机电专业毕业论文

机电专业毕业 上海建峰职业技术学院 SHANGHAI JIANFENG VOCATIONAL COLLEGE 电子工程系毕业设计 课题名称: 自动导引小车(AGV)系统的设计 专 业: 机电一体化 姓 名: 王亚东 学 号: 09070210 指导教师: 马其华 完成日期: 上海建峰职业技术学院 摘要 自动导引小车(AGV)系统的设计 摘 要:自动导引小车(AGV)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，系统的软件设计采用的了? 基于嵌入式实时系统的设计，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，包括超声装 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μClinux 的移植方法和移植过程，使用μClinux 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订 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; 线 最后使用基于μClinux 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PID ? ? ? ABSTRACT: As the actuator of Automated Guided Vehicle (AGV) system, the ? ? control system ? ? effects the stabilization of the AGV evidently. With the advancement of control theories ? and the development of electronic technologies, the AGV system is developed with high speed high accurateness, open-architecture, and intelligence. For the high speed and high accurate location-control and trajectory tracking, the AGV system must rely on advanced motion control theory and fine motion control structure. 上海建峰职业技术学院 摘要 In this paper, we use the ARM microprocessor as the chief chip to design the movement control system. The paper discusses the hardware realization of our AGV system based on the microprocessor, and introduces the design method of the system software based on the real time operation system μClinux，and finally discusses the speed control system of the motor based on fuzzy PID control method. ? First, the hardware constitution of the AGV is discussed. It narrates emphatically the ? ? design method, the using method of serial communications and the design of interface ? circuit. The simulation model of DC motor and kinematic model of AGV is ? ? recommended.We design the driving circuit and the guiding signal controller .The AGV’s ? sensor system is designed in the article, including the precise supersonic sensor and ? ? electromagnetic guidance Sensor. ? Second, the real time the design method of the software system the AGV and the ? ? concept of the embedded operating system is introduced. We focused on the process of ? repotting and transplanting methods of the embedded operating system. μClinux 装 ? operating system can best meet the requirements of AGV control system, such as: the ? small operating system can meet the hardware requirements of embedded systems; ? ? real-time, and that system the reaction time can be predictability; it can achieve ? 订 multi-tasking capability. ? Then, realization method on ARM of the fuzzy PID controller is discussed. At first, the ? ? paper introduces the mathematical model of the ordinary digital PID controller and fuzzy ? PID controller, and we compare them by MATLab’s SIMULINK module. Finally we ? 线 repot the fuzzy PID controller to ARM microprocessor. And we also designed a ? regulation which makes AGV have accurate tracking capabilities, thus enhance the ? ? accuracy of the exercise. ? Key words: Automated Guided Vehicle; AGV; ARM;μClinux; fuzzy PID ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上海建峰职业技术学院 目录 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 自动导引小车国内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 国内AGV 研究现状及发展趋势…………………………………… ? 装 1.3.3 国内外AGV 导航控制技术„„„„„„„„„„„„„„„„ ? ? 1.4 本文研究内容和主要工作„„„„„„„„„„„„„„„ ? ? 第二章 AGV 车体结构及运动学模型„„„„„„„„„„„ ? 订 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„„„„„„„„„„„„„„„„ ? 线 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…………………………………„„„„„ 上海建峰职业技术学院 目录 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……………………„„„„„ ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 第一章绪论 1.1 引言 AGV (Automated Guided Vehicle)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(AGT)，自动导引叉车(AGVT)， ? ? 