自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、自動(dòng)導(dǎo)引小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要：自動(dòng)導(dǎo)引小車控制系統(tǒng)是AGV 的運(yùn)動(dòng)控制部件,對(duì)AGV 的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要的作用。隨著新的控制算法的應(yīng)用和電子技術(shù)的發(fā)展,AGV 正朝著高速、高精度,開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。AGV 要實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和軌跡跟蹤,必須依賴先進(jìn)的控制策略和優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。論文中研究了自動(dòng)導(dǎo)引小車控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案,系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的了基于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,電機(jī)的速度控制采用了先進(jìn)的模糊PID 控制技術(shù)。

2、首先,介紹了自動(dòng)導(dǎo)引小車的硬件構(gòu)成,著重講述了控制電路的設(shè)計(jì)方法,接口 電路的設(shè)計(jì)；推導(dǎo)了直流電機(jī)的仿真模型和AGV 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,完成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 以及導(dǎo)引信號(hào)控制器的設(shè)計(jì)；根據(jù)AGV的功能要求設(shè)計(jì)了應(yīng)用于AGV的傳感器系統(tǒng),包括超聲傳感器、電磁導(dǎo)引傳感器的設(shè)計(jì)。 其次,介紹了AGV 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性好,即系統(tǒng)有能預(yù)見性的反應(yīng)速度；能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)處理能力。 再次,介紹了模糊PID 控制器

3、的設(shè)計(jì)及其在ARM 上的實(shí)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(xué)模型,提出模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)方案；應(yīng)用MATLAB 的SIMULINK 模塊實(shí)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(shè)計(jì)方法,將模糊控制器程序?qū)崿F(xiàn)并移植到ARM 控制器上；并且設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)節(jié)器使AGV 具有準(zhǔn)確的跟蹤路徑能力,從而提高了行使精度。 關(guān)鍵詞：AGV,自動(dòng)導(dǎo)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(dòng)導(dǎo)引小車概述………………………………………… 1.3 自動(dòng)導(dǎo)引小車國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)……………………… 1.3.1國(guó)外AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)…………………………………… 1.3.2國(guó)AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)…………………………………… 1.3.3國(guó)外AGV 導(dǎo)航控制技術(shù)………………………………………… 1.4 本文研究容和主要工作……………………………………… 第二章AGV 車體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型……………………………

13、2.1 AGV 的性能指標(biāo)………………………………………………… 2.2 AGV 的組成及總體結(jié)構(gòu)……………………………………… 2.3 AGV 小車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型………………………………………… 2.3.1 AGV 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)……………………………………… 2.3.2 AGV 運(yùn)動(dòng)方式…………………………………… 2.3.3 AGV 小車直流伺服機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型……………………………… 2.3.3.1 電機(jī)參數(shù)…………………………………………… 2.3.3.2 相關(guān)參數(shù)推算…………………………………… 2.3.3.3 AGV 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型………………………………… 2.4 直流伺服

14、電機(jī)的仿真模型[2]……………………………… 第三章AGV 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………………………… 3.1 硬件選擇原則……………………………………………… 3.2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)…………………………………… 3.3 嵌入式處理器選型…………………………………… 3.4 存儲(chǔ)器擴(kuò)展…………………………………… 3.5 接口電路設(shè)計(jì)………………………………… 3.6 外圍硬件電路設(shè)計(jì)……………………………… 3.6.1信號(hào)源………………………………… 3.6.2傳感檢測(cè)電路………………………………… 3.6.3電磁導(dǎo)引傳感器………………………………… 3.6.4超聲波

15、傳感器………………………………… 第四章總結(jié)與展望………………………………… 第一章緒論 1.1 引言 AGV 即自動(dòng)導(dǎo)引小車,它是一種以電池為動(dòng)力,裝有 非接觸導(dǎo)向裝置和獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)化搬運(yùn)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(hù)以及各種移載功能,并能在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下,按指令自主駕駛,自動(dòng)沿著規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛,到達(dá)指定地點(diǎn),完成一系列作業(yè)任務(wù)。其系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成為柔性生產(chǎn)線、柔性裝配線、倉(cāng)儲(chǔ)物流自動(dòng)化系統(tǒng)的重要設(shè)備和技術(shù)[1]。 隨著各種AGV 新產(chǎn)品的不斷開發(fā),如自動(dòng)牽引車

16、>,自動(dòng)導(dǎo)引叉車, 無導(dǎo)引線的激光導(dǎo)引車等,AGV 技術(shù)不斷發(fā)展,促成了先進(jìn)的柔性生產(chǎn)線,自動(dòng)化物流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),從而極提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率[2]。 由于現(xiàn)代化生產(chǎn)觀念日益受到重視,對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行、物流系統(tǒng)的柔性要求越來越 高。在產(chǎn)品換型、多種產(chǎn)品混合生產(chǎn)線運(yùn)行、調(diào)整產(chǎn)量、重新組合生產(chǎn)線等方面,AGV必將得到迅速發(fā)展和普及應(yīng)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(dú)具的優(yōu)越性決定的[2-3]。資料顯示：在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)過程中,僅僅有5％的時(shí)間是用于加工和制造,剩余的95％都用于儲(chǔ)存、裝卸、等待加工和輸送；在美國(guó),直接勞動(dòng)成本所占比例不足生

