劉建鋒，張長勝

（昆明理工大學(xué) 信息工程及自動化學(xué)院，云南 昆明 650051）

基于單頻電磁制導(dǎo)方式的AGV小車

劉建鋒，張長勝

（昆明理工大學(xué) 信息工程及自動化學(xué)院，云南 昆明 650051）

介紹了電磁制導(dǎo)方式，包括電磁信號的產(chǎn)生和檢測，信號的選頻放大以及TTL電平的轉(zhuǎn)換。小車控制核心綜合以上TTL電平信號，控制小車的行走狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動運(yùn)輸功能。根據(jù)其原理已做出了實(shí)物，并實(shí)現(xiàn)了基本功能，證明了該設(shè)計(jì)方案是可行的。

電磁制導(dǎo)；選頻放大；單片機(jī)

自動導(dǎo)向車（AGV）是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點(diǎn)，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。

AGV的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計(jì)算機(jī)、自動控制、信息通信、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個學(xué)科，成為物流自動化研究的熱點(diǎn)之一。目前，AGV仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待提高和突破，以進(jìn)一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費(fèi)用。本文介紹的AGV主要解決導(dǎo)向及定位問題。

綜合成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性能考慮，本設(shè)計(jì)采用電磁單頻導(dǎo)向技術(shù)結(jié)合非接觸式ID卡識別定位。電磁引導(dǎo)介質(zhì)采用柔性較好的漆包線，可不用專門開敷線槽，在試用階段可隨機(jī)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置線路走向（可用膠帶固定引導(dǎo)線）。非接觸式ID卡識別定位，采用PS/2接口及其傳輸協(xié)議（市面上有很多成熟產(chǎn)品），在小車上安裝一個ID讀卡器，該讀卡器的有效距離可達(dá)15 cm，在各個站安裝一張ID卡，小車經(jīng)過時讀卡器在MCU的控制下讀出ID卡信息，即可實(shí)現(xiàn)定位。

采用單頻電磁制導(dǎo)方式及非接觸式ID卡讀卡定位方式的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)比較簡單，易于維護(hù)；制造成本比較低；安裝簡單，引導(dǎo)線理論上可以只用一根完整的線。

1 基本原理

電磁探測方法如圖 1所示。1、2、3都是電磁探測頭，其中1、2是導(dǎo)向探頭，3是計(jì)數(shù)探頭，用來記錄小車的位置。A、B為兩個驅(qū)動輪，小車方向的改變由兩個驅(qū)動輪的配合完成。前導(dǎo)向輪是沒有動力的。

小車的驅(qū)動方式：如圖1所示，小車的動力輪是后面的A、B兩個驅(qū)動輪，其轉(zhuǎn)向也是由這兩個動力輪協(xié)調(diào)工作完成。尋線走時，當(dāng)1號和2號兩個探頭都有信號時，小車的兩個驅(qū)動輪都動，即為直走；當(dāng)1號探頭有信號而2號沒有信號時，說明小車偏離了軌道，此時是A輪不動，B輪動，直到1、2兩個探頭都有信號為止；當(dāng)1號沒有信號而2號有信號時，A輪動，B輪不動，直到1、2兩個探頭都有信號為止；當(dāng)兩個探頭都沒有信號時，小車停止行走，停在原地。探頭信號有無與驅(qū)動輪停與走的關(guān)系如表1所示。

表1 探頭信號與驅(qū)動輪的關(guān)系

3號探頭用于定位計(jì)數(shù)，每到一個站點(diǎn)就通過ID卡進(jìn)行識別計(jì)數(shù)定位（即每測到一次信號就計(jì)一次數(shù)），直到所計(jì)的數(shù)與MCU中計(jì)算的值相等，說明小車到達(dá)了既定位置。3號探頭的關(guān)鍵就是計(jì)數(shù)要準(zhǔn)確，不能誤計(jì)，否則就會使整個系統(tǒng)不能使用（小車只能一直沿著信號線走，不能定位）。

2 硬件設(shè)計(jì)

