自動導引小車(AGV)系統(tǒng)的設計

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1、自動導引小車系統(tǒng)的設計 摘要：自動導引小車控制系統(tǒng)是AGV 的運動控制部件,對AGV 的平穩(wěn)運行起著重要的作用。隨著新的控制算法的應用和電子技術的發(fā)展,AGV 正朝著高速、高精度,開放化、智能化、網絡化發(fā)展,對運動控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。AGV 要實現(xiàn)高速、高精度的位置控制和軌跡跟蹤,必須依賴先進的控制策略和優(yōu)良的運動控制系統(tǒng)。 在本文中,按照控制系統(tǒng)的要求,選定以ARM 微處理器作為核心進行運動控制 系統(tǒng)的設計。論文中研究了自動導引小車控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案,系統(tǒng)的軟件設計采用的了基于嵌入式實時系統(tǒng)的設計方法,電機的速度控制采用了先進的模糊PID 控制技術。

2、首先,介紹了自動導引小車的硬件構成,著重講述了控制電路的設計方法,接口 電路的設計；推導了直流電機的仿真模型和AGV 運動學模型,完成了電機驅動電路 以及導引信號控制器的設計；根據(jù)AGV的功能要求設計了應用于AGV的傳感器系統(tǒng),包括超聲傳感器、電磁導引傳感器的設計。 其次,介紹了AGV 軟件系統(tǒng)的設計方法,引入了嵌入式操作系統(tǒng)的概念。著重 介紹了μClinux 的移植方法和移植過程,使用μClinux 操作系統(tǒng)能最好的滿足AGV 控制系統(tǒng)的要求,比如：系統(tǒng)足夠小,以滿足嵌入式系統(tǒng)的硬件要求；實時性好,即系統(tǒng)有能預見性的反應速度；能夠實現(xiàn)多任務處理能力。 再次,介紹了模糊PID 控制器

3、的設計及其在ARM 上的實現(xiàn)方法。首先介紹了模 擬PID 控制器、數(shù)字PID 控制器的數(shù)學模型,提出模糊PID 控制器的設計方案；應用MATLAB 的SIMULINK 模塊實現(xiàn)的普通數(shù)字PID 控制器與模糊PID 控制器的比較； 最后使用基于μClinux 的軟件設計方法,將模糊控制器程序實現(xiàn)并移植到ARM 控制器上；并且設計了一個調節(jié)器使AGV 具有準確的跟蹤路徑能力,從而提高了行使精度。 關鍵詞：AGV,自動導引小車,模糊PID ABSTRACT: As the actuator of Automated Guided Vehicle system, the c

4、ontrol system effects the stabilization of the AGV evidently. With the advancement of control theories andthe development of electronic technologies, the AGV system is developed with high speedhigh accurateness, open-architecture, and intelligence. For the high speed and high accuratelocation-contr

5、ol and trajectory tracking, the AGV system must rely on advanced motioncontrol theory and fine motion control structure. In this paper, we use the ARM microprocessor as the chief chip to design the movement control system. The paper discusses the hardware realization of our AGV systembased on the

6、microprocessor, and introduces the design method of the system softwarebased on the real time operation system μClinux,and finally discusses the speed controlsystem of the motor based on fuzzy PID control method. First, the hardware constitution of the AGV is discussed. It narrates emphatically the

7、 design method, the using method of serial communications and the design of interface circuit. The simulation model of DC motor and kinematic model of AGV is recommended.We design the driving circuit and the guiding signal controller .The AGV’s sensor system isdesigned in the article, including th

8、e precise supersonic sensor and electromagneticguidance Sensor. Second, the real time the design method of the software system the AGV and the concept of the embedded operating system is introduced. We focused on the process of repotting and transplanting methods of the embedded operating system.

9、 μClinux operatingsystem can best meet the requirements of AGV control system, such as: the small operatingsystem can meet the hardware requirements of embedded systems; real-time, and thatsystem the reaction time can be predictability; it can achieve multi-tasking capability. Then, realization met

10、hod on ARM of the fuzzy PID controller is discussed. At first, the paper introduces the mathematical model of the ordinary digital PID controller and fuzzy PID controller, and we compare them by MATLab’s SIMULINK module. Finally we repotthe fuzzy PID controller to ARM microprocessor. And we also d

11、esigned a regulation whichmakes AGV have accurate tracking capabilities, thus enhance the accuracy of the exercise. Key words: Automated Guided Vehicle; AGV; ARM;μClinux; fuzzy PID 8 / 40 目 錄 摘 要………………………………………………………………………… ABSTRACT…………………………………………………………………… 目 錄…………………………………………………………………………

12、 第1章 緒論………………………………………………………………… 1.1 引言………………………………………………………………… 1.2 AGV 自動導引小車概述………………………………………… 1.3 自動導引小車國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢……………………… 1.3.1國外AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢…………………………………… 1.3.2國AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢…………………………………… 1.3.3國外AGV 導航控制技術………………………………………… 1.4 本文研究容和主要工作……………………………………… 第二章AGV 車體結構及運動學模型……………………………

13、2.1 AGV 的性能指標………………………………………………… 2.2 AGV 的組成及總體結構……………………………………… 2.3 AGV 小車運動學模型………………………………………… 2.3.1 AGV 運動狀態(tài)……………………………………… 2.3.2 AGV 運動方式…………………………………… 2.3.3 AGV 小車直流伺服機構與運動學模型……………………………… 2.3.3.1 電機參數(shù)…………………………………………… 2.3.3.2 相關參數(shù)推算…………………………………… 2.3.3.3 AGV 運動學模型………………………………… 2.4 直流伺服

14、電機的仿真模型[2]……………………………… 第三章AGV 控制系統(tǒng)硬件設計………………………………… 3.1 硬件選擇原則……………………………………………… 3.2 硬件系統(tǒng)整體結構…………………………………… 3.3 嵌入式處理器選型…………………………………… 3.4 存儲器擴展…………………………………… 3.5 接口電路設計………………………………… 3.6 外圍硬件電路設計……………………………… 3.6.1信號源………………………………… 3.6.2傳感檢測電路………………………………… 3.6.3電磁導引傳感器………………………………… 3.6.4超聲波