17、產(chǎn)成本的10％,且這一比例還在不斷下降,而儲(chǔ)存、運(yùn)輸所占的費(fèi)用卻占生產(chǎn)成本的40％。因此,日前世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)普遍把改造物流結(jié)構(gòu)、降低物流成本作為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中取勝的重要措施,為適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要,物流正在向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展。自動(dòng)導(dǎo)引小車AGV適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化,在各國(guó)的許多行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。 自動(dòng)導(dǎo)引小車是一種智能化的自運(yùn)行機(jī)器人。它具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可 靠、能實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)輸、使用靈活、無公害等許多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛地運(yùn)用在汽車制造、 新聞?dòng)∷ⅰ㈦娮庸I(yè)、家用電器、機(jī)械加工、煙草業(yè)、食品業(yè)、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、辦工自動(dòng)化等許多領(lǐng)域。AGV 是

18、針對(duì)具體應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的特定用途機(jī)器人,不同應(yīng)用環(huán)境下的AGV,其體系結(jié)構(gòu)、功能都有所不同。 以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟件、硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、 可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)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(wù)是控制AGV 導(dǎo)向、啟動(dòng)、停車、運(yùn)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(yùn) 設(shè)備和機(jī)器人等接口。 在控制功能比較單一,邏輯結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的前提下,控制軟件的設(shè)計(jì)相對(duì)容易。 而當(dāng)控制系統(tǒng)的功能日漸復(fù)雜,從新設(shè)計(jì)一個(gè)新的控制軟件系統(tǒng)的費(fèi)用和工作量就成倍地增長(zhǎng)。因此,嵌入式操作系統(tǒng)的

19、概念就相應(yīng)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(gè)底層硬件系統(tǒng)和上層應(yīng)用軟件層之間的一個(gè)中間層。它負(fù)責(zé)屏蔽不同硬件系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)之間的不同,使它們彼此透明。這樣,在設(shè)計(jì)新的嵌入式控制系統(tǒng)時(shí),只需在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上更新相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件就可以快速地組建出一個(gè)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(gè)嵌入式控制系統(tǒng)的構(gòu)建平臺(tái),使得應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)可以拋開具體的硬件和資源管理的細(xì)節(jié),而專注于自身具體應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn),這就大大減輕了應(yīng)用軟件的開發(fā)難度。 1.

20、2 AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車概述 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) 定的導(dǎo)引路徑行駛,具有小車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[5]。AGV 是以電池為動(dòng)力、裝有非接觸導(dǎo)向裝置,獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。 應(yīng)用AGV 具有很多特點(diǎn)： <1> AGV 可十分方便地與其它物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接,如AS/RS<通過出/入庫(kù)臺(tái)>、 各種緩沖站、自動(dòng)積放鏈、升降機(jī)和機(jī)器人等；實(shí)現(xiàn)在工作站之間對(duì)物料進(jìn)行跟蹤； 對(duì)輸送進(jìn)行確認(rèn)；按計(jì)劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄；與生產(chǎn)線和庫(kù)存管理系統(tǒng)進(jìn)行在線連接以向工廠管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)信息。 <2

21、> 采用AGV 使人工檢取與堆置物料的勞動(dòng)力減少,使操作人員無需為跟蹤物料 而進(jìn)行大量的報(bào)表工作,因而顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外,非直接勞動(dòng)力如物料倉(cāng)庫(kù)會(huì)計(jì)員、發(fā)料員以及運(yùn)貨車調(diào)度員的工作的減少甚至完全取消又進(jìn)一步減低了成本。 <3> AGV 運(yùn)輸物料時(shí),很少有產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的損壞,這是因?yàn)锳GV 按固定路徑 行駛,不易與加工設(shè)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(jīng)濟(jì)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(gòu)成障礙的地面導(dǎo)引物,其通道必 要時(shí)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(tái)

22、小車組成,當(dāng)一臺(tái)小車需要維修 時(shí),其它小車的生產(chǎn)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(hù)環(huán)境。AGV 的充電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能少,能量利用率高,噪音極低對(duì)制造和倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境沒有不良影響。 縱觀國(guó)外AGV 的應(yīng)用實(shí)例,AGV 大體上用于以下三個(gè)方面： <1>物料搬運(yùn) 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)AGV 常用于工位間或自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)與工位間的物料搬運(yùn)作業(yè)。例如在組 裝線上,AGV 從自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)取出機(jī)器零件并送到相應(yīng)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(yīng)自動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工,加工

