整體性能大大提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率S（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小很多；當(dāng)要求的靜差率S相同時(shí)，那么對(duì)比開環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無刷直流電機(jī)的閉環(huán)速度控制方案如下圖所示。
項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)調(diào)節(jié)方案采用比例積分微分控制（簡稱PID控制），其輸出結(jié)果為輸入結(jié)果的比例、積分和微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)器的控制結(jié)構(gòu)比較簡單，參數(shù)容易調(diào)整，可以不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此PID調(diào)節(jié)器受到了廣泛的應(yīng)用。
3.6.2 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測
本項(xiàng)目使用的無刷電機(jī)采用了霍爾傳感器，使得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可通過測量轉(zhuǎn)子位置信號(hào)得到，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過霍爾傳感器發(fā)出的信號(hào)可以得到如圖3-6所示的周期信號(hào)。
由圖3-6可知，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周便可得到兩個(gè)周期方波，每一相霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波，則周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，如此便可利用霍爾傳感器發(fā)出的信號(hào)得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。為盡可能縮短每次速度的采樣時(shí)間，同時(shí)為了測得每項(xiàng)霍爾傳感器的正脈沖的寬度，則可計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。
3.6.3 驅(qū)動(dòng)器接線
3.6.3.1接口定義與連接圖，圖3-15
1）引腳列表及相關(guān)名稱，表3-3。
| 端子引腳號(hào) | 引腳名 | 定義說明 |
| 1 | GND | 信號(hào)地 |
| 2 | ALM | 報(bào)警輸出（開漏）電流應(yīng)限制在20mA內(nèi) |
| 3 | X1 | 多段速輸入1 |
| 4 | PG | 霍爾信號(hào)異或輸出（開漏）電流應(yīng)限制在20mA內(nèi) |
| 5 | X2 | 多段速輸入2 |
| 6 | 5V | 5V電源輸出，輸出電流應(yīng)小于20Ma（內(nèi)部為線性電源，過大電流會(huì)導(dǎo)致過熱） |
| 7 | X3 | 多段速輸入3 |
| 8 | SV | 模擬信號(hào)輸入 |
| 9 | FR | 方向控制信號(hào) |
| 10 | GND | 信號(hào)地 |
| 11 | EN | 使能信號(hào)，低電平有效 |
| 12 | BK | 剎車信號(hào)，高電平剎車，正常應(yīng)接GND |
2）通訊接口
本項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)器采用串行通信方式與計(jì)算機(jī)連接。接口為RS232電平。物理接口采用RJ12-6PIN的電話插座，引腳排列如圖3-17所示，引腳對(duì)于說明見表3-4。
| 端子引腳號(hào) | 引腳名 | 定義說明 |
| 1 | NC | 常開/空 |
| 2 | TXD | MCU數(shù)據(jù)發(fā)送端 |
| 3 | VCC | 5V電源 |
| 4 | RXD | MCU數(shù)據(jù)接收端 |
| 5 | GND | 接地 |
| 6 | NC | 常開/空 |
3）驅(qū)動(dòng)器典型接線連接圖，圖3-18所示。圖3-19、連接時(shí)驅(qū)動(dòng)器U、V、W端口分別對(duì)應(yīng)電機(jī)黃綠藍(lán)相線，HA、HB、HC霍爾信號(hào)端口分別對(duì)應(yīng)電機(jī)黃綠藍(lán)霍爾信號(hào)線。
?
