羅 奎，謝 瑋，王 振

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川 德陽(yáng) 618000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209; 3.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院(蓬萊)工學(xué)院，山東 蓬萊 265600)

基于HMC1021的磁導(dǎo)引AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅 奎1，謝 瑋2，王 振3

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川 德陽(yáng) 618000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209; 3.濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院(蓬萊)工學(xué)院，山東 蓬萊 265600)

磁條導(dǎo)引方式因其成本低、路徑規(guī)劃靈活和抗干擾能力強(qiáng)而在AGV的導(dǎo)引控制系統(tǒng)中普遍使用，而磁感應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的設(shè)計(jì)等都是需要深入研究的問題;以差速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向AGV為研究對(duì)象，以模塊化、通用化設(shè)計(jì)思路為導(dǎo)向，給出了一種分布式磁導(dǎo)引AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案;采用Atmega128及外圍電路作為主控單元，Atmega16和信號(hào)調(diào)理電路為數(shù)據(jù)采集單元、HMC1021為磁條檢測(cè)傳感單元來(lái)設(shè)計(jì)控制器的核心硬件結(jié)構(gòu)，主控單元和數(shù)據(jù)采集單元之間通過RS485通信交換數(shù)據(jù);隨后在分析和研究AGV差速驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，給出了從傳感到速度控制的通用模式，并且提出了查表和模糊控制相結(jié)合的通用性控制策略設(shè)計(jì)方法;軟硬件測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性。

磁條導(dǎo)引； 差速驅(qū)動(dòng)；模糊控制；模塊化

0 引言

隨著物流行業(yè)和現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展， AGV(automated guided vehicle)自動(dòng)導(dǎo)引車已經(jīng)得到很廣泛的應(yīng)用，日益成為工業(yè)4.0框架下必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)美國(guó)物流協(xié)會(huì)定義，AGV 是指裝備有電磁或光學(xué)自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿著規(guī)定導(dǎo)引路徑行駛，具有編程與停車選擇裝置、安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸小車[1]?？刂坪诵氖堑缆犯S，可以通過電磁、光學(xué)、GPS等自動(dòng)導(dǎo)引手段，實(shí)現(xiàn)沿既定導(dǎo)引路徑移動(dòng)[2-3]。目前大體有電磁導(dǎo)引、磁條導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引和視覺導(dǎo)引這幾種方式。磁條導(dǎo)引因其控制簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾性能強(qiáng)和路徑修改方便等優(yōu)勢(shì)[4]，近年來(lái)有日益普及的趨勢(shì)。關(guān)于應(yīng)用磁阻傳感器來(lái)設(shè)計(jì)AGV導(dǎo)引數(shù)據(jù)采集部分的研究也越來(lái)越深入。沈忱等人提出使用磁阻傳感芯片HMC1021 組成線陣的測(cè)量方案，設(shè)計(jì)一個(gè)通用的磁導(dǎo)引AGV 傳感器，采用CAN 總線的方式輸出偏移距離[5]。王永強(qiáng)和王麗穎等人利用HMC系列磁阻傳感器設(shè)計(jì)高精度的數(shù)字化電子羅盤[6-7]。盧超越提出一種磁導(dǎo)航AGV通用驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，可以滿足多種磁導(dǎo)航AGV的控制要求[8]。從這些研究文獻(xiàn)可以看出模塊化、通用化是發(fā)展趨勢(shì)。從控制策略上分析，目前PID控制和模糊控制仍然是主流，比如鄭炳坤等人提出以PD 控制器為核心，利用模糊控制來(lái)動(dòng)態(tài)修正PD 控制器的系數(shù)，改良AGV 的動(dòng)態(tài)跟蹤行為[4]。不論是固定的磁釘導(dǎo)引還是磁帶導(dǎo)引，由于傳感器安裝位置和特性的差異，需要深入的研究系統(tǒng)構(gòu)建方法和控制算法。本文以差速輪式移動(dòng)AGV為研究對(duì)象，以模塊化、通用化為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)一種分布式磁導(dǎo)引AGV控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

為實(shí)現(xiàn)模塊化和通用化設(shè)計(jì)，將主控模塊和磁傳感模塊分開來(lái)設(shè)計(jì)。傳感模塊的主要任務(wù)是采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，主控模塊則負(fù)責(zé)控制算法的執(zhí)行，并且綜合AGV各種環(huán)境狀況，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制算法運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)引的路徑跟隨。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.2 AGV差速驅(qū)動(dòng)原理

差速驅(qū)動(dòng)AGV靠?jī)蓚?cè)的車輪獨(dú)立控制，通過控制兩側(cè)車輪的不同速度，使AGV實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和直行，從而實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。差速轉(zhuǎn)向AGV原理如圖2所示。