无导引线的激光导引车(LGV)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，从而极大地提高了生产自动化程度和生产效率[2]。 装 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? 订 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线 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，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 - 1 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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? 装 现，这就大大减轻了应用软件的开发难度。 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 2 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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: ? ? (1) AGV 可十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如AS/RS(通过出/入库台)、 ? ? 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。 ? ? (2) 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装 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。 ? ? (3) 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 ? 订 行驶，不易与加工设备和其他障碍物碰撞。 ? (4) 绝大多数AGV 的使用者均证明，2,3 年从经济上均能收回AGV 的投资成? ? 本。 ? ? (5) 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 线 要时可作其他用处。 ? ? (6)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。 ? ? (7)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。 ? ? 纵观国内外AGV 的应用实例，AGV 大体上用于以下三个方面: ? ? (1)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。 - 3 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 (2)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。 ? ? (3)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。 ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 4 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? 1.3 自动导引小车国内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 装 ? 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; ? 订 ? 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 应用范围扩大，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; 线 ? 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(Sojourner); ? ? 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 国内AGV 研究现状及发展趋势 ? ? 六十年代开始研究; ? ? 七十年代北京起重运输机械研究所研制的 ZDB,1 型自动搬运车是最早的实 用 型AGV; - 5 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? 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; ? 九十年代沈阳自动化所为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台 AGV 自动 装配系统，是国内较先进的实用型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内的最高水平。 ? ? ? 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; ? ? ? 最近几年哈尔滨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 国内外AGV 导航控制技术 ? 装 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AGV[5]。 ? ? (1)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订 ? 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 ? 线 上。 ? ? (2)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。 ? ? (3)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。 (4)惯性导航 - 6 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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。 (5)GPS(全球定位系统)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 本文研究内容和主要工作 ? ? (1) 分析确定AGV 控制系统的整体研究方案。 ? ? (2) 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， 装 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 ? 订 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; ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 7 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? ? 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 装 ? ? 行 走 精 度: ?10mm ? ? ? 停 车 精 度: ?5mm ? ? 行 走 速 度: 0-30m/min ? 订 ? 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 线 ? ? 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(前后各一) ? ? ? 驱 动 方 式: 中置双轮差速 ? ? ? ? ? ? ? - 8 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? 2.2 AGV 的组成及总体结构 ? ? KH-20 型自动导引小车(AGV)的结构示意图如图2. 1 所示。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 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 ? ? ? ? ? - 9 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? ? ? ? ? ? 