基于STM 32的磁導航AGV控制系統設計

陜西科技大學 劉 笑 鄭恩讓

0 引言

自動導引車（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV）是指帶有導引裝置（電磁、激光等），能夠沿設定好的路徑行駛，具有自動化搬運功能的運輸車[1]。目前常用的AGV導航方式有：磁導航、激光導航、視覺導航。其中，激光導航依賴于反光板，因此成本很高；視覺導航對所處環境要求很高；而磁導航不僅成本低，且抗干擾能力強，對環境要求較低[2]。

對于國內的應用型AGV來說，大多數采用單片機[3]、可編程控制器（PLC）[4～5]、嵌入式工控機[6]等作為控制器[7]。采用工控機方案，成本過高且穩定性差；采用PLC方案，擴展不方便且難以移植實現調度算法。針對以上問題，本文設計了基于STM 32的磁導航AGV控制系統，該控制系統不僅適應性好、可靠性高，并且價格低廉。經現場實際測試，系統運行穩定可靠。

圖1 AGV小車整體結構Fig.1 The overall structure of AGV trolley

1 AGV基本結構

本文設計的AGV小車整體結構如圖1所示，采用六輪差速驅動結構：前面兩輪為萬向隨動輪，后面兩輪為固定輪，中間兩輪為差速驅動輪。

這樣的結構能夠增強車體的穩定性和載重能力，且驅動輪在車體中間，減小了轉彎半徑，使運動更加靈活。

2 AGV系統總體設計方案

本文設計的AGV控制系統由磁導航模塊、人機交互模塊、安全防護模塊、運動控制模塊、網絡通信模塊等幾部分組成。本系統的的總體設計如圖2所示：

圖2 系統總體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of the system

本方案采用模塊化的思想對AGV系統進行設計，根據AGV自身的特點，考慮到成本和設計難度，采用了基于STM 32的雙MCU結構。其中一個MCU用于路徑識別，另一個MCU用于實現安全防護、人機交互、運動控制與網絡通信等功能。

3 硬件設計

3.1 導航傳感器模塊

考慮到磁敏元件的檢測范圍和靈敏度，本設計采用RM 3100地磁傳感器。與霍爾傳感器相比，RM 3100地磁傳感器分辨率是其10倍，能夠精確的實地測量磁場。本設計中磁傳感器模塊共布置了6個RM 3100地磁傳感器，磁傳感器模塊布置排列如圖3所示：

圖3 磁傳感器布置排列Fig.3 Arrangement of magnetic sensors

AGV在運行的過程中，磁條與傳感器模塊的相對位置會出現4種情況：（1）3、4號磁傳感器信號極強，其他信號依次變弱，則當前磁條處于磁傳感模塊中間，AGV小車直行；（2）1、2、3號信號較強，4、5、6號信號較弱，則認為磁條處于磁傳感模塊左側，AGV小車左轉彎；（3）4、5、6號信號較強，1、2、3號信號較弱，則認為磁條處于磁傳感模塊右側，AGV小車右轉彎；（4）傳感器均檢測不到信號，則認為發生丟線，AGV保持上一次行駛狀態，若AGV丟線達到一定次數，則認為AGV失去導航能力。

3.2 RFID定位模塊

射頻讀卡器的主要功能是通過讀取AGV標簽里所寫的數據來確定AGV的位置，以實現AGV站點停車、特定位置加減速、識別分岔路口等功能。

在分岔路口，磁傳感器模塊可能同一時刻檢測到多塊磁條的存在。為了解決這一問題，本方案事先在射頻設別（RFID）標簽里寫入相應的數據信息，當AGV經過分岔路口時，RFID模塊可輔助磁導航模塊進行路徑識別，選擇正確的道路。

3.3 驅動電機控制模塊

驅動電機控制模塊由控制器（STM 32F103）、執行器（無刷直流電機）、反饋裝置（編碼器）組成，控制器主要負責速度調節。驅動電機控制系統如圖4所示：

圖4 無刷直流電機控制系統框圖Fig.4 Block diagram of Brushless DC motor control system

主控板STM 32F103接收各個模塊傳感器的信號，經過邏輯計算，通過I/O口輸出控制驅動器，驅動器輸出相應的PWM控制信號控制直流無刷電機，同時通過編碼器采集速度信號進行反饋調節。

3.4 工業觸摸屏模塊

本設計中的AGV采用北京大器智成的PS-LCD工業觸摸屏作為人機交互模塊，采用Greatal專業組態式界面設計工具。觸摸屏模塊與STM 32主控板之間采用RS232方式通信，觸摸屏負責信息采集、錄入以及結果的顯示，主控板負責分析計算。工業觸摸屏運行界面如圖5所示：

觸摸屏分為顯示區和手動操作區。顯示區內信息包括：實時電量顯示、讀取當前地標號碼、此臺AGV行駛區域和當前狀態、AGV運行速度與磁導航模塊的尋跡信號；手動操作區分為啟停模塊、驅動模塊、速度設定模塊、方向切換模塊、掛鉤模塊和幫助模塊等。其中掛鉤模塊可設置AGV是否需要托送貨物，方向切換模塊可設置AGV運行方向。