15、傳感器………………………………… 第四章總結與展望………………………………… 第一章緒論 1.1 引言 AGV 即自動導引小車,它是一種以電池為動力,裝有 非接觸導向裝置和獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動化搬運車輛。它的主要特征表現(xiàn)為具有小車編程、停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能,并能在計算機的監(jiān)控下,按指令自主駕駛,自動沿著規(guī)定的導引路徑行駛,到達指定地點,完成一系列作業(yè)任務。其系統(tǒng)技術和產品已經成為柔性生產線、柔性裝配線、倉儲物流自動化系統(tǒng)的重要設備和技術[1]。 隨著各種AGV 新產品的不斷開發(fā),如自動牽引車

16、>,自動導引叉車, 無導引線的激光導引車等,AGV 技術不斷發(fā)展,促成了先進的柔性生產線,自動化物流系統(tǒng)的實現(xiàn),從而極提高了生產自動化程度和生產效率[2]。 由于現(xiàn)代化生產觀念日益受到重視,對生產線運行、物流系統(tǒng)的柔性要求越來越 高。在產品換型、多種產品混合生產線運行、調整產量、重新組合生產線等方面,AGV必將得到迅速發(fā)展和普及應用,這不僅是現(xiàn)代化工業(yè)迅速發(fā)展的需要,更主要是由AGV 本身所獨具的優(yōu)越性決定的[2-3]。資料顯示：在產品生產的整個過程中,僅僅有5％的時間是用于加工和制造,剩余的95％都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送；在美國,直接勞動成本所占比例不足生

17、產成本的10％,且這一比例還在不斷下降,而儲存、運輸所占的費用卻占生產成本的40％。因此,日前世界各工業(yè)強國普遍把改造物流結構、降低物流成本作為企業(yè)在競爭中取勝的重要措施,為適應現(xiàn)代生產的需要,物流正在向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展。自動導引小車AGV適應性好、柔性程度高、可靠性好、可實現(xiàn)生產和搬運功能的集成化和自動化,在各國的許多行業(yè)都得到廣泛的應用。 自動導引小車是一種智能化的自運行機器人。它具有運輸效率高、節(jié)能、工作可 靠、能實現(xiàn)柔性運輸、使用靈活、無公害等許多優(yōu)點,已經廣泛地運用在汽車制造、 新聞印刷、電子工業(yè)、家用電器、機械加工、煙草業(yè)、食品業(yè)、自動倉庫、辦工自動化等許多領域。AGV 是

18、針對具體應用環(huán)境而設計的特定用途機器人,不同應用環(huán)境下的AGV,其體系結構、功能都有所不同。 以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件、硬件可裁剪,適應應用系統(tǒng)對功能、 可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式控制系統(tǒng)是AGV 的核心,它的主要任務是控制AGV 導向、啟動、停車、運行車速、選擇路徑、安全監(jiān)控、避免碰撞和交通干涉、與交通控制器通訊、與其它物料搬運 設備和機器人等接口。 在控制功能比較單一,邏輯結構比較簡單的前提下,控制軟件的設計相對容易。 而當控制系統(tǒng)的功能日漸復雜,從新設計一個新的控制軟件系統(tǒng)的費用和工作量就成倍地增長。因此,嵌入式操作系統(tǒng)的

19、概念就相應地提出來了。嵌入式操作系統(tǒng)就是將嵌入式控制軟件的通用部分提取出來,抽象為一個底層硬件系統(tǒng)和上層應用軟件層之間的一個中間層。它負責屏蔽不同硬件系統(tǒng)和應用軟件系統(tǒng)之間的不同,使它們彼此透明。這樣,在設計新的嵌入式控制系統(tǒng)時,只需在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上更新相應的驅動程序和應用軟件就可以快速地組建出一個功能全新的嵌入式控制系統(tǒng)。因此,嵌入式操作系統(tǒng)就是一個嵌入式控制系統(tǒng)的構建平臺,使得應用軟件的設計可以拋開具體的硬件和資源管理的細節(jié),而專注于自身具體應用功能的實現(xiàn),這就大大減輕了應用軟件的開發(fā)難度。 1.

20、2 AGV 自動導引小車概述 根據(jù)美國物流協(xié)會定義,AGV 是指裝備有電磁或光學自動導引裝置,能夠沿著規(guī) 定的導引路徑行駛,具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能的運輸小車[5]。AGV 是以電池為動力、裝有非接觸導向裝置,獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動運輸車。 應用AGV 具有很多特點： <1> AGV 可十分方便地與其它物流系統(tǒng)實現(xiàn)自動連接,如AS/RS<通過出/入庫臺>、 各種緩沖站、自動積放鏈、升降機和機器人等；實現(xiàn)在工作站之間對物料進行跟蹤； 對輸送進行確認；按計劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄；與生產線和庫存管理系統(tǒng)進行在線連接以向工廠管理系統(tǒng)提供實時信息。 <2

21、> 采用AGV 使人工檢取與堆置物料的勞動力減少,使操作人員無需為跟蹤物料 而進行大量的報表工作,因而顯著提高勞動生產率。另外,非直接勞動力如物料倉庫會計員、發(fā)料員以及運貨車調度員的工作的減少甚至完全取消又進一步減低了成本。 <3> AGV 運輸物料時,很少有產品或生產設備的損壞,這是因為AGV 按固定路徑 行駛,不易與加工設備和其他障礙物碰撞。 <4> 絕大多數(shù)AGV 的使用者均證明,2－3 年從經濟上均能收回AGV 的投資成本。 <5> AGV 通過安裝在地面之下的電纜或其他不構成障礙的地面導引物,其通道必 要時可作其他用處。 <6>系統(tǒng)具有極高的可靠性。AGV 系統(tǒng)由若干臺