图2.2 AGV 系统组成示意图 ? ? ? (1)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? 装 达的命令、任务;向主控计算机报告小车自身状态(包括小车目前所处的位置，运行? 的速度、方向、故障状态等);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。 ? ? (2)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 订 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? 线 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。 ? ? (3)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、 - 10 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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 。 (4)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。 ? ? (5)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。 ? (6)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(此命令有绝对的 ? ? 优先权)。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__ ? 装 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(见图2.3)我们可以简化成两轮驱动车体模型，AGV 的运动状 ? 订 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Δt时? ? 的位姿。由图中可以看出，车体产生一个位置偏差Δλ 和一个角度偏差Δθ 。 针对? ? 图2.3我们可以建立它的运动学模型，则有: 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图2.3 AGV 运动状态及偏差示意图 ? - 11 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? 式中:R 是两驱动轮间的距离; r ν 是右驱动轮的线速度; l ? ? ν 为左驱动轮的线速度。 ? 由式(2.1)可以看出，AGV行走的位置偏差Δλ 和方向偏差Δθ 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。 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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 - 12 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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Ω ;φ 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;U i 为驱动电压; ni 为电机转速; K i ，装 ? 为标定常数。因为两电机完全相同，所以 ? ? ? ? 订 轮子的转速n*: ? ? ? ? ? 线 ? η 为减速比，η ,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Δu ，即: - 13 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 式中: ur 为右电机电压; ul 为左电机的电压。 由式(2.1)-(2.6)联立可得: ? ? ? ? ? 由式(2.7)可以看出位置偏差Δλ 和角度偏差Δθ 与纠偏控制量Δu 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。 ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? 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? 订 变化也会不同的。设AGV运动时X轴方向上的变化量为Δx，Y轴方向上的变化量为Δy， ? ? 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: ? ? 线 ? ? ? ? 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: - 14 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 同时，如果用vx ， v y 表示AGV 在X 和Y 方向的速度分量则有: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? y之间的三种关系决定了差速驱动AGV 的三种运动方式: 由vx ， v? ? ?当vr = vl 时， c r l v = v = v ，d = +?，AGV做直线运动; ? 装 ? ? ?当vr?vl 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 订 ? 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(直线运动)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? 线 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:(1)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;(2)正转反转时的特性相同，且运行特性稳定;(3)良好的抗干? ? 扰能力，对输出来说，体积小、重量轻;(4)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;?不需张紧力，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。 - 15 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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] ? ? Ω 表示负载转动的角速度 ? ? ? 惯性转矩TJ = Jε ? ? J 为负载转动惯量，ε 为负载角加速度 ? ? 粘性摩擦力矩Tb = bΩ ? ? b 为粘性摩擦系数 ? ? ? 重力力矩TG = Gl ? G 表示负载重量，l 为负载重心垂线到转动中心的距离 ? 装 ? 弹性力矩TK = Kθm ? ? K 为扭转弹性系数，θm 为负载转动角度 ? ? ? 风阻力矩T f = fΩ2 ? f 为风阻系数 订 ? 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? 线 出力矩是负载转矩的1/ iη ，η < 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η = 0.94 ~ 0.96 ;每对锥齿轮付η = 0.92 ~ 0.96 ;齿轮齿条传? ? 动η = 0.7 ~ 0.8;螺母丝杠传动η = 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 0.1764(N m) nom = ? ; ? 转速:n 3000(r /min) nom = ; ? ? 功率:P 55(W) nom = ; ? 电枢电压:U 24(V ) nom = ; 激磁电压:24V; 电枢电流:4A; - 16 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 激磁电流(.不大于):0.57 A; 允许顺逆转速差:200(r/min); 转动惯量不大于:Jr= 7.056× 10? 5 (kg m2 ) 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]。