23、好的零件由AGV 送到質(zhì)檢站測(cè),最后合格品送到半成品庫(kù)。 <2>移動(dòng)工作臺(tái) 在組裝或柔性加工系統(tǒng)中AGV 常作為移動(dòng)工作臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)、安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、離合器、安裝轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、安裝汽車外殼、安裝風(fēng)檔玻璃和座椅到整車配電等一系列組裝過程都是在一臺(tái)AGV 上進(jìn)行的。又如在歐美一些柴油機(jī)廠中,柴油機(jī)一系列的組裝過程也都是在一臺(tái)AGV 上完成的。 <3>與機(jī)器人或機(jī)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(jī)器人或機(jī)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(jìn)行遙控作業(yè)。 1.3 自動(dòng)導(dǎo)引小車國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)而產(chǎn)生并發(fā)展起來的,日本人認(rèn)為1981 年是柔性加工系統(tǒng)元年。這樣計(jì)算AGV大規(guī)模應(yīng)用的歷史也只有15 至20 年。但是,其發(fā)展速度是非常快的。例如:美國(guó)通用公司1981 年開始使用AGV,1985 年AGV 保有量500 臺(tái),1987 年AGV 保有量3000臺(tái)。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(yīng)用。 1.3.1國(guó)外AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 􀂊1913 年美國(guó)福特汽車公司開始使用有軌道的導(dǎo)引車輛; 􀂊1954 年英國(guó)首先研制出電磁導(dǎo)引AGV； 􀂊五十年代末AGV 已在歐洲推廣應(yīng)用； 􀂊六十年代將計(jì)算機(jī)技術(shù)用于AGV 系統(tǒng)控制與管理； 􀂊七十年代AGV 應(yīng)用圍擴(kuò)大,車型多樣化,導(dǎo)引方式五花八門； 􀂊八十年代AGV 隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展。成本降低,性能先進(jìn),普及迅速, 己形成新的產(chǎn)業(yè)；

26、 􀂊九十年代AGV 進(jìn)入高智能化,數(shù)字化,網(wǎng)絡(luò)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(shù)、高適應(yīng)性的自 動(dòng)導(dǎo)航機(jī)器人控制技術(shù)、真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志,開展了移動(dòng)機(jī)器人更高 層次的研究[4]。其中的代表有：1997 年美國(guó)發(fā)射到火星表而的索杰納； 􀂊2004 年成功登陸火星的"勇氣號(hào)"和"機(jī)遇號(hào)"火星探測(cè)器；

27、048714;到目前為止,全世界已擁有AGV 系統(tǒng)10000 多個(gè),約100000 輛AGV 小車。 1.3.2國(guó)AGV 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 􀂊六十年代開始研究； 􀂊七十年代起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制的ZDB－1 型自動(dòng)搬運(yùn)車是最早的實(shí) 用 型AGV； 􀂊八十年代郵電部設(shè)計(jì)研究院等單位先后開始對(duì)AGV 進(jìn)行研究與實(shí)踐； 􀂊九十年代自動(dòng)化所為金杯汽車公司總裝線上設(shè)計(jì)的九臺(tái)AGV 自動(dòng) 裝配系統(tǒng),是國(guó)較先進(jìn)的實(shí)用型AGV； 􀂊九十年代中期,昆船公司在引進(jìn)國(guó)外最先AGV 進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,先

28、后承擔(dān)了 數(shù)十個(gè)AGV 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝,其水平代表了目前國(guó)的最高水平。 􀂊九十年代以來,清華大學(xué)研制的智能車THMR-V,采用分層遞階的體系結(jié)構(gòu), 基于以太網(wǎng)通信,集成有CCD 攝像機(jī)、激光雷達(dá)、磁羅盤一光碼盤、GPS 等多種傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤,以及復(fù)雜環(huán)境下的道路避障、道路停障,最高車速達(dá)到150km/h； 􀂊最近幾年工業(yè)大學(xué)研制的輪式智能服務(wù)機(jī)器人能無纜行走、自動(dòng)避障、 識(shí)別語(yǔ)音并能與人對(duì)話、用于服務(wù)場(chǎng)合的導(dǎo)游導(dǎo)購(gòu)等。 1.3.3國(guó)外AGV 導(dǎo)航控制技術(shù) 導(dǎo)引控制技術(shù)是AGV 的核心技術(shù),采用不同的導(dǎo)引方式就

