基于ArduPilot評臺的AGV物流車設計

吳承偉+陳明

摘要：文章提出一種將ArduPilot自動駕駛系統融入AGV小車的設計思路。本設計利用Atmega2560作為主控芯片，高精度UBloxGPS模塊作為戶夕卜路徑導引。自組12V鋰電池電源提供動力。小車底盤后置有刷電機，由電子調速器進行同步控制，并利用舵機實現靈活轉向。整車設計制作完成后經測試，具備較好導向性和定位精度，適合戶外遠距離自動運輸。

關鍵詞：AGV；ArduPilot；GPS導引；Atmega單片機

1AGV小車概述

在現代物流業中，自動引導車輛（AutomatedGuidedVehicle，AGV）被廣泛應用于物流運輸中。其是一種由計算機和局域網控制，經導航裝置導引并沿程序預定路徑自動運行，載運物品或牽引載貨車至指定地點，進而實現物料的自動裝卸和搬運的無人駕駛輸送設備。

AGV小車的導引方式不僅決定了物流系統的柔性程度，也影響了整個系統的可靠性。目前，常見的導引方式有電磁導引、磁帶導引、光學導引、激光導引、慣性導引、視覺導引、GPS系統導引等。其中，電磁與磁帶導引受外界因素干擾大，不適于遠距離運輸；光學導引對周圍環境要求高，可靠性較差；激光導引精度較高，但對天氣條件要求較高，不適合戶外使用；慣性導引的精度取決于陀螺儀精度，制造成本高；視覺導引方式也是目前極力推廣的方式之一，目前階段由于系統復雜，成本過高，且受圖像傳感器精度影響較大，并未廣泛采用。本文所介紹的基于GPS系統的導引方式主要用于遠距離跟蹤和導引，其導引數據經差分處理后具備較高精度，能滿足一般物流所需，更適合戶外遠距離大型物品運送[1]。

默加分析飛行儀（ArduPilotMega，APM）是市面上最強大的開源自動駕駛儀，該系統一般用于無人機的自動駕駛中，亦可植入地面裝置中使用；APM與地面站相配合，使用一套全雙工的無線傳輸系統構建數據傳輸鏈，即可形成功能強大的自動導引控制系統。本設計中的地面站采用了MissionPlanner操控平臺，支持上百個三維路徑點的自主設置，通過MAVLmk協議，該系統可實現雙向遙測和實時命令傳輸。

本次設計要求：（1）具備手動控制功能，小車可在規定范圍內任意行駛；（2）具備自動控制能力，戶外借助谷歌地圖，依靠GPS預設軌跡自導引行駛；（3）擁有學習控制功能，戶外讓小車依程序任意設置軌跡駕駛一次，后續記憶該軌跡，并多次自動往返；⑷小車具備左、右轉彎，直走，倒退，剎車等基本功能；（5）模型車要求負重：5kg以上，續航里程5km以上。

2AGV小車機械結構設計

小車的機械結構在整車設計中占重要地位。需要依次確定車架、傳動機構、動力源及驅動系統等。

2.1車架設計

車架用于支承小車其余零部件，其整體強度和剛度需滿足載重要求及承受汽車運行時由加速度所引起的外載荷；且設計時需盡量降低小車重心，避免在裝載較高物體時引起傾翻。

綜上考慮，以200mm×300mm×2mml呂合金板和20mm×20mm×300mm（厚度2mm）L型角錯作為主體框架材料用于加工制作小車底盤；200mm×300mm×3mm優質ABS板作為載物平臺；M3×8cm銅柱若干，M3及M5

螺釘螺母若干用作底盤與載物平臺間支撐。整車尺寸控制為600mm×400mm×200mm。

2.2傳動機構分析及設計

傳動機構在很大程度上決定了小車的運動精度，合理的機械傳動方案要求傳動準確、穩定，以傳動零部件的數目最少為佳。本次設計中提出了3種傳動方案。

方案一：采用三輪模型，電機動力經錐齒輪減速器傳遞給后兩輪，前輪為萬向輪，由轉向機構驅動進行轉向。

方案二：采用四輪模型，后兩輪采用雙電機差速驅動，前兩輪為聯動萬向輪。利用兩輪差速的形式來實現小車左右轉，前進或停止。

方案三：在方案二基礎上進行改進，仍采用四輪結構，后輪雙電機驅動，仍用蝸輪蝸桿減速器進行減速驅動；前輪改用舵機實現靈活轉向。

綜合分析上述3種傳動方案，三輪驅動不如四輪結構穩定，且繁瑣的錐齒輪減速及變換使傳動精度下降；前輪主動轉向比單一的后輪差速轉向靈活度更高，更適合復雜戶外地形。因此，本設計中采用方案三作為傳動系統。同時，考慮與整車尺寸適配，選擇了4個108mm的大摩擦力橡膠輪作為行進輪。