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 转矩常数 K M = | K E | 。 ? ? 由关系式估算得: ? ? 电枢电阻: a R =1.28 Ω ，电枢电感: a L =7.64(mH)，电势常数: = 0.06 E K ，转 ? 矩常数: 线 ? K M = 0.06。取传动效率为0.8，则总的传动效率约为η = 0.5，电机自身的摩擦力矩: ? ? ? ? ? AGV 小车的总重约为G,400N，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 / iη= 0.222(N m) 电机和负载折合到电动机轴上的粘性摩擦系数: - 17 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? 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， 装 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订 ? 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。 线 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 - 18 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? 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 线 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: - 19 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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，装 ? 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? 订 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线 ? 许范围，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,24,? ? 24V 之间，以极限值处理。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 20 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图2.5 直流伺服电机带负载小车仿真模型 ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? 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 - 21 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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? 装 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: ? (1)是否有合理的RAM 和Flash 大小; ? ? (2)是否有足够的I/O 引脚数目; 订 ? (3)内部是否包含所需的功能模块; ? ? (4)芯片的封装形式是否适合设计的需要; ? (5)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? 线 能从第三方得到; ? ? (6)是否能够购买到，或者能够申请到样片; ? (7)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 - 22 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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，(包括小车目前所处的位置，运行的速度、方向、故障状? ? 态等) ;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? 装 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:? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 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 - 23 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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 (Flash)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 ? 装 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 订 ? ? ? 主流的嵌入式系统处理器有: ? 1(MCU(微控制器)，经典的MCS51 系列:Motorola 的69HC11,Atme1 的89C51 ? 线 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。 ? ? 2(FPGA 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。 ? 3(DSP(数字信号处理器)，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。 4(32 位处理器，主要有ARM (分ARM7, ARM9, ARM10 和Secure Core 等几个 系列)，Cold Fire, PowerPC, x86 以及MPC8xx 等。 - 24 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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(精简指令集处理器)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 (Advanced RISC Machines)，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]: ? ? (1)体积小、低功耗、低成本、高性能; ? (2)支持Thumb (16 位)/ARM (32 位)双指令集; ? ? (3)大量使用寄存器，指令执行速度更快; ? ? (4)大多数数据操作都在寄存器中完成; ? (5)寻址方式灵活简单，执行效率高; ? 装 (6)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: 订 ? T 代表支持16 位压缩指令集Thumb; ? ? D 代表支持片上Debug; ? M 代表内嵌硬件乘法器(Multiplier) ? 线 I 代表嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 25 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 3.4 存储器扩展 LPC2210 只有16KB 的片内RAM，没有片内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(EMC)可以扩展4 个Bank 的存储器组(Bank0, Bank3),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[7][8][9]。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? 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(采用 ? 