自动导引车模型设计.pdf

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1、第10卷第2期2003年4月工程设计学报Journal of Engineering DesignVol.10 No.2Apr.2003收稿日期:2002211218.作者简介:夏锋(1980-),男,湖北黄冈人,硕士,从事网络通信与应用、计算机控制系统等研究,E2mail:;孙优贤(1940-),男,浙江诸暨人,教授,博士生导师,中国工程院院士,从事鲁棒控制、H控制及容错控制等研究自动导引车模型设计夏锋,孙优贤(浙江大学 工业控制技术国家重点实验室,浙江 杭州310027)摘要:自动导引车(A GV)的实现是智能移动机器人研究的重要内容之一 阐述了自动导引车系统(A GV S)的构成及工作原

2、理,在此基础上对试验型A GV模型的功能结构与硬件配置进行了详细的设计,并从软件上得以实现通过测试,表明该A GV模型达到了预期效果,为工业应用A GV S的开发提供了参考关键词:自动导引车;智能移动机器人;脉宽调制中图分类号:TH165;TP242文献标识码:A文章编号:10062754X(2003)0220066204Design of automatic guided vehicle modelX I A Feng,SUN You2xian(N ational Key L aboratory of Industrial Control Technology,Zhejiang U nive

3、rsity,Hangzhou 310027,China)Abstract:The i mplementation ofA GV(automatic guided vehicle)is an i mportant area on the re2search of intelligent mobile robot.The architecture and operational principle of a A GV S(auto2matic guided vehicle system)w ere discussed.Then the functional structure and hardw

4、are config2uration of a testing A GV modelw ere designed in detail,w ith the softw are i mplemented.Expec2tant effect w as obtained by testing of the A GV model,w hich provided a reference for the devel2opment of A GV S applied in industrial process.Key words:automatic guided vehicle;intelligent mob

5、ile robot;PWM(pulse w idth modulation)20世纪80年代以来,智能机器人一直是国内外的研究热点,其中具有广阔应用前景的各种移动式机器人,特别是无人驾驶的自动导引车的研究更是倍受关注1自动导引车(A GV)是一种无人驾驶搬运车,它可以按照监控系统下达的指令,根据预先设计的程序,依照车载传感器确定的位置信息,沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶,完成一系列作业功能自 动导引车系统(A GV S)一般由中央监控系统、A GV、通信系统、地面系统等组成,通过中心控制计算机监控A GV的运行状态,并协调A GV与其它设备的运行状态A GV S是现代物流系统的关键设备,

6、具有灵活、智能化等特点,能够方便地重组系统,实现生产过程中的柔性化运输,主要用于无人化车间、立体仓库、自动化生产线等场合本文阐述了自动导引车系统的构成及工作原理,基于标准化、模块化思想,设计开发了试验型A GV模型,并对其进行了相关测试,测试结果表明该A GV模型达到了预期效果1AGVS构成及工作原理作为一种智能移动机器人,自动导引车是建立在一个组织及计算机构基础上的复杂工程系统,具有一定的自规划、自组织、自适应能力,其自主式功能是在传感器和控制信息处理结构支持下通过将规划执行及监控等几个层次的活动组织协调起来实现的 自动导引车系统的体系结构如图1所示2自动导引车系统主要模块有:(1)运动系统

7、A GV S的运动系统是A GV的动作执行机构,主要有履带式、足式和轮式三类,其中轮式应用最为普遍(2)传感系统A GV通过传感系统来获得外部环境信息,通常由探测信号发送控制模块、接收控制模块和传感器等组成目前在A GV S中应用较多的 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图1AGVS体系结构图Fig.1A GV S architecture是距离传感器,如超声波传感器、红外传感器等(3)信息处理系统A GV通过多种传感器获得了外部环境的各种信息,需要在信息处理系统中加以处理,对其进行融合、加

8、工、协调,从而获得关于自动导引车工作状态和外部环境的整体信息(4)自主决策系统A GV的智能程度决定于其自主决策系统它接受监控系统命令,执行规划决策和视觉导航命令,控制车体动作;控制传感器系统,进行目标和障碍物距离的测量,执行避障和导航的任务;对信息处理系统分析得出的信息以及其它相关信息如环境地图信息、地标导引信息等进行综合分析判断,以指引自动导引车行进(5)通讯系统 通讯系统一方面接受监控系统的命令,及时、准确地传送给其它各相应的子系统,完成监控系统所指定的动作;另一方面又接收各子系统的反馈信息,回送给监控系统,作为监控系统协调、管理、控制的依据(6)监控系统A GV S作为实用工程系统,目