圖2 差動(dòng)轉(zhuǎn)向AGV原理

R代表AGV轉(zhuǎn)彎時(shí)的瞬時(shí)曲率半徑；W代表AGV兩輪旋轉(zhuǎn)軸間距；θ表示轉(zhuǎn)彎角度；AGV的坐標(biāo)系設(shè)定為xoya，大地坐標(biāo)系設(shè)定為xoyg。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的推導(dǎo)方法，可以得出在AGV坐標(biāo)系xoya中的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

其中:vr為右輪速度，vl為左輪速度，坐標(biāo)變換到大地坐標(biāo)系統(tǒng)xoyg中，則運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

從式(1)可以得出，在AGV沿著縱向軸線速度恒定的條件下，如果設(shè)定Δv=vr-vl，則瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎曲率半徑為：

(3)

由此可見，式(3)是磁導(dǎo)引AGV的差速轉(zhuǎn)向控制依據(jù)。在AGV運(yùn)行過程中，通過控制Δv，就可以控制其瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑，當(dāng)然，當(dāng)Δv→0時(shí)，則有R→∞，則走直線。因此差速導(dǎo)引的控制原理就是尋找Δv與傳感器信號(hào)之間的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)道路跟隨算法。

1.3 磁阻傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

Honeywell的HMC1021型單軸磁阻傳感器以其成本低、靈敏度高和低功耗等優(yōu)勢(shì)在測(cè)量弱磁場(chǎng)方面得到廣泛應(yīng)用。它的測(cè)量范圍是±6gauss，精度可達(dá)到mgauss級(jí)[10]。從目前市場(chǎng)上的流行的磁條實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，能滿足測(cè)試要求。磁阻傳感器的核心是通過4個(gè)相同的磁敏電阻形成惠斯通電橋來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)的變化。在線性范圍內(nèi)有[11]：

Vout=S0B+V0

(4)

Vout為輸出電壓,S0為傳感器的靈敏度,B為待測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,V0為傳感器自身的漂移輸出。如電路原理圖3所示，為實(shí)現(xiàn)傳感部分的模塊化設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立Atmega16MCU采集數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)RS485串口向主控板收發(fā)信息，協(xié)議開放，也可與第三方嵌入式主控板接口。通過對(duì)HMC1021施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)來(lái)保證磁阻傳感器的敏感特性和靈敏度。IRF7105和兩個(gè)電容C2,C3組成HMC1021的置位和復(fù)位脈沖電路，提供的瞬時(shí)脈沖幅值高達(dá)16V，實(shí)現(xiàn)有效的復(fù)位和置位。AMP04對(duì)差分輸出的mV級(jí)測(cè)量信號(hào)方法，經(jīng)過與U4組成的跟隨器進(jìn)入Atmega16的ADC(ADC0-ADC3，電路圖中僅畫了一路來(lái)示例)轉(zhuǎn)換口。此單片機(jī)自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，利用定時(shí)器產(chǎn)生S/R時(shí)鐘脈沖，并且連續(xù)采集4路傳感器數(shù)據(jù)，通過Max485接口將數(shù)據(jù)送給主控制器。

圖3 磁阻傳感器數(shù)據(jù)采集原理圖

1.4 主控模塊的設(shè)計(jì)

主控模塊主要包括運(yùn)動(dòng)控制部分、運(yùn)行狀態(tài)顯示、按鍵控制、通信模塊(包括與PC機(jī)通信和與傳感器模塊通信)和外圍傳感信息采集(比如避障傳感器、防碰開關(guān)和工作站點(diǎn)的配合電子開關(guān)等)，主要電路原理如圖4所示。主控板與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口大體可以分為電壓控制，脈寬控制和脈沖控制3種，目前電壓控制的已經(jīng)很少，在此設(shè)計(jì)中以脈沖/脈寬控制為主。在此將每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接口信號(hào)進(jìn)行整合，分為使能信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和速度控制信號(hào)(脈寬或脈沖)，即圖3中的EML，EMR；ML,MR;PL,PR. 還有電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)Encod1，Encod2. 同時(shí)預(yù)留3路定位信號(hào)輸入口Pos1，Pos2和Pos3；預(yù)留3路紅外避障信號(hào)Infra1,Infra2和Infra3.AlARM為報(bào)警信號(hào)，Runset為狀態(tài)指示信號(hào)。4個(gè)按鍵Key1-Key4，分別對(duì)應(yīng)啟/停、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和導(dǎo)航，與液晶屏界面配合完成人機(jī)操作。PowCheck(ADC0)用來(lái)采集供電電池電量信號(hào)，AS0和AS1為預(yù)留模擬量傳感器接口。Max485用來(lái)和磁傳感器通信。Max232則用來(lái)和PC上位機(jī)或者無(wú)線數(shù)傳模塊接口。選擇ATmega128MCU是因?yàn)槠渫庠O(shè)豐富，帶AD轉(zhuǎn)換器，程序空間大和尋址能力強(qiáng)，速度快。

