基于ArduPilot評(píng)臺(tái)的AGV物流車(chē)設(shè)計(jì)

吳承偉+陳明

摘要：文章提出一種將ArduPilot自動(dòng)駕駛系統(tǒng)融入AGV小車(chē)的設(shè)計(jì)思路。本設(shè)計(jì)利用Atmega2560作為主控芯片，高精度UBloxGPS模塊作為戶(hù)夕卜路徑導(dǎo)引。自組12V鋰電池電源提供動(dòng)力。小車(chē)底盤(pán)后置有刷電機(jī)，由電子調(diào)速器進(jìn)行同步控制，并利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向。整車(chē)設(shè)計(jì)制作完成后經(jīng)測(cè)試，具備較好導(dǎo)向性和定位精度，適合戶(hù)外遠(yuǎn)距離自動(dòng)運(yùn)輸。

關(guān)鍵詞：AGV；ArduPilot；GPS導(dǎo)引；Atmega單片機(jī)

1AGV小車(chē)概述

在現(xiàn)代物流業(yè)中，自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛（AutomatedGuidedVehicle，AGV）被廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸中。其是一種由計(jì)算機(jī)和局域網(wǎng)控制，經(jīng)導(dǎo)航裝置導(dǎo)引并沿程序預(yù)定路徑自動(dòng)運(yùn)行，載運(yùn)物品或牽引載貨車(chē)至指定地點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)的無(wú)人駕駛輸送設(shè)備。

AGV小車(chē)的導(dǎo)引方式不僅決定了物流系統(tǒng)的柔性程度，也影響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。目前，常見(jiàn)的導(dǎo)引方式有電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、激光導(dǎo)引、慣性導(dǎo)引、視覺(jué)導(dǎo)引、GPS系統(tǒng)導(dǎo)引等。其中，電磁與磁帶導(dǎo)引受外界因素干擾大，不適于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸；光學(xué)導(dǎo)引對(duì)周?chē)h(huán)境要求高，可靠性較差；激光導(dǎo)引精度較高，但對(duì)天氣條件要求較高，不適合戶(hù)外使用；慣性導(dǎo)引的精度取決于陀螺儀精度，制造成本高；視覺(jué)導(dǎo)引方式也是目前極力推廣的方式之一，目前階段由于系統(tǒng)復(fù)雜，成本過(guò)高，且受圖像傳感器精度影響較大，并未廣泛采用。本文所介紹的基于GPS系統(tǒng)的導(dǎo)引方式主要用于遠(yuǎn)距離跟蹤和導(dǎo)引，其導(dǎo)引數(shù)據(jù)經(jīng)差分處理后具備較高精度，能滿(mǎn)足一般物流所需，更適合戶(hù)外遠(yuǎn)距離大型物品運(yùn)送[1]。

默加分析飛行儀（ArduPilotMega，APM）是市面上最強(qiáng)大的開(kāi)源自動(dòng)駕駛儀，該系統(tǒng)一般用于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)駕駛中，亦可植入地面裝置中使用；APM與地面站相配合，使用一套全雙工的無(wú)線傳輸系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸鏈，即可形成功能強(qiáng)大的自動(dòng)導(dǎo)引控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中的地面站采用了MissionPlanner操控平臺(tái)，支持上百個(gè)三維路徑點(diǎn)的自主設(shè)置，通過(guò)MAVLmk協(xié)議，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙向遙測(cè)和實(shí)時(shí)命令傳輸。

本次設(shè)計(jì)要求：（1）具備手動(dòng)控制功能，小車(chē)可在規(guī)定范圍內(nèi)任意行駛；（2）具備自動(dòng)控制能力，戶(hù)外借助谷歌地圖，依靠GPS預(yù)設(shè)軌跡自導(dǎo)引行駛；（3）擁有學(xué)習(xí)控制功能，戶(hù)外讓小車(chē)依程序任意設(shè)置軌跡駕駛一次，后續(xù)記憶該軌跡，并多次自動(dòng)往返；⑷小車(chē)具備左、右轉(zhuǎn)彎，直走，倒退，剎車(chē)等基本功能；（5）模型車(chē)要求負(fù)重：5kg以上，續(xù)航里程5km以上。

