自動尋跡搬運車控制系統設計與實現

郭 偉

(陜西職業技術學院，陜西西安 710100)

自動尋跡搬運車控制系統設計與實現

郭 偉

(陜西職業技術學院，陜西西安 710100)

自動尋跡搬運智能小車，也叫輪式機器人，是移動機器人的一種。計算機技術與傳感器的發展，使移動機器人的發展又進入了個高潮,它涉及機械學、力學、電子、控制科學等諸多學科，是一個綜合性高科技技術產物。自動尋跡搬運智能小車能夠通過內外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環境、確定出精確的位置，是能夠動態決策、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。

搬運車;自動尋跡;紅外導引;單片機

1　物流自動尋跡技術概述

通常物流自動循跡搬運車是使用非接觸式檢測裝置來獲得自身周圍的一個具體環境，借助安裝在車體的集成控制芯片以及一些輔助裝置來實現全方位定位判斷，最后準確地抵達預定的地點。物流自動循跡搬運車的主要技術點就是導引技術。

1.1實現自動循跡的激光導引

物流自動循跡搬運車可通過激光導引實現，這個激光導引也就是環境的默認路徑安裝有很強的反射器，之后將這個激光設備安裝在這個物流搬運車上面，讓這個激光發射裝置向搬運車的四周散發激光束。比較返回的這些信號，就可以確定車子的位置和行駛方向，依此實時調整其駕駛狀態，最終完成載物任務。

圖1　激光導引原理

1.2實現自動循跡的電磁感應導引

我國最早的電磁感應導引是在1975年的時候實現的。我們國家現在幾乎每一個應用領域都有運用到這個電磁感應制導技術，并且都已非常成熟。人們對于電磁感應導引技術也有了更為深入的學術研究，使電磁感應制導技術實現更準確和適用。

圖2　電磁感應導引原理

從圖2可以看出來，電磁感應指導就是在自動循跡搬運車的行走路線下埋了較多的電纜線，并且對這些電纜線加入一定電流，所以上面的道路將產生相應的電磁場，并在路面上形成一個無形的磁性導軌。在實際應用中電磁感應導引應用是比較多的，不過因為要根據預設軌道埋鋪電纜，所以系統成本也相應比較高。還有因為導軌的固定路線的指導方式，一旦建立了直接導引的路徑，就很難實現改變這個循跡搬運車的行走路線，不夠靈活。

1.3 實現自動循跡的超聲波導引

在生產車間環境中，使用自動循跡超聲波導引是有局限性的。超聲引導技術的原理和前面說到的激光導引比較相似，激光制導技術中是由激光導引自動跟蹤激光介質，而超聲引導技術中是由超聲波來引導的?，F在很多物流自動尋跡搬運車被運用于集裝箱碼頭，就是利用集裝箱對超聲波進行反射的介質特性，來生成搬運車的尋跡信息，并成功實現自動搬運目的。

1.4實現自動循跡的慣性導引

早些時候慣性制導技術在航空航天和軍事領域使用，這其實也是尋跡搬運車新興的技術領域。近些年，慣性測量元件已漸漸往高度集成發展，且更符合成本效益趨勢發展。慣性制導已經被大力推廣到技術開發領域的導航系統。慣性制導技術的研究也逐漸傾向于慣性測量單元和其他設備的組合應用。

2　物流自動尋跡控制系統總體方案設計

2.1物流自動循跡控制系統的方案

在整個自動尋跡控制系統的設計中，控制系統是非常重要的一個模塊，是整個系統的精髓?？刂葡到y的先進與否，直接關系到整個系統的水平。自動尋跡車在控制系統的統一協調下才能有效實現各種功能，控制系統的設計理念也一定程度上決定了整個自動尋跡控制系統功能的特點。

本課題的自動尋跡車控制系統，實現了超聲波自主避障、藍牙控制、電機驅動、舵機控制等一系列的控制功能。主要有：微機控制器模塊、電機驅動模塊、藍牙通信模塊、電源模塊、超聲波避障模塊等。在實際的設計過程中，遵循盡量讓各個硬件模塊以及軟件部分相對獨立的原則，以方便后期的更新和升級。

2.2物流自動搬運車的系統結構

通常來說，單片機控制的自動搬運系統由自動搬運系統，車身結構和安全系統組成。

2.2.1自動搬運系統

物流自動尋跡搬運車設計的主要目的是解決投入過高的問題，需要實現無人自動搬運的功能。所以該導引模塊的設計，事實上也就是自動搬運車卡的一個設計核心點，這一部分的設計重點就在于控制芯片的編程設計和自動導引方案設計。

2.2.2車身結構

物理自動尋跡搬運車的車身結構主要有車架、車身外殼和一些設備的支撐裝置。車架應有比較好的減震能力和比較大的承重能力。在滿足功能的前提下，每個部分的設計應盡量減少車輛的總質量。如果說大部分情況下要搬運大負載物體或對承運托盤大小有一定要求，那么可適當地增加軸的總數量。