29、形成了各種形式的AGV[5]。 <1>電磁導(dǎo)引 在AGV 要行駛的路線地而之下,預(yù)先理設(shè)好導(dǎo)引線。當(dāng)給導(dǎo)引線通以一定頻率 的交流電流后,在導(dǎo)引線周圍產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。AGV 上的探測(cè)線圈就能夠檢測(cè)此電磁 場(chǎng)并使AGV 沿著導(dǎo)引線方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)探測(cè)線圈偏離導(dǎo)引線時(shí),兩個(gè)線圈中的感應(yīng)電 壓就有差異,車載控制系統(tǒng)就能根據(jù)電壓差驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī),使 AGV 回到正確的路徑 上。 <2>磁條導(dǎo)引 這種方式和電磁導(dǎo)引比較類似,只是把導(dǎo)引線換成磁條,在兩個(gè)探測(cè)線圈之外多 加了個(gè)激勵(lì)線圈。因?yàn)榇艞l的磁場(chǎng)是不變的,探測(cè)線圈中不能自動(dòng)感應(yīng)出電壓。 <3>激光導(dǎo)引 在AGV 行駛路徑周圍預(yù)先垂直設(shè)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(dāng)掃描到反光板時(shí),掃描器就能感知。只要掃描到三個(gè)以上的反光板,就可以根據(jù)反光板的坐標(biāo)值以及各反光板的法線和縱向軸的夾角,由控制器計(jì)算出AGV 當(dāng)前的全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo),以及行駛方向與X 軸的夾角,達(dá)到準(zhǔn)確定位和定向。 <4>慣性導(dǎo)航 AGV 上裝有陀螺儀,小車在行駛時(shí)有個(gè)基準(zhǔn)方位,用陀螺儀測(cè)量加速度,并將陀 螺儀的坐標(biāo)值和加速度換算成AGV 當(dāng)前的坐標(biāo)和方向,將它們和規(guī)定的路線相比較。 當(dāng)AGV 偏離規(guī)定路徑時(shí),測(cè)得的加速度值和規(guī)定值就有一個(gè)矢量差,對(duì)這個(gè)差進(jìn)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(dǎo)航 通過衛(wèi)星對(duì)非固定路面系統(tǒng)中的控制對(duì)象進(jìn)行跟蹤和導(dǎo)航,目前此項(xiàng)技術(shù)還在發(fā) 展和完善,通常用于室外遠(yuǎn)距離的跟蹤和導(dǎo)航,其精度取決于衛(wèi)星在空中的定點(diǎn)水平及控制對(duì)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(shè)計(jì) 根據(jù)確定的硬件方案選擇合適的主控芯片,以及各個(gè)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(shè)備功耗是個(gè)不得不考慮的問題,本文 為降低設(shè)備的功耗,將原先的工控機(jī)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(shè)計(jì)各個(gè)模塊的硬件原理圖； 第二章AGV 車體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 2.1 AGV 的性能指標(biāo) ☆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(zhuǎn)彎半徑：800mm ☆爬坡能力：1/100 ☆導(dǎo)引方式：多頻電磁導(dǎo)引 ☆充電方式：外置充電器 ☆操作方式：按鈕,計(jì)算機(jī)遙控。

33、☆電源：24V 60AH 免維護(hù)工業(yè)電瓶 ☆安全裝置：故障報(bào)警,急停按鈕,障礙探測(cè)雷達(dá)<前后各一> ☆驅(qū)動(dòng)方式：中置雙輪差速 2.2 AGV 的組成及總體結(jié)構(gòu) KH-20 型自動(dòng)導(dǎo)引小車的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2. 1 所示。 圖2.1 AGV 結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.1 中各編號(hào)組成部件分別為：1.超聲波傳感器,2.萬(wàn)向輪,3.驅(qū)動(dòng)輪,4.電瓶,5.直流伺服電機(jī),6.電機(jī)控制器,7.導(dǎo)引信號(hào)傳感器。 小車采用中間兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),前后四個(gè)小輪為萬(wàn)向輪。這樣的結(jié)構(gòu)與三輪結(jié)構(gòu)相比有較大的負(fù)載能力和較好的平穩(wěn)性。下面對(duì)其主要

34、組成功能結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)。本車采用ARM7 來實(shí)現(xiàn)。主要的任務(wù)是對(duì)車 體進(jìn)行總體控制,是小車的"神經(jīng)中樞",主要完成的功能為：接受主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的命令、任務(wù)；向主控計(jì)算機(jī)報(bào)告小車自身狀態(tài)<包括小車目前所處的位置,運(yùn)行的速度、方向、故障狀態(tài)等>；根據(jù)所接受的任務(wù)和運(yùn)行路線自動(dòng)運(yùn)行到目的裝卸站,在此過程中,自動(dòng)完成運(yùn)行路線的選擇,運(yùn)行速度的選擇。 <2>導(dǎo)引單元,也就是車體的引導(dǎo)方式。導(dǎo)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(dǎo)引定位

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

36、V 驅(qū)動(dòng)命令由計(jì)算機(jī)或人工控制器發(fā)出, 它激勵(lì)主動(dòng)力接觸器線圈將電源接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度控制器。驅(qū)動(dòng)的速度與方向是兩個(gè)獨(dú)立的變量,分別由計(jì)算機(jī)控制。為了安全,制動(dòng)器的制動(dòng)力由彈簧力產(chǎn)生,這樣在緊急斷電故障時(shí)仍能提供制動(dòng)能力。采用電氣解脫松開是這類制動(dòng)器通常的做法。速度調(diào)節(jié)可采用不同的方法,如用脈寬調(diào)速或變頻調(diào)速等。AGV 在直線行走、拐彎和接近停位點(diǎn)時(shí)要求不同的車速,直線行走速度可高達(dá)1.2 m/s,拐彎時(shí)為0. 2m/s-0. 6m/s,接近停位點(diǎn)時(shí)為0. 1 m/s 。 <4>通訊單元,實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)與AGV 的信息交換。一般采用無線通訊方式。運(yùn)行中 的AGV 通過無線通訊系統(tǒng)與AGV 交換

