基于微控制器的AGV系統設計探析

黃岳泉，甄帥

（上汽大眾汽車有限公司儀征分公司，上海 211400）

機器人技術是人類智慧的結晶，引起了國際社會的廣泛關注。各國科研人員廣泛開展了機器人及其技術的研究，并開發了各式各樣的機器人來替代人類完成枯燥、危險的工作，其機器人類型主要包括地面機器人、飛行機器人、水下機器人，以及水陸甚至水陸空等多棲機器人。機器人技術的發展與應用，改變了人們的生活和生產方式，使得人們不僅可以從危險的工作環境中解放出來，而且還能大大提高作業效率，促進生產力的發展。目前，機器人在工業生產中的主要應用領域包括機器人制造、機器人運輸等。AGV即是用于企業物料轉運的一類特殊機器人，是智能制造不可或缺的重要組成部分。隨著市場競爭的日漸激烈，企業紛紛引進AGV技術來替代人工進行物料轉運，這不僅提高了企業的物料轉運速度，節省人力成本，降低了生產制造成本，對提高市場份額具有重要意義。

1 AGV系統模型及其導航方式

1.1 AGV運動模型

通常情況下，AGV為四輪小車，后輪驅動，前輪導向，后兩輪分別由一個直流伺服電機驅動，驅動電機的轉速差可控制AGV進行轉向。AGV的轉向示意圖如圖1所示。

圖1 AGV下車轉向示意圖

假設AGV的左驅動輪轉速為ωl，右驅動輪的轉速為ωr，A點為位于車體上的驅動輪的中心點，則通過驅動輪的轉速可計算出A點的轉向角速度ω以及A點的轉向速度V：

其中，R表示驅動輪的半徑，H表示輪距。

而AGV小車在運行過程中的t時刻，車體中心線與目標航向之間的夾角可以用a表示：

其中，a0表示初始時刻車體的轉彎角度。

于是可得t時刻，車體上A點在2個坐標軸上的速度分量：

t時刻，車體A點的坐標可表示為：

根據式（1）、（2）、（4）、（5）可以得到機器人的運動狀態方程：

1.2 AGV導航模式

AGV導航就是根據目標路徑，對小車進行實時的路徑規劃，從而根據約束條件和目標函數生成一條無碰撞的最優路徑。根據導航信號的獲得方式，可將AGV導航分為磁導航、激光導航、視覺導航等。磁導航是通過在目標路徑上鋪設磁釘、磁條或者在地下埋線等方式，使得AGV小車能夠實時檢測當前位置與目標位置之間的偏差，從而實現AGV小車的控制。磁導航模式的可靠性和精度都較高，但需要對工作場地進行鋪設磁信號發生裝置等改造，增加了系統費用。此外，當工作環境布局改變后，需要重新對導航路徑進行改變或擴充。AGV激光導航是通過激光定位掃描器對周圍環境進行掃描，從而生成工作地圖，如柵格圖等，進而在地圖上實時規劃小車的運動路徑。激光導航定位的精度高，可實時生成工作路徑，以減少運行路線長度和運行時間，提高工作效率。但激光導航對工作環境的要求較高，且制造成本高，當采用多AGV協同作業時，其成本將大幅度增加。視覺導航是利用機器視覺技術，采用攝像頭感知周圍的環境，并實時生成運動路徑的導航模式。隨著機器視覺技術和計算機技術的發展，基于視覺導航的AGV得到了快速發展。AGV視覺導航對計算速度和路徑規劃算法的要求較高。機器視覺實時生成的是局部地圖，需要在算法上保證路徑規劃不至于陷入局部的最優解。

圖2 AGV控制系統

2 基于微控制器的AGV控制系統

控制系統是AGV小車的核心，它關系著整個AGV智能化水平的高低，決定了系統的預定功能能否實現。AGV小車的動作包括：前進、轉向、避障、報警等，這些動作都是在控制系統的協調和監管下完成的。一個良好的控制系統，不僅能夠使得AGV在工作時的能量消耗最少、工作效率最高，而且還應使得系統具有良好的擴展性，方便系統升級改造。由于微控制器具有體積小、能耗和成本低、可擴展性強等優勢，現已成為嵌入式系統開發的核心部件。為此，本文選用ATMEGAl6型微控制器作為AGV小車的控制核心，從而完成各種信息的采集、運算與決策。通過對AGV所擔負功能的分析，設計了如圖2所示的AGV控制系統。其中，光電編碼器模塊是系統用于檢測自身位置的模塊；紅外傳感器和超聲波傳感器是用于避障的模塊；遙操作模塊使得機器人既可按照預先編程的路徑運動，也可以根據遙操作信號來完成指令控制。

運動過程中，目標路徑上可能存在移動或靜止的障礙物，若AGV不能正確識別障礙物、不能判斷移動障礙物的運動意圖，則AGV會與障礙物發生碰撞，從而損壞AGV機體或者對人等移動障礙物造成傷害。因此，障礙物的檢測與判斷對AGV來說至關重要。國內外成熟的AGV產品大多采用紅外傳感器和超聲波傳感器進行障礙檢測。紅外傳感器和超聲波傳感器各有優劣，其中，紅外傳感器的方向性好，但對障礙物的顏色靈敏，一般用作近距離探測；而超聲波傳感器的方向性差，不能提高障礙物的邊界信息。為此，很多AGV以及自主導航機器人均采用上述兩種傳感器來進行障礙物的檢測，實現優勢互補。本文所設計的AGV控制系統就是采用紅外傳感器與超聲波傳感器組合成的避障模塊，紅外傳感器用于近距離障礙物，超聲波傳感器則用于檢測較遠距離的障礙物。

3 結語

AGV的應用可以大大提高企業的生產效率，本文主要介紹了AGV小車的發展現狀，建立了AGV小車的運動學模型，進而對常見的基于磁信號、激光、視覺等導航模式進行了簡要介紹，然后基于微控制器設計了AGV小車的控制系統，并著重介紹了基于紅外傳感器和超聲波傳感器的AGV導航與避障模塊。將AGV應用到企業中，是智能制造發展的大勢所趨。