基于STM 32的磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陜西科技大學(xué) 劉 笑 鄭恩讓

0 引言

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV）是指帶有導(dǎo)引裝置（電磁、激光等），能夠沿設(shè)定好的路徑行駛，具有自動(dòng)化搬運(yùn)功能的運(yùn)輸車(chē)[1]。目前常用的AGV導(dǎo)航方式有：磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航。其中，激光導(dǎo)航依賴于反光板，因此成本很高；視覺(jué)導(dǎo)航對(duì)所處環(huán)境要求很高；而磁導(dǎo)航不僅成本低，且抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求較低[2]。

對(duì)于國(guó)內(nèi)的應(yīng)用型AGV來(lái)說(shuō)，大多數(shù)采用單片機(jī)[3]、可編程控制器（PLC）[4～5]、嵌入式工控機(jī)[6]等作為控制器[7]。采用工控機(jī)方案，成本過(guò)高且穩(wěn)定性差；采用PLC方案，擴(kuò)展不方便且難以移植實(shí)現(xiàn)調(diào)度算法。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于STM 32的磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)不僅適應(yīng)性好、可靠性高，并且價(jià)格低廉。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖1 AGV小車(chē)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of AGV trolley

1 AGV基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的AGV小車(chē)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用六輪差速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：前面兩輪為萬(wàn)向隨動(dòng)輪，后面兩輪為固定輪，中間兩輪為差速驅(qū)動(dòng)輪。

這樣的結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)車(chē)體的穩(wěn)定性和載重能力，且驅(qū)動(dòng)輪在車(chē)體中間，減小了轉(zhuǎn)彎半徑，使運(yùn)動(dòng)更加靈活。

2 AGV系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的AGV控制系統(tǒng)由磁導(dǎo)航模塊、人機(jī)交互模塊、安全防護(hù)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等幾部分組成。本系統(tǒng)的的總體設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of the system

本方案采用模塊化的思想對(duì)AGV系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)AGV自身的特點(diǎn)，考慮到成本和設(shè)計(jì)難度，采用了基于STM 32的雙MCU結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)MCU用于路徑識(shí)別，另一個(gè)MCU用于實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)、人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)航傳感器模塊

考慮到磁敏元件的檢測(cè)范圍和靈敏度，本設(shè)計(jì)采用RM 3100地磁傳感器。與霍爾傳感器相比，RM 3100地磁傳感器分辨率是其10倍，能夠精確的實(shí)地測(cè)量磁場(chǎng)。本設(shè)計(jì)中磁傳感器模塊共布置了6個(gè)RM 3100地磁傳感器，磁傳感器模塊布置排列如圖3所示：

圖3 磁傳感器布置排列Fig.3 Arrangement of magnetic sensors

AGV在運(yùn)行的過(guò)程中，磁條與傳感器模塊的相對(duì)位置會(huì)出現(xiàn)4種情況：（1）3、4號(hào)磁傳感器信號(hào)極強(qiáng)，其他信號(hào)依次變?nèi)?，則當(dāng)前磁條處于磁傳感模塊中間，AGV小車(chē)直行；（2）1、2、3號(hào)信號(hào)較強(qiáng)，4、5、6號(hào)信號(hào)較弱，則認(rèn)為磁條處于磁傳感模塊左側(cè)，AGV小車(chē)左轉(zhuǎn)彎；（3）4、5、6號(hào)信號(hào)較強(qiáng)，1、2、3號(hào)信號(hào)較弱，則認(rèn)為磁條處于磁傳感模塊右側(cè)，AGV小車(chē)右轉(zhuǎn)彎；（4）傳感器均檢測(cè)不到信號(hào)，則認(rèn)為發(fā)生丟線，AGV保持上一次行駛狀態(tài)，若AGV丟線達(dá)到一定次數(shù)，則認(rèn)為AGV失去導(dǎo)航能力。

3.2 RFID定位模塊

射頻讀卡器的主要功能是通過(guò)讀取AGV標(biāo)簽里所寫(xiě)的數(shù)據(jù)來(lái)確定AGV的位置，以實(shí)現(xiàn)AGV站點(diǎn)停車(chē)、特定位置加減速、識(shí)別分岔路口等功能。

