程望斌,陳 久,楊路思,李至東,周玉嶸

(1.湖南理工學院 南湖學院,湖南 岳陽 414006;2.湖南理工學院 信息科學與工程學院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

自動導引車(AGV)集成化程度較高,其中起關鍵作用的是導航技術[1].目前采用的導引方式包括激光(超聲波)導引、磁導引、視覺導引、紅外導引與慣性導引等.激光導引方式定位準確,路線靈活多變,受天氣因素影響較小,但成本高昂,導引方式復雜,不太適合用于成本敏感和簡潔的場合.視覺導引方式路線設置簡單,靈活多變,但圖像識別的可靠性有待提高,易被環(huán)境影響.慣性導引方式準確性很高,靈活多變,但對陀螺儀精度和地面平整度要求較高.磁帶導引方式定位準確,線路比較容易改變,成本較低,使用簡單,但此種方式容易受到外部磁場干擾,不適用于有較高磁場的環(huán)境[2].

本文以STM32系列中的F103R8T6芯片為核心器件[3],進行自動導引小車優(yōu)化設計.主要設計要求為:(1)使用前驅模式來實現(xiàn)小車的運動;(2)使用SS41F磁敏傳感器來檢測磁導帶;(3)使用電機驅動模塊來控制電機的運動狀態(tài);(4)具有電源按鍵、復位按鍵和紅黃綠三個LED燈和蜂鳴器.

1 系統(tǒng)總體設計

以STM32F103R8T6 為核心控制器設計自動導引小車控制系統(tǒng)[4],包括電機驅動、磁敏傳感器和電源等相關電路.系統(tǒng)總體設計如圖1所示.

在圖1 中,由軟件部分根據(jù)實際情況來控制LED的亮暗和蜂鳴器的響滅,電機的運轉也是按照實際情況來判斷.當小車開始上電或復位時,其初始化順序為:LED 初始化、蜂鳴器初始化、電機初始化和磁敏傳感器初始化.在運行時先有3 秒的停留準備時間,然后各系統(tǒng)開始工作.

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件部分主要包括R8T6 控制器主控核心板、LED 指示燈模塊、按鍵模塊、磁敏傳感器模塊、蜂鳴器模塊和電機驅動模塊等.核心板模塊設計如圖2所示.

圖2 核心板模塊設計

R8T6 控制器是自動導引小車能正確沿軌道運行的基礎和關鍵.控制器通過判斷磁敏開關傳感器采集到的信號來確定車輛所處的位置,根據(jù)車輛位置進而控制聲光提示模塊和電機驅動模塊.在整個系統(tǒng)中,外圍設備主要包含蜂鳴器模塊、LED 模塊、SS41F 磁敏開關傳感器模塊和L298N 電機驅動模塊等.在這些硬件模塊中,需要配合合理的電路才能驅動[5].

3 系統(tǒng)軟件設計

程序部分采用模塊化的編寫方式,將每一個功能模塊寫成相對應的文件.此方式可以通過分工盡快地實現(xiàn)各個模塊的功能,并根據(jù)實際情況來對各個功能模塊進行控制.首先對各個模塊進行初始化,然后控制相應的模塊實現(xiàn)特定的功能,并在Keil uVision5的環(huán)境下編譯運行系統(tǒng)仿真,以實現(xiàn)相關功能.AGV運行主體程序如圖3所示.

圖3 AGV 運行主體程序流程

3.1 程序主體設計流程

軟件程序主要分為四個模塊:電機控制模塊、LED 控制模塊、蜂鳴器控制模塊和磁敏傳感器控制模塊.其主體流程如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)主體流程

這四個模塊中,除L298N 電機模塊用循環(huán)來控制,其余三個模塊全部都是在定時器中完成.包括SS41F 磁敏傳感器電壓值的獲取,控制LED 燈的狀態(tài)以及蜂鳴器的響滅(最終的響滅在定時器3 中完成).

3.2 子程序模塊設計

在子程序中,電機控制與磁敏傳感器ADC值的獲取是重中之重,關系到小車是否能夠精確地跟隨導帶的前進或后退等操作.在電機控制模塊中,由于采用的是L298N電橋方案,只需給L298N的IN端與EN端發(fā)送相應的控制信號,就可以實現(xiàn)控制電機的諸多操作.在四路磁敏傳感器ADC模塊中,采用定時器來完成.此方式可最大程度利用芯片資源,提高響應效率.在定時器2的服務程序中,可通過全局變量來識別此時檢測到的小車狀態(tài).

4 作品設計與功能測試

4.1 硬件作品制作

先將蜂鳴器、LED 燈和磁敏傳感器等模塊都焊接好,然后正確地連接每一根杜邦線.硬件作品如圖5所示.

在圖5 中,小車采用前輪兩驅的方式來驅動,其設計方式更符合現(xiàn)實情況中小車的運行狀態(tài).將四路磁敏傳感器放置于小車底盤下來檢測磁導帶的位置信息,小車在每種狀態(tài)下都有相應的提示信息(如LED 燈與蜂鳴器的各種狀態(tài)),以便于即時觀測與調(diào)試.

圖5 硬件作品實物

4.2 系統(tǒng)功能測試

確保周圍除了磁導帶之外無其他強磁場干擾,如實驗環(huán)境本身就是處于強磁場中或者有大量磁性物質.當然在磁導帶周邊也不放置障礙物.鋪設磁導帶作為此次實驗的預設路徑,要求磁導帶的N 極朝上,也就是無膠的一面保留在外,而有膠的一面(S 極)貼于平整地面,將小車頭部朝向正對磁導帶.