22、小車組成,當一臺小車需要維修 時,其它小車的生產率不受影響并保持高度的系統(tǒng)可利用性。 <7>約能源與保護環(huán)境。AGV 的充電和驅動系統(tǒng)耗能少,能量利用率高,噪音極低對制造和倉儲環(huán)境沒有不良影響。 縱觀國外AGV 的應用實例,AGV 大體上用于以下三個方面： <1>物料搬運 在工業(yè)現(xiàn)場AGV 常用于工位間或自動倉庫與工位間的物料搬運作業(yè)。例如在組 裝線上,AGV 從自動倉庫取出機器零件并送到相應的組裝工位。又如在柔性加工系統(tǒng)中,AGV 依照加工工序順次將被加工工件送到相應自動機床進行加工,加工

23、好的零件由AGV 送到質檢站測,最后合格品送到半成品庫。 <2>移動工作臺 在組裝或柔性加工系統(tǒng)中AGV 常作為移動工作臺使用。以歐美一些汽車廠為例, 在轎車組裝過程中從汽車底盤焊裝組立、安裝懸掛系統(tǒng)、車輪和制動系統(tǒng)、安裝發(fā)動機、變速箱、離合器、安裝轉向系統(tǒng)、安裝汽車外殼、安裝風檔玻璃和座椅到整車配電等一系列組裝過程都是在一臺AGV 上進行的。又如在歐美一些柴油機廠中,柴油機一系列的組裝過程也都是在一臺AGV 上完成的。 <3>與機器人或機器手配合在特殊工作環(huán)境下代替人工作業(yè) 在AGV 上可以安裝機器人或機器手,在特殊工作環(huán)境下代替人工作業(yè)。例如在 核電站中代替人在具有放射線的工作

24、環(huán)境下進行遙控作業(yè)。 1.3 自動導引小車國外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、自動化立體倉庫而產生并發(fā)展起來的,日本人認為1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年。這樣計算AGV大規(guī)模應用的歷史也只有15 至20 年。但是,其發(fā)展速度是非?？斓?。例如:美國通用公司1981 年開始使用AGV,1985 年AGV 保有量500 臺,1987 年AGV 保有量3000臺。資料表明歐洲40%的AGV 用于汽車工業(yè),日本15%的AGV 用于汽車工業(yè),也就是說A

25、GV 在其他行業(yè)也有廣泛的應用。 1.3.1國外AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 􀂊1913 年美國福特汽車公司開始使用有軌道的導引車輛; 􀂊1954 年英國首先研制出電磁導引AGV； 􀂊五十年代末AGV 已在歐洲推廣應用； 􀂊六十年代將計算機技術用于AGV 系統(tǒng)控制與管理； 􀂊七十年代AGV 應用圍擴大,車型多樣化,導引方式五花八門； 􀂊八十年代AGV 隨計算機技術發(fā)展而發(fā)展。成本降低,性能先進,普及迅速, 己形成新的產業(yè)；

26、 􀂊九十年代AGV 進入高智能化,數(shù)字化,網絡化,信息化； 􀂊90 年代以來,以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術、高適應性的自 動導航機器人控制技術、真實環(huán)境下的規(guī)劃技術為標志,開展了移動機器人更高 層次的研究[4]。其中的代表有：1997 年美國發(fā)射到火星表而的索杰納； 􀂊2004 年成功登陸火星的"勇氣號"和"機遇號"火星探測器；

27、048714;到目前為止,全世界已擁有AGV 系統(tǒng)10000 多個,約100000 輛AGV 小車。 1.3.2國AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 􀂊六十年代開始研究； 􀂊七十年代起重運輸機械研究所研制的ZDB－1 型自動搬運車是最早的實 用 型AGV； 􀂊八十年代郵電部設計研究院等單位先后開始對AGV 進行研究與實踐； 􀂊九十年代自動化所為金杯汽車公司總裝線上設計的九臺AGV 自動 裝配系統(tǒng),是國較先進的實用型AGV； 􀂊九十年代中期,昆船公司在引進國外最先AGV 進技術的基礎上,先

28、后承擔了 數(shù)十個AGV 系統(tǒng)的設計、安裝,其水平代表了目前國的最高水平。 􀂊九十年代以來,清華大學研制的智能車THMR-V,采用分層遞階的體系結構, 基于以太網通信,集成有CCD 攝像機、激光雷達、磁羅盤一光碼盤、GPS 等多種傳感器,能夠實現(xiàn)結構化環(huán)境下的車道線自動跟蹤,以及復雜環(huán)境下的道路避障、道路停障,最高車速達到150km/h； 􀂊最近幾年工業(yè)大學研制的輪式智能服務機器人能無纜行走、自動避障、 識別語音并能與人對話、用于服務場合的導游導購等。 1.3.3國外AGV 導航控制技術 導引控制技術是AGV 的核心技術,采用不同的導引方式就

29、形成了各種形式的AGV[5]。 <1>電磁導引 在AGV 要行駛的路線地而之下,預先理設好導引線。當給導引線通以一定頻率 的交流電流后,在導引線周圍產生交變電磁場。AGV 上的探測線圈就能夠檢測此電磁 場并使AGV 沿著導引線方向運動。當探測線圈偏離導引線時,兩個線圈中的感應電 壓就有差異,車載控制系統(tǒng)就能根據(jù)電壓差驅動轉向電機,使 AGV 回到正確的路徑 上。 <2>磁條導引 這種方式和電磁導引比較類似,只是把導引線換成磁條,在兩個探測線圈之外多 加了個激勵線圈。因為磁條的磁場是不變的,探測線圈中不能自動感應出電壓。 <3>激光導引 在AGV 行駛路徑周圍預先垂直設置好

30、一系列反光板,AGV 上裝的激光掃描器不 斷掃描周圍環(huán)境,當掃描到反光板時,掃描器就能感知。只要掃描到三個以上的反光板,就可以根據(jù)反光板的坐標值以及各反光板的法線和縱向軸的夾角,由控制器計算出AGV 當前的全局坐標系中的坐標,以及行駛方向與X 軸的夾角,達到準確定位和定向。 <4>慣性導航 AGV 上裝有陀螺儀,小車在行駛時有個基準方位,用陀螺儀測量加速度,并將陀 螺儀的坐標值和加速度換算成AGV 當前的坐標和方向,將它們和規(guī)定的路線相比較。 當AGV 偏離規(guī)定路徑時,測得的加速度值和規(guī)定值就有一個矢量差,對這個差進行 二次積分就能得到偏差值,并作為糾正小車行駛方向的依據(jù)。 <5