37、信息,實(shí)現(xiàn)AGV 之間的避撞調(diào)度,工作狀態(tài)檢測(cè)和任務(wù)的調(diào)度。 <5>安全與輔助單元,是為保護(hù)AGV 自身及現(xiàn)場(chǎng)人員,運(yùn)行環(huán)境設(shè)施的安全而采 用的多級(jí)硬、軟件安全措施。為了避免AGV 在系統(tǒng)出故障或有人員經(jīng)過AGV 工作路線時(shí)出現(xiàn)碰撞,一般都帶有障礙物探測(cè)及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。 <6>供電單元可隨時(shí)檢測(cè)AGV 小車自身的電池容量,當(dāng)電池容量下降到一定值時(shí), 就會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出充電需求的信號(hào),由系統(tǒng)向該臺(tái)AGV 發(fā)出充電命令<此命令有絕對(duì)的 優(yōu)先權(quán)>。當(dāng)AGV 到達(dá)充電站后,系統(tǒng)通過I/O 接口控制地面充電設(shè)備,對(duì)其進(jìn)行充 電。充滿后,充電需求信號(hào)消失,AGV 小車可繼續(xù)接受

38、其他任務(wù)__ 2.3 AGV 小車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 2.3.1 AGV 運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 本文中的車體結(jié)構(gòu)<見圖2.3>我們可以簡(jiǎn)化成兩輪驅(qū)動(dòng)車體模型,AGV 的運(yùn)動(dòng)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(shí)線表示的車體是在和初始時(shí)刻相差為Δt時(shí)的位姿。由圖中可以看出,車體產(chǎn)生一個(gè)位置偏差Δλ 和一個(gè)角度偏差Δθ 。針對(duì)圖2.3我們可以建立它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,則有： 圖2.3 AGV 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及偏差示意圖 式中：R 是兩驅(qū)動(dòng)輪間的距離；r ν 是右驅(qū)動(dòng)輪的線速度；l ν 為左驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)輪的線速度有關(guān)。改變兩驅(qū)動(dòng)輪的速度可以實(shí)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(dǎo)引路徑行走。 對(duì)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(dǎo)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(duì)各位姿偏差的正負(fù)定義如表2.1 所示。 兩驅(qū)動(dòng)輪分別由兩個(gè)完全相同的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)通過減速箱減速后輸出 到輪子,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)AGV 車體的驅(qū)動(dòng)。減速箱的減速比為18:1,由電機(jī)的知識(shí)可 知,調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞電壓可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速,左右輪的不同轉(zhuǎn)速就可

40、以實(shí)現(xiàn)車體位姿的變化。因此,我們可以通過調(diào)節(jié)左右電機(jī)電樞電壓的方法來達(dá)到糾偏的目的。電樞電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)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(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。假設(shè)負(fù)載不變,由上式,電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)速成近似線性變化,可以簡(jiǎn)化為： 式中：i = r / l分別代表左電機(jī)、右電機(jī)；Ui為驅(qū)動(dòng)電壓；ni為電機(jī)轉(zhuǎn)速；K i,為標(biāo)定常數(shù)。因?yàn)閮呻姍C(jī)完全相同,所以 輪子的轉(zhuǎn)速n*： η 為減速比,η ＝18:1。 則驅(qū)動(dòng)輪的線速度為： 式中,r 為驅(qū)動(dòng)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(dòng)作用的情況下,即在沒有 位姿偏差的情況下,左右電機(jī)給定相等信號(hào)Uc。當(dāng)外部擾動(dòng)使車體偏離預(yù)定的路徑時(shí),在給定信號(hào)上加減一個(gè)糾偏控制量Δu,即：　 式中：ur為右電機(jī)電壓；ul為左電機(jī)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(guān)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(yùn)動(dòng)方式 AGV 根據(jù)不同的路徑或不同目標(biāo)點(diǎn)要求,會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)情況,所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變化也會(huì)不同的。設(shè)AGV運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡半徑。具體運(yùn)動(dòng)主要分為下面幾種情況： 1. 當(dāng)AGV 做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)： 2. 當(dāng)AGV 做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)： 其中v c為兩驅(qū)動(dòng)輪軸中心點(diǎn)的速度,且 3. 當(dāng)AGV 做自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)： 同時(shí),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(guān)系決定了差速驅(qū)動(dòng)AGV 的三種運(yùn)動(dòng)方式： ①當(dāng)vr = vl時(shí),c r l v = v = v ,d = +∞,AGV做直線運(yùn)動(dòng)； ②當(dāng)vr≠vl時(shí),AGV 做圓周運(yùn)動(dòng)； ③當(dāng)vr = ? vl時(shí),= 0 c v ,d

43、 = 0,AGV做自旋運(yùn)動(dòng)。 2.3.3 AGV 小車直流伺服機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 機(jī)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(jī)、無刷電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及直接驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)矩電機(jī)。還有油壓執(zhí)行器,如油壓缸<直線運(yùn)動(dòng)>和油壓馬達(dá)；氣壓執(zhí)行器,如氣壓缸和氣壓馬達(dá)等?，F(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(jī)構(gòu)。 一般機(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求：<1>啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行, 具有良好的響應(yīng)特性；<2>正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定；<3>良好的抗干擾能力,對(duì)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(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素,選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型為70SZ51 電磁式直流伺服電機(jī)。 傳動(dòng)方式為履帶傳動(dòng)方式,履帶傳動(dòng)具有下列特點(diǎn)為：①履帶傳動(dòng)為履帶與輪的嚙合傳動(dòng),可以得到準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,并可用于較大的中心距間的傳動(dòng)；②傳動(dòng)效率較高；③不需緊力,作用在軸上的載荷較?。虎苋菀讓?shí)現(xiàn)多軸傳動(dòng)；⑤瞬時(shí)傳動(dòng)比不等于常數(shù),傳動(dòng)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(dòng)存在。 2.3.3.1 電機(jī)參數(shù) 伺服系統(tǒng)帶動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng),常常很難用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述,為便于工程設(shè)計(jì)計(jì)算,需作合理的簡(jiǎn)化。將被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)負(fù)載作必要的典型分解,以轉(zhuǎn)動(dòng)形式為例,常見的