9、前要做到完全自治是不可能的,特别是在作业环境极度复杂和任务完成效果要求甚高时,监控系统往往是必需的它对A GV的运行状态进行监视,在必要时可直接对A GV的运行进行干预 监控系统协调着A GV S各个系统之间的关系 譬如,接收信息处理系统的视觉信号和环境模型进行局部路径规划和导航;接受障碍信息,进行局部环境建模,实现避障功能;实现对自动导引车各参数的设置、状态变换、数据检测和控制以及人机交互等2功能结构与硬件配置从实际意义上讲,本文研制的A GV模型可以说是开发工业应用的自动导引车的实验床A GV模型的控制系统设计是其实现的关键步骤 它以中央控制器为核心,由电机驱动及调速、速度检测、红外探测等

10、单元构成3,体系结构如图2所示图2AGV模型控制系统结构框图Fig.2Control system framework of A GV model2.1中央控制器中央控制器采用89C51单片机,它具有体积小、功耗低、功能强等优点,主要完成以下功能:(1)接收上位机指令,经译码后给出左右轮的速度设定值(2)根据速度给定值和实测值,按预定控制算法得到控制量,实现PWM方式调速,完成单轮的速度闭环控制(3)实现双轮速度的同步补偿(4)接收红外检测电路的信号,实现自动避障89C51单片机主要I?O口接线分配见表1表189C51主要接口分配Table 1Interface distribution of

11、 89C51I?O口接口分配功能P0.00.7速度检测计数器的数据读取P1.41.5控制电机1的正反转及PWM调速P1.61.7控制电机2的正反转及PWM调速P2.3计数器复位P2.42.5双路红外检测信号查询P3.0无线接收数据输入P3.3红外检测中断请求2.2电机驱动及调速作为试验模型,A GV模型的驱动单元采用双电机分别驱动左右两后轮,在车体的前端还有一个支撑轮以保持行进当中车体的平衡,支撑轮采用万向轮 电机类型采用步进电机,它具有控制简单、使用方便等优点 电机驱动方式采用脉宽调制即PWM方式,通过改变脉冲的宽度来实现对电机的调速控制,脉冲占空比的改变由CPU来实现,其优越性在于驱动电路

12、简单和计算机接口相对比较容易,不仅功率损耗低、效率高,同时具有调速范围广、线性度好、响应速度快等特点电机调速系统采用带速度反馈的闭环控制,系统结构如图3所示主动轮转速经速度检测单元送至中央控制器,76第2期夏锋,等:自动导引车模型设计 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图3电机调速系统框图Fig.3Framework of motor speed control system在单片机中进行偏差计算,并按预定的控制算法确定控制转速的调节量并以PWM方式输出,经驱动线路实现对电机的控制 速度检测

13、单元由增量式光电码盘及整形计数环节构成,其中光电码盘由码盘和光电耦合器组成,其工作原理大致如下:码盘安装在主动轮轴上,与主动轮同步转动,光电耦合器的发讯端即发光二极管一直工作,其光路被码盘切割,从收讯端得到一连串的脉冲信号,该信号类似正弦波,经两级反相器整形得到方波送至计数器A GV模型的计数器采用8位单片机89C2051双轮由双电机分别驱动的设计方案固然保证了自动导引车的机动性和灵活性,但同时也带来了新的问题,那就是直线运动性能不好完全克服两套传动系统内在的差异是不可能的,A GV模型对双轮的线速度通过光电码盘进行检测,由中央控制器实现对双轮速度差异的补偿 补偿方案如图4所示图4具有同步补偿

14、环节的双轮电机控制Fig.4Two wheels based motor controlw ithsynchro2compensation由图4可见,在两台电机调速系统之间增加了同步补偿环节,这一环节是在单片机中用软件形式实现的 同步补偿环节在保证设定值所造成的速度差的同时,也消除了因传动系统的内在因素所造成的速度差这样做的好处在于:着眼于最终效果忽略其内在差异,降低对加工工艺的要求,且便于实现2.3探测模块探测模块是A GV模型的视觉单元 外部的路线、障碍等环境信息,都要通过探测模块传递给控制单元根据目前传感器的发展状况,采用的探测手段主要有接触式和非接触式两种 接触式传感器多采用微动开关控

15、制,其优点是价格低,但可靠性低、使用寿命短、故障多,也不能适应较高车速和大型车辆非接触式传感器种类很多,其工作原理多为通过发射光波、声波或电磁波遇到物体时反射而被接收装置接收以感知物体 目前较为常用的传感器类型主要有:(1)红外传感器 其优点是体积小,结构简单,分辨率强,价格便宜;缺点是对外界物体颜色的敏感度不同,对透明物体的敏感度较低,而对白色物体的敏感度则很高(2)CCD摄像头 探测范围广,分辨率高,但数据处理过程较为复杂,且存在与红外传感器相同的缺点(3)超声波传感器其优点是探测范围大,灵敏度高对一些特殊材料的物体都能探测到,但其方向性较差基于以上分析,选用红外线传感器作为A GV模型的