31、>GPS<全球定位系統(tǒng)>導航 通過衛(wèi)星對非固定路面系統(tǒng)中的控制對象進行跟蹤和導航,目前此項技術還在發(fā) 展和完善,通常用于室外遠距離的跟蹤和導航,其精度取決于衛(wèi)星在空中的定點水平及控制對象周圍環(huán)境等因索。 1.4 本文研究容和主要工作 <1> 分析確定AGV 控制系統(tǒng)的整體研究方案。 <2> 硬件設計 根據(jù)確定的硬件方案選擇合適的主控芯片,以及各個功能模塊芯片和電子元件,最終確定可行的硬件方案；在工業(yè)控制中設備功耗是個不得不考慮的問題,本文 為降低設備的功耗,將原先的工控機換成ARM 嵌入式處理器控制,這樣基本上解決 了降低功耗的問題,從而使蓄電池提供足夠的電能給小車行駛；

32、了解芯片的外圍電 路,分析芯片間的接線方式和功能模塊間的連接方式,設計各個模塊的硬件原理圖； 第二章AGV 車體結構及運動學模型 2.1 AGV 的性能指標 ☆額定載重：100Kg ☆最大載重：120Kg ☆外型尺寸：800mm*600mm*300mm ☆行走精度：±10mm ☆停車精度：±5mm ☆行走速度：0-30m/min ☆最小轉彎半徑：800mm ☆爬坡能力：1/100 ☆導引方式：多頻電磁導引 ☆充電方式：外置充電器 ☆操作方式：按鈕,計算機遙控。

33、☆電源：24V 60AH 免維護工業(yè)電瓶 ☆安全裝置：故障報警,急停按鈕,障礙探測雷達<前后各一> ☆驅動方式：中置雙輪差速 2.2 AGV 的組成及總體結構 KH-20 型自動導引小車的結構示意圖如圖2. 1 所示。 圖2.1 AGV 結構示意圖 圖2.1 中各編號組成部件分別為：1.超聲波傳感器,2.萬向輪,3.驅動輪,4.電瓶,5.直流伺服電機,6.電機控制器,7.導引信號傳感器。 小車采用中間兩輪獨立驅動,前后四個小輪為萬向輪。這樣的結構與三輪結構相比有較大的負載能力和較好的平穩(wěn)性。下面對其主要

34、組成功能結構模塊〔如圖2.2 所示〕加以介紹 圖2.2 AGV 系統(tǒng)組成示意圖 <1>主控單元,即小車的車載計算機。本車采用ARM7 來實現(xiàn)。主要的任務是對車 體進行總體控制,是小車的"神經中樞",主要完成的功能為：接受主控計算機下達的命令、任務；向主控計算機報告小車自身狀態(tài)<包括小車目前所處的位置,運行的速度、方向、故障狀態(tài)等>；根據(jù)所接受的任務和運行路線自動運行到目的裝卸站,在此過程中,自動完成運行路線的選擇,運行速度的選擇。 <2>導引單元,也就是車體的引導方式。導引單元的功能在于保證小車沿正確路徑 行走,并保持一定精度要求。近幾十年來,隨著研究的深入,許多新的導引定位

35、方式被逐漸采用,使得AGV 的性能得到長足發(fā)展,主要表現(xiàn)在路徑設定更加靈活機動、 變更更加簡單易行,同時賦予機器人感知和回避障礙性能以及多輛小車協(xié)調工作等許多方面。AGV 的導引方式按有無導引路線可分為三種,一是固定路徑方式,包括電磁制導方式、光學控制帶制導方式、激光制導方式和超聲波制導方式；二是半固定路徑方式,包括標記跟蹤方式和磁力制導方式；三是無路徑方式,包括地面幫助制導方式、用地圖上的路線指令制導方式和在地圖上搜索最短路徑制導方式。本文采用有導引線路的電磁導引方式。 <3>驅動單元,根據(jù)主控信號完成小車的加速,減速,制動和轉彎。主要由車輪、 制動器、電機及速度控制器等部分組成。AG

36、V 驅動命令由計算機或人工控制器發(fā)出, 它激勵主動力接觸器線圈將電源接通驅動電機速度控制器。驅動的速度與方向是兩個獨立的變量,分別由計算機控制。為了安全,制動器的制動力由彈簧力產生,這樣在緊急斷電故障時仍能提供制動能力。采用電氣解脫松開是這類制動器通常的做法。速度調節(jié)可采用不同的方法,如用脈寬調速或變頻調速等。AGV 在直線行走、拐彎和接近停位點時要求不同的車速,直線行走速度可高達1.2 m/s,拐彎時為0. 2m/s-0. 6m/s,接近停位點時為0. 1 m/s 。 <4>通訊單元,實現(xiàn)控制臺與AGV 的信息交換。一般采用無線通訊方式。運行中 的AGV 通過無線通訊系統(tǒng)與AGV 交換

37、信息,實現(xiàn)AGV 之間的避撞調度,工作狀態(tài)檢測和任務的調度。 <5>安全與輔助單元,是為保護AGV 自身及現(xiàn)場人員,運行環(huán)境設施的安全而采 用的多級硬、軟件安全措施。為了避免AGV 在系統(tǒng)出故障或有人員經過AGV 工作路線時出現(xiàn)碰撞,一般都帶有障礙物探測及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。 <6>供電單元可隨時檢測AGV 小車自身的電池容量,當電池容量下降到一定值時, 就會向系統(tǒng)發(fā)出充電需求的信號,由系統(tǒng)向該臺AGV 發(fā)出充電命令<此命令有絕對的 優(yōu)先權>。當AGV 到達充電站后,系統(tǒng)通過I/O 接口控制地面充電設備,對其進行充 電。充滿后,充電需求信號消失,AGV 小車可繼續(xù)接受

