引言

AGV系統(tǒng)在當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)（FMS）和自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。AGV具有適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)［1］。

AGV的導(dǎo)航方式主要有激光導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航、磁導(dǎo)航等，本文主要針對(duì)磁導(dǎo)航方式的AGV進(jìn)行深入探討，磁導(dǎo)航AGV主要是基于磁導(dǎo)航傳感器感應(yīng)貼在路面上的磁條進(jìn)行路徑跟蹤并完成其自主行駛的功能。

磁導(dǎo)航傳感器通過(guò)檢測(cè)鋪設(shè)在地面上的磁條來(lái)判斷AGV與目標(biāo)路徑的偏差，然后輸出電壓模擬量［2］。對(duì)于磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，為更好地滿足通用性需求，需要對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器的組成單元進(jìn)行總結(jié)和歸納，并且結(jié)合實(shí)際需求，找出共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，為磁導(dǎo)航AGV通用驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)找到突破口。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動(dòng)器的組成有了一個(gè)總體認(rèn)識(shí)，主要包括單片機(jī)單元、供電單元、手動(dòng)控制單元、聲光報(bào)警單元、站點(diǎn)識(shí)別單元、工位檢測(cè)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、CAN總線單元、避障單元、磁導(dǎo)航單元、姿態(tài)反饋單元、通信單元、安全輔助單元等 ［35］。

1 驅(qū)動(dòng)器硬件電路設(shè)計(jì)

在對(duì)磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動(dòng)器的組成單元進(jìn)行分析之后，本文提出了一種基于STM32F103芯片為控制核心的通用驅(qū)動(dòng)器，它包含以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、電源模塊、DI/DO模塊、RFID讀寫模塊、DAC輸出模塊、ADC采集模塊、CAN總線通信模塊、高速編碼器，安全模塊以及串口通信模塊，這些模塊與磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動(dòng)器的組成單元之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

由表1可以看出，提出的通用驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案可以滿足磁導(dǎo)航AGV對(duì)主要組成單元的需求。該驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)以及采集相應(yīng)的速度，還可同時(shí)采集兩路磁條傳感器輸出的模擬電壓，對(duì)于執(zhí)行復(fù)雜功能的AGV而言，可以增加驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量以滿足要求，各驅(qū)動(dòng)器之間可以通過(guò)CAN總線保持動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，共同完成指定的動(dòng)作。

各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的功能和作用，各司其職，互相配合，完成指定的功能。各模塊的主要作用如表2所列。

1.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32作為控制芯片，此芯片基于ARM CortexM3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。另外，此芯片的可移植性很好，并有許多官方函數(shù)庫(kù)可以直接調(diào)用，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。STM32F103系列有80個(gè)可以自由操控的芯片引腳，為通用驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了良好的條件。此驅(qū)動(dòng)器采用模塊化設(shè)計(jì)，有利于驅(qū)動(dòng)器功能擴(kuò)展和升級(jí)。本驅(qū)動(dòng)器控制板是由STM32F103的最小系統(tǒng)、電源電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、復(fù)位電路、用戶LED和按鍵電路、串口電路等組成。

1.2 電源模塊

AGV大多數(shù)通過(guò)鉛酸蓄電池供電，通過(guò)將小電壓大容量的鉛蓄電池串聯(lián)起來(lái)就可以構(gòu)成高電壓大容量的電池組，通常所用電池組為24 V，因此通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片將24 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓，再將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為STM32芯片、MAX3232等供電。電路中需要加入多組電容，用于消除低頻和高頻的電源波動(dòng)。

1.3 DI/DO模塊

手動(dòng)操作器和必要的輸入/輸出信號(hào)需要多路DI/DO，因此本驅(qū)動(dòng)器引出了多達(dá)16路的數(shù)字量輸入和16路的數(shù)字量輸出，輸入和輸出電壓為24 V。為了消除外界對(duì)驅(qū)動(dòng)板的影響，在信號(hào)輸入部分采用光電耦合器進(jìn)行隔離，由于電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，可以達(dá)到良好的電絕緣能力和抗干擾能力；在信號(hào)輸出部分采用繼電器控制輸出24 V，并達(dá)到物理隔離的效果。根據(jù)光電耦合器的二極管允許壓降1.15 V和允許電流10 mA，可以計(jì)算出輸入端接入的電阻阻值，公式為：

依據(jù)標(biāo)稱電阻表選擇電阻的阻值為2.2 kΩ。

1.4 CAN總線模塊

由于高性能、高可靠性、及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）越來(lái)越受到人們的重視。它可以多主站方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；通信方式靈活，可以添加多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)。本驅(qū)動(dòng)器中STM32自帶有CAN控制器，只需要接入一個(gè)CAN收發(fā)器即可完成CAN模塊的設(shè)計(jì)。

1.5 DAC模塊

DAC模塊主要用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型有關(guān)，電機(jī)的控制需要輸入0~10 V的模擬量來(lái)控制電機(jī)的速度，電機(jī)速度的可調(diào)節(jié)范圍是70～4 096 rpm，因此DAC輸出的電壓和電機(jī)速度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下所示：

其中，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小（單位為r/min），U為DAC輸出的電壓大?。▎挝粸?V）。