16、主要探测装置红外传感器配置两路,结构相同两路传感器的安装位置不同,作用也不同若水平摆放在自动导引车前面的左右两侧,可以区别障碍物所处方向;若垂直摆放在不同高度,可以区别障碍物是一般障碍物还是目标停靠点 在实际应用过程中,还可根据不同的情形采用不同的避障策略2.4机械部件对于A GV模型的运动部件,有轮式和履式两种可以考虑 履带式尽管运动平稳,但由于结构复杂,加工制作困难,不易选用 为获得较好的机动性和灵活性,A GV模型的走行机构采用轮式结构 整个车体采用对称结构,使车体的重心位于车体中轴线上,且尽量降低车体重心的高度为了满足抗冲击性和可靠性的要求,车体框架选取比强度大的材料,即质量轻、强度高

17、的材料3软件实现软件设计的目标是实现对A GV模型硬件的控制和驱动,使得A GV模型能自主地感知外界环境,并做出正确的判断,同时还能完成所要求的特定工作任务,从而达到自主行走和工作的功能A GV模型软件体系结构如图5所示软件系统主要包括主控程序、时钟中断、串行通讯、红外检测、速度检测、控制律运算、PWM输出等模块主控程序负责整个系统的管理,包括系统初始化、复位、信息处理及控制输出等 时钟中断模块的核心是提供A GV模型工作的时钟节拍 与上位机86工程设计学报第10卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights rese

18、rved.图5自动导引车的软件结构Fig.5Software architecture of A GV model的通讯由串行通讯中断程序完成,主要用于接受上位机的控制命令 红外检测模块主要用于探测目标停靠点或障碍物,为A GV模型的行进和避障提供依据速度反馈通过速度检测单元获取,然后读入中央控制器A GV模型控制规律采用常规的增量式积分分离P I D算法PWM输出脉冲信号经双H桥功率驱动电路L 298后接至左右轮电机,控制A GV模型运动A GV模型软件系统的工作流程如图6所示图6AGV模型软件系统工作流程图Fig.6Operation flow chart for software sys

19、temof A GV model各主要功能模块说明如下:(1)距离判断:判断A GV模型与目标点或障碍物的接近程度 该距离由红外传感器测量得到(2)避障功能:输入为红外传感器的测量输出信号,输出为两个电机的转动方向和转动速度,即调节PWM占空比 当A GV模型与障碍物较为接近时,需要转动一个角度以避开障碍物,该模块通过在一定的时间内给定两个电机不同的转速来实现对A GV模型转弯的控制 比如,在左轮不动的条件下,给右轮一定的前向转速即可实现A GV模型左转弯,而对A GV模型转角的控制则可转化为对右轮转动过程的持续时间长短的控制(3)速度控制:输入为A GV模型与目标点或障碍物的距离和当前速度,

20、输出为速度改变量 当A GV模型距离目标点或障碍物较远时,速度可以较高;而距离较近时,行进速度应该较低4结束语自动导引车系统是企业物流圆满解决方案中必不可少的组成部分,本文对其构成及工作原理进行了分析,在此基础上设计开发了一种试验型A GV模型经测试,该模型可以较好地满足按设定路线行进、跟踪外部路线和自由游走等多种模式的行进要求,最高时速可达10 km?h,探测距离约为20 cm,最大视角为30,且具有较好的稳定性由于各项条件的制约,该模型仍存在下列主要问题:(1)感知方面:传感器探测范围不够宽,探测“盲区”较大;自动获取的外部环境信息很有限(2)智能方面:路径规划问题没有得到较好地解决;对于

21、障碍物的判别策略也比较粗糙;没有实现与主控计算机的信息交互(3)动作方面:主要是行走不够流畅参考文献:1WAN G Hong,A IHai2zhou,HE Ke2zhong,et al(王宏,艾海舟,何克忠,等).A rchitecture and system de2sign of mobile robotJ.R obot(机器人),1993,15(1):49-54.(in Chinese)2 LU Q i2heng(吕其恒).D evelopm ent ofthe Guid ingR obot and R esearch on Its A utonom ous M obile S trat

22、age(导游机器人研制及其自主驾驶研究)D.Hangzhou:College of Electrical Engineering,Zhejiang U niversity,2000.(in Chinese)3 ZHA I Zhi2xin,ZHAN G Chun2hui(翟志新,张春晖).M icro2robot soccer system J.R obot T echnique andA pp lication(机器人技术与应用),1999(6):29-30.(inChinese)4 HU Han2cai(胡汉才).T heory and Interf ace T echnologyof S ing le2Chip M icrocomputer(单片机原理及其接口技术)M.Beijing:T singhua U niversity Press,1996.(inChinese)96第2期夏锋,等:自动导引车模型设计 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.