自动导引小车(AGV)系统的设计

自动导引小车系统的设计摘要：自动导引小车控制系统是AGV 的运动控制部件,对AGV 的平稳运行起着重要的作用。随着新的控制算法的应用和电子技术的发展,AGV 正朝着高速、高精度,开放化、智能化、网络化发展,对运动控制系统也提出了更高的要求。AGV 要实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪,必须依赖先进的控制策略和优良的运动控制系统。在本文中,按照控制系统的要求,选定以ARM 微处理器作为核心进行运动控制系统的设计。论文中研究了自动导引小车控制系统的硬件实现方案,系统的软件设计采用的了基于嵌入式实时系统的设计方法,电机的速度控制采用了先进的模糊PID 控制技术。首先,介绍了自动导引小车的硬件构成,着重讲述了控制电路的设计方法,接口电路的设计；推导了直流电机的仿真模型和AGV 运动学模型,完成了电机驱动电路以及导引信号控制器的设计；根据AGV的功能要求设计了应用于AGV的传感器系统,包括超声传感器、电磁导引传感器的设计。其次,介绍了AGV 软件系统的设计方法,引入了嵌入式操作系统的概念。着重介绍了Clinux 的移植方法和移植过程,使用Clinux 操作系统能最好的满足AGV 控制系统的要求,比如：系统足够小,以满足嵌入式系统的硬件要求；实时性好,即系统有能预见性的反应速度；能够实现多任务处理能力。再次,介绍了模糊PID 控制器的设计及其在ARM 上的实现方法。首先介绍了模拟PID 控制器、数字PID 控制器的数学模型,提出模糊PID 控制器的设计方案；应用MATLAB 的SIMULINK 模块实现的普通数字PID 控制器与模糊PID 控制器的比较；最后使用基于Clinux 的软件设计方法,将模糊控制器程序实现并移植到ARM 控制器上；并且设计了一个调节器使AGV 具有准确的跟踪路径能力,从而提高了行使精度。关键词：AGV,自动导引小车,模糊PIDABSTRACT: As the actuator of Automated Guided Vehicle system, the control systemeffects the stabilization of the AGV evidently. With the advancement of control theories andthe development of electronic technologies, the AGV system is developed with high speedhigh accurateness, open-architecture, and intelligence. For the high speed and high accuratelocation-control and trajectory tracking, the AGV system must rely on advanced motioncontrol theory and fine motion control structure.In this paper, we use the ARM microprocessor as the chief chip to design themovement control system. The paper discusses the hardware realization of our AGV systembased on the microprocessor, and introduces the design method of the system softwarebased on the real time operation system Clinux,and finally discusses the speed controlsystem of the motor based on fuzzy PID control method.First, the hardware constitution of the AGV is discussed. It narrates emphatically thedesign method, the using method of serial communications and the design of interfacecircuit. The simulation model of DC motor and kinematic model of AGV is recommended.We design the driving circuit and the guiding signal controller .The AGVs sensor system isdesigned in the article, including the precise supersonic sensor and electromagneticguidance Sensor.Second, the real time the design method of the software system the AGV and theconcept of the embedded operating