2AGV小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)在整車(chē)設(shè)計(jì)中占重要地位。需要依次確定車(chē)架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力源及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。

2.1車(chē)架設(shè)計(jì)

車(chē)架用于支承小車(chē)其余零部件，其整體強(qiáng)度和剛度需滿(mǎn)足載重要求及承受汽車(chē)運(yùn)行時(shí)由加速度所引起的外載荷；且設(shè)計(jì)時(shí)需盡量降低小車(chē)重心，避免在裝載較高物體時(shí)引起傾翻。

綜上考慮，以200mm×300mm×2mml呂合金板和20mm×20mm×300mm（厚度2mm）L型角錯(cuò)作為主體框架材料用于加工制作小車(chē)底盤(pán)；200mm×300mm×3mm優(yōu)質(zhì)ABS板作為載物平臺(tái)；M3×8cm銅柱若干，M3及M5

螺釘螺母若干用作底盤(pán)與載物平臺(tái)間支撐。整車(chē)尺寸控制為600mm×400mm×200mm。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在很大程度上決定了小車(chē)的運(yùn)動(dòng)精度，合理的機(jī)械傳動(dòng)方案要求傳動(dòng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，以傳動(dòng)零部件的數(shù)目最少為佳。本次設(shè)計(jì)中提出了3種傳動(dòng)方案。

方案一：采用三輪模型，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)錐齒輪減速器傳遞給后兩輪，前輪為萬(wàn)向輪，由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

方案二：采用四輪模型，后兩輪采用雙電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)，前兩輪為聯(lián)動(dòng)萬(wàn)向輪。利用兩輪差速的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)左右轉(zhuǎn)，前進(jìn)或停止。

方案三：在方案二基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，仍采用四輪結(jié)構(gòu)，后輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，仍用蝸輪蝸桿減速器進(jìn)行減速驅(qū)動(dòng)；前輪改用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向。

綜合分析上述3種傳動(dòng)方案，三輪驅(qū)動(dòng)不如四輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且繁瑣的錐齒輪減速及變換使傳動(dòng)精度下降；前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向比單一的后輪差速轉(zhuǎn)向靈活度更高，更適合復(fù)雜戶(hù)外地形。因此，本設(shè)計(jì)中采用方案三作為傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，考慮與整車(chē)尺寸適配，選擇了4個(gè)108mm的大摩擦力橡膠輪作為行進(jìn)輪。

2.3動(dòng)力源及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

目前，市面上的AGV小車(chē)的動(dòng)力源一般采用大容量鎳鎘電池、鋰電池或鉛酸電池；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)或永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)等方式。

本文所設(shè)計(jì)的AGV小車(chē)為模型車(chē)，設(shè)計(jì)載重5kg，續(xù)航里程5km以上?？紤]價(jià)格及環(huán)保性，采用兩個(gè)18650芯5200mAh的鋰電池互相串聯(lián)，組裝成一款額定電壓12V，額定電流0.5A，容量為10000mAh的電源。模型車(chē)對(duì)行進(jìn)速度要求不高，本設(shè)計(jì)采用了型號(hào)為37GB555R-3800的有刷電機(jī)。該電機(jī)輸出力矩4.5kg·cm，空載轉(zhuǎn)速325rpm，電機(jī)輸出軸尺寸為6mm×15mm，配套蝸輪蝸桿減速器及6mm聯(lián)軸器，同時(shí)，配備了一款480A風(fēng)冷雙向有刷電子調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制。

3控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

AGV小車(chē)的控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)有的ArduPilotJ空制面板，其核心MCU為ATMEL的8位ATMEGA2560。