在分岔路口，磁傳感器模塊可能同一時(shí)刻檢測(cè)到多塊磁條的存在。為了解決這一問(wèn)題，本方案事先在射頻設(shè)別（RFID）標(biāo)簽里寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)AGV經(jīng)過(guò)分岔路口時(shí)，RFID模塊可輔助磁導(dǎo)航模塊進(jìn)行路徑識(shí)別，選擇正確的道路。

3.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊由控制器（STM 32F103）、執(zhí)行器（無(wú)刷直流電機(jī)）、反饋裝置（編碼器）組成，控制器主要負(fù)責(zé)速度調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示：

圖4 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of Brushless DC motor control system

主控板STM 32F103接收各個(gè)模塊傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算，通過(guò)I/O口輸出控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)控制直流無(wú)刷電機(jī)，同時(shí)通過(guò)編碼器采集速度信號(hào)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

3.4 工業(yè)觸摸屏模塊

本設(shè)計(jì)中的AGV采用北京大器智成的PS-LCD工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)交互模塊，采用Greatal專業(yè)組態(tài)式界面設(shè)計(jì)工具。觸摸屏模塊與STM 32主控板之間采用RS232方式通信，觸摸屏負(fù)責(zé)信息采集、錄入以及結(jié)果的顯示，主控板負(fù)責(zé)分析計(jì)算。工業(yè)觸摸屏運(yùn)行界面如圖5所示：

觸摸屏分為顯示區(qū)和手動(dòng)操作區(qū)。顯示區(qū)內(nèi)信息包括：實(shí)時(shí)電量顯示、讀取當(dāng)前地標(biāo)號(hào)碼、此臺(tái)AGV行駛區(qū)域和當(dāng)前狀態(tài)、AGV運(yùn)行速度與磁導(dǎo)航模塊的尋跡信號(hào)；手動(dòng)操作區(qū)分為啟停模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、速度設(shè)定模塊、方向切換模塊、掛鉤模塊和幫助模塊等。其中掛鉤模塊可設(shè)置AGV是否需要托送貨物，方向切換模塊可設(shè)置AGV運(yùn)行方向。

圖5 觸摸屏運(yùn)行界面圖Fig.5 Touch screen operation interface diagram

3.5 安全防護(hù)模塊

AGV車(chē)體設(shè)有安全防護(hù)模塊，主要包括車(chē)體前側(cè)上方安裝的光學(xué)避障傳感器、車(chē)體前側(cè)下方安裝的物理避障傳感器、車(chē)身兩側(cè)安裝的紅外對(duì)射傳感器、急停按鈕等。當(dāng)各個(gè)傳感器模塊檢測(cè)到故障，AGV主控板一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊報(bào)告給上位機(jī)軟件供管理人員處理，另一方面進(jìn)行聲光報(bào)警與緊急停車(chē)，保護(hù)AGV周邊的工作人員與設(shè)備。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)PI控制

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)速度環(huán)采用增量式PI控制算法，該算法的可由下式描述：

式(1)中，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，u(T)為輸出信號(hào)，e(t)為輸入偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)離散化的PI表達(dá)式為：

式(2)中，k為采樣序列，e(k)為第k時(shí)刻的誤差值，令：

則增量式PI表達(dá)式為：

PI控制算法不僅考慮了響應(yīng)的快速性，還消除了穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)控制效果良好。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

AGV上位機(jī)監(jiān)控軟件基于VS2013平臺(tái)，采用C#技術(shù)開(kāi)發(fā)，其運(yùn)行界面如圖6所示，AGV狀態(tài)監(jiān)控軟件由以下幾部分組成：

（1）啟停部分：該部分位于軟件界面右上方，其中停止按鈕可以緊急停止AGV小車(chē)。AGV小車(chē)緊急停止之后，必須在上位機(jī)上按下啟動(dòng)按鈕才再次啟動(dòng)；

（2）AGV基本狀態(tài)部分：該部分在啟停模塊下方，包括AGV編號(hào)、AGV行駛狀態(tài)、在線狀態(tài)三個(gè)部分。其中AGV編號(hào)在AGVs（多個(gè)AGV）系統(tǒng)中可以方便選擇查看特定編號(hào)的AGV狀態(tài)；AGV行駛狀態(tài)表示當(dāng)前AGV狀態(tài)是否正常；在線狀態(tài)表示AGV是否在線，若該編號(hào)AGV不在線，則需調(diào)度其他編號(hào)AGV完成工作；