芯片IS61LV25616AL)和2MB 的FLASH(采用芯片SST39VF160)，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 - 26 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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 (Joint Test Action Group)是IEEE 的标准规范，ARM7TDMI 内部提供了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(不占用片上资源)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。? 装 其接口连 ? ? 接如图3.4 所示。 ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图 3.4 JTAG 调试接口连接图 - 27 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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;内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装 ? 引脚发送出去，接收的过程则相反。 ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图3.5 UART 与PC 机串口接口示意图 ? ? ? ? - 28 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 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。在这一节中我们将详细介绍嵌入式处理器外围硬件各个? ? 功能模块的硬件设计。 ? ? ? 3.6.1 信号源 ? ? ? 目前AGV 大多采用电磁渡感应导向方式，这种导向方式具有抗干扰强、易于实 ? ? 现数据传输等特点。所谓电磁导向就是沿AGV 运行路线埋设一条导向线，导向线可 ? ? 按直线、转弯、合流、分流埋设，最后闭环接到正弦波信号发生器的输出端。导向? 装 线通电后便产生交变磁场，在AGV 上装有传感器，分别感应出两个电压，这两个电 ? 压经逻辑处理后控制导向电机M，电机带动导向轮始终追踪导向线行驶，从而达到? ? 无人驾驶自动导航的目的。如图3.6 电路中设计了能产生不同频率的信号源。 ? ? 订 3.6.2 传感检测电路 ? ? ? AGV 要实现自动导引功能、避障功能和停车功能就必须要感知导引线、障碍物? ? 和导引信号，这就相当于给小车一个视觉功能。小车在运行过程中使用相应的传感线 ? 器感知导引线、判断障碍物以及检测停车标志信号，以此来选择正确的行进路线和? ? 停车方位[5]。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图3.6 信号源电路图 - 29 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 3.6.3 电磁导引传感器 对于导引路径，我们采用在地面埋入磁条的方式，为了感知导引线上的磁力信 号，我们设计了如图3.7 电路。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? 图3.7 电磁导引传感电路图 ? 电磁导引好比是AGV 小车的“眼睛”，由于电磁导引的路径是由3 种不同频率的 ? ? 电磁导引线来进行规划的，为实现多频率的导引控制，我们必须要有AGV 专用的支 ? ? 持多频率信号采集的频率选择器。频率选择器根据AGV 控制器发出的频率选择信? ? 号，来选择所需跟踪的频率，并将的接受到的频率信号转换成标准信号输出。AGV 多 ? 频率导引是这样实现的:当上位控制系统将行走“段表”分配个某台AGV 后，该台? ? AGV将根据段的“频率属性”来选择频率，从而在到达某段的时候自动切换导引频? 率，完成行走任务。 - 3 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 3.6.4 超声波传感器 超声波系统结构坚固、简单、廉价并且能耗低，可以很容易地用于摄像机调焦、 运动探测报警、智能小车导航和测距。它的缺点是分辨率和最大土作距离受到限制， ? ? 分辨率地限制来自声波的波长、传输介质中温度和传播速度的不一致性。最大距离? ? 的限制则来自介质对超声波能量的吸收。目前超声波测距设备的频率范围在20kHz ? ? 到2MHz 之间。这里简单介绍超声波传感器的工作原理。 ? 在这种传感器中，超声波发射器能够间断地发射出高频声波。超声波传感器由? ? 两种工作模式，即对置模式和回波模式。在对置模式中，接收器放置在发射器对面，? ? 而在回波模式中，接收器放置在发射器旁边或与发射器集成在一起，负责接收发射 ? 回来的声波。如果接收器在其工作范围内(对置模式)或回波被靠近传感器的物体表面? 装 发射(回波模式)，则接收器就会检测出声波，并将产生相应的信号。否则，接收器就? ? 检测不到声波，也就没有信号。所有的超声波传感器在发射器的表面附近都有一盲? ? 区，在此盲区内，传感器不能测距也不能检测物体的有无。在回波模式中，超声波 ? 传感器不能探测表面是橡胶或泡沫材料的物体，这些物体不能很好地反射声波。 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 4 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 总结与展望 本文以毕业课题为基础，对AGV小车控制系统部分的设计进行了系统的论述。并结 合机械部分的设计，完成一个完整的AGV小车。 ? ? 本文主要完成了以下几方面的工作: ? (1)小车的总体结构设计 ? ? (2)设计了以MCS-51为核心的控制系统的硬件电路，传感检测电路及电机驱动? ? 电路 ? (3)结合伺服驱动系统的顺序编程功能实现了单片机与伺服驱动器之间的串口? ? 通讯，提高了程序执行的效率 ? ? (4)把机械与控制部分相结合，设计了完整的AGV小车 ? 装 研究展望 ? ? 在本文设计工作的基础上，本人认为以下几个方面有待进一步的研究: ? (1)结合控制理论，进一步研究小车的运动控制及其控制策略的问题，以提高对? ? AGV小车的控制精度 订 ? (2)研究关于无线通讯的基本理论，结合现在先进的通讯技术，实现上位机无线 ? 监控AGV小车，并实时与小车通讯的功能 ? ? (4)进一步研究AGV小车主动避障的理论和方法，完善小车在遇到障碍物的情况? 线 下，绕过障碍物继续按预设的路径行走的策略 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 5 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 装 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 6 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 谢 辞 在大学两年多的学习期间，本人得到了导师马其华老师无微不至的关怀和指导， 使我能顺利地完成硕士论文。正是在马老师的谆谆教诲下，我取得了很大的进步。? ? 马老师认真求实和严谨治学的作风，敏锐的洞察力和渊博的知识以及忘我的工作、 ? 学习态度，使我受益匪浅、终生难忘。在此论文完成之际，特别感谢两位老师多年? ? 来的悉心教导! ? ? 感谢同窗的帮助，校园融洽的氛围为自己创造了一个良好的学习环境。 ? 感谢父母含辛茹苦的养育之恩，你们无私的关爱和支持是我不断前进的动力和? ? 源泉。在以后的人生道路上，唯有永不懈怠，不断进取，方能报答你们于万一。 ? ? 最后，谨借此机会向所有关心、支持和帮助过本人的老师们和同学们致以最诚挚 ? 装 的谢意 ? ? ? ? ? 订 ? ? ? ? ? 线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - 5 - 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 参考文献 [1]于国英.农业AGV 视觉导航参数提取与轨迹控制的研究[D].江苏大学,2006. [2]宋长会.移动机器人控制系统设计与研究[D].哈尔滨工程大学,2006. [3]龚根华.轮式移动机器人控制系统设计与研究[D].南京航空航天大学,2004. [4]李磊,叶涛,谭民等.移动机器人技术研究现状与末来[J].机器人.2002. 24 (5): 475-480. ? ? [5]叶菁.磁导式AGV 控制系统设计与研究[D].武汉:武汉理工大学,2006. ? 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