4.1 ?AGV系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計(jì)
STM32微控制器采用中斷方式接受外部傳感器數(shù)據(jù)，然而，在串行偶爾會(huì)出現(xiàn)幀數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，為了防止產(chǎn)生一直等待，項(xiàng)目使用了看門狗定時(shí)器進(jìn)行監(jiān)視。在串口初始化時(shí)放在了系統(tǒng)初始化中，這里給出了串行接受通信程序流程圖（圖4-1），微控制器的串口發(fā)送程序比較容易，通常采用查詢方式進(jìn)行發(fā)送，此處就不載列出。
本項(xiàng)目要用到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 間隔時(shí)間讀取霍爾傳感器轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)中斷，串行接受、發(fā)送中斷。未使用的中斷，在相應(yīng)的程序中的中斷地址寫入復(fù)位指令。
本項(xiàng)目作品的開機(jī)初始化過程進(jìn)行IO口舒適化、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化、各類模塊數(shù)據(jù)參數(shù)的初始化以及電機(jī)轉(zhuǎn)速初始化、PID參數(shù)初始化等。給出了程序初始化流程圖圖4-2和系統(tǒng)軟件主要流程圖4-3。
圖4-2 主控程序初始化流程圖
4.2??驅(qū)動(dòng)器控制程序設(shè)計(jì)
根據(jù)3.5.3節(jié)的電機(jī)控制算法，根據(jù)本文AGV小車的部分程序設(shè)計(jì)，這里給出了PID整定輸出產(chǎn)生PWM波main程序。
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* Author ????????????: MCD Application Team
* Date ??????????????: 06/13/2008
* Description ???????: Main program body
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* INDIRECT OR CONSEQUENTIAL DAMAGES WITH RESPECT TO ANY CLAIMS ARISING FROM THE
* CONTENT OF SUCH FIRMWARE AND/OR THE USE MADE BY CUSTOMERS OF THE CODING
* INFORMATION CONTAINED HEREIN IN CONNECTION WITH THEIR PRODUCTS.
*******************************************************************************/
/* Includes ——————————————————————*/
/* Private typedef ———————————————————–*/
/* Private define ————————————————————*/
/* Private macro ————————————————————-*/
/* Private variables ———————————————————*/
extern vu16 ADCConvertedValue;
extern unsigned char Flag_1mS;
extern unsigned char Flag_100mS;
/* Private function prototypes ———————————————–*/
/*******************************************************************************
* Description ???: Main program
*******************************************************************************/
printf(“This is an example of PID!\n\r”);
if(U_Set-ADCConvertedValue>=10||U_Set-ADCConvertedValue<=-10){
Pv=Vol(U_Set,ADCConvertedValue);
printf(“%d,”,ADCConvertedValue);printf(“%d ??“,CCR1_Val);
//printf(“The feedback is %d\n\r”,ADCConvertedValue);
4.3 數(shù)字舵機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
根據(jù)3.5.3節(jié)的超聲波傳感器原理及相關(guān)數(shù)據(jù)資料，根據(jù)本文AGV小車的部分程序設(shè)計(jì)，這里給出了超聲波傳感器測距程序。
#include <reg52.h> ????//包括一個(gè)52標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件
#define uchar unsigned char //定義一下方便使用
//***********************************************
sfr ?CLK_DIV = 0x97; //為STC單片機(jī)定義,系統(tǒng)時(shí)鐘分頻
//***********************************************
sbit Trig ?= P1^0; //產(chǎn)生脈沖引腳
uchar code SEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//數(shù)碼管0-9
uint distance[4]; ?//測距接收緩沖區(qū)
uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; ?//自定義寄存器
bit succeed_flag; ?//測量成功標(biāo)志
void conversion(uint temp_data);
CLK_DIV=0X03; //系統(tǒng)時(shí)鐘為1/8晶振（pdf-45頁）
P0M1 = 0; ??//將io口設(shè)置為推挽輸出
TMOD=0x11; ???//定時(shí)器0，定時(shí)器1，16位工作方式
TR0=1; ?????//啟動(dòng)定時(shí)器0
IT0=0; ???????//由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷
//ET1=1; ???????//打開定時(shí)器1中斷
Trig=0; ????????//產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖，在Trig引腳