（3）AGV位置狀態(tài)部分：包括當(dāng)前地標(biāo)、當(dāng)前目標(biāo)、上一地標(biāo)。當(dāng)前地標(biāo)為當(dāng)前AGV讀取的RFID標(biāo)簽號(hào)，代表AGV當(dāng)前所處的位置；當(dāng)前目標(biāo)為該編號(hào)AGV所要達(dá)到的目的地；上一地標(biāo)為AGV運(yùn)行時(shí)所經(jīng)過(guò)的上一位置；

（4）AGV運(yùn)行狀態(tài)部分：包括運(yùn)行速度和電量；

（5）手動(dòng)控制區(qū)：包括指定AGV目標(biāo)和AGV速度2個(gè)功能，通過(guò)指定AGV目標(biāo)可以臨時(shí)手動(dòng)改變AGV目的地，通過(guò)AGV速度滑動(dòng)條可以手動(dòng)調(diào)節(jié)AGV速度；

（6）地圖顯示區(qū)：地圖顯示區(qū)可以清楚查看AGV當(dāng)前所處位置；

（7）系統(tǒng)日志：系統(tǒng)日志區(qū)域可以記錄AGV狀態(tài)信息，方便管理人員查看。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.6 Monitoring interface of upper computer

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的AGV控制系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。在地面上鋪設(shè)磁條，將本方案中的六輪式AGV放置于磁條導(dǎo)軌，同時(shí)使用RFID標(biāo)簽卡模擬停車(chē)站點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)中AGV及磁條軌跡圖如圖7所示。

本方案中的差速式AGV在實(shí)際行駛中，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度來(lái)完成導(dǎo)航與停車(chē)功能。本方案測(cè)試了不同速度時(shí)AGV的導(dǎo)航精度與停車(chē)精度，導(dǎo)航精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖7 AGV測(cè)試車(chē)體與磁條導(dǎo)軌Fig.7 AGV test car body and magnetic slideway

表1 AGV導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 AGV navigation and positioning data statistics

在表1（單位為mm）中，編號(hào)1代表AGV速度為0.75m/s，編號(hào)2代表速度為0.6m/s，編號(hào)3代表速度為0.4m/s。通過(guò)上表可知，AGV速度越低，穩(wěn)定性越高。因此AGV在直線軌道時(shí)應(yīng)該加速，拐彎時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低速度以保證其穩(wěn)定性。

一般情況下，AGV停車(chē)精度影響AGV上料精度，因此AGV速度應(yīng)該盡量低以保證其停車(chē)精度，但也需考慮工廠調(diào)度節(jié)拍，AGV速度不能過(guò)慢。因此本方案在停車(chē)地標(biāo)之前設(shè)置了一個(gè)減速地標(biāo)用于減速，以此來(lái)提高AGV停車(chē)精度。AGV停車(chē)精度測(cè)試結(jié)果如表2所示：

表2 AGV停車(chē)定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 AGV parking location data statistics

在表2（單位為mm）中，AGV停車(chē)精度測(cè)試是在勻速0.5m/s，遇到減速地標(biāo)減速至0.3m/s的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在表2中，編號(hào)1代表在直線路段停車(chē)，編號(hào)2代表在彎道停車(chē)。通過(guò)AGV停車(chē)精度測(cè)試，可以看出AGV在直線路段停車(chē)精度優(yōu)于彎道。但無(wú)論直線路段停車(chē)還是彎道停車(chē)，其精度均小于10mm，滿足一般工廠的停車(chē)定位精度要求。

通過(guò)AGV導(dǎo)航精度測(cè)試與停車(chē)精度測(cè)試，表明了本控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于STM 32的磁導(dǎo)航AGV控制系統(tǒng)，采用了高性價(jià)比的STM 32 F103組成雙MCU架構(gòu)，路徑識(shí)別采用RM 3100地磁傳感器組成AGV傳感器組，配合RFID讀卡器完成AGV尋跡功能，運(yùn)動(dòng)控制采用增量式PI算法實(shí)現(xiàn)AGV直流無(wú)刷電機(jī)的控制，采用RS232通信實(shí)現(xiàn)AGV與工業(yè)觸摸屏的通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于C#的上位機(jī)監(jiān)控軟件，方便管理人員管理。系統(tǒng)功能模塊化分工明確，整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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