摘 要： 隨著自動化技術(shù)的不斷提升，AGV的應(yīng)用越來越廣泛。為設(shè)計一種低成本、易布設(shè)、穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，提出了一種紅外超聲相結(jié)合的AGV導(dǎo)航系統(tǒng)。以并排對稱設(shè)計的紅外傳感器實現(xiàn)糾偏，超聲波傳感器實現(xiàn)測距，采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808為控制核心，結(jié)合優(yōu)化的PID算法及智能化的路徑規(guī)劃算法，并采用上位機程序進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)實際應(yīng)用場合驗證，小車具有抗干擾能力強，導(dǎo)航精度高，運行穩(wěn)定安全等優(yōu)點，適合在物料搬運、環(huán)境監(jiān)測、危險區(qū)域監(jiān)控等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： AGV； 紅外傳感器； 超聲波傳感器； PID； 路徑規(guī)劃

中圖分類號： TN964?34； TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0127?04

0 引 言

AGV（自動導(dǎo)引運輸車）是指裝有電、磁、聲、光等導(dǎo)引傳感裝置，能夠按照設(shè)定的導(dǎo)引路徑自動行駛，并根據(jù)實際應(yīng)用配備有移載、視頻監(jiān)控等功能的運輸車[1]。隨著自動化技術(shù)的不斷提升，AGV的應(yīng)用越來越廣泛，在越來越多的領(lǐng)域能夠替代人工，甚至能夠完成人工無法完成的一些工作。

AGV的導(dǎo)引傳感裝置[2]，被稱為AGV之“眼”，是AGV能夠完成精確導(dǎo)引的基石。常用的引導(dǎo)方式主要有電磁引導(dǎo)、紅外引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)、光學(xué)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、圖像識別引導(dǎo)、GPS引導(dǎo)等[3]。

本設(shè)計采用紅外加超聲的引導(dǎo)方式，紅外傳感器負(fù)責(zé)方向引導(dǎo)，超聲波傳感器負(fù)責(zé)距離判斷。地面上預(yù)先布設(shè)好色帶，小車的頭、尾、車身安裝紅外傳感器，紅外傳感器向地面發(fā)射紅外光并監(jiān)測反射信號，將輸出結(jié)果發(fā)送給MCU控制單元，MCU根據(jù)反射信號的變化，實時地計算出偏離預(yù)定軌跡的偏差，根據(jù)偏差控制電機驅(qū)動電路產(chǎn)生糾偏動作及時地糾正到正確軌跡上。配套的超聲波傳感器將發(fā)送和接收信號的時間差傳給單片機，由單片機根據(jù)超聲波傳播特性計算出與障礙物之間的距離，可以及時地做出避障和定點停止等動作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個AGV小車的運作流程如下：工程人員通過上位機設(shè)定小車的運行路徑，之后小車通過紅外傳感器、超聲波傳感器等傳感裝置實時獲取方向、距離等信息，并上傳到MCU。MCU對獲取的信息進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過PID等算法，輸出驅(qū)動控制信號給電機驅(qū)動模塊控制電機運轉(zhuǎn)，使小車做出轉(zhuǎn)向、加減速等動作。小車運動過程中，通過WiFi模塊將運動數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時工程人員也可通過上位機人工控制小車的運動。此外考慮到安全性，小車還配備有防碰撞模塊，可對意外碰撞做出保護(hù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 MCU

MCU即微控制單元，本設(shè)計采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808，具有低成本、低功耗和處理性能高等特點。芯片最高運行速度可達(dá)100 MIPS，具有多種常用的外設(shè)接口，包括SCI，SPI，I2C，CAN等，可以很方便地和各種傳感器相連接。

1.2 WiFi模塊

WiFi模塊的主要功能是將MCU出來的SCI信號轉(zhuǎn)化為WiFi信號，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，構(gòu)建一個局域網(wǎng)，上位機電腦通過接入此局域網(wǎng)，實現(xiàn)與WiFi模塊的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實現(xiàn)與MCU的通信。WiFi模塊采用HLK?RM04，支持AP（無線接入點）、Client（無線客戶端）、Repeater（無線中繼）、Bridge（無線橋接）、Router（無線路由）五種工作模式。在實際應(yīng)用中選擇Client模式，小車的MCU作為一個客戶端，可以被上位機訪問，也可發(fā)送信息給上位機。