此時小車的兩個驅動輪在前方,磁敏傳感器也處于前方.在設置好這些環(huán)境之后,打開電源開關.系統(tǒng)測試效果如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)測試效果

在給整個系統(tǒng)通電后,開發(fā)板中的電源指示燈(紅色)將會一直亮起,同時核心板中的綠燈也會亮起.3秒后核心板中的綠燈將會熄滅,處理器芯片將會以20 Hz的速度開始讀取四個磁敏傳感器的輸出電平值.若某一個磁敏傳感器的數(shù)字量不大于2048,則說明此磁敏傳感器檢測到了磁導帶,通過處理這四個傳感器,可得知小車相對于磁導帶所處的位置.此時LED 燈模塊的狀態(tài)為全滅,蜂鳴器不發(fā)出警報.

5 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與分析

5.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

采用類似上述方法,還能實現(xiàn)以下功能:

(1)位置自檢功能

四個磁敏傳感器離磁導帶都有一定的距離,SS41F 無法在此條件下檢測到N 極磁場,故其輸出電平值為輸入電壓值,其數(shù)字量大于2048(一般為4095).按照程序設計的思想,L298N 模塊中ENA 與ENB的輸入信號占空比為100%,此時為全速前進狀態(tài),LED 燈模塊中的紅燈亮起,蜂鳴器打開,蜂鳴器聲響的頻率為4500 Hz,占空比為50%,聲音聽起來比較清脆.

(2)直行功能

在直行前進的過程中,中間的兩個磁敏傳感器檢測到了磁導帶,此時芯片檢測到的電壓值數(shù)字量低于2048(一般為0).實驗表明,中間的兩個磁敏傳感器檢測到了磁導帶,說明此時小車并沒有偏離預設的磁導帶路徑,LED 燈模塊中的綠燈將會亮起,蜂鳴器不發(fā)聲,小車做全速前進直行運動,占空比為100%.還有一種特殊的情況也是這種運行方式,即當最左邊或者最右邊的三個磁敏傳感器都檢測到了磁導帶,也認為小車沒有偏離路徑.

(3)轉向運動功能

左轉的情況是在確定了直行運行之后,當最左邊的磁敏傳感器檢測到了磁導帶,小車的右電機運行速度快于左電機(右轉同理).當最左邊的兩個磁敏傳感器檢測到了磁導帶,說明此時小車的行進路線已經(jīng)往右邊偏移了,小車應當為左轉前進狀態(tài),L298N 模塊中的ENA 輸入波形的占空比為40%,ENB 為100%;若最右邊的兩個磁敏傳感器檢測到了磁導帶,小車需要右轉前進運動,故L298N 模塊中的ENA 輸入波形的占空比為100%,ENB 為40%.

(4)后退功能

若磁敏傳感器之前已經(jīng)檢測到了磁導帶,但此時卻沒有檢測到磁導帶,則小車會作后退操作,其目的是返回之前位置,修正自身運動路徑.當小車運動到磁導帶的終點或者偏離了磁導帶時,L298N中的IN 端同時取反改變輸入狀態(tài),小車將會作直行后退操作,ENA 與ENB的占空比為100%,即全速后退.小車亮紅燈,蜂鳴器發(fā)出警報,其發(fā)聲頻率為1125 Hz,占空比為50%,聲音比較低沉.此時小車的運動狀態(tài)為向后運轉狀態(tài),用于返回前一次檢測到的磁導帶的位置,再次修正自身運動路徑,此方式可在保持速度較快的情況下解決路線彎度過大問題.

5.2 系統(tǒng)功能分析

(1)按下復位鍵,程序將重新開始從頭運行,核心板亮綠燈,蜂鳴器不發(fā)聲,小車處于靜止狀態(tài).

(2)在程序剛開始時,運行過了三秒沒有檢測到磁導帶,小車亮紅燈,蜂鳴器發(fā)出頻率為4500 Hz 占空比為50%的警報聲,小車直行前進運動.

(3)當中間的兩個磁敏傳感器檢測到了磁導帶,綠燈亮起,小車直行,蜂鳴器不發(fā)聲.

(4)除去上述情況(3)之后,當兩邊的磁敏傳感器檢測到磁導帶,小車向檢測到的磁帶的反方向運行,LED 燈模塊中的黃燈亮起,蜂鳴器不發(fā)聲.

(5)若運行一段時間后,沒有檢測到磁導帶,小車將會向后運動,紅燈亮,蜂鳴器發(fā)出頻率為1125 Hz占空比為50%的警報聲,小車做直行后退運動.

通過小車的運行測試來看,此次設計基本達到了系統(tǒng)設計目標,運行效果良好.

6 總結

使用磁敏傳感器來檢測磁帶鋪設的路線狀況[6],并將檢測后的電壓值返回給單片機進行處理,處理后的結果用于反饋調(diào)節(jié)此時的運行狀態(tài),并通過不同顏色的LED 燈來顯示當前偏離導軌的程度,在適當?shù)那闆r下可以使用蜂鳴器來進行報警操作.本文設計的小車具有可靠性較強和操作簡單便捷等優(yōu)點,因此具有較好的應用價值.