2.2.3安全系統

物流自動尋跡搬運車最大的一個特點就是實現無人搬運，這樣可以實現高效率的搬運任務，當然這也留下了潛在的可能危險。所以搬運車非常有必要設計好安全系統，以免發生危險。如在搬運車上面實現一個智能避障和自動報警，那么就可以確?；镜陌踩珕栴}，減少不必要的隱患。

2.3自動尋跡控制系統方案設計

2.3.1自動尋跡控制的導引方案設計

選擇以紅外制導方式來實現自動尋跡，這里紅外跟蹤傳感器是用紅外光電開關。紅外傳感器集成紅外發射管和接收管作為一個整體，因此能夠減少安裝過程中產生的不必要偏差。由于軌道是使用“白色黑色和白色”的色帶來實現，所以需要把三個紅外傳感器安裝在自動尋跡搬運車的前面，以實現紅外傳感器對軌道色帶的識別檢測。單片機紅外尋跡的原理如圖3所示。

圖3　紅外尋跡“直行”示意圖

從圖3的原理圖可以看出來，當自動尋跡搬運車偏離了預定的軌道，那么紅外傳感器就一定會有一邊識別檢測到黑色的路表面（如圖4），當搬運車控制系統在檢測到搬運車已經向左發生了偏離時，單片機主控芯片就會馬上調整控制電機的轉速大小，來達到尋跡搬運車在行走過程自動調整運行方向。

圖4　?紅外尋跡“左偏”示意圖

2.3.2搬運車行駛狀況的控制方案

自動尋跡搬運車的成功實現，關鍵是驅動模塊的設計。本系統用的是兩個直流電機，驅動卡車兩前輪旋轉，這樣可成功實現搬運車的轉向和驅動，能夠提高自動尋跡搬運車的靈活性，也可以使用一個更小的轉彎半徑達到節省處理空間的目的。自動尋跡搬運車能夠通過內外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環境、確定出精確的位置，通過中央芯片可逆方波輸出正負電壓調整電機轉向和速度，以便對尋跡搬運車的行走狀態進行控制。是一個能夠動態決策、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。

2.3.3系統內各模塊間的協調工作

自動尋跡搬運車系統控制方案原理如圖5所示，電源可以經過電壓調節模塊成功為系統供電。

圖5　控制系統控制方案原理圖

物流自動循跡傳感器能夠適時檢測道路的信息狀況，這些信息會被發送到中央芯片，通過一些分析和計算之后，發送相應的指令給電機控制模塊，從而實現對電機速度的適時控制，實現對尋跡搬運車行走路線的控制。為了保證安全而設計的避障傳感器，主要用于檢測卡車前面是否有人員及物品等擋路，如果有障礙物出現在前方，那么主控制芯片就會發出停止或者轉向的控制信號，并且觸發警報提示。

3　系統原理及硬件設計

3.1電機驅動模塊程序設計

由單片機產生兩路PWM波，通過L298N電機驅動芯片控制兩個直流電機，分別驅動左輪和右輪。直走時兩路PWM波頻率相位相同，當需要轉彎時，改變PWM波控制相應的電機反轉，另一電機正轉。兩邊形成差速即可實現轉彎。

圖6　蜂鳴器驅動電路原理圖

3.2障礙物探測模塊程序設計

本模塊軟件設計主要是先通過延遲的方法，通過主控制芯片的一個I/O口輸出超聲波測距模塊所需的高電平出發信號，同時開始計數，為防止測距中的“盲區”現象，使用延時程序對輸入進行一段時間的延時，延時完成后打開處理檢測回響信號。本系統采用的是渡越時間法，就是通過檢測發射的超聲波與其遇到障礙物后發生回波之間的時間差t，求出小車距離障礙物的距離d，計算公式為d=c×t/2（其中c約為331.4，是超聲波波速）。

當捕捉到40?kHz的超聲波后，其輸出引腳由高電平變為低電平，這個引腳上的負跳變就作為中斷來使得單片機中斷。在中斷程序中，定時器停止計數，而此時定時器的時間就是超聲波從發射到接收回波的時間差，進而根據公式可以計算出小車離前方障礙物的距離，最后實現自主避障的效果。

3.3藍牙控制模塊程序設計

本系統手機端軟件程序的基本功能主要是左轉、右轉、前進、后退和暫停等功能。當藍牙配對成功后，記錄手機上的軟鍵盤操作數據并通過藍牙發送，搬運車根據指令完成一個動作。

3.4尋跡模塊電路設計

尋跡搬運車的循跡模塊電路由三個紅外TCRT5000光電開關集成，并安裝在尋跡搬運車的前面，用來實現對道路的檢測。安裝時，中間安置的傳感器必須保證在跑道黑色帶的中間位置，兩邊的傳感器要貼在黑色和白色絲帶的邊界位置。該系統可實現提高自動尋跡搬運車的識別靈敏度，并減少了控制系統調整行駛方向的頻率。

4　結語

本課題探究的物流自動尋跡搬運車其實也可稱為移動機器人的一種。隨著計算機技術與傳感器的發展，使移動機器人的發展又進入了一個新的發展階段。本課題設計的自動尋跡搬運車能夠通過內外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環境、確定出精確的位置，是能夠動態決策、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。

[1] 陳揚.自動導引車系統((AGVS)的設計與實現[D].南京:南京理工大學,2007.