1.3 導(dǎo)引傳感模塊

導(dǎo)引傳感模塊包括紅外傳感器和超聲波傳感器兩部分。紅外傳感器用于方向糾偏，超聲波傳感器用于距離定位。

為獲取準(zhǔn)確的方向信息，小車的頭、尾、側(cè)邊都需要安裝紅外傳感器，且每一個點都至少要安裝兩個，以減小誤判概率。本設(shè)計中通過自行設(shè)計紅外傳感器，將兩個傳感器完全對稱地排布在一塊PCB板上，如圖2所示。

圖2 紅外傳感器并排設(shè)計功能模塊圖

每一個紅外傳感器包含：光敏三極管、紅外光源、信號放大模塊、信號比較模塊、輸出模塊和電源模塊。傳感器的原理如下：紅外光源用來照射色帶，色帶反射回來的光線由光敏三極管接收模塊接收，通過信號放大、比較和輸出轉(zhuǎn)換，上傳到TMS320F2808，經(jīng)過判斷和相應(yīng)運算產(chǎn)生糾偏參數(shù)，TMS320F2808根據(jù)糾偏參數(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的驅(qū)動信號，控制驅(qū)動系統(tǒng)的工作，做出糾偏等動作。紅外傳感器的對稱設(shè)計可以減小安裝誤差，保證傳感器判斷的一致性，且成本低、體積小，適合在體積較小的小車上大量安裝。

為實現(xiàn)距離測定和避障，小車的頭尾都需安裝超聲波傳感器，其原理框圖如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器原理框圖

超聲波傳感器的基本原理是：控制單元每隔一定時間控制調(diào)制器和振蕩器，通過電聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生超聲波，并且計時器開始計時，當(dāng)超聲波遇到障礙物反射回來后，由聲電轉(zhuǎn)換器將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，電信號由接收檢測單元接收，使計時器停止計時，這樣就得到了發(fā)射和接收回波的時間差[t，]控制單元根據(jù)公式[4]：

[S=Ct2]

求出距離。式中的[C]為超聲波波速。

控制單元再將此結(jié)果上傳到TMS320F2808，參與到AGV小車的導(dǎo)航算法中。

1.4 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)小車的動作執(zhí)行，是保證精準(zhǔn)導(dǎo)航的前提。本設(shè)計中小車前進(jìn)后退電機采用50 W的直流有刷電機，使用12 V的蓄電池供電，電機最大工作電流在4 A以上，集成化、小型化的驅(qū)動模塊無法滿足需求。本設(shè)計采用TO220封裝的MOS管IRF540搭建H橋，TMS320F2808產(chǎn)生PWM，通過IR2103控制MOS管的通斷來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)控制。電路的最大可持續(xù)工作電流能達(dá)到8 A以上，具有足夠的驅(qū)動能力。采用優(yōu)化的PID算法精確控制轉(zhuǎn)速，啟動快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，經(jīng)測試電機的帶載啟動時間在200 ms以內(nèi)，靜態(tài)誤差在±2%以內(nèi)。

1.5 防碰撞模塊

防碰撞模塊的作用是防止小車發(fā)生意外碰撞，本設(shè)計采用安全觸邊實現(xiàn)。將安全觸邊包在小車的車頭和車尾，當(dāng)發(fā)生碰撞時，安全觸邊會產(chǎn)生開關(guān)信號并立即傳輸?shù)紻SP，由DSP控制電機驅(qū)動模塊使小車立即停止。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制算法

控制算法是整個設(shè)計的重點，而其中最重要的是小車運動分析算法和PID算法。

PID算法是一種經(jīng)典的自動控制算法，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場合。其控制方程為[5]：

