基于MC9S12XS128的電磁引導(dǎo)式智能循跡物流車

張攀博　閆明輝　王剛　王云鳳　吳彥春

【摘要】工業(yè)4.0體系下，工廠需要實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，需要將零件智能配送至各個工位。因此，我們的智能循跡物流車應(yīng)運而生。它由微處理器模塊、電磁傳感器模塊、電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機模塊、超聲波停車模塊、上位機模塊組成。多路徑選擇算法可以根據(jù)技術(shù)人員所輸入的加工工序，自動生成行進路線，并在電磁循跡算法識別到岔路口后，控制物流車轉(zhuǎn)向。最終達到將不同的零件按照技術(shù)人員指定的加工工序，智能配送至各個工位的目的，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0；柔性生產(chǎn)；電磁循跡；多路徑選擇；智能配送

1、研究背景及研究意義

1.1研究背景

繼德國的“工業(yè)4.0”推出之后，“中國制造2025”的既定方略也公布于眾。而我國的制造業(yè)多為勞動密集型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別對于間歇流水線，產(chǎn)品會出現(xiàn)在工序時間較長的工作地上等待加工和工序時間較短的工作地的負荷不充分的現(xiàn)象。除此之外，與工業(yè)3.0的流水線只能大批量生產(chǎn)的剛性生產(chǎn)模式所不同的是，“工業(yè)4.0”流水線要求可以實現(xiàn)小批量、多批次生產(chǎn)，最小的批量可以達到一件，也就是說，可以為消費者量身定制孤版商品，即柔性生產(chǎn)模式。柔性生產(chǎn)的精髓在于實現(xiàn)彈性生產(chǎn)，提高企業(yè)的應(yīng)變能力，不斷滿足用戶的需求。這就使得產(chǎn)品的生產(chǎn)工序不再是一成不變的，需要根據(jù)不同的訂單采用不同的生產(chǎn)工序。這樣，生產(chǎn)線上的各個工位之間就會有不同的組合，需要應(yīng)變性和準確性良好的智能運輸設(shè)備在各工位之間智能配送生產(chǎn)零件。

1.2研究意義

為了解決企業(yè)在生產(chǎn)零件智能配送過程中所面臨的各種問題，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)高度智能化、自動化、柔性化，我們設(shè)計了一種基于MC9S12XS128的電磁引導(dǎo)式智能循跡物流車。這種物流車針對工業(yè)4.0生產(chǎn)體系下，不同工位之間的生產(chǎn)零件在配送時，小車運行路線的選擇與尋跡問題。它能夠在上位機多路徑選擇系統(tǒng)的監(jiān)控下，在岔路口選擇正確的方向，沿著預(yù)先鋪設(shè)的電線軌道網(wǎng)格運動。當(dāng)工廠因市場變化而改變生產(chǎn)線時，只需要將電線重新鋪設(shè)即可。不僅提高了整個車間系統(tǒng)的運作效率、服務(wù)質(zhì)量，降低了成本，而且提升了企業(yè)核心競爭力和經(jīng)濟效益。并且該電磁引導(dǎo)式循跡物流車占地面積小，方便美觀，提高了企業(yè)的形象。

2、系統(tǒng)設(shè)計

2.1車間電磁網(wǎng)格引導(dǎo)線

我們鋪設(shè)了如圖2.1.1所示的模擬車間場地，用來對所制作的智能循跡物流車進行測試。白色道路中心鋪有電磁引導(dǎo)線，形成直道、直角彎、丁字彎和十字彎四種道路情況。電磁引導(dǎo)線為直徑為0.1-1.0mm漆包線，其中通有20kHz，100mA的交變電流，頻率范圍20k±1k，電流為100±20mA，因此，在電磁引導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場。物流車的電磁傳感器根據(jù)檢測到的磁場信號判斷物流車的位置。加工所需要的機床分散在電磁引導(dǎo)線兩側(cè)，當(dāng)物流車接近目標地點后即打開超聲波測距模塊，當(dāng)物流車距離機床達到設(shè)定距離時，即停車卸下零件。

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本物流車能夠根據(jù)工藝人員在上位機端設(shè)定的生產(chǎn)工序，自動生成行進路線，將零件配送至指定工位，實現(xiàn)預(yù)定的生產(chǎn)工序，從而形成一條柔性的生產(chǎn)線。即在不改變車間構(gòu)造的前提下，只需根據(jù)不同的產(chǎn)品需求，設(shè)定不同的生產(chǎn)工序，零件即可在物流車的配送下到達各個工位完成加工，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