2.3動力源及驅動設計

目前，市面上的AGV小車的動力源一般采用大容量鎳鎘電池、鋰電池或鉛酸電池；驅動系統采用直流伺服電機、感應電機交流驅動或永磁同步電機交流驅動等方式。

本文所設計的AGV小車為模型車，設計載重5kg，續航里程5km以上。考慮價格及環保性，采用兩個18650芯5200mAh的鋰電池互相串聯，組裝成一款額定電壓12V，額定電流0.5A，容量為10000mAh的電源。模型車對行進速度要求不高，本設計采用了型號為37GB555R-3800的有刷電機。該電機輸出力矩4.5kg·cm，空載轉速325rpm，電機輸出軸尺寸為6mm×15mm，配套蝸輪蝸桿減速器及6mm聯軸器，同時，配備了一款480A風冷雙向有刷電子調速器，實現電機轉速和轉向控制。

3控制系統及軟件設計

AGV小車的控制系統采用了現有的ArduPilotJ空制面板，其核心MCU為ATMEL的8位ATMEGA2560。

ArduPilot控制板整合了三軸陀螺儀與三軸加速度的六軸MEMS傳感器MPU6000，16MB的AT45DB161D存儲器，三軸磁力計HMC5883，11路模擬傳感器輸入，8路PWM控制輸入以及11路PWM輸出，控制面板還提供了多個USB及MUX接口用于連接外設。本設計中AGV小車的自動導引依靠GPS配合谷歌地圖實現。因此，GPS的精度水平直接影響到小車的定位及行進精度[2]。endprint

工業AGV小車一般的定位精度要求為3?10cm。本次設計為模型車，用于測試整車性能及設計可靠性，綜合考慮成本因素，應適當選取價格低廉、定位精度尚可的GPS模塊。

本次選擇了一款低功耗的小型GPS模組UBloxNEO-7M，其靈敏度較高，能內嵌在各類使用GPS服務的設備中；數據輸出速率默認為9600bps，配合本次設計采用的8位ATMEGA2560，將數據輸出波特率設定為115200bps。該GPS模組冷啟動定位時間為29s，熱啟動定位時間為1s，行駛過程中的搜星定位速度能滿足要求；平均定位精度<2m，該模組還支持A-GPS服務，啟動A-GPS后能獲得更高定位精度。

控制軟件采用MissionPlanner，利用USB線將APM與電腦連接后，通過ArduinoIDE向芯片寫入Rover固件，再經羅盤校準和巡航模式及參數設置后即可使用。

4整車制作及測試

整車制作步驟如下：（1）鋁合金板、ABS板開孔，安裝支撐銅柱，形成整體框架；（2）安裝輪胎、電機、聯軸器、電源、電子調速器；（3）安裝ArduPilot控制板，合理布線，設定

電調油門行程；（4）設置MissionPlanner參數，調試GPS信號試運行。

在整車制作過程中，注意電源及電機安放位置。本設計中，電機及電源總質量為1.3kg，占整車質量的80%以上，布置時應盡量居中安放，避免小車頭尾不平衡，進而在承載時發生傾覆。制作完成后AGV小車整體設計如圖1所示。

AGV小車制作調試完成后在黃山學院校園內進行了自動運送并返回的實測。經現場測試，該AGV小車實際承重可達7.5kg，續航里程8km，空載行進速度1.3m/s，完全以預先規劃路徑進行了物品運送，最終定位點誤差1m左右，取得了預期效果。當在MissionPlanner中選擇記憶模式時，該小車可在規劃路徑上多次自動往返。

5結語

本文將APM自動駕駛系統融入了AGV小車模型的設計中，全文介紹了該小車的機械結構設計、控制系統設計、軟件使用、小車制作等內容，并在最后對實物小車進行了現場測試，測試結果符合預期要求。其定位精度取決于GPS模組精度，若采用更高精度GPS模組，采用差分數據處理方式，在出發點和目標點設置電磁導引、磁帶導引等輔助手段，能進一步提高該小車的定位精度水平，達到工業級運行效果。

[參考文獻]

[1]牛坤.自動導引小車AGV的結構設計及自主移動規劃[D].北京：北京郵電大學，2014.

[2]張曉霞，汪傳龍，韓劉柱，等.AGV用GPS/DR組合導航信息融合[J].沈陽建筑大學學報，2011（1）：173-177.endprint