[u（t）=kpe（t）+1Ti0te（t）dt+Tdde（t）dt] （1）

式中：[kp]為比例系數(shù)；[Ti]為積分時間常數(shù)；[Td]為微分時間常數(shù)；[e（t）]為系統(tǒng)誤差；[u（t）]為輸出。

在DSP、單片機等數(shù)字控制系統(tǒng)中，不能直接利用上述公式，必須將式（1）離散化，并加入預(yù)標(biāo)量，得到數(shù)字PID控制方程，可得：

[u（n）=kpen+kik=0nek+kd（en-en-1）+uin] （2）

式中：[ki=kpTi，][kd=kpTd，][uin]為預(yù)標(biāo)量。

有了上述式（2）就可在DSP嵌入式程序中設(shè)置變量，編寫函數(shù)，得出控制參數(shù)，調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，精確調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，控制小車的運動。

小車的運動分析算法主要分為前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。其中前進(jìn)和后退是一個簡單的線性系統(tǒng)，只需知道電機的轉(zhuǎn)速、齒輪比、車輪直徑就可以算出。這里重點講述轉(zhuǎn)彎運動分析，如圖4所示。

圖4 小車轉(zhuǎn)彎運動分析示意圖

設(shè)小車勻速轉(zhuǎn)彎速度為[V，]兩主動輪間的距離為[D，]小車轉(zhuǎn)彎半徑即小車兩主動輪中心與轉(zhuǎn)彎圓心的距離為[R，]車輪半徑為[r，]兩輪的轉(zhuǎn)速分別為[S1，][S2；]車重為[G，]小車與地面的摩擦系數(shù)為[μ。]則有[4]：

[R>V2（μg）2πrS2=（2R+D）V2R2πrS1=（2R-D）V2R]

2.2 上位機軟件設(shè)計

本設(shè)計的上位機軟件使用C#編寫，主要分為以下幾個功能模塊：人機交互界面、通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和路徑規(guī)劃模塊。功能模塊圖如圖5所示。

圖5 上位機程序功能模塊圖

人機交互界面完成人與計算機之間進(jìn)行各種符號和動作的雙向信息交換，通信模塊實現(xiàn)上位機與小車間的指令發(fā)送和數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)顯示模塊可以實時繪制小車的運行軌跡并實時顯示小車所在位置的坐標(biāo)。路徑規(guī)劃模塊可以設(shè)置小車的運行路徑，如小車的運行方向、?？抗?jié)點、運行速度等，用戶也可在一些特殊場合通過此模塊手動控制小車的運行。

3 實驗數(shù)據(jù)

3.1 紅外傳感器測試

紅外傳感器主要負(fù)責(zé)方向糾偏，在地面上分別鋪設(shè)不同折角角度（中間以弧線過渡）的色帶，在小車上設(shè)置一參考標(biāo)尺，反復(fù)測試小車在不同角度下的方向糾偏誤差，實驗數(shù)據(jù)如表1所示，可見糾偏誤差均在5%以內(nèi)。

表1 紅外傳感器測試數(shù)據(jù)

3.2 超聲波傳感器測試

超聲波傳感器主要負(fù)責(zé)距離定位，在小車前方分別設(shè)置不同距離的障礙物，編寫特定的測試程序，發(fā)送測試距離到上位機，統(tǒng)計的實驗數(shù)據(jù)如表2所示，距離誤差在2%以內(nèi)。

3.3 定點導(dǎo)航精度測試

為驗證紅外超聲相結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，設(shè)計了以下實驗，通過布設(shè)特定的色帶和障礙物，設(shè)定小車定點停止的位置，測試小車實際停止時的角度誤差和距離誤差。測試數(shù)據(jù)如圖6所示，可見定位精度較高，可滿足大部分應(yīng)用場合對定位精度的要求。

表2 超聲波傳感器測試數(shù)據(jù)

圖6 定點導(dǎo)航精度測試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

AGV小車的核心和設(shè)計難點在于導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計，本設(shè)計采用的是紅外加超聲相結(jié)合的導(dǎo)航方式，經(jīng)大量測試驗證，導(dǎo)航精度高，受外界干擾影響小，且小車具有良好的安全性和穩(wěn)定性?？蓱?yīng)用于物料搬運、環(huán)境監(jiān)測、危險區(qū)域監(jiān)控等領(lǐng)域，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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