45、典型負(fù)載有以下幾種： ①干摩擦力矩T | T | sign [N m] Ω 表示負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 ②慣性轉(zhuǎn)矩TJ=Jε J 為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ε 為負(fù)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(fù)載重量,l 為負(fù)載重心垂線到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離 ⑤彈性力矩TK= Kθm K 為扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù),θm為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)角度 ⑥風(fēng)阻力矩T f= fΩ2 f 為風(fēng)阻系數(shù) 本課題中電機(jī)帶動(dòng)AGV 小車運(yùn)動(dòng)主要有Tc和TJ兩種負(fù)載特性 帶減速裝置的傳動(dòng)形式稱之為多軸傳動(dòng)。多數(shù)伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)與被控對(duì)象之間有減速傳動(dòng)裝置,減速比i ,執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速

46、是負(fù)載轉(zhuǎn)速的i 倍,執(zhí)行電機(jī)軸的輸出力矩是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1/ iη ,η < 1是減速裝置的傳動(dòng)效率。有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供估算效率：每對(duì)齒輪付的傳動(dòng)效率η = 0.94 ~ 0.96 ；每對(duì)錐齒輪付η = 0.92 ~ 0.96 ；齒輪齒條傳動(dòng)η = 0.7 ~ 0.8；螺母絲杠傳動(dòng)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(dòng)方式。 電機(jī)參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)矩：T 0.1764nom = ?； 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速差：200； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于：Jr=7.056× 10?5 2.3.3.2 相關(guān)參數(shù)推算 給出電機(jī)的輸出參數(shù)有額定轉(zhuǎn)矩Tnom、額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)慣量J r,其它參數(shù)需用以下關(guān)系式估算[25]。 轉(zhuǎn)矩常數(shù)K M= |K E |。 由關(guān)系式估算得： 電樞電阻：a R =1.28 Ω ,電樞電感：a L =7.64,電勢(shì)常數(shù)：= 0.06 E K ,轉(zhuǎn)矩

48、常數(shù)： K M = 0.06。取傳動(dòng)效率為0.8,則總的傳動(dòng)效率約為η = 0.5,電機(jī)自身的摩擦力矩： AGV 小車的總重約為G＝400N,這里經(jīng)驗(yàn)估計(jì)小車車輪與地面的摩擦系數(shù)取為0.1,隨著運(yùn)行環(huán)境的不同會(huì)有所不同,假設(shè)小車運(yùn)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(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩：T / iη= 0.222 電機(jī)和負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)軸上的粘性摩擦系數(shù)： 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中J p為齒輪傳動(dòng)裝置及輪子折到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,初步估計(jì)為5J r。 2.3.3.3 AGV 運(yùn)

49、動(dòng)學(xué)模型 AGV 系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、多耦合的、非線性系統(tǒng)。建立數(shù)學(xué)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(duì)一簡(jiǎn)單的對(duì)象,可以通過對(duì)對(duì)象的物理過程分析計(jì)算推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型；對(duì)于復(fù)雜的對(duì)象,用解析方法求取數(shù)學(xué)模型比較困難,常采用現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出參數(shù)通過系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的來獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 本課題模型的被控量是小車與預(yù)設(shè)軌跡的位置偏差,設(shè)置的采樣頻率為100Hz,系統(tǒng) 階次取2。 辨識(shí)得到的數(shù)學(xué)模型,系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為： 轉(zhuǎn)化為連續(xù)域傳遞函數(shù)為： 考慮AGV 動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)主要由直流

50、伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及輪子構(gòu)成,PWM 驅(qū)動(dòng)主要是延時(shí)影響,忽略兩個(gè)獨(dú)立的電氣驅(qū)動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)差異,對(duì)AGV 系統(tǒng)進(jìn)行了物理性分析,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 對(duì)于分析AGV 移動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)彎及姿態(tài)控制等,先前的數(shù)學(xué)模型不能滿足需要,要將兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別處理,從而提高AGV 的靈活性,下面我們對(duì)直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)。 2.4 直流伺服電機(jī)的仿真模型[2] 在2.2 中對(duì)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)己經(jīng)進(jìn)行了推導(dǎo),假定功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)慣量ext J