智能循跡物流車主要由機械系統(tǒng)、微處理器模塊、電磁傳感器模塊、電源管理模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機模塊、超聲波停車模塊、上位機模塊組成。本系統(tǒng)以MC9S12XS128MAL芯片為主控制器，利用電磁傳感器識別路徑信息和判斷是否到達岔路口。微處理器根據(jù)電磁傳感器所采集到的信號，控制行車電機轉(zhuǎn)動和舵機打角實現(xiàn)物流車的電磁循跡和多路徑選擇。

3、硬件設(shè)計

3.1微處理器模塊

單片機MC9S12XS128擁有128K的Flash程序空間、8通道24位中斷定時器、8通道16位定時器、8通道PWM波輸出和8通道12位精度的AD轉(zhuǎn)換器；同時集成CAN、SPI、SCI和UART等通信接口；使用16M外部晶振，通過鎖相環(huán)最高可倍頻至96M；最小系統(tǒng)包括外部晶振、復(fù)位電路及BDM調(diào)試接口電路等。

3.2電磁傳感器

傳感器是物流車最重要的模塊之一，能夠?qū)ψ兓拇艌鲂盘栕鞒鲮`敏的檢測，對道路狀況的檢測起著至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)根據(jù)LC諧振的原理，選取10mH電感和6.8nF電容作為LC諧振電路，產(chǎn)生感應(yīng)電流，再通過濾波、放大、檢波，然后將結(jié)果送入單片機進行AD處理，以判斷道路當(dāng)前信息。傳感器放大電路原理圖如圖3.2.1所示。

3.3電機驅(qū)動模塊

電機采用BTN7960高強度電流半橋電機驅(qū)動芯片。我們利用兩片BTN7960構(gòu)成一個完整的全橋驅(qū)動，可以很好地實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和剎車制動。電機驅(qū)動電路原理圖如圖3.3.1所示。

3.4舵機模塊

舵機用NCP3020進行供電，通過調(diào)整，使用6V的電源給舵機供電。較高的電壓可以提高舵機的響應(yīng)速度，但過高電壓容易導(dǎo)致舵機工作不穩(wěn)定。舵機電源的穩(wěn)壓電路原理圖如圖3.4.1所示。

4、軟件實現(xiàn)

4.1路徑生成算法

該算法可以根據(jù)物流車當(dāng)前位置和目標位置自動生成物流車的行進路徑，屬于路徑規(guī)劃一類的問題。如圖4.1.1所示為模擬車間場地坐標處理，圖中的直線表示模擬車間場地中的電磁引導(dǎo)線，圖中方框表示道路兩側(cè)的機床。為了便于計算機表示和運算，將模擬車間場地中的位置以坐標的形式表示出來，將交點和拐角處的坐標設(shè)為偶數(shù)點，從而可以將機床處的點以整數(shù)的形式表示出來，避免使用浮點型數(shù)據(jù)，節(jié)省內(nèi)存空間，降低運算量。

建立坐標后，可以較為簡單地找出兩點間最短的路徑。雖然循跡物流車采用的是舵機控制前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，因而難以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向180°，增大了路徑規(guī)劃的難度，但是我們的算法仍然可以在不能原地轉(zhuǎn)向180°的情況下生成最優(yōu)路徑。

規(guī)劃路徑時采用模擬運行的方式，即先獲取當(dāng)前坐標和目標坐標，模擬運行，每次改變模擬當(dāng)前坐標值，并記錄每次模擬運行的相應(yīng)轉(zhuǎn)向指令，直到模擬運行的物流車到達目標坐標，即模擬當(dāng)前坐標值和目標坐標值重合時，路徑規(guī)劃完成，物流車按照模擬運行所得到的轉(zhuǎn)向指令運行。具體步驟如下：

步驟1：首先檢測模擬當(dāng)前坐標值是否和目標坐標重合，如重合，輸出轉(zhuǎn)向指令，若不重合，檢測當(dāng)前方向是否在目標坐標相對于模擬當(dāng)前坐標值的方向上，如不在正確的方向，則采用步驟2嘗試將物流車調(diào)整到正確的方向上。

步驟2：由于物流車可能處于直線部分，不能進行方向調(diào)整操作，處于這樣的狀況下，則優(yōu)先將物流車向前移動一步，使物流車處于能夠調(diào)整方向的情況下。當(dāng)物流車能夠調(diào)整方向時，首先嘗試將物流車的方向調(diào)整到目標坐標相對于模擬當(dāng)前坐標值的方向上。若目標坐標相對于模擬當(dāng)前坐標值的方向恰好處于物流車的后方，而物流車不能進行原地180°換向，需采用步驟3通過自由換向的方式解決這一問題。