[2] 王會麗.自動導向小車路徑規劃算法的研究及仿真[D].西安:西安理工大學,2002：36-39.

[3] 楊濟豪，張自友.紅外反射式傳感器在AGV中的應用[J].黑龍江科技信息，2010,11.

[4] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007:13 31-54.

[5] 王海波，馮榮珍，司俊等?；赑WM調速的智能小車控制系統實現[J].科技廣場，2011,(11):144-147.

[6] 度朝永.基于單片機的直流電機PWM調速系統設計與開發[J].煤炭技術，2011,(06):62-63.

[7] 陸嘉，孟文，李常輝等.基于VB的PLC與上位機通信軟件的設計[J].自動化技術與應用,2007,26,(09}:79-81.

[8] 李曉麗.單片機與上位機串行通信系統設計[J].儀表技術，2010,(07):45-47.

2015'第21屆消失模V法實型鑄造技術年會通知

中國鑄造協會第二十一屆消失模V法實型鑄造技術年會2015年8月26日報到，27～28日在中國一拖（洛陽）鑄造有限公司舉行。一拖鑄造是中國特大型央企，近年由煙臺四方鑄造設備工程有限公司為其承建年產1.5萬噸鑄鐵件消失模鑄造自動化生產線。本屆年會圍繞消失模V法實型鑄造高質穩產和精細管理，對汽車件、工程機械件、農機件、泵閥管、耐磨耐熱耐蝕等核心適用關鍵生產技術難題進行交流。大會安排了展位、信息發布、會后龍門石窟/少林寺參觀。

主辦單位：中國鑄造協會；承辦單位：中國鑄造協會消失模V法實型鑄造分會、中國一拖（洛陽）鑄造有限公司、煙臺四方鑄造設備工程有限公司。

會議時間：2015年8月26日全天報到，27～28日交流。

會議地點：河南省洛陽市洛陽大酒店（4星級），南昌路與周山路交叉口。普標230元/間天，豪標300元/間天；周邊快捷酒店標間100～200元/間天。

稿件征集：每篇稿件文字總數不超過6000漢字，7月30日前Email發給聯系人。

會務費：1500元/人(會員)、1800元/人(非會員)；高校和特邀代表1000元/人（會員）、1200元（非會員）。所有活動憑參會代表證參加。

聯系人：中國鑄造協會消失模V法實型鑄造分會副秘書長李立新13180083786/licad2002@163.com；辦公室主任 師雄雁15333217933/hyzsgmj-cao@163.com；秘書長 李增民18903396929/ lizengmin@126.com；煙臺四方鑄造設備工程有限公司 馬博18663895329；洛陽大酒店 趙莉：15037976229。(中國鑄造協會實型鑄造分會 供稿）

The design and implementation of logistics automatic tracing truck control system

GUO?Wei
（Shaanxi?Vocational?and?Technical?College，Xian?710100，Shaanxi，China）

The?traditional?handling?way，?most?of?them?are?using?artifcial?or?half?artifcial?such?handling?way，?but?this?approach?will?generally?lead?to?personnel?and?equipment?investment?is?high，?fnally?achieve?the?utilization?rate?is?not?high.?This?topic?to?explore?the?automatic?tracing?car?carrier?control?intelligence，?also?called?wheeled?robot，?is?one?of?the?mobile?robot.?The?development?of?computer?technology?and?sensor，?making?the?development?of?the?mobile?robot?and?to?enter?into?a?climax.?This?is?a?related?to?mechanics，?mechanics，?electronics，?control?science?and?other?disciplines，?is?a?comprehensive?high-tech?technology?products.?Automatic?tracing?carrier?by?internal?and?external?sensors'?how?about?yourself?in?a?work?environment?and?determine?the?precise?location，?and?able?to?dynamic?decision-making，?behavior?control?and?execution，?etc?in?a?body's?comprehensive?system.

Carrier；?Automatic?tracing；?The?infrared?guidance；?XC836?microcontroller

TG231.1;

A；

1006-9658（2015）04-0039-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.011

2015-02-06

稿件編號:1502-806

郭偉（1987—），男，助教，研究方向物流及物流設備開發.