51、 為機(jī)械傳動(dòng)元件上的所有可能部分的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的值。下面推導(dǎo)直流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)函數(shù)和結(jié)構(gòu)圖。 電動(dòng)機(jī)的角速度為： 　　折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 電壓平衡方程式： 式中反電動(dòng)勢(shì) 電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程式： 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩： 圖2.5 和2.6 是安裝在AGV 上的直流伺服電機(jī)仿真模型及給定輸入電壓為12V 的階躍響應(yīng)曲線。 仿真中當(dāng)電樞電壓給定低于4.74V 時(shí),出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn),這意味著此時(shí)的電機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩不足以克服負(fù)載及摩擦轉(zhuǎn)矩,模型不再適用,電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),處于阻轉(zhuǎn)狀,同樣反轉(zhuǎn)時(shí)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中應(yīng)該考慮這種死區(qū)情況。 限壓保護(hù)及死區(qū)問題考慮：電機(jī)供電電源為兩個(gè)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(jī)一般采用全壓起動(dòng),電樞回路中無須另串電阻起動(dòng),串附加電感可改善電流脈動(dòng)量和降低起動(dòng)時(shí)電流。為保證安全性,可在控制器設(shè)計(jì)中加電壓飽和環(huán)節(jié)對(duì)起動(dòng)時(shí)的電壓作了限定,也可在電路設(shè)計(jì)中加電流檢測(cè)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(duì)此并未做過多考慮。當(dāng)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(jī)帶負(fù)載小車仿真模型 圖2.6 直流伺服電機(jī)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(shè)計(jì) AGV 系統(tǒng)是一套復(fù)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通訊、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科,是一個(gè)典型的機(jī)電一體化多技術(shù)多學(xué)科的集成系統(tǒng)。 本文設(shè)計(jì)的AGV 模型的主要硬件包括：ARM7 處理器及其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及傳感檢測(cè)電路等。在本文設(shè)計(jì)中的各個(gè)功能模塊,均采用嵌入式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),同時(shí)它也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本章首先介紹芯片選型的相關(guān)原則,再詳細(xì)的介紹嵌入式處理器選型及設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器

54、擴(kuò)展,最后介紹嵌入式系統(tǒng)外圍電路及接口設(shè)計(jì)。 3.1 硬件選擇原則 在嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,硬件選型的合理性、可行性以及可靠性將直接影響著產(chǎn)品的開發(fā)周期,同時(shí)也決定了產(chǎn)品的性能,還可能會(huì)影響到產(chǎn)品成形后的生產(chǎn),因而硬件選型是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在硬件選型時(shí)應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域、成本問題、開發(fā)的難易程度問題、元件購(gòu)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(qiáng)大但又小浪費(fèi)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(shù)角度來闡述一下對(duì)硬件選型時(shí)所需要綜合考慮的幾個(gè)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(shè)計(jì)的需要； <5>與芯片相關(guān)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(gòu)買到,或者能夠申請(qǐng)到樣片； <7>語(yǔ)言體系與熟悉程度。 目前市場(chǎng)上單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有近百家,芯片種類更是多達(dá)上千種,價(jià)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(shè)計(jì)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(guān)心產(chǎn)品是否滿足他們的要求,而并不關(guān)心選用哪款具體的芯片,因此在開發(fā)過程中應(yīng)該盡量選擇自己熟悉的單片機(jī)進(jìn)行開發(fā),這樣會(huì)縮短開發(fā)

56、周期 3.2 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) AGV 自動(dòng)導(dǎo)引小車嵌入式硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3.1 所示。 課題選用性能價(jià)格比高的32 位ARM 微處理器組成高效、實(shí)時(shí)處理、功能全面、操作簡(jiǎn)單的試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)。該微處理器具有通用性強(qiáng)、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(kuò)展、通信接口種類多、指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用等特點(diǎn)。系統(tǒng)主控制器的硬件平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,各個(gè)模塊各自獨(dú)立、自成體系。模塊化設(shè)計(jì),不僅增強(qiáng)了各個(gè)部分的可重用性,而且給后期的調(diào)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(jī)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn),由于考慮到功耗、價(jià)位等問題,選用了ARM 嵌入式微處理

57、器。它是小車行駛和進(jìn)行作業(yè)的直接控制中樞,主要完成的功能為：接受主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的命令、任務(wù)；向主控計(jì)算機(jī)報(bào)告小車自身狀態(tài),<包括小車目前所處的位置,運(yùn)行的速度、方向、故障狀態(tài)等> ；根據(jù)所接受的任務(wù)和運(yùn)行路線自動(dòng)運(yùn)行到目的裝卸站,在此過程中,自動(dòng)完成運(yùn)行路線的選擇,運(yùn)行速度的選擇,自動(dòng)裝卸貨物,運(yùn)行方向上小車之間的避讓,安全報(bào)警等。采用ARM 作為控制核心,整個(gè)控制電路功耗不超過10W,遠(yuǎn)低于工控機(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要功能如下： 圖3.1 AGV 嵌入式硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 ARM7 嵌入式處理器：是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件,

