基于紅外傳感器引導(dǎo)的AGV設(shè)計(jì)

1 引言

　　自動導(dǎo)引車(AGV-Automated Guided Vehicle)是現(xiàn)代制造企業(yè)及物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備，是一種以微控制處理器為核心，以蓄電池為動力，裝有非接觸導(dǎo)向裝置的無人駕駛自動導(dǎo)向運(yùn)載車。它可以按照監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的命令，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序，依照車載傳感器確定的位置信息，沿著規(guī)定的行駛路線和停靠位置自動駕駛。AGV具有運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可靠、無公害、柔性輸送等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。從超級市場、車間擴(kuò)展到大型自動化倉庫、醫(yī)院及配送中心，AGV成為工業(yè)自動化的主要標(biāo)志之一。本文利用縮小比例的模型車模擬實(shí)際生產(chǎn)線上的AGV，并采用紅外傳感器技術(shù)引導(dǎo)AGV移動。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1整體設(shè)計(jì)

　　自動導(dǎo)引車包括車體、控制器、傳感器和動力裝置等4部分。其中，車體采用縮小比例的200 mm×300 mm、帶有差速器的后輪驅(qū)動模型車模擬?？刂破魇且詥纹瑱C(jī)MC9S12DG128為核心，配合車體上的傳感器和動力裝置以控制AGV穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器由測向的紅外傳感器和測速的霍爾傳感器組成。動力裝置是由蓄電池驅(qū)動的直流電機(jī)和舵機(jī)構(gòu)成，分別控制速度和轉(zhuǎn)向。這4部分配以相應(yīng)的驅(qū)動電路，能自主識別路徑，控制模型車穩(wěn)定運(yùn)行。AGV模型車如圖1所示。

　　AGV與MCU可以看成一個(gè)自動控制系統(tǒng)，是由傳感器、信息處理、控制算法、執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分組成。其硬件部分是以單片機(jī)為核心，配有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動電路構(gòu)成控制系統(tǒng)；信息處理與控制算法則由控制軟件完成。圖2所示是硬件系統(tǒng)電路框圖。

2.2 MCU介紹

　　AGV采用MC9S12DGl28作為系統(tǒng)控制器，該器件內(nèi)置128 KB的Flash、8 KB的RAM、2 KB的EEPROM，8個(gè)輸人捕捉和輸出比較通道，2個(gè)8位或16位脈沖累加器，8路PWM波產(chǎn)生通道，8路10位ADC通道或16路8位ADC通道，2個(gè)SCI、SPI通信接口，80～112個(gè)可編程I／O端口。

2.3電源模塊

　　AGV模型車的動力由7.2 V，2 A／h蓄電池提供。由于電路中的不同模塊所需的工作電壓、電流各不相同，因此需要多個(gè)穩(wěn)壓電路將電池電壓轉(zhuǎn)化為各模塊所需電壓。LM7805是串聯(lián)穩(wěn)壓器，輸出電壓為5 V，主要為單片機(jī)、紅外傳感器、速度傳感器及部分接口電路提供電源。而LM1117-ADJ輸出為2.85 V～6 V可調(diào)穩(wěn)壓電源．通過電位器調(diào)節(jié)至6 V電壓為舵機(jī)供電。蓄電池7.2 V電源直接為ACV模型車后輪電機(jī)供電。

2.4速度檢測模塊

　　速度傳感器使用CS3020型霍爾元件。霍爾元件使用方便，只需一只上拉電阻將輸出接至電源即可正常工作。在輪胎內(nèi)側(cè)粘上4個(gè)磁鋼，在磁鋼正對方向選擇合適地方固定霍爾元件。當(dāng)輪胎每轉(zhuǎn)動一圈，霍爾元件輸出4個(gè)信號，輪胎周長為17 cm，所以每兩個(gè)信號時(shí)間差為T，AGV行駛4.25 cm。通過測量T，計(jì)算AGV的速度V=4.5 cm／T。