system is introduced. We focused on the process ofrepotting and transplanting methods of the embedded operating system. Clinux operatingsystem can best meet the requirements of AGV control system, such as: the small operatingsystem can meet the hardware requirements of embedded systems; real-time, and thatsystem the reaction time can be predictability; it can achieve multi-tasking capability.Then, realization method on ARM of the fuzzy PID controller is discussed. At first, thepaper introduces the mathematical model of the ordinary digital PID controller and fuzzyPID controller, and we compare them by MATLabs SIMULINK module. Finally we repotthe fuzzy PID controller to ARM microprocessor. And we also designed a regulation whichmakes AGV have accurate tracking capabilities, thus enhance the accuracy of the exercise.Key words: Automated Guided Vehicle; AGV; ARM;Clinux; fuzzy PID8 / 40目 录摘 要ABSTRACT目 录第1章 绪论1.1 引言1.2 AGV 自动导引小车概述1.3 自动导引小车国外研究现状与发展趋势1.3.1国外AGV 研究现状及发展趋势1.3.2国AGV 研究现状及发展趋势1.3.3国外AGV 导航控制技术1.4 本文研究容和主要工作第二章AGV 车体结构及运动学模型2.1 AGV 的性能指标2.2 AGV 的组成及总体结构2.3 AGV 小车运动学模型2.3.1 AGV 运动状态2.3.2 AGV 运动方式2.3.3 AGV 小车直流伺服机构与运动学模型2.3.3.1 电机参数2.3.3.2 相关参数推算2.3.3.3 AGV 运动学模型2.4 直流伺服电机的仿真模型2第三章AGV 控制系统硬件设计3.1 硬件选择原则3.2 硬件系统整体结构3.3 嵌入式处理器选型3.4 存储器扩展3.5 接口电路设计3.6 外围硬件电路设计3.6.1信号源3.6.2传感检测电路3.6.3电磁导引传感器3.6.4超声波传感器第四章总结与展望第一章绪论1.1 引言AGV 即自动导引小车,它是一种以电池为动力,装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程、停车选择装置、安全保护以及各种移载功能,并能在计算机的监控下,按指令自主驾驶,自动沿着规定的导引路径行驶,到达指定地点,完成一系列作业任务。其系统技术和产品已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术1。随着各种AGV 新产品的不断开发,如自动牵引车,自动导引叉车,无导引线的激光导引车等,AGV 技术不断发展,促成了先进的柔性生产线,自动化物流系统的实现,从而极提高了生产自动化程度和生产效率2。由于现代化生产观念日益受到重视,对生产线运行、物流系统的柔性要求越来越高。在产品换型、多种产品混合生产线运行、调整产量、重新组合生产线等方面,AGV必将得到迅速发展和普及应用,这不仅是现代化工业迅速发展的需要,更主要是由AGV 本身所独具的优越性决定的2-3。资料显示：在产品生产的整个过程中,仅仅有5的时间是用于加工和制造,剩余的95都用于储存、装卸、等待加工和输送；在美国,直接劳动成本所占比例不足生产成本的10,且这一比例还在不断下降,而储存、运输所占的费用却占生产成本的40。因此,日前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施,为适应现代生产的需要,物流正在向着现代化的方向发展。自动导引小车AGV适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化,在各国的许多行业都得到广泛的应用。自动导引小车是一种智能化的自运行机器人。它具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害等许多优点,已经广泛地运用在汽车制造、新闻印刷、电子工业、家用电器、机械加工、烟草业、食品业、自动仓库、办工自动化等许多领域。AGV 是针对具体应用环境而设计的特定用途机器人,不同应用环境下的AGV,其体系结构、功能都有所不同。