圖4 主控板原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 磁傳感數(shù)據(jù)采集

磁傳感器模塊始終處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)主控制器發(fā)送信息時(shí)，進(jìn)行“地址對(duì)號(hào)”操作，如果主控器發(fā)送的是本機(jī)地址，則立即建立通信鏈路，并根據(jù)所收到的報(bào)文命令字節(jié)做出相應(yīng)的操作。報(bào)文的格式如下：

圖5 數(shù)據(jù)報(bào)文的結(jié)構(gòu)

報(bào)文中地址段采用一個(gè)字節(jié)，命令字段也為1字節(jié)，表示命令或響應(yīng)的類型。數(shù)據(jù)占8個(gè)字節(jié)，每個(gè)傳感器占用2個(gè)字節(jié)。從機(jī)地址范圍01～10，命令暫時(shí)分為兩種，即從機(jī)自檢和發(fā)送信息；從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息也包括兩種，即自檢成功和8個(gè)字節(jié)的采集數(shù)據(jù)。在此報(bào)文結(jié)構(gòu)框架下，命令和傳感數(shù)據(jù)信息可擴(kuò)展，也可根據(jù)報(bào)文結(jié)構(gòu)自行定義數(shù)據(jù)格式。磁傳感器模塊的軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

2.2 主控模塊程序設(shè)計(jì)

主控模塊設(shè)計(jì)的核心是控制算法。算法設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是傳感器的安裝形式和式(3)。假設(shè)控制量為u，傳感信號(hào)為Si(i=1,2,...,N)表示N個(gè)傳感器，則根據(jù)式(3), 控制目標(biāo)可描述為：

Si→u→ΔV

(5)

傳感器的安裝方式如圖7所示，根據(jù)式(5)，需要利用4個(gè)HMC1201采集回來(lái)的信息找出與控制量u之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果以表格形式存儲(chǔ)Si與u之間的序列對(duì)，編程時(shí)采用IF-Then的形式查表就可以搜尋到控制量。

圖7 傳感器和磁條的相對(duì)位置

為實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的控制，本文給出查表和模糊控制相結(jié)合的控制策略。以圖7為例，將磁軌所在的大地平面從左到右分為A、B、C、D4個(gè)區(qū)域。這4個(gè)區(qū)域可以表示AGV偏離磁軌的偏差，其根據(jù)各個(gè)傳感器的測(cè)量值V1,V2,V3,V4確定；各個(gè)傳感器S1→S4測(cè)量值的變化量(ΔV1,ΔV2,ΔV3,ΔV4)用來(lái)判定AGV偏離中心線的方向和速度。由此進(jìn)一步細(xì)分區(qū)域，并據(jù)此給出對(duì)應(yīng)的控制量。因此，在這種布局結(jié)構(gòu)中，根據(jù)各傳感器當(dāng)前測(cè)量值與歷史(上次)測(cè)量值比較結(jié)果，可測(cè)知AGV磁軌位置偏離方向，即誤差的變化。并以此來(lái)劃分論域和制定模糊規(guī)則，就可以尋找出這些變量與控制量u之間模糊推理關(guān)系，設(shè)計(jì)過程不再詳細(xì)贅述。

值得一提的是在測(cè)量值的變化量時(shí)，需要設(shè)置一個(gè)給定噪聲門限值σ，如果|ΔVx|絕對(duì)差值小于σ，則可認(rèn)定磁條傳感器相對(duì)位置未變化。這樣可以避免直線導(dǎo)引時(shí)過于靈敏。另外在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，先借助MATLAB輔助軟件構(gòu)造，最后將生成的模糊控制表編寫到主控器內(nèi)部存儲(chǔ)器中，就能實(shí)現(xiàn)在線查表控制，從而避免了在主控器中進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

按照上述軟硬件設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建AGV系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。將4個(gè)傳感器的測(cè)量值和變化率論域分為5級(jí)，分別為“負(fù)大”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正大”。隸屬度函數(shù)采用三角波形，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則構(gòu)造磁導(dǎo)引模糊控制表。噪聲門限值σ設(shè)為0.015V，傳感器測(cè)量范圍為0-3.8V。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，直線導(dǎo)引速度可達(dá)到0.5 m/s, 拐彎可達(dá)到0.2 m/s.導(dǎo)引路徑誤差為≤15 mm，基本上能滿足導(dǎo)引性能指標(biāo)要求。

