基于HMC1021的磁導引AGV控制系統的設計

羅 奎，謝 瑋，王 振

(1.四川建筑職業技術學院信息工程系，四川 德陽 618000; 2.哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院，山東 威海 264209; 3.濟南大學泉城學院(蓬萊)工學院，山東 蓬萊 265600)

基于HMC1021的磁導引AGV控制系統的設計

羅 奎1，謝 瑋2，王 振3

(1.四川建筑職業技術學院信息工程系，四川 德陽 618000; 2.哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院，山東 威海 264209; 3.濟南大學泉城學院(蓬萊)工學院，山東 蓬萊 265600)

磁條導引方式因其成本低、路徑規劃靈活和抗干擾能力強而在AGV的導引控制系統中普遍使用，而磁感應信號的數據采集、控制系統結構和控制策略的設計等都是需要深入研究的問題;以差速驅動轉向AGV為研究對象，以模塊化、通用化設計思路為導向，給出了一種分布式磁導引AGV控制系統設計和實現方案;采用Atmega128及外圍電路作為主控單元，Atmega16和信號調理電路為數據采集單元、HMC1021為磁條檢測傳感單元來設計控制器的核心硬件結構，主控單元和數據采集單元之間通過RS485通信交換數據;隨后在分析和研究AGV差速驅動原理的基礎上，給出了從傳感到速度控制的通用模式，并且提出了查表和模糊控制相結合的通用性控制策略設計方法;軟硬件測試和實驗結果表明了該設計方法的可行性和有效性。

磁條導引； 差速驅動；模糊控制；模塊化

0 引言

隨著物流行業和現代制造業的飛速發展， AGV(automated guided vehicle)自動導引車已經得到很廣泛的應用，日益成為工業4.0框架下必不可少的關鍵設備。根據美國物流協會定義，AGV 是指裝備有電磁或光學自動導引裝置，能夠沿著規定導引路徑行駛，具有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[1]。控制核心是道路跟隨，可以通過電磁、光學、GPS等自動導引手段，實現沿既定導引路徑移動[2-3]。目前大體有電磁導引、磁條導引、光學導引、激光導引和視覺導引這幾種方式。磁條導引因其控制簡單、成本低、抗干擾性能強和路徑修改方便等優勢[4]，近年來有日益普及的趨勢。關于應用磁阻傳感器來設計AGV導引數據采集部分的研究也越來越深入。沈忱等人提出使用磁阻傳感芯片HMC1021 組成線陣的測量方案，設計一個通用的磁導引AGV 傳感器，采用CAN 總線的方式輸出偏移距離[5]。王永強和王麗穎等人利用HMC系列磁阻傳感器設計高精度的數字化電子羅盤[6-7]。盧超越提出一種磁導航AGV通用驅動器的設計方案，可以滿足多種磁導航AGV的控制要求[8]。從這些研究文獻可以看出模塊化、通用化是發展趨勢。從控制策略上分析，目前PID控制和模糊控制仍然是主流，比如鄭炳坤等人提出以PD 控制器為核心，利用模糊控制來動態修正PD 控制器的系數，改良AGV 的動態跟蹤行為[4]。不論是固定的磁釘導引還是磁帶導引，由于傳感器安裝位置和特性的差異，需要深入的研究系統構建方法和控制算法。本文以差速輪式移動AGV為研究對象，以模塊化、通用化為導向，設計一種分布式磁導引AGV控制系統。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體設計圖

為實現模塊化和通用化設計，將主控模塊和磁傳感模塊分開來設計。傳感模塊的主要任務是采集和發送數據，主控模塊則負責控制算法的執行，并且綜合AGV各種環境狀況，去控制執行機構按控制算法運行，從而實現磁導引的路徑跟隨。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

1.2 AGV差速驅動原理

差速驅動AGV靠兩側的車輪獨立控制，通過控制兩側車輪的不同速度，使AGV實現轉彎和直行，從而實現路徑規劃。差速轉向AGV原理如圖2所示。

圖2 差動轉向AGV原理

R代表AGV轉彎時的瞬時曲率半徑；W代表AGV兩輪旋轉軸間距；θ表示轉彎角度；AGV的坐標系設定為xoya，大地坐標系設定為xoyg。

根據文獻[9]的推導方法，可以得出在AGV坐標系xoya中的運動方程為：

(1)

其中:vr為右輪速度，vl為左輪速度，坐標變換到大地坐標系統xoyg中，則運動方程為：

(2)

從式(1)可以得出，在AGV沿著縱向軸線速度恒定的條件下，如果設定Δv=vr-vl，則瞬時轉彎曲率半徑為：

(3)