以应用为中心,以计算机技术为基础,软件、硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统称为嵌入式系统。嵌入式控制系统是AGV 的核心,它的主要任务是控制AGV 导向、启动、停车、运行车速、选择路径、安全监控、避免碰撞和交通干涉、与交通控制器通讯、与其它物料搬运 设备和机器人等接口。在控制功能比较单一,逻辑结构比较简单的前提下,控制软件的设计相对容易。而当控制系统的功能日渐复杂,从新设计一个新的控制软件系统的费用和工作量就成倍地增长。因此,嵌入式操作系统的概念就相应地提出来了。嵌入式操作系统就是将嵌入式控制软件的通用部分提取出来,抽象为一个底层硬件系统和上层应用软件层之间的一个中间层。它负责屏蔽不同硬件系统和应用软件系统之间的不同,使它们彼此透明。这样,在设计新的嵌入式控制系统时,只需在嵌入式操作系统的基础上更新相应的驱动程序和应用软件就可以快速地组建出一个功能全新的嵌入式控制系统。因此,嵌入式操作系统就是一个嵌入式控制系统的构建平台,使得应用软件的设计可以抛开具体的硬件和资源管理的细节,而专注于自身具体应用功能的实现,这就大大减轻了应用软件的开发难度。1.2 AGV 自动导引小车概述根据美国物流协会定义,AGV 是指装备有电磁或光学自动导引装置,能够沿着规定的导引路径行驶,具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车5。AGV 是以电池为动力、装有非接触导向装置,独立寻址系统的无人驾驶自动运输车。应用AGV 具有很多特点： AGV 可十分方便地与其它物流系统实现自动连接,如AS/RS、各种缓冲站、自动积放链、升降机和机器人等；实现在工作站之间对物料进行跟踪；对输送进行确认；按计划输送物料并有执行检查记录；与生产线和库存管理系统进行在线连接以向工厂管理系统提供实时信息。 采用AGV 使人工检取与堆置物料的劳动力减少,使操作人员无需为跟踪物料而进行大量的报表工作,因而显著提高劳动生产率。另外,非直接劳动力如物料仓库会计员、发料员以及运货车调度员的工作的减少甚至完全取消又进一步减低了成本。 AGV 运输物料时,很少有产品或生产设备的损坏,这是因为AGV 按固定路径行驶,不易与加工设备和其他障碍物碰撞。 绝大多数AGV 的使用者均证明,23 年从经济上均能收回AGV 的投资成本。 AGV 通过安装在地面之下的电缆或其他不构成障碍的地面导引物,其通道必要时可作其他用处。系统具有极高的可靠性。AGV 系统由若干台小车组成,当一台小车需要维修时,其它小车的生产率不受影响并保持高度的系统可利用性。约能源与保护环境。AGV 的充电和驱动系统耗能少,能量利用率高,噪音极低对制造和仓储环境没有不良影响。 纵观国外AGV 的应用实例,AGV 大体上用于以下三个方面：物料搬运在工业现场AGV 常用于工位间或自动仓库与工位间的物料搬运作业。例如在组装线上,AGV 从自动仓库取出机器零件并送到相应的组装工位。又如在柔性加工系统中,AGV 依照加工工序顺次将被加工工件送到相应自动机床进行加工,加工好的零件由AGV 送到质检站测,最后合格品送到半成品库。移动工作台在组装或柔性加工系统中AGV 常作为移动工作台使用。以欧美一些汽车厂为例,在轿车组装过程中从汽车底盘焊装组立、安装悬挂系统、车轮和制动系统、安装发动机、变速箱、离合器、安装转向系统、安装汽车外壳、安装风档玻璃和座椅到整车配电等一系列组装过程都是在一台AGV 上进行的。又如在欧美一些柴油机厂中,柴油机一系列的组装过程也都是在一台AGV 上完成的。与机器人或机器手配合在特殊工作环境下代替人工作业在AGV 上可以安装机器人或机器手,在特殊工作环境下代替人工作业。例如在核电站中代替人在具有放射线的工作环境下进行遥控作业。1.3 自动导引小车国外研究现状与发展趋势AGV 是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库而产生并发展起来的,日本人认为1981 年是柔性加工系统元年。这样计算AGV大规模应用的历史也只有15 至20 年。但是,其发展速度是非常快的。例如:美国通用公司1981 年开始使用AGV,1985 年AGV 保有量500 台,1987 年AGV 保有量3000台。资料表明欧洲40%的AGV 用于汽车工业,日本15%的AGV 用于汽车工业,也就是说AGV 在其他行业也有广泛的应用。1.3.1国外AGV 研究现状及发展趋势􀂊1913 年美国福特汽车公司开始使用有轨道的导引车辆;􀂊1954 年英国首先研制出电磁导引AGV；􀂊五十年代末AGV 已在欧洲推广应用；􀂊六十年代将计算机技术用于AGV 系统控制与管理；􀂊七十年代AGV 应用围扩大,车型多样化,导引方式五花八门；􀂊八十年代AGV 随计算机技术发展而发展。成本降低,性能先进,普及迅速, 己形成新的产业； 􀂊九十年代AGV 进入高智能化,数字化,网络化,信息化；􀂊90 年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的自 动导航机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人更高 层次的研究4。