2.5紅外檢測模塊

　　AGV模型車的引導(dǎo)方式為超聲波引導(dǎo)、電磁感應(yīng)引導(dǎo)、圖像識別引導(dǎo)、慣性導(dǎo)航、紅外傳感器引導(dǎo)等。由于紅外傳感器使用方便、價(jià)格低廉、引導(dǎo)精確、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外傳感器技術(shù)引導(dǎo)AGV模型車行駛。選用發(fā)射功率大、接收靈敏度高的紅外傳感器是保證紅外檢測電路可靠工作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的紅外傳感器選用反射式光電管TSL600。如圖3所示，右邊是紅外發(fā)光二極管和紅外接收三極管，其中，VCC為+5 V，而R1=510 Ω和R2=20 kΩ為限流電阻，OUT為輸出信號。紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光根據(jù)反射介質(zhì)色彩的深淺反射到接收三極管的光量不同。接收三極管是一種光敏三極管，接收到的光量越多，輸出的電流越大。本設(shè)計(jì)在AGV模型車前10 cm處橫向安裝7對紅外傳感器，AGV中軸方向上安裝1對，中軸左、右兩側(cè)各安裝3對。根據(jù)7對傳感器輸出的信號，判斷黑色引導(dǎo)線和AGV模型車的位置關(guān)系，為引導(dǎo)轉(zhuǎn)向提供可靠的數(shù)據(jù)。紅外接收管接收道路反射的紅外光產(chǎn)生變化的電壓，反映賽道中心線的位置。紅外傳感器輸出量為模擬量，通過MCU的ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不僅簡化外部電路設(shè)計(jì)，同時(shí)保留紅外接收管的連續(xù)變化電壓信息，通過軟件算法得到更精確的位置信息并消除環(huán)境光線的影響。MC9S12DG128有8路10位ADC或16路8位ADC，考慮到8位有效值已滿足系統(tǒng)精度要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用16路8位ADC中的7路通道。

2.6驅(qū)動控制模塊

　　電機(jī)啟動采用PC33886作為驅(qū)動器，驅(qū)動電路原理如圖3左邊部分所示。MCU產(chǎn)生的PWM3通過IN1引腳輸入，以調(diào)節(jié)PC33886的OUT1端口的輸出電壓，并且IN2接地使OUT2輸出為0，使得OUT1和OUT2之間產(chǎn)生一個(gè)壓差，MCU通過改變PWM3的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1控制算法

　　在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制的PID控制算法獲得了廣泛的應(yīng)用。這種數(shù)字PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，適應(yīng)性強(qiáng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用增量式數(shù)字PID控制算法，通過PWM調(diào)速直流電機(jī)。

3.2程序流程

　　該系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)首先初始化設(shè)備，然后進(jìn)人參數(shù)修改程序，參數(shù)設(shè)定完畢后打開中斷，最后循環(huán)執(zhí)行位置速度控制程序。

4 結(jié)束語

　　實(shí)驗(yàn)是在5 000 min×6 000 mm的區(qū)域內(nèi)搭建U型行駛道路中進(jìn)行，路中央劃有20 mm寬的黑色引導(dǎo)線。正常情況下，給定AGV模型車的速度上限為1 m／s，AGV平穩(wěn)行駛在引導(dǎo)線上，從出發(fā)點(diǎn)開始，到識別出終點(diǎn)并停車，全程共耗時(shí)22 s；給定AGV模型車速度上限為1.5 m／s時(shí)，AGV比較平穩(wěn)地行駛在引導(dǎo)線上，全程共耗時(shí)16 s；給定AGV模型車速度上限為2 m／s時(shí)，AGV行駛不穩(wěn)定，在拐彎處有時(shí)會沖出引導(dǎo)線，全程共耗時(shí)12 s。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，AGV穩(wěn)定工作的平均速度為1 m／s。AGV不是競速車輛，工業(yè)現(xiàn)場一般以穩(wěn)定、安全為主要考慮因素，所以本設(shè)計(jì)的模型車在穩(wěn)定方面完全符合AGV車的規(guī)范，達(dá)到了自主引導(dǎo)、運(yùn)輸效率高、節(jié)能、工作可靠、無公害等要求。