AGV小車硬件設(shè)計(jì)部分由信號發(fā)生器、制導(dǎo)線路、電磁信號檢測、小車控制核心（MCU）、讀卡器、電機(jī)驅(qū)動組成，基本的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 制導(dǎo)線路

制導(dǎo)線路的設(shè)置是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，如果線路沒有設(shè)置好，后續(xù)的所有工作將不能完成。制導(dǎo)線路如圖3所示，其中虛線部分是屏蔽部分。由于電磁場是矢量，當(dāng)電流方向大小相同且是平行的兩條線時，周圍的電磁都會相互抵消，故需要將虛線部分屏蔽。該布線的關(guān)鍵就是要將虛線部分的屏蔽工作做好，只有這樣，小車才能很好地完成尋線工作。

圖3 制導(dǎo)線路

2.2 信號發(fā)生器

為了產(chǎn)生電磁信號，由信號發(fā)生器來產(chǎn)生交變的電信號。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，該信號發(fā)生器的輸入輸出電流不能太小，在使用專業(yè)的信號發(fā)生器來產(chǎn)生交變信號時，要將其設(shè)置成功率輸出模式，輸出電壓約為3 V。

市面上的專用信號發(fā)生器的價(jià)格都比較貴，且其功能很多，而本設(shè)計(jì)因不能發(fā)揮其所有的性能，不需要那么多的功能，所以自制了一個簡單的信號發(fā)生器，只能產(chǎn)生頻率可調(diào)的且占空比不定的方波，其信號產(chǎn)生的基本流程如圖4所示。

振蕩信號由如圖5所示的555產(chǎn)生。555頻率可調(diào)但是占空比不可調(diào)節(jié)（會隨頻率變化而變化），查閱相關(guān)手冊可知，555工作電壓為5 V時輸出的電流為100 mA。為了得到很好的尋線效果，實(shí)際的電流要大于200 mA，故需要進(jìn)行功率放大，其基本電原理圖如圖5所示。由555及其外圍電路組成的多諧振蕩器，其產(chǎn)生方波信號頻率為：

R2是可變電阻，由該公式可以計(jì)算出信號發(fā)生器的頻率范圍是 1.3 kHz～14.3 kHz。

2.3 非接觸式讀卡器

該讀卡器的接口協(xié)議和電氣特性與PS/2鍵盤是一致的，所以完全可以將該讀卡器當(dāng)作一個PS/2鍵盤來處理。

具有5腳連接器的鍵盤稱為AT鍵盤，而具有6腳mini-DIN連接器的鍵盤則稱為PS/2鍵盤。但實(shí)際上這兩種連接器都只有4個腳有意義，分別是時鐘腳（Clock）、 數(shù) 據(jù) 腳（Data）、 電 源 腳（+5 V）和 電 源 地（Ground）。在PS/2鍵盤與PC機(jī)的物理連接上只要保證這4根線一一對應(yīng)就可以了。PS/2鍵盤由PC機(jī)的PS/2端口提供+5 V電源，時鐘腳Clock和數(shù)據(jù)腳Data都是集電極開路的，所以必須接大阻值的上拉電阻，平時這兩個腳均保持高電平，有輸出時才被拉到低電平，之后自動上浮到高電平。圖6的單片機(jī)是帶有上接電阻的，所以PS/2可以與MCU直接連接。

2.4 小車控制核心MCU

MCU用一片AT89S51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，51系列單片機(jī)其價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大、且易學(xué)易用，唯一不足的是容易受到外界脈沖信號的干擾。但可以采用如下方式來消除脈沖信號的干擾：（1）硬件處理。首先要注重電源設(shè)計(jì)，電源要穩(wěn)定可靠；其次是在單片機(jī)的電源引腳與地引腳之間加去耦電容，兩個不同的電源電路連接用光電耦合隔開等。（2）軟件處理。可采用指令冗余技術(shù)、攔截技術(shù)、軟件看門狗等處理技術(shù)，使程序能夠自動回到正常位置執(zhí)行程序。