其中的代表有：1997 年美国发射到火星表而的索杰纳；􀂊2004 年成功登陆火星的勇气号和机遇号火星探测器；􀂊到目前为止,全世界已拥有AGV 系统10000 多个,约100000 辆AGV 小车。1.3.2国AGV 研究现状及发展趋势􀂊六十年代开始研究；􀂊七十年代起重运输机械研究所研制的ZDB1 型自动搬运车是最早的实 用型AGV；􀂊八十年代邮电部设计研究院等单位先后开始对AGV 进行研究与实践；􀂊九十年代自动化所为金杯汽车公司总装线上设计的九台AGV 自动 装配系统,是国较先进的实用型AGV；􀂊九十年代中期,昆船公司在引进国外最先AGV 进技术的基础上,先后承担了 数十个AGV 系统的设计、安装,其水平代表了目前国的最高水平。􀂊九十年代以来,清华大学研制的智能车THMR-V,采用分层递阶的体系结构,基于以太网通信,集成有CCD 摄像机、激光雷达、磁罗盘一光码盘、GPS 等多种传感器,能够实现结构化环境下的车道线自动跟踪,以及复杂环境下的道路避障、道路停障,最高车速达到150km/h；􀂊最近几年工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等。1.3.3国外AGV 导航控制技术导引控制技术是AGV 的核心技术,采用不同的导引方式就形成了各种形式的AGV5。电磁导引在AGV 要行驶的路线地而之下,预先理设好导引线。当给导引线通以一定频率的交流电流后,在导引线周围产生交变电磁场。AGV 上的探测线圈就能够检测此电磁场并使AGV 沿着导引线方向运动。当探测线圈偏离导引线时,两个线圈中的感应电压就有差异,车载控制系统就能根据电压差驱动转向电机,使 AGV 回到正确的路径上。磁条导引这种方式和电磁导引比较类似,只是把导引线换成磁条,在两个探测线圈之外多加了个激励线圈。因为磁条的磁场是不变的,探测线圈中不能自动感应出电压。激光导引在AGV 行驶路径周围预先垂直设置好一系列反光板,AGV 上装的激光扫描器不断扫描周围环境,当扫描到反光板时,扫描器就能感知。只要扫描到三个以上的反光板,就可以根据反光板的坐标值以及各反光板的法线和纵向轴的夹角,由控制器计算出AGV 当前的全局坐标系中的坐标,以及行驶方向与X 轴的夹角,达到准确定位和定向。惯性导航AGV 上装有陀螺仪,小车在行驶时有个基准方位,用陀螺仪测量加速度,并将陀螺仪的坐标值和加速度换算成AGV 当前的坐标和方向,将它们和规定的路线相比较。当AGV 偏离规定路径时,测得的加速度值和规定值就有一个矢量差,对这个差进行二次积分就能得到偏差值,并作为纠正小车行驶方向的依据。GPS导航通过卫星对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和导航,目前此项技术还在发展和完善,通常用于室外远距离的跟踪和导航,其精度取决于卫星在空中的定点水平及控制对象周围环境等因索。1.4 本文研究容和主要工作 分析确定AGV 控制系统的整体研究方案。 硬件设计 根据确定的硬件方案选择合适的主控芯片,以及各个功能模块芯片和电子元件,最终确定可行的硬件方案；在工业控制中设备功耗是个不得不考虑的问题,本文 为降低设备的功耗,将原先的工控机换成ARM 嵌入式处理器控制,这样基本上解决 了降低功耗的问题,从而使蓄电池提供足够的电能给小车行驶；了解芯片的外围电 路,分析芯片间的接线方式和功能模块间的连接方式,设计各个模块的硬件原理图；第二章AGV 车体结构及运动学模型2.1 AGV 的性能指标额定载重：100Kg最大载重：120Kg外型尺寸：800mm*600mm*300mm行走精度：10mm停车精度：5mm行走速度：0-30m/min最小转弯半径：800mm爬坡能力：1/100导引方式：多频电磁导引充电方式：外置充电器操作方式：按钮,计算机遥控。电源：24V 60AH 免维护工业电瓶安全装置：故障报警,急停按钮,障碍探测雷达驱动方式：中置双轮差速2.2 AGV 的组成及总体结构KH-20 型自动导引小车的结构示意图如图2. 1 所示。图2.1 AGV 结构示意图图2.1 中各编号组成部件分别为：1.超声波传感器,2.万向轮,3.驱动轮,4.电瓶,5.直流伺服电机,6.电机控制器,7.导引信号传感器。小车采用中间两轮独立驱动,前后四个小轮为万向轮。这样的结构与三轮结构相比有较大的负载能力和较好的平稳性。下面对其主要组成功能结构模块如图2.2 所示加以介绍图2.2 AGV 系统组成示意图主控单元,即小车的车载计算机。本车采用ARM7 来实现。主要的任务是对车体进行总体控制,是小车的神经中枢,主要完成的功能为：接受主控计算机下达的命令、任务；向主控计算机报告小车自身状态；根据所接受的任务和运行路线自动运行到目的装卸站,在此过程中,自动完成运行路线的选择,运行速度的选择。导引单元,也就是车体的引导方式。导引单元的功能在于保证小车沿正确路径行走,并保持一定精度要求。近几十年来,随着研究的深入,许多新的导引定位方式被逐渐采用,使得AGV 的性能得到长足发展,主要表现在路径设定更加灵活机动、变更更加简单易行,同时赋予机器人感知和回避障碍性能以及多辆小车协调工作等许多方面。AGV 的导引方式按有无导引路线可分为三种,一是固定路径方式,包括电磁制导方式、光学控制带制导方式、激光制导方式和超声波制导方式；二是半固定路径方式,包括标记跟踪方式和磁力制导方式；三是无路径方式,包括地面帮助制导方式、用地图上的路线指令制导方式和在地图上搜索最短路径制导方式。