圖5 觸摸屏運行界面圖Fig.5 Touch screen operation interface diagram

3.5 安全防護模塊

AGV車體設有安全防護模塊，主要包括車體前側上方安裝的光學避障傳感器、車體前側下方安裝的物理避障傳感器、車身兩側安裝的紅外對射傳感器、急停按鈕等。當各個傳感器模塊檢測到故障，AGV主控板一方面通過網絡通信模塊報告給上位機軟件供管理人員處理，另一方面進行聲光報警與緊急停車，保護AGV周邊的工作人員與設備。

4 軟件設計

4.1 電機運動PI控制

驅動電機控制系統速度環采用增量式PI控制算法，該算法的可由下式描述：

式(1)中，kp為比例系數，Ti為積分時間常數，u(T)為輸出信號，e(t)為輸入偏差信號，經過離散化的PI表達式為：

式(2)中，k為采樣序列，e(k)為第k時刻的誤差值，令：

則增量式PI表達式為：

PI控制算法不僅考慮了響應的快速性，還消除了穩態誤差，系統控制效果良好。

4.2 上位機監控軟件設計

AGV上位機監控軟件基于VS2013平臺，采用C#技術開發，其運行界面如圖6所示，AGV狀態監控軟件由以下幾部分組成：

（1）啟停部分：該部分位于軟件界面右上方，其中停止按鈕可以緊急停止AGV小車。AGV小車緊急停止之后，必須在上位機上按下啟動按鈕才再次啟動；

（2）AGV基本狀態部分：該部分在啟停模塊下方，包括AGV編號、AGV行駛狀態、在線狀態三個部分。其中AGV編號在AGVs（多個AGV）系統中可以方便選擇查看特定編號的AGV狀態；AGV行駛狀態表示當前AGV狀態是否正常；在線狀態表示AGV是否在線，若該編號AGV不在線，則需調度其他編號AGV完成工作；

（3）AGV位置狀態部分：包括當前地標、當前目標、上一地標。當前地標為當前AGV讀取的RFID標簽號，代表AGV當前所處的位置；當前目標為該編號AGV所要達到的目的地；上一地標為AGV運行時所經過的上一位置；

（4）AGV運行狀態部分：包括運行速度和電量；

（5）手動控制區：包括指定AGV目標和AGV速度2個功能，通過指定AGV目標可以臨時手動改變AGV目的地，通過AGV速度滑動條可以手動調節AGV速度；

（6）地圖顯示區：地圖顯示區可以清楚查看AGV當前所處位置；

（7）系統日志：系統日志區域可以記錄AGV狀態信息，方便管理人員查看。

圖6 上位機監控界面Fig.6 Monitoring interface of upper computer

5 系統測試結果與分析

為測試所設計的AGV控制系統的可行性與穩定性，進行了模擬實驗。在地面上鋪設磁條，將本方案中的六輪式AGV放置于磁條導軌，同時使用RFID標簽卡模擬停車站點，本實驗中AGV及磁條軌跡圖如圖7所示。

本方案中的差速式AGV在實際行駛中，通過調整兩個驅動輪的速度來完成導航與停車功能。本方案測試了不同速度時AGV的導航精度與停車精度，導航精度測試結果如表1所示。

圖7 AGV測試車體與磁條導軌Fig.7 AGV test car body and magnetic slideway

表1 AGV導航定位數據統計Tab.1 AGV navigation and positioning data statistics

在表1（單位為mm）中，編號1代表AGV速度為0.75m/s，編號2代表速度為0.6m/s，編號3代表速度為0.4m/s。通過上表可知，AGV速度越低，穩定性越高。因此AGV在直線軌道時應該加速，拐彎時應適當降低速度以保證其穩定性。

一般情況下，AGV停車精度影響AGV上料精度，因此AGV速度應該盡量低以保證其停車精度，但也需考慮工廠調度節拍，AGV速度不能過慢。因此本方案在停車地標之前設置了一個減速地標用于減速，以此來提高AGV停車精度。AGV停車精度測試結果如表2所示：

表2 AGV停車定位數據統計Tab.1 AGV parking location data statistics

在表2（單位為mm）中，AGV停車精度測試是在勻速0.5m/s，遇到減速地標減速至0.3m/s的條件下進行實驗。在表2中，編號1代表在直線路段停車，編號2代表在彎道停車。通過AGV停車精度測試，可以看出AGV在直線路段停車精度優于彎道。但無論直線路段停車還是彎道停車，其精度均小于10mm，滿足一般工廠的停車定位精度要求。

通過AGV導航精度測試與停車精度測試，表明了本控制系統的穩定性和可行性。

6 結論

本文提出了一種基于STM 32的磁導航AGV控制系統，采用了高性價比的STM 32 F103組成雙MCU架構，路徑識別采用RM 3100地磁傳感器組成AGV傳感器組，配合RFID讀卡器完成AGV尋跡功能，運動控制采用增量式PI算法實現AGV直流無刷電機的控制，采用RS232通信實現AGV與工業觸摸屏的通信，實現人機交互功能，同時設計了基于C#的上位機監控軟件，方便管理人員管理。系統功能模塊化分工明確，整個控制系統簡單易行，經現場實際測試，系統運行穩定可靠。

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