利用電磁導(dǎo)航的AGV設(shè)計(jì)

摘要：隨著物流系統(tǒng)的迅速發(fā)展，AGV的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，為了滿足用戶功能、價(jià)格、質(zhì)量方面需求的AGV系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)了一種基于電磁導(dǎo)航的無人駕駛小車系統(tǒng)方案。通過實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，能夠廣泛運(yùn)用于工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識(shí)別能力。
關(guān)鍵詞：電磁導(dǎo)航；AGV；無線傳輸；控制算法

0 引言
    AGV(Automated Guided Vehicle)是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，具有各種移載功能的運(yùn)輸車。無人AGV廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，能完成人工條件下不能完成的任務(wù)，可以保障系統(tǒng)在不需要人工導(dǎo)航的情況下自動(dòng)行駛。
    AGV包含了自動(dòng)控制系統(tǒng)、引導(dǎo)方式的系統(tǒng)和信息無線傳輸?shù)炔糠?。通過各種算法研究，該設(shè)計(jì)有效地確定了小車的位置且能很好控制小車運(yùn)行狀態(tài)。小車運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并傳回電腦，從而很好地對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)利用電磁軌道(Electromagnetic path-following System)設(shè)立其行進(jìn)路線，電磁軌道黏貼於地板上，無人搬運(yùn)車則依循電磁軌道所帶來的信息進(jìn)行移動(dòng)與動(dòng)作，并自動(dòng)采集相關(guān)信息。根據(jù)小車采集的信息，上位機(jī)給小車發(fā)送指令，控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，以便獲取不同區(qū)域的視頻信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    AGV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示，上位機(jī)首先通過遙控的方式給小車指定運(yùn)行路徑；小車上的電磁傳感器將采集到的電磁信號經(jīng)過放大檢波變成直流電壓信號，單片機(jī)再對該信號進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，利用PID算法，獲取小車距離中心位置的偏差，再把差值賦給舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)小車沿著導(dǎo)線的中心自動(dòng)運(yùn)行；最后，小車采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回電腦顯示，與此同時(shí)，上位機(jī)可給小車發(fā)出指令，讓小車執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

1．1 中央控制器
    中央處理器采用Freescale公司推出的S12系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)MC9S12DG128(以下簡稱DG128)，片內(nèi)資源及I／O接口豐富，接口模塊包括SPI，SCI，IIC，A／D，PWM等，在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途。
    MC9S12G128的單片運(yùn)行方式是最常用的應(yīng)用方式。因片內(nèi)已經(jīng)有較大的RAM，F(xiàn)LASH空間，一般無需擴(kuò)展外部RAM或外部FLASH。本設(shè)計(jì)應(yīng)用DG128來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的總體控制。
1．2 速度采集模塊
    速度檢測利用霍爾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為：
    U=K·I·B／d            (1)
    式中：K為霍爾系數(shù)；I為薄片中通過的電流；B為外加磁場(洛倫茲力Lorrentz)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d是薄片的厚度。
    霍爾片的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度時(shí)，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關(guān)類似。當(dāng)有磁鋼接近霍爾片的時(shí)候時(shí)(在一定的距離范圍內(nèi)才有反應(yīng))，設(shè)置單片機(jī)定時(shí)器的時(shí)間為t，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為n，一個(gè)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼數(shù)量為s，則轉(zhuǎn)速(單位：r／s)的計(jì)數(shù)公式為：
    speed=(n／s)／t         (2)
1．3 無線傳輸模塊
    本設(shè)計(jì)采用DTD462無線傳輸模塊，西安達(dá)泰公司生產(chǎn)的DTD462無線傳輸模塊，廣泛地運(yùn)用于無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。它能提供高穩(wěn)定，高可靠，低成本的數(shù)據(jù)傳輸，還提供了豐富的外圍接口，并具有安裝維護(hù)方便，繞射能力強(qiáng)，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活，范圍覆蓋寬等特點(diǎn)。采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，滿足客戶對于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性的要求。此類無線傳輸方式有高可靠性、體積小、重量輕，傳輸距離30～300 m等特點(diǎn)。系統(tǒng)攝像頭采集到的視頻信息通過DTD462嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸?shù)浇邮斩嗽谏衔粰C(jī)軟件中顯示監(jiān)視圖像。
1．4 電機(jī)控制模塊
    在電機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)中，使用IRFZ44N和IRF9540N搭建了H橋電路，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。用光耦對單片機(jī)的輸出調(diào)制信號進(jìn)行隔離輸出，能有效地消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對單片機(jī)的工作干擾。電機(jī)的控制模塊電路如圖2所示。調(diào)試過程：當(dāng)PWM2的輸出為高電平，PWM1為低電平時(shí)，U5輸出低電平，U6輸出高電平；U1的d，s導(dǎo)通，d接地，U2的d端接地，而U3的d，s截止，U4的d，s導(dǎo)通，輸出高電平，因此電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，若PWM2的輸出為低電平，PWM1為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。小車的轉(zhuǎn)向和攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是用2個(gè)舵機(jī)來分別驅(qū)動(dòng)的。通過編程用軟件輸出標(biāo)準(zhǔn)PWM信號來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，一般PWM控制信號的周期為20 ms。當(dāng)給舵機(jī)輸入脈寬為0．5 ms，即占空比為0．5／20=2．5％的調(diào)制波時(shí)，舵機(jī)右轉(zhuǎn)90°；當(dāng)給舵機(jī)輸入脈寬為1．5 ms，即占空比為1．5／20=7．5％的調(diào)制波時(shí)，舵機(jī)靜止不動(dòng)；當(dāng)給舵機(jī)輸入脈寬為2．5 ms，即占空比為
2．5／20=12．5％的調(diào)制波時(shí)，舵機(jī)左轉(zhuǎn)90°?？梢酝茖?dǎo)出舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖寬度的關(guān)系計(jì)算公式為：
    t=1．5±θ／90°     (3)
    式中：t為正脈沖寬度(單位：ms)；θ為轉(zhuǎn)動(dòng)角度。注意當(dāng)左轉(zhuǎn)時(shí)取加法計(jì)算，右轉(zhuǎn)時(shí)取減法計(jì)算結(jié)果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 控制算法
    該設(shè)計(jì)重點(diǎn)是研究以下的控制算法，即平均值濾波算法，位置加權(quán)和PID算法。
    平均值算法是對電感獲取的信號進(jìn)行放大檢波之后，累加多次，在取平均值，可以有效去掉干擾的影響。
   