本文采用有导引线路的电磁导引方式。驱动单元,根据主控信号完成小车的加速,减速,制动和转弯。主要由车轮、制动器、电机及速度控制器等部分组成。AGV 驱动命令由计算机或人工控制器发出,它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是两个独立的变量,分别由计算机控制。为了安全,制动器的制动力由弹簧力产生,这样在紧急断电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法,如用脉宽调速或变频调速等。AGV 在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速,直线行走速度可高达1.2 m/s,拐弯时为0. 2m/s-0. 6m/s,接近停位点时为0. 1 m/s 。通讯单元,实现控制台与AGV 的信息交换。一般采用无线通讯方式。运行中的AGV 通过无线通讯系统与AGV 交换信息,实现AGV 之间的避撞调度,工作状态检测和任务的调度。安全与辅助单元,是为保护AGV 自身及现场人员,运行环境设施的安全而采用的多级硬、软件安全措施。为了避免AGV 在系统出故障或有人员经过AGV 工作路线时出现碰撞,一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。供电单元可随时检测AGV 小车自身的电池容量,当电池容量下降到一定值时,就会向系统发出充电需求的信号,由系统向该台AGV 发出充电命令。当AGV 到达充电站后,系统通过I/O 接口控制地面充电设备,对其进行充电。充满后,充电需求信号消失,AGV 小车可继续接受其他任务_2.3 AGV 小车运动学模型2.3.1 AGV 运动状态本文中的车体结构我们可以简化成两轮驱动车体模型,AGV 的运动状态和偏差示意图如图2.3 所示。图中虚线表示的车体为期望位姿,实线表示的车体是在和初始时刻相差为t时的位姿。由图中可以看出,车体产生一个位置偏差 和一个角度偏差 。针对图2.3我们可以建立它的运动学模型,则有：图2.3 AGV 运动状态及偏差示意图式中：R 是两驱动轮间的距离；r 是右驱动轮的线速度；l 为左驱动轮的线速度。由式可以看出,AGV行走的位置偏差 和方向偏差 与左右驱动轮的线速度有关。改变两驱动轮的速度可以实现车体位姿的改变,即利用两轮的速度差不断纠偏使车体沿着导引路径行走。对小车的位姿做如下定义,图2.4 所示为AGV 可能的位姿情况,图中的虚线表示导引路径。其中1 位姿为期望位姿,即无任何偏差。2、3、4、5、6、7、8、9 均为需要纠偏的位姿1。对各位姿偏差的正负定义如表2.1 所示。两驱动轮分别由两个完全相同的直流伺服电机驱动,电机通过减速箱减速后输出到轮子,从而实现整个AGV 车体的驱动。减速箱的减速比为18:1,由电机的知识可知,调节驱动电机的电枢电压可以改变电机的转速,进而改变驱动轮的转速,左右轮的不同转速就可以实现车体位姿的变化。因此,我们可以通过调节左右电机电枢电压的方法来达到纠偏的目的。电枢电压与电机转速的关系如下：式中a U 为电枢电压,单位V；a I 为电枢电流,单位A；a R 为电枢电流总电阻,单位 ； 为单极磁通,单位WB；E K 为电机结构相关参数。假设负载不变,由上式,电机的驱动电压与转速成近似线性变化,可以简化为：式中：i = r / l分别代表左电机、右电机；Ui为驱动电压；ni为电机转速；K i,为标定常数。因为两电机完全相同,所以轮子的转速n*： 为减速比, 18:1。则驱动轮的线速度为：式中,r 为驱动轮的半径。AGV 在行间走大部分是属于直线行走,在没有外部扰动作用的情况下,即在没有位姿偏差的情况下,左右电机给定相等信号Uc。当外部扰动使车体偏离预定的路径时,在给定信号上加减一个纠偏控制量u,即：式中：ur为右电机电压；ul为左电机的电压。由式-联立可得：由式可以看出位置偏差 和角度偏差 与纠偏控制量u 的关系,在已知位置偏差和角度偏差后,可以求得纠偏控制量。2.3.2 AGV 运动方式AGV 根据不同的路径或不同目标点要求,会有不同的运动情况,所对应的坐标变化也会不同的。设AGV运动时X轴方向上的变化量为x,Y轴方向上的变化量为y,d 为AGV 运动轨迹半径。具体运动主要分为下面几种情况：1. 当AGV 做圆周运动时：2. 当AGV 做直线运动时：其中v c为两驱动轮轴中心点的速度,且3. 当AGV 做自旋运动时：同时,如果用vx,v y表示AGV 在X 和Y 方向的速度分量则有：由vx,v y之间的三种关系决定了差速驱动AGV 的三种运动方式：当vr = vl时,c r l v = v = v ,d = +,AGV做直线运动；当vrvl时,AGV 做圆周运动；当vr = vl时,= 0 c v ,d = 0,AGV做自旋运动。2.3.3 AGV 小车直流伺服机构与运动学模型机器人采用的执行器有很多种24,常用的有电磁执行器,如直流电机、无刷电机、同步电机、步进电机、感应电机以及直接驱动式转矩电机。还有油压执行器,如油压缸和油压马达；气压执行器,如气压缸和气压马达等。现在还出现了压电执行器、超声波执行器、形状记性合金执行器和静电执行器等新型执行机构。