慣導與視覺相結合的AGV小車控制系統設計

張永澤　艾長勝　張尉

摘要：隨著社會的發展與進步，人們對自動化生產的迫切需求越來越大。為進一步推動生產系統的柔性化中，AGV小車在物料運輸方面起到了重要的作用。AGV小車的分類比較多，如電磁導引小車、激光導引小車、磁條導引小車慣性導引AGV小車等。因慣性導航系統靈活性高、技術先進、定位精度高、適用范圍廣等優點。但同時也存在累積誤差比較大并且難以消除等缺點。本文就以慣性導引小車為主要研究對象，并將慣導技術與視覺傳感器技術相結合，實現AGV小車的路徑規劃。

關鍵詞：AGV；慣性導航；視覺導航；控制系統1AGV小車簡介及分類

1.1AGV小車簡介

自動導引小車是指裝有電磁或光學等自動導引裝置, 可以按照指定的或固定路徑行駛的, 并且具有保護裝置以及運輸功能的運輸小車。

1.2AGV小車的分類

1.2.1磁導引方式

優點是磁條的鋪設過程比較簡單，并且路線調整比較容易。缺點是磁帶外漏，易受到磨損、污染及機械損傷。

1.2.2激光導引方式

優點是線路比較容易調整，使用范圍比較廣，無需鋪設導線。這種導引方式的缺點是受到外界光線的影響比較大。

1.2.3視覺導引方式

優點是在AGV小車的前端裝有CMOS視覺傳感器，通過圖像采集卡將采集到的信息轉化為能夠被識別的信號。

1.2.4慣性導引方式

這種導引方式的主要元器件是陀螺儀，優點是定位精度比較高，靈活性較強；缺點是累積誤差比較大。

2控制系統硬件電路設計

2.1主控制器的選型

AGV小車需要對紅外避障模塊、防撞模塊、慣導模塊以及視覺傳感器模塊輸出的信號進行處理。本文選用STM32F103VET6模塊作為主控制器。STM32F103系列單片機的內核是32位的Cortex-M3 CPU；擁有32K~128K的閃存程序存儲器以及6K~20K的SRAM，其內部資源豐富，處理信息的能力很強，可以滿足本文題目的設計要求。

2.2陀螺儀

2.2.1陀螺儀簡介

陀螺儀是一種慣性傳感器，可組成慣性導航系統。JY-901模塊集成了陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器等微處理器以及內部帶有動力學以及卡爾曼濾波算法，可實時輸出模塊當前的運動狀態。

2.2.2陀螺儀輸出信號的處理

由于不同廠家制作的陀螺儀的性能不同，在陀螺儀內部進行的處理過程也不同。本文采用JY-901模塊，內部已集成角速率轉換模塊以及濾波模塊。使得該模塊的輸出量為角度。

3電機驅動模塊

AGV小車電機的選擇。慣導AGV小車的電機選用無刷直流電機。原因是1）直流電機有比較好的啟動特性及調速性能；2）直流電機的輸出轉矩比交流電機的大；3)直流電機通用性比較強，更加便于維修。

4視覺傳感器

4.1 視覺傳感器的簡介

現在主流的傳感器有CCD和CMOS,其中CCD攝像頭對比度高、動態性能好，并且靈敏度比較高，但是必須需要12V的供電電壓，耗能比較大。電路設計比較復雜。CMOS攝像頭所采集圖像的靈敏度比較高，電路設計比較簡單，工作在5V的電壓下即可。并且同等條件下，CMOS圖像傳感器的工作速度高于CCD。因此選擇OV7670 CMOS圖像傳感器比較合適。

5AGV小車控制系統軟件設計

5.1利用STM32F103VET6單片機實現PWM調速

要使STM32的TIM3輸出PWM信號，具體的配置過程：

（1）開啟TIM3時鐘及復用功能時鐘，配置PB5為復用輸出；（2）設置TIM3_CH2重映射到PB5上；（3）初始化TIM3，設置TIM3的ARR和PSC;（4）設置TIM3_CH2的PWM模式，使能TIM3的CH2輸出；（5）使能TIM3；（6）修改TIM3_CCR2來控制占空比。

5.2慣導模塊控制系統

為實現利用PC機接收通過STM32單片機發送的來自陀螺儀JY-901的信號，需要將模塊進行如下連接：STM32F103串口1的Rx接JY-901的Tx,用于接收JY-901模塊的數據。STM32F103串口的Rx接電腦的USB-TTL模塊的Rx,用于向電腦發送解析后的數據。

5.3慣導模塊與圖像傳感器模塊相結合程序流程圖（圖１）

6試驗結果分析

JY-901慣導模塊與STM32單片機連接調試結果

（1）JY-901模塊與單片機連接數據采集。采集的數據中“Angle:-22.346 -10.366 147.387”是JY-901模塊輸出的角度值。另外可以通過改變程序實現單一角度值的輸出。對于輸出的角度值，可以與預先設定值進行比較，進而通過調節小車電機轉速實現AGV小車的直線糾偏；（2） STM32單片機PWM輸出實現AGV小車的速度調整。1）硬件連接：在單片機與驅動器之間接了一個光電耦合器，將輸出的PWM信號接在光耦的輸入端。光耦的輸出端接電機驅動器。給單片機通電，再接通總電源；2）軟件部分：利用keil uVision4軟件，編寫并編譯PWM信號輸出的程序。再利用J-LINK將程序下載到STM32單片機。

給兩個電機輸出相同的PWM信號，可實現小車的直線行走。由于電機性能不同以及其他因素的影響，得到的電機轉速并不相同。此時可以通過調整其中一個輸出的PWM信號，從而實現小車轉速的同步。

7結論

本文研究了一種基于慣導與視覺相結合的AGV小車，對小車慣導與視覺控制系統進行了較詳細的分析。當AGV小車的視覺傳感器失靈時，小車的慣導模塊開始起作用。慣導模塊的主要元器件是一個陀螺儀，將其固定在AGV小車轉軸上，可實時輸出小車的旋轉角度。AGV可通過對陀螺儀偏差信號的計算與采集，結合小車直流電機上安裝的編碼器來確定小車行走的方向與距離，據此可以計算出小車行走的路程以及進行糾偏。endprint