    式中：get_ad[i]表示第i次取得的ad值；n表示取ad的次數(shù)位置加權(quán)就是對電磁傳感器的ad平均值進(jìn)行位置加權(quán)，獲得小車的位置。小車的位置在[10，110]范圍內(nèi)變化，具體計(jì)算如式(5)所示：
    position=(110*ad_result[0]+10*ad_result[1])／(ad_result[0]+ad_result[1])         (5)
    式中：ad_result[0]表示其中一路輸入信號的平均值；ad_result[1]表示另一路輸入信號的平均值；position即加權(quán)后的位置值。
    PID算法是根據(jù)position算出某一時(shí)刻的位置偏差，再對偏差進(jìn)行PID的運(yùn)算，從而得到舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。
    duoji=1155+KP*error[1]+KI*(error[1]+error[0])+KD*(error[1]-erroe[0])        (6)
    式中：error[1]是此時(shí)刻的偏差；error[0]是上一時(shí)刻的偏差；KP，KI，KD分別是比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。
2．2 傳輸數(shù)據(jù)的編碼和解碼
    由于單片機(jī)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能以字符的ASCII傳輸，所以需要對傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行編碼傳輸。比如傳輸數(shù)據(jù)是1，而a的ASCII值是65，故可將1+64=65，即1的值等于a(65)，接收端接到字符a的ASCII值65，將65-64=1，即進(jìn)行了譯碼。以此類推，2當(dāng)作b(66)，3當(dāng)作c(99)。對0～9十個(gè)數(shù)分別等價(jià)于@，A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I。
    設(shè)計(jì)中由于ASCII在傳輸時(shí)，是作為二進(jìn)制碼串行輸出，每一位的持續(xù)時(shí)間是100μs，傳輸一個(gè)ASCII值至少需要800μs，因此為了不讓接收端亂碼，經(jīng)過測試得到發(fā)送兩個(gè)ASCII值之間時(shí)間必須大于1 200μs。與此同時(shí)，在發(fā)送一組數(shù)據(jù)時(shí)，必須先發(fā)送一個(gè)起始位。在編程時(shí)，為了不使接收數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤，對接收數(shù)據(jù)的首位進(jìn)行校驗(yàn)，如果首位與發(fā)送數(shù)據(jù)首位一致，這就說明該組數(shù)據(jù)有效，首位字符是是先設(shè)置好了的，二者保持一致。
2．3 上位機(jī)及通信
    在上位機(jī)端以VB為開發(fā)工具，利用其豐富的圖形界面，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速等信息的實(shí)時(shí)顯示，并且可以很方便地利用設(shè)置的按鈕通過無線方式發(fā)出指令。

    通過電腦實(shí)現(xiàn)了一對多的通信方式，既可以實(shí)現(xiàn)對道路選擇端的控制，又可以實(shí)現(xiàn)對小車上面舵機(jī)的控制。上位機(jī)軟件流程如圖3所示。

3 結(jié)語
    對于AGV來說，保證運(yùn)動(dòng)的可靠性、精確性是非常重要的，它涉及到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制及軟件科學(xué)等很多方面，是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)性研究工作。該設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究了小車的各種控制算法，將其運(yùn)用到小車的控制中，小車貼著鋪設(shè)的軌道運(yùn)行平穩(wěn)，取得了較好的效果。小車進(jìn)行自主導(dǎo)航的時(shí)候，外界環(huán)境對它的干擾很小。除此外，AGV還能在夜間獨(dú)立的運(yùn)行，攝像頭還能較清晰地拍攝夜間圖像。實(shí)驗(yàn)表明，該AGV能廣泛應(yīng)用于無人搬運(yùn)、無人環(huán)境監(jiān)控、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)控等場合。系統(tǒng)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠，因此該AGV具有很大的市場推廣價(jià)值。