38、其他任務__ 2.3 AGV 小車運動學模型 2.3.1 AGV 運動狀態(tài) 本文中的車體結構<見圖2.3>我們可以簡化成兩輪驅動車體模型,AGV 的運動狀 態(tài)和偏差示意圖如圖2.3 所示。 圖中虛線表示的車體為期望位姿,實線表示的車體是在和初始時刻相差為Δt時的位姿。由圖中可以看出,車體產生一個位置偏差Δλ 和一個角度偏差Δθ 。針對圖2.3我們可以建立它的運動學模型,則有： 圖2.3 AGV 運動狀態(tài)及偏差示意圖 式中：R 是兩驅動輪間的距離；r ν 是右驅動輪的線速度；l ν 為左驅動輪的線速度。 由式<2.1>可以看出,AGV行走的位置偏差Δλ 和方向偏差Δθ

39、與左右驅動輪的線速度有關。改變兩驅動輪的速度可以實現(xiàn)車體位姿的改變,即利用兩輪的速度差不斷糾偏使車體沿著導引路徑行走。 對小車的位姿做如下定義,圖2.4 所示為AGV 可能的位姿情況,圖中的虛線表示導引路徑。其中1 位姿為期望位姿,即無任何偏差。2、3、4、5、6、7、8、9 均為需要糾偏的位姿[1]。對各位姿偏差的正負定義如表2.1 所示。 兩驅動輪分別由兩個完全相同的直流伺服電機驅動,電機通過減速箱減速后輸出 到輪子,從而實現(xiàn)整個AGV 車體的驅動。減速箱的減速比為18:1,由電機的知識可 知,調節(jié)驅動電機的電樞電壓可以改變電機的轉速,進而改變驅動輪的轉速,左右輪的不同轉速就可

40、以實現(xiàn)車體位姿的變化。因此,我們可以通過調節(jié)左右電機電樞電壓的方法來達到糾偏的目的。電樞電壓與電機轉速的關系如下： 式中a U 為電樞電壓,單位V；a I 為電樞電流,單位A；a R 為電樞電流總電阻, 單位Ω ；φ 為單極磁通,單位WB；E K 為電機結構相關參數(shù)。假設負載不變,由上式,電機的驅動電壓與轉速成近似線性變化,可以簡化為： 式中：i = r / l分別代表左電機、右電機；Ui為驅動電壓；ni為電機轉速；K i,為標定常數(shù)。因為兩電機完全相同,所以 輪子的轉速n*： η 為減速比,η ＝18:1。 則驅動輪的線速度為： 式中,r 為驅動輪的半徑。

41、 AGV 在行間走大部分是屬于直線行走,在沒有外部擾動作用的情況下,即在沒有 位姿偏差的情況下,左右電機給定相等信號Uc。當外部擾動使車體偏離預定的路徑時,在給定信號上加減一個糾偏控制量Δu,即：　 式中：ur為右電機電壓；ul為左電機的電壓。 由式<2.1>-<2.6>聯(lián)立可得： 由式<2.7>可以看出位置偏差Δλ 和角度偏差Δθ 與糾偏控制量Δu 的關系,在已知 位置偏差和角度偏差后,可以求得糾偏控制量。 2.3.2 AGV 運動方式 AGV 根據(jù)不同的路徑或不同目標點要求,會有不同的運動情況,所對應的坐標變化也會不同的。設AGV運動時X軸方向

42、上的變化量為Δx,Y軸方向上的變化量為Δy, d 為AGV 運動軌跡半徑。具體運動主要分為下面幾種情況： 1. 當AGV 做圓周運動時： 2. 當AGV 做直線運動時： 其中v c為兩驅動輪軸中心點的速度,且 3. 當AGV 做自旋運動時： 同時,如果用vx,v y表示AGV 在X 和Y 方向的速度分量則有： 由vx,v y之間的三種關系決定了差速驅動AGV 的三種運動方式： ①當vr = vl時,c r l v = v = v ,d = +∞,AGV做直線運動； ②當vr≠vl時,AGV 做圓周運動； ③當vr = ? vl時,= 0 c v ,d

43、 = 0,AGV做自旋運動。 2.3.3 AGV 小車直流伺服機構與運動學模型 機器人采用的執(zhí)行器有很多種[24],常用的有電磁執(zhí)行器,如直流電機、無刷電機、同步電機、步進電機、感應電機以及直接驅動式轉矩電機。還有油壓執(zhí)行器,如油壓缸<直線運動>和油壓馬達；氣壓執(zhí)行器,如氣壓缸和氣壓馬達等。現(xiàn)在還出現(xiàn)了壓電執(zhí)行器、超聲波執(zhí)行器、形狀記性合金執(zhí)行器和靜電執(zhí)行器等新型執(zhí)行機構。 一般機器人用電機的基本性能要求：<1>啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行, 具有良好的響應特性；<2>正轉反轉時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定；<3>良好的抗干擾能力,對輸出來說,體積小、重量輕；<4>維修容易,不用保

44、養(yǎng)。根據(jù)AGV 的移動性能要求、自身重量、傳動機構特點等因素,選擇驅動電機類型為70SZ51 電磁式直流伺服電機。 傳動方式為履帶傳動方式,履帶傳動具有下列特點為：①履帶傳動為履帶與輪的嚙合傳動,可以得到準確的平均傳動比,并可用于較大的中心距間的傳動；②傳動效率較高；③不需緊力,作用在軸上的載荷較小；④容易實現(xiàn)多軸傳動；⑤瞬時傳動比不等于常數(shù),傳動平穩(wěn)性較差,有噪聲,在減速裝置中,必然有搖擺、間隙和振動存在。 2.3.3.1 電機參數(shù) 伺服系統(tǒng)帶動被控對象運動,常常很難用簡單的數(shù)學表達式來描述,為便于工程設計計算,需作合理的簡化。將被控對象運動負載作必要的典型分解,以轉動形式為例,常見的