如果按照式(5)的設(shè)計(jì)思想，傳感器用作開關(guān)量檢測(cè)方式也能利用表格形式存儲(chǔ)Si與u之間的序列對(duì)，從而通過查表建立控制關(guān)系。在圖7的傳感器布局中，通過各個(gè)傳感器本身測(cè)得的歷史值和當(dāng)前值做比較,來(lái)判斷本身位置變化趨勢(shì)；而各個(gè)傳感器的當(dāng)前值又可以反映當(dāng)前偏離中心線的相對(duì)位置。此二者結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)比較精細(xì)的控制，也具有一定的預(yù)測(cè)控制能力。實(shí)際測(cè)試時(shí)，為了防止ΔV在有測(cè)量噪聲情況下超調(diào)太大，做了限幅處理。而在直線道路跟隨時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的噪聲門限值σ，可以防止左右大幅擺動(dòng)蛇形跟隨的情況。因此在實(shí)際運(yùn)行中要綜合考慮傳感器布局和性質(zhì)、規(guī)則庫(kù)的設(shè)計(jì)、模糊化求解過程和查詢表優(yōu)化等因素進(jìn)行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的AGV導(dǎo)引系統(tǒng)，模塊化分布式控制，易于擴(kuò)展，成本低、為磁導(dǎo)引AGV系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)提供了一種較為可行的方案。已經(jīng)在某物流運(yùn)貨車間使用，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引要求。目前研究主要側(cè)重于單軸磁阻傳感器HMC1021，考慮用多軸傳感器HMC022可以更加精準(zhǔn)地測(cè)量磁條周圍的二維磁感應(yīng)信號(hào)，這是下一步要深入研究的工作。

[1] 周馳東,樓佩煌,王 輝,等.移載式磁導(dǎo)航AGV關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2012(01): 4-8.

[2] 劉敏偉.淺談激光導(dǎo)引AGV系統(tǒng)原理與應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014(11): 43.

[3] 潘運(yùn)平,魯 峰,王 飛,等. 工廠AGV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究[J]. 現(xiàn)代機(jī)械, 2014(5): 1-4.

[4] 鄭炳坤, 賴乙宗,葉 峰. 磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動(dòng)化與儀表, 2014(3): 6-10.

[5] 沈 忱,夏繼強(qiáng),滿慶豐,等.基于磁阻傳感芯片陣列的磁導(dǎo)引AGV傳感器設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2016(3): 108-114.

[6] 王永強(qiáng), 曾連蓀,金志華.一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2007(12): 1864-1866.

[7] 王麗穎,支 煒,孫紅霞,等. 基于HMC1022磁阻傳感器的數(shù)字電子羅盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2009(1): 108-111.

[8] 盧超月, 夏繼強(qiáng),葉呈洋.STM32的磁導(dǎo)航自主導(dǎo)引車通用驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2015(4): 68-71.

[9]CookG.Mobilerobotics:navigation,controlandremotesensing[M]. 趙春暉,潘 泉,楊 峰,等譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[10] 吳 剛,李一博. 磁阻傳感器HMC1021應(yīng)用[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2005(3): 20-21.

[11] 王 震, 米 東,徐章遂.磁阻傳感器在弱磁測(cè)量中的應(yīng)用研究[J]. 儀表技術(shù), 2006(6): 70-71.

Design of Magnetic Guidance AGV Control System Based on HMC1021

Luo Kui1，Xie Wei2，Wang Zhen3

(1.Information Engineering Department, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China；
2.School of information and Electrical Engineering of Harbin Institute, Technology (Weihai),Weihai 264209, China;
3.Springs College (Penglai) University of Jinan, Penglai 265600,China)

Due to its low cost, flexible path planning and strong anti-interference ability, the magnetic guidance mode is widely used in the guidance and control system of AGV, but the design of data acquisition for the magnetic induction signal, control system structure and control strategy is a problem to be studied deeply. The AGV of differential speed steering is studied，and distributed magnetic guidance AGV control system under modularization and general oriented is designed, which use Atmega 128 And peripheral circuit as master control unit, Atmega 16 and signal conditioning circuit as data acquisition unit, and HMC1021 magneto resistance sensor for magnetic detection device to building the core hardware structure of the controller. Main control unit and data acquisition unit through the RS485 communication exchange data. Then based on the analysis and study of the differential drive principle of AGV, the general mode of sensing to speed control is given, and the generic control strategy combined with the table lookup and fuzzy control is put forward. The results of practical application and software and hardware testing have shown that the design method is feasible and effective.

magnetic guidance; differential drive; fuzzy control; modularization

2016-11-03；

2016-11-28。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JGYJ-201626)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT.NSRIF.2016106)。

羅 奎 (1979-)，男，四川德陽(yáng)人，碩士，助教，主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制方向的研究。

1671-4598(2017)04-0058-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A