MCU引腳鏈接如圖7所示，因?yàn)橛?jì)算定時器初始值比較容易，MCU的時鐘信號是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是電機(jī)控制信號輸出端，single1～single3是電磁信號經(jīng)過處理后的輸入端，P0中即D0～D7是 LED數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)端，K0、K1是鍵盤接口。IO口可用作以后系統(tǒng)擴(kuò)展時用。這樣MCU既滿足了當(dāng)前系統(tǒng)的要求，也為以后的擴(kuò)展升級留有空間。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為初始化模塊、讀卡器讀卡模塊、位置計(jì)算模塊、小車行走模塊（內(nèi)含故障處理機(jī)制）。其程序流程如圖8所示。

各模塊基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，為了保證得到結(jié)構(gòu)化的程序，可采用以下方法：自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化編程。在軟件設(shè)計(jì)中選用了通用性比較強(qiáng)的C語言作為系統(tǒng)驅(qū)動程序的編寫語言。

當(dāng)從設(shè)備（PS/2）向主設(shè)備（MCU）發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查時鐘線，以確認(rèn)時鐘線是否為高電平，如果是高電平，從設(shè)備就可以開始傳輸數(shù)據(jù)；反之，從設(shè)備要等待獲得總線的控制權(quán)，才能開始傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)拿恳粠?1 bit組成，發(fā)送時序及每一位的含義如圖9所示。

在PS／2通信過程中，MCU在時鐘信號為低時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號。因?yàn)镸CU向鍵盤發(fā)送的是指令，需要鍵盤回應(yīng)，所以這部分程序采用查詢方式I。而MCU接收鍵盤數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線上的信號在時鐘為低時已經(jīng)穩(wěn)定，所以這部分程序采用中斷方式，且不需要在程序中加入延時程序。

4 測試結(jié)果

雖然電磁信號接收處理部分能夠接收并處理信號發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場信號，但是頻率調(diào)節(jié)的效果并不理想。因此將信號發(fā)生器做成頻率可調(diào)的，以便于信號發(fā)生器與電磁信號接收處理部分握手，以及達(dá)到在演示時能體現(xiàn)出電路的選頻特性。

用示波器觀察信號發(fā)生器的其輸出波形發(fā)現(xiàn)，輸出波形并不是很完好，有很多諧波在里面，如圖10所示。由于這些諧波存在，使得該波形的帶寬BW比較寬，不能很好地體現(xiàn)出電路的選頻作用。這是因?yàn)槿龢O管開關(guān)速度及電路焊接的問題。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟硬件都已通過各種測試，與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、使用成本低、引導(dǎo)路徑的更改比較隨意，這也是使用成本低的關(guān)鍵因素。

[1]OGATA K.現(xiàn)代控制工程[M].美國：普倫蒂斯-霍爾公司，1997.

[2]KASHIWABARAK，F(xiàn)UKUSHIMAY，OSHINOYAY，et al.非接觸式的指導(dǎo)行鋼板 [M].電氣學(xué)會研究會，2003：49-54.

[3]NONAMI K，TIAN H.滑模控制的柔性轉(zhuǎn)子-磁軸承系統(tǒng)使用的魯棒降階的VSS監(jiān)控[M].日本：機(jī)械C工程師學(xué)會 60（571），（1994）：897-905.

[4]KASHIWABARAK，F(xiàn)UKUSHIMAY，OSHINOYAY，et al.垂直振動的磁力邊緣鋼板有應(yīng)用[J].東海大學(xué)學(xué)校運(yùn)動工程，2004，44（1）：75-81.

[5]UTKIN V I.滑模的控制和優(yōu)化[M].德國：施普林格出版社，1992.

The AGV vehicle based on single frequency electromagnetism guidance

Liu Jianfeng，Zhang Changsheng

（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

This paper introduced electromagnetism to lead mode，including the creation of electromagnetism，examination of electromagnetism，choose pin with signal to enlarge and convert（into TTL）.Small car control core comprehensive above TTLs，control the car run or stop to realize automatic conveyance between any two function.The real object has been done according to the principle，and it works well.

electromagnetism lead；choose pin with signal enlarge；MCU

TP273+.5

A

1674-7720（2011）03-0018-04

2010-09-15）

劉建鋒，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)控制。