58、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)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(shè)計(jì)中ARM7 處理器選用的菲利普公司的LPC2210。 存儲(chǔ)器：在ARM7 處理器的外圍擴(kuò)展,擴(kuò)展了RAM 和ROM 存儲(chǔ)器,用 于程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序代碼的存儲(chǔ)。 LCD 顯示模塊：用于顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中AGV 的一些狀態(tài),如移動(dòng)速度、當(dāng)前的方位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)等等。 RS-232 和以太網(wǎng)接口：RS-232 接口用于機(jī)器人控制系統(tǒng)同PC 機(jī)之間的通信。以太網(wǎng)接口可實(shí)現(xiàn)Internet 數(shù)據(jù)通信。 I/O 模塊：擴(kuò)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(jī)控制模塊：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)左右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的伺服控制,在AGV 控制 中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制是一個(gè)很重要的方面。 傳感器模塊：黑色引導(dǎo)線監(jiān)測(cè)模塊是機(jī)器人可以根據(jù)傳感器信息進(jìn)行路徑引導(dǎo)規(guī) 劃。 下面從處理器選型入手,具體對(duì)各部分電路進(jìn)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(jīng)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(yáng)的uNSP61 系列等,8 位、16位單片機(jī)在微控系統(tǒng)等應(yīng)用廣泛。 2．FPGA 和CPLD,主要通過VHDL 和Verilog 硬件描述語(yǔ)言開發(fā)。主要用于時(shí)序電路,存儲(chǔ)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(hào)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(hào)處理的算法實(shí)現(xiàn)。 4．32 位處理器,主要有ARM <分ARM7, ARM9,

61、ARM10 和Secure Core 等幾個(gè)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(jiǎn)指令集處理器>的中心思想是簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì),硬件只執(zhí)行很有限的,最常用的那部分指令,大部分復(fù)雜的操作則使用成熟的編譯技術(shù),由簡(jiǎn)單指令合成,RISC 使得相對(duì)少的晶體管可設(shè)計(jì)出極快的處理器。 ARM ,既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字,也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱,還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。采用RISC 架構(gòu)的ARM 微處

62、理器一般具有如下特點(diǎn)[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(jiǎn)單,執(zhí)行效率高； <6>指令長(zhǎng)度固定； ARM7TDMI 是ARM7 處理器系列成員之一,是目前應(yīng)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(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)。 3.4 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 LPC2210 只有16KB 的片RAM,沒有片F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器,可是其具有外部存儲(chǔ)器接口,通過外部存儲(chǔ)器控制器可以擴(kuò)展4 個(gè)Bank 的存儲(chǔ)器組,每個(gè)存儲(chǔ)器的空間大小為16MB。LPC2210 的EMC 負(fù)荷ARM 公司的PL090 標(biāo)準(zhǔn),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(jià)比[7][8][9]。 圖3.3 存儲(chǔ)器接口電路圖 　為了方便程

64、序的調(diào)試和最終代碼的固化應(yīng)用,外圍擴(kuò)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(diào)試的時(shí)候,分配SRAM 為Bank0 地址,因?yàn)锽ank0 可以進(jìn)行中斷向量重新映射操作。當(dāng)最終代碼固化到FLASH 時(shí),分配FLASH 位Bank0 地址,SRAM 為Bank1 地址,因?yàn)锽ank0 可以用來引導(dǎo)程序運(yùn)行。存儲(chǔ)器接口電路圖如圖3.3 所示。 3.5 接口電路設(shè)計(jì) 3.5.1 JTAG 調(diào)試接口

65、 JTAG 是IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī),ARM7TDMI 部提供了3 個(gè)JTAG 型的掃描鏈,可以進(jìn)行調(diào)試和配置嵌入式的ICE-RT 邏輯。 JTAG 仿真器也稱為JTAG 調(diào)試器,是通過ARM 芯片上的JTAG 邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)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(jìn)行通信,屬于完全非插入式<不占用片上資源>調(diào)試。它無需目標(biāo)存儲(chǔ)器,不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口,而且是普通的駐留監(jiān)測(cè)軟件所必須的。另外,JTAG 調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行,仿真更接近于目標(biāo)硬件,因此,仿真結(jié)果與真實(shí)的

66、運(yùn)行環(huán)境更為接近,所以逐漸成為目前采用最多的一種調(diào)試方式。其接口連 接如圖3.4 所示。 圖3.4 JTAG 調(diào)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(jì)算機(jī)與串行設(shè)備進(jìn)行異步通信的芯片。該總線雙向通信,可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。它提供了RS - 232 數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口,在嵌入式設(shè)計(jì)中,UART 用來與PC 進(jìn)行通信如圖3.5 所示,包括與調(diào)制解調(diào)器和其它器件,如EEPROM 通信。LPC2210 的UART 單元提供兩個(gè)獨(dú)立的異步申行UO口,接口電路較簡(jiǎn)單,只要注意使用芯片如MAX3232 芯片將3.3V

67、的電平轉(zhuǎn)換成與普通串口兼容的信號(hào)就可以了。它可以運(yùn)行于中斷模式或DMA 模式,最高可支持115200bps 的傳輸速率,每個(gè)通道包含兩個(gè)用于接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的16 位FIFO 隊(duì)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(yàn)位,每個(gè)UART 包含一個(gè)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(dá)發(fā)送單元后,進(jìn)人FIFO 隊(duì)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(jī)串口接口示意圖 3.6 外圍硬件電路設(shè)計(jì) AGV 的硬件部分主要由主控單元,導(dǎo)引單元,驅(qū)動(dòng)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)