一種紅外超聲相結(jié)合的AGV導(dǎo)航系統(tǒng)

摘 要： 隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷提升，AGV的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為設(shè)計(jì)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(duì)稱設(shè)計(jì)的紅外傳感器實(shí)現(xiàn)糾偏，超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jī)程序進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合驗(yàn)證，小車具有抗干擾能力強(qiáng)，導(dǎo)航精度高，運(yùn)行穩(wěn)定安全等優(yōu)點(diǎn)，適合在物料搬運(yùn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)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(hào)： TN964?34； TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0127?04

0 引 言

AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)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(dòng)行駛，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配備有移載、視頻監(jiān)控等功能的運(yùn)輸車[1]。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷提升，AGV的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在越來(lái)越多的領(lǐng)域能夠替代人工，甚至能夠完成人工無(wú)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(shí)別引導(dǎo)、GPS引導(dǎo)等[3]。

本設(shè)計(jì)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(cè)反射信號(hào)，將輸出結(jié)果發(fā)送給MCU控制單元，MCU根據(jù)反射信號(hào)的變化，實(shí)時(shí)地計(jì)算出偏離預(yù)定軌跡的偏差，根據(jù)偏差控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生糾偏動(dòng)作及時(shí)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(hào)的時(shí)間差傳給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)超聲波傳播特性計(jì)算出與障礙物之間的距離，可以及時(shí)地做出避障和定點(diǎn)停止等動(dòng)作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)AGV小車的運(yùn)作流程如下：工程人員通過(guò)上位機(jī)設(shè)定小車的運(yùn)行路徑，之后小車通過(guò)紅外傳感器、超聲波傳感器等傳感裝置實(shí)時(shí)獲取方向、距離等信息，并上傳到MCU。MCU對(duì)獲取的信息進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過(guò)PID等算法，輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使小車做出轉(zhuǎn)向、加減速等動(dòng)作。小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)WiFi模塊將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，同時(shí)工程人員也可通過(guò)上位機(jī)人工控制小車的運(yùn)動(dòng)。此外考慮到安全性，小車還配備有防碰撞模塊，可對(duì)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(jì)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(diǎn)。芯片最高運(yùn)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(lái)的SCI信號(hào)轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào)，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，構(gòu)建一個(gè)局域網(wǎng)，上位機(jī)電腦通過(guò)接入此局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與WiFi模塊的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與MCU的通信。WiFi模塊采用HLK?RM04，支持AP（無(wú)線接入點(diǎn)）、Client（無(wú)線客戶端）、Repeater（無(wú)線中繼）、Bridge（無(wú)線橋接）、Router（無(wú)線路由）五種工作模式。在實(shí)際應(yīng)用中選擇Client模式，小車的MCU作為一個(gè)客戶端，可以被上位機(jī)訪問(wèn)，也可發(fā)送信息給上位機(jī)。

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(gè)點(diǎn)都至少要安裝兩個(gè)，以減小誤判概率。本設(shè)計(jì)中通過(guò)自行設(shè)計(jì)紅外傳感器，將兩個(gè)傳感器完全對(duì)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(jì)功能模塊圖

每一個(gè)紅外傳感器包含：光敏三極管、紅外光源、信號(hào)放大模塊、信號(hào)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(lái)照射色帶，色帶反射回來(lái)的光線由光敏三極管接收模塊接收，通過(guò)信號(hào)放大、比較和輸出轉(zhuǎn)換，上傳到TMS320F2808，經(jīng)過(guò)判斷和相應(yīng)運(yùn)算產(chǎn)生糾偏參數(shù)，TMS320F2808根據(jù)糾偏參數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作，做出糾偏等動(dòng)作。紅外傳感器的對(duì)稱設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)距離測(cè)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(shí)間控制調(diào)制器和振蕩器，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生超聲波，并且計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)后，由聲電轉(zhuǎn)換器將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)由接收檢測(cè)單元接收，使計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，這樣就得到了發(fā)射和接收回波的時(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)小車的動(dòng)作執(zhí)行，是保證精準(zhǔn)導(dǎo)航的前提。本設(shè)計(jì)中小車前進(jìn)后退電機(jī)采用50 W的直流有刷電機(jī)，使用12 V的蓄電池供電，電機(jī)最大工作電流在4 A以上，集成化、小型化的驅(qū)動(dòng)模塊無(wú)法滿足需求。本設(shè)計(jì)采用TO220封裝的MOS管IRF540搭建H橋，TMS320F2808產(chǎn)生PWM，通過(guò)IR2103控制MOS管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dòng)能力。采用優(yōu)化的PID算法精確控制轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試電機(jī)的帶載啟動(dòng)時(shí)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(jì)采用安全觸邊實(shí)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(shí)，安全觸邊會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)并立即傳輸?shù)紻SP，由DSP控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使小車立即停止。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制算法

控制算法是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而其中最重要的是小車運(yùn)動(dòng)分析算法和PID算法。

PID算法是一種經(jīng)典的自動(dòng)控制算法，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制場(chǎng)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(shí)間常數(shù)；[Td]為微分時(shí)間常數(shù)；[e（t）]為系統(tǒng)誤差；[u（t）]為輸出。

在DSP、單片機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，控制小車的運(yùn)動(dòng)。

小車的運(yùn)動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)，只需知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒輪比、車輪直徑就可以算出。這里重點(diǎn)講述轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析，如圖4所示。

圖4 小車轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分析示意圖

設(shè)小車勻速轉(zhuǎn)彎速度為[V，]兩主動(dòng)輪間的距離為[D，]小車轉(zhuǎn)彎半徑即小車兩主動(dòng)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件使用C#編寫，主要分為以下幾個(gè)功能模塊：人機(jī)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(jī)程序功能模塊圖

人機(jī)交互界面完成人與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行各種符號(hào)和動(dòng)作的雙向信息交換，通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)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(shí)時(shí)繪制小車的運(yùn)行軌跡并實(shí)時(shí)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(yùn)行路徑，如小車的運(yùn)行方向、停靠節(jié)點(diǎn)、運(yùn)行速度等，用戶也可在一些特殊場(chǎng)合通過(guò)此模塊手動(dòng)控制小車的運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 紅外傳感器測(cè)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(guò)渡）的色帶，在小車上設(shè)置一參考標(biāo)尺，反復(fù)測(cè)試小車在不同角度下的方向糾偏誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，可見(jiàn)糾偏誤差均在5%以內(nèi)。

表1 紅外傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 超聲波傳感器測(cè)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(cè)試程序，發(fā)送測(cè)試距離到上位機(jī)，統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，距離誤差在2%以內(nèi)。

3.3 定點(diǎn)導(dǎo)航精度測(cè)試

為驗(yàn)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(jì)了以下實(shí)驗(yàn)，通過(guò)布設(shè)特定的色帶和障礙物，設(shè)定小車定點(diǎn)停止的位置，測(cè)試小車實(shí)際停止時(shí)的角度誤差和距離誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示，可見(jiàn)定位精度較高，可滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)定位精度的要求。

表2 超聲波傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 定點(diǎn)導(dǎo)航精度測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

AGV小車的核心和設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用的是紅外加超聲相結(jié)合的導(dǎo)航方式，經(jīng)大量測(cè)試驗(yàn)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。可應(yīng)用于物料搬運(yùn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)控等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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