由此可見，式(3)是磁導引AGV的差速轉向控制依據。在AGV運行過程中，通過控制Δv，就可以控制其瞬時轉彎半徑，當然，當Δv→0時，則有R→∞，則走直線。因此差速導引的控制原理就是尋找Δv與傳感器信號之間的關系，進而設計道路跟隨算法。

1.3 磁阻傳感器數據采集模塊設計

Honeywell的HMC1021型單軸磁阻傳感器以其成本低、靈敏度高和低功耗等優勢在測量弱磁場方面得到廣泛應用。它的測量范圍是±6gauss，精度可達到mgauss級[10]。從目前市場上的流行的磁條實驗情況來看，能滿足測試要求。磁阻傳感器的核心是通過4個相同的磁敏電阻形成惠斯通電橋來感應磁場的變化。在線性范圍內有[11]：

Vout=S0B+V0

(4)

Vout為輸出電壓,S0為傳感器的靈敏度,B為待測的磁感應強度,V0為傳感器自身的漂移輸出。如電路原理圖3所示，為實現傳感部分的模塊化設計，采用獨立Atmega16MCU采集數據，利用標準RS485串口向主控板收發信息，協議開放，也可與第三方嵌入式主控板接口。通過對HMC1021施加一個瞬態強恢復磁場來保證磁阻傳感器的敏感特性和靈敏度。IRF7105和兩個電容C2,C3組成HMC1021的置位和復位脈沖電路，提供的瞬時脈沖幅值高達16V，實現有效的復位和置位。AMP04對差分輸出的mV級測量信號方法，經過與U4組成的跟隨器進入Atmega16的ADC(ADC0-ADC3，電路圖中僅畫了一路來示例)轉換口。此單片機自帶8路10位A/D轉換器，利用定時器產生S/R時鐘脈沖，并且連續采集4路傳感器數據，通過Max485接口將數據送給主控制器。

圖3 磁阻傳感器數據采集原理圖

1.4 主控模塊的設計

主控模塊主要包括運動控制部分、運行狀態顯示、按鍵控制、通信模塊(包括與PC機通信和與傳感器模塊通信)和外圍傳感信息采集(比如避障傳感器、防碰開關和工作站點的配合電子開關等)，主要電路原理如圖4所示。主控板與直流電機驅動器接口大體可以分為電壓控制，脈寬控制和脈沖控制3種，目前電壓控制的已經很少，在此設計中以脈沖/脈寬控制為主。在此將每個電機驅動器的接口信號進行整合，分為使能信號、正反轉和速度控制信號(脈寬或脈沖)，即圖3中的EML，EMR；ML,MR;PL,PR. 還有電機編碼器的反饋信號Encod1，Encod2. 同時預留3路定位信號輸入口Pos1，Pos2和Pos3；預留3路紅外避障信號Infra1,Infra2和Infra3.AlARM為報警信號，Runset為狀態指示信號。4個按鍵Key1-Key4，分別對應啟/停、左轉、右轉和導航，與液晶屏界面配合完成人機操作。PowCheck(ADC0)用來采集供電電池電量信號，AS0和AS1為預留模擬量傳感器接口。Max485用來和磁傳感器通信。Max232則用來和PC上位機或者無線數傳模塊接口。選擇ATmega128MCU是因為其外設豐富，帶AD轉換器，程序空間大和尋址能力強，速度快。

圖4 主控板原理圖

2 系統軟件設計

2.1 磁傳感數據采集

磁傳感器模塊始終處于監聽狀態，當主控制器發送信息時，進行“地址對號”操作，如果主控器發送的是本機地址，則立即建立通信鏈路，并根據所收到的報文命令字節做出相應的操作。報文的格式如下：

圖5 數據報文的結構

報文中地址段采用一個字節，命令字段也為1字節，表示命令或響應的類型。數據占8個字節，每個傳感器占用2個字節。從機地址范圍01～10，命令暫時分為兩種，即從機自檢和發送信息；從機發送的數據信息也包括兩種，即自檢成功和8個字節的采集數據。在此報文結構框架下，命令和傳感數據信息可擴展，也可根據報文結構自行定義數據格式。磁傳感器模塊的軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

2.2 主控模塊程序設計

主控模塊設計的核心是控制算法。算法設計的主要依據是傳感器的安裝形式和式(3)。假設控制量為u，傳感信號為Si(i=1,2,...,N)表示N個傳感器，則根據式(3), 控制目標可描述為：

Si→u→ΔV

(5)

傳感器的安裝方式如圖7所示，根據式(5)，需要利用4個HMC1201采集回來的信息找出與控制量u之間的對應關系。如果以表格形式存儲Si與u之間的序列對，編程時采用IF-Then的形式查表就可以搜尋到控制量。