ArduPilot控制板整合了三軸陀螺儀與三軸加速度的六軸MEMS傳感器MPU6000，16MB的AT45DB161D存儲(chǔ)器，三軸磁力計(jì)HMC5883，11路模擬傳感器輸入，8路PWM控制輸入以及11路PWM輸出，控制面板還提供了多個(gè)USB及MUX接口用于連接外設(shè)。本設(shè)計(jì)中AGV小車(chē)的自動(dòng)導(dǎo)引依靠GPS配合谷歌地圖實(shí)現(xiàn)。因此，GPS的精度水平直接影響到小車(chē)的定位及行進(jìn)精度[2]。endprint

工業(yè)AGV小車(chē)一般的定位精度要求為3?10cm。本次設(shè)計(jì)為模型車(chē)，用于測(cè)試整車(chē)性能及設(shè)計(jì)可靠性，綜合考慮成本因素，應(yīng)適當(dāng)選取價(jià)格低廉、定位精度尚可的GPS模塊。

本次選擇了一款低功耗的小型GPS模組UBloxNEO-7M，其靈敏度較高，能內(nèi)嵌在各類(lèi)使用GPS服務(wù)的設(shè)備中；數(shù)據(jù)輸出速率默認(rèn)為9600bps，配合本次設(shè)計(jì)采用的8位ATMEGA2560，將數(shù)據(jù)輸出波特率設(shè)定為115200bps。該GPS模組冷啟動(dòng)定位時(shí)間為29s，熱啟動(dòng)定位時(shí)間為1s，行駛過(guò)程中的搜星定位速度能滿(mǎn)足要求；平均定位精度<2m，該模組還支持A-GPS服務(wù)，啟動(dòng)A-GPS后能獲得更高定位精度。

控制軟件采用MissionPlanner，利用USB線將APM與電腦連接后，通過(guò)ArduinoIDE向芯片寫(xiě)入Rover固件，再經(jīng)羅盤(pán)校準(zhǔn)和巡航模式及參數(shù)設(shè)置后即可使用。

4整車(chē)制作及測(cè)試

整車(chē)制作步驟如下：（1）鋁合金板、ABS板開(kāi)孔，安裝支撐銅柱，形成整體框架；（2）安裝輪胎、電機(jī)、聯(lián)軸器、電源、電子調(diào)速器；（3）安裝ArduPilot控制板，合理布線，設(shè)定

電調(diào)油門(mén)行程；（4）設(shè)置MissionPlanner參數(shù)，調(diào)試GPS信號(hào)試運(yùn)行。

在整車(chē)制作過(guò)程中，注意電源及電機(jī)安放位置。本設(shè)計(jì)中，電機(jī)及電源總質(zhì)量為1.3kg，占整車(chē)質(zhì)量的80%以上，布置時(shí)應(yīng)盡量居中安放，避免小車(chē)頭尾不平衡，進(jìn)而在承載時(shí)發(fā)生傾覆。制作完成后AGV小車(chē)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

AGV小車(chē)制作調(diào)試完成后在黃山學(xué)院校園內(nèi)進(jìn)行了自動(dòng)運(yùn)送并返回的實(shí)測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該AGV小車(chē)實(shí)際承重可達(dá)7.5kg，續(xù)航里程8km，空載行進(jìn)速度1.3m/s，完全以預(yù)先規(guī)劃路徑進(jìn)行了物品運(yùn)送，最終定位點(diǎn)誤差1m左右，取得了預(yù)期效果。當(dāng)在MissionPlanner中選擇記憶模式時(shí)，該小車(chē)可在規(guī)劃路徑上多次自動(dòng)往返。

5結(jié)語(yǔ)

本文將APM自動(dòng)駕駛系統(tǒng)融入了AGV小車(chē)模型的設(shè)計(jì)中，全文介紹了該小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件使用、小車(chē)制作等內(nèi)容，并在最后對(duì)實(shí)物小車(chē)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期要求。其定位精度取決于GPS模組精度，若采用更高精度GPS模組，采用差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方式，在出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引等輔助手段，能進(jìn)一步提高該小車(chē)的定位精度水平，達(dá)到工業(yè)級(jí)運(yùn)行效果。

[參考文獻(xiàn)]

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