45、典型負載有以下幾種： ①干摩擦力矩T | T | sign [N m] Ω 表示負載轉動的角速度 ②慣性轉矩TJ=Jε J 為負載轉動慣量,ε 為負載角加速度 ③粘性摩擦力矩Tb= bΩ b 為粘性摩擦系數(shù) ④重力力矩TG = Gl G 表示負載重量,l 為負載重心垂線到轉動中心的距離 ⑤彈性力矩TK= Kθm K 為扭轉彈性系數(shù),θm為負載轉動角度 ⑥風阻力矩T f= fΩ2 f 為風阻系數(shù) 本課題中電機帶動AGV 小車運動主要有Tc和TJ兩種負載特性 帶減速裝置的傳動形式稱之為多軸傳動。多數(shù)伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機與被控對象之間有減速傳動裝置,減速比i ,執(zhí)行電機的轉速

46、是負載轉速的i 倍,執(zhí)行電機軸的輸出力矩是負載轉矩的1/ iη ,η < 1是減速裝置的傳動效率。有經驗數(shù)據(jù)可供估算效率：每對齒輪付的傳動效率η = 0.94 ~ 0.96 ；每對錐齒輪付η = 0.92 ~ 0.96 ；齒輪齒條傳動η = 0.7 ~ 0.8；螺母絲杠傳動η = 0.5 ~ 0.6 本課題中AGV小車采用的是減速比為i = 18 :1的傳動方式。 電機參數(shù)如下： 轉矩：T 0.1764nom = ?； 轉速：n 3000 nom = ； 功率：P 55 nom = ； 電樞電壓：U 24 nom = ； 激磁電壓：24V；

47、 電樞電流：4A； 激磁電流<.不大于>：0.57 A； 允許順逆轉速差：200； 轉動慣量不大于：Jr=7.056× 10?5 2.3.3.2 相關參數(shù)推算 給出電機的輸出參數(shù)有額定轉矩Tnom、額定轉速nnom、額定功率Pnom,輸入?yún)?shù)有電樞額定電壓Unom、額定電流Inom,激磁電壓U f和激磁電流I f；電樞轉動慣量J r,其它參數(shù)需用以下關系式估算[25]。 轉矩常數(shù)K M= |K E |。 由關系式估算得： 電樞電阻：a R =1.28 Ω ,電樞電感：a L =7.64,電勢常數(shù)：= 0.06 E K ,轉矩

48、常數(shù)： K M = 0.06。取傳動效率為0.8,則總的傳動效率約為η = 0.5,電機自身的摩擦力矩： AGV 小車的總重約為G＝400N,這里經驗估計小車車輪與地面的摩擦系數(shù)取為0.1,隨著運行環(huán)境的不同會有所不同,假設小車運行在地面平整的地面環(huán)境,則小車行駛中車輪軸承受的摩擦力矩： 負載折算到電機軸上的轉矩：T / iη= 0.222 電機和負載折合到電動機軸上的粘性摩擦系數(shù)： 負載轉動慣量： 負載折算到電機軸上的轉動慣量： 電機軸上總的轉動慣量 式中J p為齒輪傳動裝置及輪子折到電機軸上的轉動慣量,初步估計為5J r。 2.3.3.3 AGV 運

49、動學模型 AGV 系統(tǒng)是一個復雜的、多耦合的、非線性系統(tǒng)。建立數(shù)學模型的途徑有很多, 如理論分析、物理系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)分析、類比分析等基本方法。單純采用一種方法很難獲得滿意的答案,所以常常綜合考慮使用。對一簡單的對象,可以通過對對象的物理過程分析計算推導出其數(shù)學模型；對于復雜的對象,用解析方法求取數(shù)學模型比較困難,常采用現(xiàn)場的輸入輸出參數(shù)通過系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計的來獲得對象的數(shù)學模型。 本課題模型的被控量是小車與預設軌跡的位置偏差,設置的采樣頻率為100Hz,系統(tǒng) 階次取2。 辨識得到的數(shù)學模型,系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為： 轉化為連續(xù)域傳遞函數(shù)為： 考慮AGV 動力學系統(tǒng)主要由直流

50、伺服電機、轉動裝置及輪子構成,PWM 驅動主要是延時影響,忽略兩個獨立的電氣驅動和變速機構差異,對AGV 系統(tǒng)進行了物理性分析,經實驗驗證得到系統(tǒng)的數(shù)學模型。 對于分析AGV 移動過程中的轉彎及姿態(tài)控制等,先前的數(shù)學模型不能滿足需要,要將兩個獨立的驅動機構分別處理,從而提高AGV 的靈活性,下面我們對直流伺服電機的數(shù)學模型進行推導。 2.4 直流伺服電機的仿真模型[2] 在2.2 中對電機的相關參數(shù)己經進行了推導,假定功率轉換裝置和電線的阻抗都 包括在電樞電路電阻a R 和電樞電感a L 中,外部轉動慣量ext J

51、 為機械傳動元件上的所有可能部分的總轉動慣量并折算到電動機軸上的值。下面推導直流伺服電動機傳動函數(shù)和結構圖。 電動機的角速度為： 　　折算到電動機軸上的總轉動慣量為： 電壓平衡方程式： 式中反電動勢 電機軸上的轉矩平衡方程式： 電動機電磁轉矩： 圖2.5 和2.6 是安裝在AGV 上的直流伺服電機仿真模型及給定輸入電壓為12V 的階躍響應曲線。 仿真中當電樞電壓給定低于4.74V 時,出現(xiàn)負轉,這意味著此時的電機提供的電磁轉矩不足以克服負載及摩擦轉矩,模型不再適用,電機實際運行中不會轉動,處于阻轉狀,同樣反轉時情況也類似,所以在仿真中加入了非線性死區(qū)環(huán)節(jié)

52、,在轉速調節(jié)中應該考慮這種死區(qū)情況。 限壓保護及死區(qū)問題考慮：電機供電電源為兩個12V 蓄電池,電樞的額定電壓恰為24V, PWM 無升壓作用,所以電路上能保證安全。直流伺服電機一般采用全壓起動,電樞回路中無須另串電阻起動,串附加電感可改善電流脈動量和降低起動時電流。為保證安全性,可在控制器設計中加電壓飽和環(huán)節(jié)對起動時的電壓作了限定,也可在電路設計中加電流檢測環(huán)節(jié),在電路上或通過控制器中斷保證電流不超過允許圍,本課題對此并未做過多考慮。當控制器輸出得到的電樞電壓a U 不在－24～24V 之間,以極限值處理。 圖2.5 直流伺服電機帶負載小車仿真模型 圖2.6 直流伺服電機給定電