一般机器人用电机的基本性能要求：启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性；正转反转时的特性相同,且运行特性稳定；良好的抗干扰能力,对输出来说,体积小、重量轻；维修容易,不用保养。根据AGV 的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素,选择驱动电机类型为70SZ51 电磁式直流伺服电机。传动方式为履带传动方式,履带传动具有下列特点为：履带传动为履带与轮的啮合传动,可以得到准确的平均传动比,并可用于较大的中心距间的传动；传动效率较高；不需紧力,作用在轴上的载荷较小；容易实现多轴传动；瞬时传动比不等于常数,传动平稳性较差,有噪声,在减速装置中,必然有摇摆、间隙和振动存在。2.3.3.1 电机参数伺服系统带动被控对象运动,常常很难用简单的数学表达式来描述,为便于工程设计计算,需作合理的简化。将被控对象运动负载作必要的典型分解,以转动形式为例,常见的典型负载有以下几种：干摩擦力矩T | T | sign N m 表示负载转动的角速度惯性转矩TJ=JJ 为负载转动惯量, 为负载角加速度粘性摩擦力矩Tb= bb 为粘性摩擦系数重力力矩TG = GlG 表示负载重量,l 为负载重心垂线到转动中心的距离弹性力矩TK= KmK 为扭转弹性系数,m为负载转动角度风阻力矩T f= f2f 为风阻系数本课题中电机带动AGV 小车运动主要有Tc和TJ两种负载特性带减速装置的传动形式称之为多轴传动。多数伺服系统执行电机与被控对象之间有减速传动装置,减速比i ,执行电机的转速是负载转速的i 倍,执行电机轴的输出力矩是负载转矩的1/ i , 1是减速装置的传动效率。有经验数据可供估算效率：每对齿轮付的传动效率 = 0.94 0.96 ；每对锥齿轮付 = 0.92 0.96 ；齿轮齿条传动 = 0.7 0.8；螺母丝杠传动 = 0.5 0.6本课题中AGV小车采用的是减速比为i = 18 :1的传动方式。电机参数如下：转矩：T 0.1764nom = ；转速：n 3000 nom = ；功率：P 55 nom = ；电枢电压：U 24 nom = ；激磁电压：24V；电枢电流：4A；激磁电流：0.57 A；允许顺逆转速差：200；转动惯量不大于：Jr=7.056 105 2.3.3.2 相关参数推算给出电机的输出参数有额定转矩Tnom、额定转速nnom、额定功率Pnom,输入参数有电枢额定电压Unom、额定电流Inom,激磁电压U f和激磁电流I f；电枢转动惯量J r,其它参数需用以下关系式估算25。转矩常数K M= |K E |。由关系式估算得：电枢电阻：a R =1.28 ,电枢电感：a L =7.64,电势常数：= 0.06 E K ,转矩常数：K M = 0.06。取传动效率为0.8,则总的传动效率约为 = 0.5,电机自身的摩擦力矩：AGV 小车的总重约为G400N,这里经验估计小车车轮与地面的摩擦系数取为0.1,随着运行环境的不同会有所不同,假设小车运行在地面平整的地面环境,则小车行驶中车轮轴承受的摩擦力矩：负载折算到电机轴上的转矩：T / i= 0.222电机和负载折合到电动机轴上的粘性摩擦系数：负载转动惯量：负载折算到电机轴上的转动惯量：电机轴上总的转动惯量式中J p为齿轮传动装置及轮子折到电机轴上的转动惯量,初步估计为5J r。2.3.3.3 AGV 运动学模型AGV 系统是一个复杂的、多耦合的、非线性系统。建立数学模型的途径有很多,如理论分析、物理系统建模、数据分析、类比分析等基本方法。单纯采用一种方法很难获得满意的答案,所以常常综合考虑使用。对一简单的对象,可以通过对对象的物理过程分析计算推导出其数学模型；对于复杂的对象,用解析方法求取数学模型比较困难,常采用现场的输入输出参数通过系统辨识和参数估计的来获得对象的数学模型。本课题模型的被控量是小车与预设轨迹的位置偏差,设置的采样频率为100Hz,系统阶次取2。辨识得到的数学模型,系统脉冲传递函数为：转化为连续域传递函数为：考虑AGV 动力学系统主要由直流伺服电机、转动装置及轮子构成,PWM 驱动主要是延时影响,忽略两个独立的电气驱动和变速机构差异,对AGV 系统进行了物理性分析,经实验验证得到系统的数学模型。对于分析AGV 移动过程中的转弯及姿态控制等,先前的数学模型不能满足需要,要将两个独立的驱动机构分别处理,从而提高AGV 的灵活性,下面我们对直流伺服电机的数学模型进行推导。2.4 直流伺服电机的仿真模型2在2.2 中对电机的相关参数己经进行了推导,假定功率转换装置和电线的阻抗都包括在电枢电路电阻a R 和电枢电感a L 中,外部转动惯量ext J 为机械传动元件上的所有可能部分的总转动惯量并折算到电动机轴上的值。下面推导直流伺服电动机传动函数和结构图。电动机的角速度为：折算到电动机轴上的总转动惯量为：电压平衡方程式：式中反电动势电机轴上的转矩平衡方程式：电动机电磁转矩：图2.5 和2.6 是安装在AGV 上的直流伺服电机仿真模型及给定输入电压为12V 的阶跃响应曲线。仿真中当电枢电压给定低于4.74V 时,出现负转,这意味着此时的电机提供的电磁转矩不足以克服负载及摩擦转矩,模型不再适用,电机实际运行中不会转动,处于阻转状,同样反转时情况也类似,所以在仿真中加入了非线性死区环节,在转速调节中应该考虑这种死区情况。