圖7 傳感器和磁條的相對位置

為實現更精細的控制，本文給出查表和模糊控制相結合的控制策略。以圖7為例，將磁軌所在的大地平面從左到右分為A、B、C、D4個區域。這4個區域可以表示AGV偏離磁軌的偏差，其根據各個傳感器的測量值V1,V2,V3,V4確定；各個傳感器S1→S4測量值的變化量(ΔV1,ΔV2,ΔV3,ΔV4)用來判定AGV偏離中心線的方向和速度。由此進一步細分區域，并據此給出對應的控制量。因此，在這種布局結構中，根據各傳感器當前測量值與歷史(上次)測量值比較結果，可測知AGV磁軌位置偏離方向，即誤差的變化。并以此來劃分論域和制定模糊規則，就可以尋找出這些變量與控制量u之間模糊推理關系，設計過程不再詳細贅述。

值得一提的是在測量值的變化量時，需要設置一個給定噪聲門限值σ，如果|ΔVx|絕對差值小于σ，則可認定磁條傳感器相對位置未變化。這樣可以避免直線導引時過于靈敏。另外在設計模糊控制器時，先借助MATLAB輔助軟件構造，最后將生成的模糊控制表編寫到主控器內部存儲器中，就能實現在線查表控制，從而避免了在主控器中進行復雜的計算。

3 系統測試與分析

按照上述軟硬件設計思路，構建AGV系統進行試驗。將4個傳感器的測量值和變化率論域分為5級，分別為“負大”、“負小”、“零”、“正小”、“正大”。隸屬度函數采用三角波形，設計模糊規則構造磁導引模糊控制表。噪聲門限值σ設為0.015V，傳感器測量范圍為0-3.8V。經過反復實驗測試，直線導引速度可達到0.5 m/s, 拐彎可達到0.2 m/s.導引路徑誤差為≤15 mm，基本上能滿足導引性能指標要求。

如果按照式(5)的設計思想，傳感器用作開關量檢測方式也能利用表格形式存儲Si與u之間的序列對，從而通過查表建立控制關系。在圖7的傳感器布局中，通過各個傳感器本身測得的歷史值和當前值做比較,來判斷本身位置變化趨勢；而各個傳感器的當前值又可以反映當前偏離中心線的相對位置。此二者結合起來，可以實現比較精細的控制，也具有一定的預測控制能力。實際測試時，為了防止ΔV在有測量噪聲情況下超調太大，做了限幅處理。而在直線道路跟隨時，根據現場實際情況選擇合適的噪聲門限值σ，可以防止左右大幅擺動蛇形跟隨的情況。因此在實際運行中要綜合考慮傳感器布局和性質、規則庫的設計、模糊化求解過程和查詢表優化等因素進行控制系統分析和設計。

4 結論

本文所設計的AGV導引系統，模塊化分布式控制，易于擴展，成本低、為磁導引AGV系統的模塊化設計提供了一種較為可行的方案。已經在某物流運貨車間使用，能夠實現導引要求。目前研究主要側重于單軸磁阻傳感器HMC1021，考慮用多軸傳感器HMC022可以更加精準地測量磁條周圍的二維磁感應信號，這是下一步要深入研究的工作。

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Design of Magnetic Guidance AGV Control System Based on HMC1021

Luo Kui1，Xie Wei2，Wang Zhen3

(1.Information Engineering Department, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China；
2.School of information and Electrical Engineering of Harbin Institute, Technology (Weihai),Weihai 264209, China;
3.Springs College (Penglai) University of Jinan, Penglai 265600,China)

Due to its low cost, flexible path planning and strong anti-interference ability, the magnetic guidance mode is widely used in the guidance and control system of AGV, but the design of data acquisition for the magnetic induction signal, control system structure and control strategy is a problem to be studied deeply. The AGV of differential speed steering is studied，and distributed magnetic guidance AGV control system under modularization and general oriented is designed, which use Atmega 128 And peripheral circuit as master control unit, Atmega 16 and signal conditioning circuit as data acquisition unit, and HMC1021 magneto resistance sensor for magnetic detection device to building the core hardware structure of the controller. Main control unit and data acquisition unit through the RS485 communication exchange data. Then based on the analysis and study of the differential drive principle of AGV, the general mode of sensing to speed control is given, and the generic control strategy combined with the table lookup and fuzzy control is put forward. The results of practical application and software and hardware testing have shown that the design method is feasible and effective.

magnetic guidance; differential drive; fuzzy control; modularization

2016-11-03；

2016-11-28。

哈爾濱工業大學研究生教育教學改革研究項目(JGYJ-201626)；中央高校基本科研業務費專項資金(HIT.NSRIF.2016106)。

羅 奎 (1979-)，男，四川德陽人，碩士，助教，主要從事計算機測量與控制方向的研究。

1671-4598(2017)04-0058-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A