while(Echo==0); //等待Echo回波引腳變高電平
succeed_flag=0; //清測量成功標(biāo)志
TR1=1; ?????????//啟動(dòng)定時(shí)器1
while(TH1 < 30);//等待測量的結(jié)果，周期65.535毫秒（可用中斷實(shí)現(xiàn)）
TR1=0; ?????????//關(guān)閉定時(shí)器1
EX0=0; ?????????//關(guān)閉外部中斷
distance_data=outcomeH; ???????????????//測量結(jié)果的高8位
distance_data<<=8; ??????????????????//放入16位的高8位
distance_data=distance_data|outcomeL;//與低8位合并成為16位結(jié)果數(shù)據(jù)
distance_data*=12; ?????????????????//因?yàn)槎〞r(shí)器默認(rèn)為12分頻
distance_data/=58; ??????????????????//微秒的單位除以58等于厘米
} ?????????????????????????????????????//為什么除以58等于厘米， ?Y米=（X秒*344）/2
// X秒=（ 2*Y米）/344 ==》X秒=0.0058*Y米 ==》厘米=微秒/58
distance_data=0; ???????????????????//沒有回波則清零
test = !test; ??????????????????????//測試燈變化
/// ??????distance[i]=distance_data; //將測量結(jié)果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)
/// ???????distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4;
/// ???????distance_data=distance[1];
//***************************************************************
INTO_() ?interrupt 0 ??// 外部中斷是0號(hào)
outcomeH =TH1; ???//取出定時(shí)器的值
outcomeL =TL1; ???//取出定時(shí)器的值
succeed_flag=1; ??//至成功測量的標(biāo)志
EX0=0; ???????????//關(guān)閉外部中斷
//****************************************************************
timer0() interrupt 1 ?// 定時(shí)器0中斷是1號(hào)
{case 0x00:P0=ge; P2=0xfd;flag++;break;
case 0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break;
case 0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag=0;break;
//*****************************************************************
//定時(shí)器1中斷,用做超聲波測距計(jì)時(shí)
timer1() interrupt 3 ?// 定時(shí)器0中斷是1號(hào)
//******************************************************************
void conversion(uint temp_data)
uchar ge_data,shi_data,bai_data ;
temp_data=temp_data%100; ??//取余運(yùn)算
temp_data=temp_data%10; ??//取余運(yùn)算
//******************************************************************
?
第五章 總結(jié)與展望
5.1 總結(jié)
自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated?Guided?Vehicle，簡稱AGV)是一種以電池為動(dòng)力，裝有非接觸式導(dǎo)向裝置的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。其主要功能是：在計(jì)算機(jī)控制下，通過復(fù)雜的路徑將物料按一定的停位精度輸送到指定的位置上。
本作品設(shè)計(jì)的為一款既具有實(shí)用價(jià)值同時(shí)利于后期拓展開發(fā)的AGV小車平臺(tái)，選定以STM32單片機(jī)作為CPU進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以在功能可靠性保證的前提下，既降低成本，又增加本設(shè)計(jì)作品的拓展性。本項(xiàng)目采用磁導(dǎo)航方式，磁導(dǎo)航方式被認(rèn)為是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的技術(shù)，具有很高的測量精度及良好的重復(fù)性，磁導(dǎo)航不受光線變化及路面污損破壞等影響，在應(yīng)用運(yùn)行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。
5.2 展望
????本項(xiàng)目采用的自主導(dǎo)航方式為磁導(dǎo)航方式，技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)較為簡單，成本也較低，但是作為AGV設(shè)計(jì)人員，我們希望AGV的導(dǎo)航方式更加先進(jìn)，自主導(dǎo)航能力更加強(qiáng)，為此，在后期的開發(fā)中，會(huì)采取視覺導(dǎo)航方式，利用視覺攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行圖像中各類物體物理數(shù)據(jù)分析，這一方式會(huì)提高軟件開發(fā)的成本，但是同時(shí)會(huì)大大減少硬件傳感器的成本，視覺導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的越來越快（例如OPENCV），相信日后裝載到AGV的視覺導(dǎo)航技術(shù)也會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的AGV小車在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，相對(duì)較重，專向組件的轉(zhuǎn)向半徑較大，需要在車身機(jī)械結(jié)構(gòu)上減輕重量，減小轉(zhuǎn)彎半徑。