限压保护及死区问题考虑：电机供电电源为两个12V 蓄电池,电枢的额定电压恰为24V, PWM 无升压作用,所以电路上能保证安全。直流伺服电机一般采用全压起动,电枢回路中无须另串电阻起动,串附加电感可改善电流脉动量和降低起动时电流。为保证安全性,可在控制器设计中加电压饱和环节对起动时的电压作了限定,也可在电路设计中加电流检测环节,在电路上或通过控制器中断保证电流不超过允许围,本课题对此并未做过多考虑。当控制器输出得到的电枢电压a U 不在2424V 之间,以极限值处理。图2.5 直流伺服电机带负载小车仿真模型图2.6 直流伺服电机给定电压下的仿真单位r/s第三章AGV 控制系统硬件设计AGV 系统是一套复杂的控制系统。AGV 的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体,涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科,是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统。本文设计的AGV 模型的主要硬件包括：ARM7 处理器及其外围电路、电机驱动电路以及传感检测电路等。在本文设计中的各个功能模块,均采用嵌入式方案进行设计与实现。对于一个嵌入式应用系统,硬件设计是实现整个系统的基础,同时它也关系到整个系统的性能。本章首先介绍芯片选型的相关原则,再详细的介绍嵌入式处理器选型及设计、存储器扩展,最后介绍嵌入式系统外围电路及接口设计。3.1 硬件选择原则在嵌入式产品设计中,硬件选型的合理性、可行性以及可靠性将直接影响着产品的开发周期,同时也决定了产品的性能,还可能会影响到产品成形后的生产,因而硬件选型是嵌入式产品设计的一个重要环节。在硬件选型时应该综合考虑产品的应用领域、成本问题、开发的难易程度问题、元件购买途径问题、用户需求问题等等；而硬件选型主要是主控芯片的选型,选择一种功能强大但又小浪费资源的主控芯片是十分重要的。以下将以主控芯片选型为例从技术角度来阐述一下对硬件选型时所需要综合考虑的几个因素：是否有合理的RAM 和Flash 大小；是否有足够的I/O 引脚数目；部是否包含所需的功能模块；芯片的封装形式是否适合设计的需要；与芯片相关的写入器,编译器和集成开发环境是否具有可开发性,或者是否能从第三方得到；是否能够购买到,或者能够申请到样片；语言体系与熟悉程度。目前市场上单片机的生产厂家有近百家,芯片种类更是多达上千种,价格也从几块到几百块不等,因此可供选择的余地非常大；但是在嵌入式设计过程中,很多厂家的芯片都是可以互相替代的,而且从用户角度考虑,它们只关心产品是否满足他们的要求,而并不关心选用哪款具体的芯片,因此在开发过程中应该尽量选择自己熟悉的单片机进行开发,这样会缩短开发周期3.2 硬件系统整体结构AGV 自动导引小车嵌入式硬件系统整体结构如图3.1 所示。课题选用性能价格比高的32 位ARM 微处理器组成高效、实时处理、功能全面、操作简单的试验机控制系统。该微处理器具有通用性强、提供的硬件资源丰富、有较好的中断处理功能、便于系统扩展、通信接口种类多、指令系统简单实用等特点。系统主控制器的硬件平台采用模块化的设计思想,各个模块各自独立、自成体系。模块化设计,不仅增强了各个部分的可重用性,而且给后期的调试工作带来了很多方便。AGV 车载控制器,在硬件上一般用PLC 控制器、工控机或单片机实现,由于考虑到功耗、价位等问题,选用了ARM 嵌入式微处理器。它是小车行驶和进行作业的直接控制中枢,主要完成的功能为：接受主控计算机下达的命令、任务；向主控计算机报告小车自身状态, ；根据所接受的任务和运行路线自动运行到目的装卸站,在此过程中,自动完成运行路线的选择,运行速度的选择,自动装卸货物,运行方向上小车之间的避让,安全报警等。采用ARM 作为控制核心,整个控制电路功耗不超过10W,远低于工控机200W的功耗,使AGV 小车在同样的电池情况下多行驶近一倍的距离。硬件各部分结构简要功能如下：图3.1 AGV 嵌入式硬件系统整体结构框图ARM7 嵌入式处理器：是整个控制系统的核心部件,机器人的运动控制、运行轨迹的规划、各种传感器信息的处理均由ARM7 处理器完成。本设计中ARM7 处理器选用的菲利普公司的LPC2210。存储器：在ARM7 处理器的外围扩展,扩展了RAM 和ROM 存储器,用于程序运行时的数据存储和程序代码的存储。LCD 显示模块：用于显示系统运行过程中AGV 的一些状态,如移动速度、当前的方位、执行机构的状态等等。RS-232 和以太网接口：RS-232 接口用于机器人控制系统同PC 机之间的通信。以太网接口可实现Internet 数据通信。I/O 模块：扩展处理器的输入输出口线,包括A/D 输入线、外部中断输入及输出控制线。直流伺服电机控制模块：主要实现对左右驱动轮电机的伺服控制,在AGV 控制中,驱动电机的控制是一个很重要的方面。传感器模块：黑色引导线监测模块是机器人可以根据传感器信息进行路径引导规划。下面从处理器选型入手,具体对各部分电路进行阐述。