53、壓下的仿真〔單位r/s〕 第三章AGV 控制系統(tǒng)硬件設計 AGV 系統(tǒng)是一套復雜的控制系統(tǒng)。AGV 的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、 圖像處理為一體,涉及計算機、自動控制、信息通訊、機械設計和電子技術等多個學科,是一個典型的機電一體化多技術多學科的集成系統(tǒng)。 本文設計的AGV 模型的主要硬件包括：ARM7 處理器及其外圍電路、電機驅動電路以及傳感檢測電路等。在本文設計中的各個功能模塊,均采用嵌入式方案進行設計與實現(xiàn)。對于一個嵌入式應用系統(tǒng),硬件設計是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的基礎,同時它也關系到整個系統(tǒng)的性能。本章首先介紹芯片選型的相關原則,再詳細的介紹嵌入式處理器選型及設計、存儲器

54、擴展,最后介紹嵌入式系統(tǒng)外圍電路及接口設計。 3.1 硬件選擇原則 在嵌入式產品設計中,硬件選型的合理性、可行性以及可靠性將直接影響著產品的開發(fā)周期,同時也決定了產品的性能,還可能會影響到產品成形后的生產,因而硬件選型是嵌入式產品設計的一個重要環(huán)節(jié)。在硬件選型時應該綜合考慮產品的應用領域、成本問題、開發(fā)的難易程度問題、元件購買途徑問題、用戶需求問題等等；而硬件選型主要是主控芯片的選型,選擇一種功能強大但又小浪費資源的主控芯片是十分重要的。以下將以主控芯片選型為例從技術角度來闡述一下對硬件選型時所需要綜合考慮的幾個因素： <1>是否有合理的RAM 和Flash 大??； <2>是否

55、有足夠的I/O 引腳數(shù)目； <3>部是否包含所需的功能模塊； <4>芯片的封裝形式是否適合設計的需要； <5>與芯片相關的寫入器,編譯器和集成開發(fā)環(huán)境是否具有可開發(fā)性,或者是否能從第三方得到； <6>是否能夠購買到,或者能夠申請到樣片； <7>語言體系與熟悉程度。 目前市場上單片機的生產廠家有近百家,芯片種類更是多達上千種,價格也從幾塊到幾百塊不等,因此可供選擇的余地非常大；但是在嵌入式設計過程中,很多廠家的芯片都是可以互相替代的,而且從用戶角度考慮,它們只關心產品是否滿足他們的要求,而并不關心選用哪款具體的芯片,因此在開發(fā)過程中應該盡量選擇自己熟悉的單片機進行開發(fā),這樣會縮短開發(fā)

56、周期 3.2 硬件系統(tǒng)整體結構 AGV 自動導引小車嵌入式硬件系統(tǒng)整體結構如圖3.1 所示。 課題選用性能價格比高的32 位ARM 微處理器組成高效、實時處理、功能全面、操作簡單的試驗機控制系統(tǒng)。該微處理器具有通用性強、提供的硬件資源豐富、有較好的中斷處理功能、便于系統(tǒng)擴展、通信接口種類多、指令系統(tǒng)簡單實用等特點。系統(tǒng)主控制器的硬件平臺采用模塊化的設計思想,各個模塊各自獨立、自成體系。模塊化設計,不僅增強了各個部分的可重用性,而且給后期的調試工作帶來了很多方便。 AGV 車載控制器,在硬件上一般用PLC 控制器、工控機或單片機實現(xiàn),由于考慮到功耗、價位等問題,選用了ARM 嵌入式微處理

57、器。它是小車行駛和進行作業(yè)的直接控制中樞,主要完成的功能為：接受主控計算機下達的命令、任務；向主控計算機報告小車自身狀態(tài),<包括小車目前所處的位置,運行的速度、方向、故障狀態(tài)等> ；根據(jù)所接受的任務和運行路線自動運行到目的裝卸站,在此過程中,自動完成運行路線的選擇,運行速度的選擇,自動裝卸貨物,運行方向上小車之間的避讓,安全報警等。采用ARM 作為控制核心,整個控制電路功耗不超過10W,遠低于工控機200W的功耗,使AGV 小車在同樣的電池情況下多行駛近一倍的距離。硬件各部分結構簡要功能如下： 圖3.1 AGV 嵌入式硬件系統(tǒng)整體結構框圖 ARM7 嵌入式處理器：是整個控制系統(tǒng)的核心部件,

58、機器人的運動控制、運行軌跡的規(guī)劃、各種傳感器信息的處理均由ARM7 處理器完成。本設計中ARM7 處理器選用的菲利普公司的LPC2210。 存儲器：在ARM7 處理器的外圍擴展,擴展了RAM 和ROM 存儲器,用 于程序運行時的數(shù)據(jù)存儲和程序代碼的存儲。 LCD 顯示模塊：用于顯示系統(tǒng)運行過程中AGV 的一些狀態(tài),如移動速度、當前的方位、執(zhí)行機構的狀態(tài)等等。 RS-232 和以太網接口：RS-232 接口用于機器人控制系統(tǒng)同PC 機之間的通信。以太網接口可實現(xiàn)Internet 數(shù)據(jù)通信。 I/O 模塊：擴展處理器的輸入輸出口線,包括A/D 輸入線、外部中斷輸入及輸出控制

59、線。 直流伺服電機控制模塊：主要實現(xiàn)對左右驅動輪電機的伺服控制,在AGV 控制 中,驅動電機的控制是一個很重要的方面。 傳感器模塊：黑色引導線監(jiān)測模塊是機器人可以根據(jù)傳感器信息進行路徑引導規(guī) 劃。 下面從處理器選型入手,具體對各部分電路進行闡述。 3.3 嵌入式處理器選型 主流的嵌入式系統(tǒng)處理器有： 1．MCU<微控制器>,經典的MCS51 系列：Motorola 的69HC11,Atme1 的89C51 系列,Philips 的51 系列等,均為8 位微處理器,一般有豐富的外圍資源用于控制系統(tǒng),如AD、DA、PWM、DART、I2C 總線等；16 位MCU 主要有M