為了能夠更好地控制電機(jī)，需要輸出的電壓穩(wěn)定且有一定的驅(qū)動(dòng)能力，由此在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片把24 V轉(zhuǎn)換為±12 V，再將產(chǎn)生的+12 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V模擬量，最后將5 V轉(zhuǎn)換為+1.25 V和+2.5 V的標(biāo)準(zhǔn)參考電壓，其中+2.5 V的參考電壓接入STM32的 VREF+引腳，作為DAC和ADC的參考電壓。

由于芯片輸出的DAC模擬量的帶負(fù)載能力較弱且電壓輸出范圍只有0~2.5 V，因此，加入運(yùn)算放大器以提高帶負(fù)載能力，在參考電壓+1.25 V的參考下，將0~2.5 V的輸出范圍變?yōu)?1.25~+1.25 V的輸出范圍，再放大8倍即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求的0~+10 V的輸出范圍。

放大倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器外圍電路中的4個(gè)電阻的阻值來(lái)改變，另外在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到電阻阻值的不精確，用可調(diào)電阻替換其中一個(gè)電阻，最后調(diào)試PCB板時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)可調(diào)電阻，使輸出電壓可以達(dá)到10 V。

1.6 ADC模塊

磁導(dǎo)航AG V中的磁條傳感器輸出來(lái)的偏差信號(hào)是通過(guò)電壓反映出來(lái)的，具體的比例關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出偏差與傳感器輸出的電壓在一定范圍內(nèi)成正比，GATE用于指示傳感器是否在磁條上。ADC的參考電壓為+2.5 V，傳感器輸出電壓范圍是0~+10 V，采用電阻分壓的方法將0~10 V變?yōu)?~2.5 V，將測(cè)量范圍擴(kuò)大4倍，如果想改變測(cè)量范圍，可以改變分壓電阻的阻值。

1.7 高速編碼器模塊

高速編碼器主要依靠STM32上的高速計(jì)時(shí)器來(lái)完成，采集電機(jī)輸出來(lái)的脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度值，可以和DAC形成一個(gè)速度閉環(huán)控制。另外，對(duì)實(shí)時(shí)速度在時(shí)間上積分就可以得到行走的距離，對(duì)AGV的實(shí)時(shí)控制和顯示有用。脈沖信號(hào)和速度的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小（單位為r/min），tp為高速編碼器采集到的信號(hào)高電平的時(shí)間（單位為μs）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，編譯器采用IAR 5.3，底層驅(qū)動(dòng)器軟件控制流程如圖2所示，中斷流程如圖3所示。

程序采用模塊化編程，將各個(gè)模塊分別寫到不同的子函數(shù)中，這樣便于調(diào)試、移植和修改。本文采用中斷模式來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)AGV各項(xiàng)功能，中斷模式中的中斷優(yōu)先級(jí)根據(jù)任務(wù)的重要程度來(lái)確定，緊急信號(hào)中斷的優(yōu)先級(jí)最高，CAN總線和串口中斷次之，定時(shí)器4的中斷優(yōu)先級(jí)最低。定時(shí)器4每隔50 ms溢出一次，整個(gè)程序執(zhí)行一次，執(zhí)行的過(guò)程中讀取磁條傳感器狀態(tài)值，確定當(dāng)前的偏差，根據(jù)糾偏算法控制AGV車的運(yùn)行狀態(tài)。在糾偏算法中，根據(jù)不同的車型、不同的傳感器位置，建立不同的控制模型，進(jìn)而更好地控制AGV按照設(shè)定好的路線行進(jìn)。

對(duì)于不同功能的AGV，軟件控制也不相同，上文中的控制流程圖只針對(duì)一種車型，對(duì)其他車型，控制方式只需加入相應(yīng)功能的程序模塊即可。

3 試驗(yàn)測(cè)試

該通用驅(qū)動(dòng)器目前已在3種車型上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，這3種車型分別是：差速AGV、單舵輪AGV叉車和雙轉(zhuǎn)向架全向AGV，實(shí)物圖如圖4所示。前兩種AGV車只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，雙轉(zhuǎn)向架全向AGV車則需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制，根據(jù)不同AVG建立不同的數(shù)學(xué)模型［6］，完成試驗(yàn)。

為了測(cè)試硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是否合理，鋪設(shè)了一段環(huán)形磁條測(cè)試三種AGV，測(cè)試的路徑示意圖如圖5所示。圖5中1、2、3、4處分別放置編號(hào)為1、2、3、4的RFID標(biāo)簽。

測(cè)試過(guò)程如下：

① 將AGV置為手動(dòng)模式，通過(guò)手操器控制AGV運(yùn)動(dòng)，能夠快速地完成指定的動(dòng)作。

② 將AGV置為自動(dòng)模式，AGV沿著鋪設(shè)的軌跡行走，完成在指定點(diǎn)處執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

③ 在自動(dòng)模式下，按下急停按鈕，保證車在緊急狀態(tài)下停止運(yùn)行。

④ 在自動(dòng)模式下，在軌跡上放上雜物，AGV在接觸到物品時(shí)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，3種AGV車都可以沿著鋪設(shè)的磁條穩(wěn)定行進(jìn)，并在指定的工位執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基本功能。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)航AGV通用驅(qū)動(dòng)器采用STM32F103作為主控芯片實(shí)現(xiàn)AGV基本功能，在3種車型上能夠穩(wěn)定地工作，實(shí)現(xiàn)基本功能，并且模塊化設(shè)計(jì)給硬件調(diào)試和檢測(cè)提供了很大的方便，可擴(kuò)展性很高。后期可以根據(jù)功能的需求增加或刪減相應(yīng)的模塊，從而降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

編輯：jq