基于紅外傳感器引導的AGV設計

1 引言

　　自動(dòng)導引車(chē)(AGV-Automated Guided Vehicle)是現代制造企業(yè)及物流系統中的重要設備，是一種以微控制處理器為核心，以蓄電池為動(dòng)力，裝有非接觸導向裝置的無(wú)人駕駛自動(dòng)導向運載車(chē)。它可以按照監控系統下達的命令，根據預先設計的程序，依照車(chē)載傳感器確定的位置信息，沿著(zhù)規定的行駛路線(xiàn)和?？课恢米詣?dòng)駕駛。AGV具有運輸效率高、節能、工作可靠、無(wú)公害、柔性輸送等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于許多領(lǐng)域。從超級市場(chǎng)、車(chē)間擴展到大型自動(dòng)化倉庫、醫院及配送中心，AGV成為工業(yè)自動(dòng)化的主要標志之一。本文利用縮小比例的模型車(chē)模擬實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上的AGV，并采用紅外傳感器技術(shù)引導AGV移動(dòng)。

2硬件系統設計

2.1整體設計

　　自動(dòng)導引車(chē)包括車(chē)體、控制器、傳感器和動(dòng)力裝置等4部分。其中，車(chē)體采用縮小比例的200 mm×300 mm、帶有差速器的后輪驅動(dòng)模型車(chē)模擬?？刂破魇且詥纹瑱CMC9S12DG128為核心，配合車(chē)體上的傳感器和動(dòng)力裝置以控制AGV穩定運行。傳感器由測向的紅外傳感器和測速的霍爾傳感器組成。動(dòng)力裝置是由蓄電池驅動(dòng)的直流電機和舵機構成，分別控制速度和轉向。這4部分配以相應的驅動(dòng)電路，能自主識別路徑，控制模型車(chē)穩定運行。AGV模型車(chē)如圖1所示。

　　AGV與MCU可以看成一個(gè)自動(dòng)控制系統，是由傳感器、信息處理、控制算法、執行機構4部分組成。其硬件部分是以單片機為核心，配有傳感器、執行機構以及相應的驅動(dòng)電路構成控制系統；信息處理與控制算法則由控制軟件完成。圖2所示是硬件系統電路框圖。

2.2 MCU介紹

　　AGV采用MC9S12DGl28作為系統控制器，該器件內置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(chē)的動(dòng)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)穩壓電路將電池電壓轉化為各模塊所需電壓。LM7805是串聯(lián)穩壓器，輸出電壓為5 V，主要為單片機、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可調穩壓電源．通過(guò)電位器調節至6 V電壓為舵機供電。蓄電池7.2 V電源直接為ACV模型車(chē)后輪電機供電。

2.4速度檢測模塊

　　速度傳感器使用CS3020型霍爾元件?；魻栐褂梅奖?，只需一只上拉電阻將輸出接至電源即可正常工作。在輪胎內側粘上4個(gè)磁鋼，在磁鋼正對方向選擇合適地方固定霍爾元件。當輪胎每轉動(dòng)一圈，霍爾元件輸出4個(gè)信號，輪胎周長(cháng)為17 cm，所以每?jì)蓚€(gè)信號時(shí)間差為T(mén)，AGV行駛4.25 cm。通過(guò)測量T，計算AGV的速度V=4.5 cm／T。

2.5紅外檢測模塊

　　AGV模型車(chē)的引導方式為超聲波引導、電磁感應引導、圖像識別引導、慣性導航、紅外傳感器引導等。由于紅外傳感器使用方便、價(jià)格低廉、引導精確、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統設計采用紅外傳感器技術(shù)引導AGV模型車(chē)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。本系統設計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。本設計在A(yíng)GV模型車(chē)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、右兩側各安裝3對。根據7對傳感器輸出的信號，判斷黑色引導線(xiàn)和AGV模型車(chē)的位置關(guān)系，為引導轉向提供可靠的數據。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(xiàn)的位置。紅外傳感器輸出量為模擬量，通過(guò)MCU的ADC將模擬量轉換為數字量，不僅簡(jiǎn)化外部電路設計，同時(shí)保留紅外接收管的連續變化電壓信息，通過(guò)軟件算法得到更精確的位置信息并消除環(huán)境光線(xiàn)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(mǎn)足系統精度要求，本系統設計采用16路8位ADC中的7路通道。

2.6驅動(dòng)控制模塊

　　電機啟動(dòng)采用PC33886作為驅動(dòng)器，驅動(dòng)電路原理如圖3左邊部分所示。MCU產(chǎn)生的PWM3通過(guò)IN1引腳輸入，以調節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(guò)改變PWM3的占空比來(lái)調節電機轉速。

3系統軟件設計

3.1控制算法

　　在連續控制系統中，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用。這種數字PID控制算法結構簡(jiǎn)單，參數易于調整，適應性強。本系統設計采用增量式數字PID控制算法，通過(guò)PWM調速直流電機。

3.2程序流程

　　該系統的主程序流程圖如圖4所示。系統首先初始化設備，然后進(jìn)人參數修改程序，參數設定完畢后打開(kāi)中斷，最后循環(huán)執行位置速度控制程序。

4 結束語(yǔ)

　　實(shí)驗是在5 000 min×6 000 mm的區域內搭建U型行駛道路中進(jìn)行，路中央劃有20 mm寬的黑色引導線(xiàn)。正常情況下，給定AGV模型車(chē)的速度上限為1 m／s，AGV平穩行駛在引導線(xiàn)上，從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始，到識別出終點(diǎn)并停車(chē)，全程共耗時(shí)22 s；給定AGV模型車(chē)速度上限為1.5 m／s時(shí)，AGV比較平穩地行駛在引導線(xiàn)上，全程共耗時(shí)16 s；給定AGV模型車(chē)速度上限為2 m／s時(shí)，AGV行駛不穩定，在拐彎處有時(shí)會(huì )沖出引導線(xiàn)，全程共耗時(shí)12 s。根據以上實(shí)驗，AGV穩定工作的平均速度為1 m／s。AGV不是競速車(chē)輛，工業(yè)現場(chǎng)一般以穩定、安全為主要考慮因素，所以本設計的模型車(chē)在穩定方面完全符合AGV車(chē)的規范，達到了自主引導、運輸效率高、節能、工作可靠、無(wú)公害等要求。