3.3 嵌入式处理器选型主流的嵌入式系统处理器有：1MCU,经典的MCS51 系列：Motorola 的69HC11,Atme1 的89C51系列,Philips 的51 系列等,均为8 位微处理器,一般有丰富的外围资源用于控制系统,如AD、DA、PWM、DART、I2C 总线等；16 位MCU 主要有Microchip 的PIC系列,Intel 的MCS96 系列,TI 的MSP430 系列以及凌阳的uNSP61 系列等,8 位、16位单片机在微控系统等应用广泛。2FPGA 和CPLD,主要通过VHDL 和Verilog 硬件描述语言开发。主要用于时序电路,存储电路等数字电路,控制功能弱,一般与微处理器一起使用。3DSP,主要有TI 的TMS320C2000/5000/6000 系列,AD 的ADSP21 系列和Motorola 的DSP56xxx 系列等。DSP 主要用于信号处理的算法实现。432 位处理器,主要有ARM ,Cold Fire, PowerPC, x86 以及MPC8xx 等。比较各处理器性能,以ARM为代表的RISC 的处理器要优于以X86 为代表的CISC处理器。RISC的中心思想是简化硬件设计,硬件只执行很有限的,最常用的那部分指令,大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术,由简单指令合成,RISC 使得相对少的晶体管可设计出极快的处理器。ARM ,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。采用RISC 架构的ARM 微处理器一般具有如下特点6：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb /ARM 双指令集；大量使用寄存器,指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单,执行效率高；指令长度固定；ARM7TDMI 是ARM7 处理器系列成员之一,是目前应用最广的32 位高性能嵌入式RISC 处理器。ARM7TDMI 为低功耗、高性能的16/32 核,最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。TDMI 的基本含义为：T 代表支持16 位压缩指令集Thumb；D 代表支持片上Debug；M 代表嵌硬件乘法器I 代表嵌入式ICE,支持片上断点和调试点。3.4 存储器扩展LPC2210 只有16KB 的片RAM,没有片Flash 存储器,可是其具有外部存储器接口,通过外部存储器控制器可以扩展4 个Bank 的存储器组,每个存储器的空间大小为16MB。LPC2210 的EMC 负荷ARM 公司的PL090 标准,总线宽度可以是8 位,16 位和32 位,通常用16 位总线宽度的具有较高的性价比789。图3.3 存储器接口电路图为了方便程序的调试和最终代码的固化应用,外围扩展512KB SRAM和2MB 的FLASH,使用了Bank0 和Bank1的地址空间,可以通过JP6 跳线将CS0 和CS1 分别分配给SRAM 或FLASH。在程序调试的时候,分配SRAM 为Bank0 地址,因为Bank0 可以进行中断向量重新映射操作。当最终代码固化到FLASH 时,分配FLASH 位Bank0 地址,SRAM 为Bank1 地址,因为Bank0 可以用来引导程序运行。存储器接口电路图如图3.3 所示。3.5 接口电路设计3.5.1 JTAG 调试接口JTAG 是IEEE 的标准规,ARM7TDMI 部提供了3 个JTAG 型的扫描链,可以进行调试和配置嵌入式的ICE-RT 逻辑。JTAG 仿真器也称为JTAG 调试器,是通过ARM 芯片上的JTAG 边界扫描口进行调试的设备。JTAG 仿真器比较便宜,连接比较方便。它可以通过现有的JTAG 边界扫描与ARM CPU 核进行通信,属于完全非插入式调试。它无需目标存储器,不占用目标系统的任何端口,而且是普通的驻留监测软件所必须的。另外,JTAG 调试的目标程序是在目标板上执行,仿真更接近于目标硬件,因此,仿真结果与真实的运行环境更为接近,所以逐渐成为目前采用最多的一种调试方式。其接口连接如图3.4 所示。图3.4 JTAG 调试接口连接图3.5.2 UART 接口UART 是一种通用串行数据接口,用于控制计算机与串行设备进行异步通信的芯片。该总线双向通信,可以实现全双工传输和接收。它提供了RS - 232 数据终端设备接口,在嵌入式设计中,UART 用来与PC 进行通信如图3.5 所示,包括与调制解调器和其它器件,如EEPROM 通信。LPC2210 的UART 单元提供两个独立的异步申行UO口,接口电路较简单,只要注意使用芯片如MAX3232 芯片将3.3V 的电平转换成与普通串口兼容的信号就可以了。它可以运行于中断模式或DMA 模式,最高可支持115200bps 的传输速率,每个通道包含两个用于接收或发送数据的16 位FIFO 队列。支持可编程波特率,红外收发。1-2 位停止位,5、6、7 或8 位的数据宽度及奇偶校验位,每个UART 包含一个波特率发生器数据发生器数据接收器及控制单元；部数据到达发送单元后,进人FIFO 队列,然后通过发送移相器通过发送引脚发送出去,接收的过程则相反。图3.5 UART 与PC 机串口接口示意图3.6 外围硬件电路设计AGV 的硬件部分主要由主控单元,导引单元,驱动单元,通讯单元,安全与辅助单元和供电单元等组成。在这一节