60、icrochip 的PIC系列,Intel 的MCS96 系列,TI 的MSP430 系列以及凌陽的uNSP61 系列等,8 位、16位單片機在微控系統(tǒng)等應用廣泛。 2．FPGA 和CPLD,主要通過VHDL 和Verilog 硬件描述語言開發(fā)。主要用于時序電路,存儲電路等數(shù)字電路,控制功能弱,一般與微處理器一起使用。 3．DSP<數(shù)字信號處理器>,主要有TI 的TMS320C2000/5000/6000 系列,AD 的 ADSP21 系列和Motorola 的DSP56xxx 系列等。DSP 主要用于信號處理的算法實現(xiàn)。 4．32 位處理器,主要有ARM <分ARM7, ARM9,

61、ARM10 和Secure Core 等幾個系列>,Cold Fire, PowerPC, x86 以及MPC8xx 等。 比較各處理器性能,以ARM為代表的RISC 的處理器要優(yōu)于以X86 為代表的CISC處理器。RISC<精簡指令集處理器>的中心思想是簡化硬件設計,硬件只執(zhí)行很有限的,最常用的那部分指令,大部分復雜的操作則使用成熟的編譯技術,由簡單指令合成,RISC 使得相對少的晶體管可設計出極快的處理器。 ARM ,既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一種技術的名字。采用RISC 架構的ARM 微處

62、理器一般具有如下特點[6]： <1>體積小、低功耗、低成本、高性能； <2>支持Thumb <16 位>/ARM <32 位>雙指令集； <3>大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快； <4>大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； <5>尋址方式靈活簡單,執(zhí)行效率高； <6>指令長度固定； ARM7TDMI 是ARM7 處理器系列成員之一,是目前應用最廣的32 位高性能嵌入式RISC 處理器。ARM7TDMI 為低功耗、高性能的16/32 核,最適合用于對價格及功耗敏感的應用場合。TDMI 的基本含義為： T 代表支持16 位壓縮指令集Thumb； D 代表支持片上Debug； M 代

63、表嵌硬件乘法器 I 代表嵌入式ICE,支持片上斷點和調試點。 3.4 存儲器擴展 LPC2210 只有16KB 的片RAM,沒有片F(xiàn)lash 存儲器,可是其具有外部存儲器接口,通過外部存儲器控制器可以擴展4 個Bank 的存儲器組,每個存儲器的空間大小為16MB。LPC2210 的EMC 負荷ARM 公司的PL090 標準,總線寬度可以是8 位,16 位和32 位,通常用16 位總線寬度的具有較高的性價比[7][8][9]。 圖3.3 存儲器接口電路圖 　為了方便程

64、序的調試和最終代碼的固化應用,外圍擴展512KB SRAM<采用芯片IS61LV25616AL>和2MB 的FLASH<采用芯片SST39VF160>,使用了Bank0 和Bank1的地址空間,可以通過JP6 跳線將CS0 和CS1 分別分配給SRAM 或FLASH。在程序調試的時候,分配SRAM 為Bank0 地址,因為Bank0 可以進行中斷向量重新映射操作。當最終代碼固化到FLASH 時,分配FLASH 位Bank0 地址,SRAM 為Bank1 地址,因為Bank0 可以用來引導程序運行。存儲器接口電路圖如圖3.3 所示。 3.5 接口電路設計 3.5.1 JTAG 調試接口

65、 JTAG 是IEEE 的標準規(guī),ARM7TDMI 部提供了3 個JTAG 型的掃描鏈,可以進行調試和配置嵌入式的ICE-RT 邏輯。 JTAG 仿真器也稱為JTAG 調試器,是通過ARM 芯片上的JTAG 邊界掃描口進行調試的設備。JTAG 仿真器比較便宜,連接比較方便。它可以通過現(xiàn)有的JTAG 邊界掃描與ARM CPU 核進行通信,屬于完全非插入式<不占用片上資源>調試。它無需目標存儲器,不占用目標系統(tǒng)的任何端口,而且是普通的駐留監(jiān)測軟件所必須的。另外,JTAG 調試的目標程序是在目標板上執(zhí)行,仿真更接近于目標硬件,因此,仿真結果與真實的

66、運行環(huán)境更為接近,所以逐漸成為目前采用最多的一種調試方式。其接口連 接如圖3.4 所示。 圖3.4 JTAG 調試接口連接圖 3.5.2 UART 接口 UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)接口,用于控制計算機與串行設備進行異步通信的芯片。該總線雙向通信,可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。它提供了RS - 232 數(shù)據(jù)終端設備接口,在嵌入式設計中,UART 用來與PC 進行通信如圖3.5 所示,包括與調制解調器和其它器件,如EEPROM 通信。LPC2210 的UART 單元提供兩個獨立的異步申行UO口,接口電路較簡單,只要注意使用芯片如MAX3232 芯片將3.3V

67、的電平轉換成與普通串口兼容的信號就可以了。它可以運行于中斷模式或DMA 模式,最高可支持115200bps 的傳輸速率,每個通道包含兩個用于接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的16 位FIFO 隊列。支持可編程波特率,紅外收發(fā)。1-2 位停止位,5、6、7 或8 位的數(shù)據(jù)寬度及奇偶校驗位,每個UART 包含一個波特率發(fā)生器數(shù)據(jù)發(fā)生器數(shù)據(jù)接收器及控制單元；部數(shù)據(jù)到達發(fā)送單元后,進人FIFO 隊列,然后通過發(fā)送移相器通過發(fā)送引腳發(fā)送出去,接收的過程則相反。 圖3.5 UART 與PC 機串口接口示意圖 3.6 外圍硬件電路設計 AGV 的硬件部分主要由主控單元,導引單元,驅動單元,通訊單元,安全與輔助單元和供電單元等組成。在這一節(jié)