步驟3：判斷物流車的位置，檢測物流車的死區(qū)（不能前進的方向），具體是采用模擬的方式進行死區(qū)檢測，即：若物流車轉(zhuǎn)向這個方向是否會形成死區(qū)，由于死區(qū)全部集中在道路的外圍，所以僅僅需要對道路外圍檢測即可。在得出死區(qū)后，將物流車轉(zhuǎn)向死區(qū)以外的方向，由于在任意一個結(jié)點處，物流車最多只能向兩個方向轉(zhuǎn)向，所以排除死區(qū)后通常只剩下一個方向，若沒有死區(qū)，則按照算法中設(shè)定的優(yōu)先級轉(zhuǎn)向優(yōu)先級較高的方向。

重復(fù)以上步驟1、步驟2、步驟3，直到模擬當(dāng)前坐標值與目標位置的坐標重合，此時整個計算過程結(jié)束，將每個步驟生成的轉(zhuǎn)向指令輸出，得到最終的路徑。路徑生成算法的具體流程如圖4.1.2所示：

下面以物流車從坐標（0，3），方向向上，到坐標（0，1）的路徑為例說明該算法：

物流車位于（0，3），方向向Y軸正方向，目標為（0，1），正確的方向應(yīng)當(dāng)是向Y軸負方向。由于物流車處于直線部分，不能進行轉(zhuǎn)向，根據(jù)步驟2，物流車應(yīng)向Y軸正方向運動，模擬當(dāng)前坐標值更新為（0，4），可以進行轉(zhuǎn)向，但左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)均不能轉(zhuǎn)至正確的方向，根據(jù)步驟3，算法找出左轉(zhuǎn)為死區(qū)，所以右轉(zhuǎn)并前進至下一信號點，模擬當(dāng)前坐標值更新為（2，4）。此時，正確的方向為向Y軸負方向或向X軸負方向，當(dāng)前位置可以轉(zhuǎn)至Y軸負方向，所以，根據(jù)步驟2，物流車右轉(zhuǎn)向Y軸負方向。此時，方向朝Y軸負方向，在正確的方向上，可以前進，模擬當(dāng)前坐標值更新為（2，2），此時依舊在正確的方向上，繼續(xù)前進，模擬當(dāng)前坐標值更新為（2，0）。正確方向為向X軸負方向或向Y軸正方向，可以右轉(zhuǎn)至X軸負方向。此時在正確的方向上前進，模擬當(dāng)前坐標值更新為（0，0）。正確方向為Y軸正方向，可以右轉(zhuǎn)至Y軸正方向，再前進一格，模擬當(dāng)前坐標值更新為（0，1）。此時，模擬當(dāng)前坐標值與目標坐標重合，路徑計算完成，輸出每一步得到的轉(zhuǎn)向指令，物流車即按照得到的轉(zhuǎn)向指令進行運動到達目標地點。

實際生產(chǎn)中，工廠技術(shù)人員根據(jù)個性化定制的生產(chǎn)工序，將一系列的目標地點輸入系統(tǒng)，物流車即可自動生成一系列的動作指令，引導(dǎo)物流車到達一個個目標地點，完成零件的配送。并且，本程序中采用隊列的形式存儲目標地點，同時不斷更新模擬當(dāng)前坐標值，由于采用鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目標坐標點更新速度快，存儲量大，在內(nèi)存允許的前提下，理論上可以存儲無限多的目標點，且目標點的數(shù)量不會影響程序執(zhí)行的速度。這使得本物流車可以勝任工廠非常復(fù)雜的生產(chǎn)工序。

5、總結(jié)與展望

本智能循跡物流車不僅能夠根據(jù)柔性生產(chǎn)的要求，在車間硬件結(jié)構(gòu)不變的情況下，將零件智能配送至各工位，實現(xiàn)企業(yè)在工業(yè)4.0體系下“按需生產(chǎn)，個性定制”的發(fā)展目標。并且，在“中國制造2025”既定方略的影響下，未來用于物流行業(yè)的智能車輛將向著更加智能化和自主化發(fā)展，在企業(yè)中的需求也必然非常強烈。因此，本智能循跡物流車的研究具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

參考文獻

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作者簡介

張攀博（1995-10）、男、漢族、河南省洛陽市、武漢理工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)。

通訊作者：吳彥春

基金項目

武漢理工大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃論文

項目編號： 20151049704011