毕业设计（论文）-基于Cortex-M3微控制器的自动导航车（AGV）设计

毕业设计（论文）-基于Cortex-M3微控制器的自动导航车（AGV）设计 毕 业 设 计(论 文) 设计(论文)题目:基于Cortex-M3微控制器的自动导 航车(AGV)设计 姓 名___ _ 学院(系)应用科学学院 专 业_光信息科学与技术 班 级 061801 指导教师___ 2010年6月13日 太原科技大学毕业设计(论文)任务书 学院(直属系):应用科学学院物理系 时间: 2010年 3 月 11 日 学 生 姓 名 指 导 教 师 基于Cortex-M3微控制器的自动导航车(AGV)设设计(论文)题目 计 1、 AGV技术的基本原理。 2、 Cortex-M3微控制器的架构及功能特点。 主要研 3、 电机的基本工作原理。 究 4、 部分外围传感器电路的设计。 5、 自动导航车的设计搭建与测试 1、 查阅文献 研究方法 2、 实验调试 主要技术 1、 设计制作出自动导航车。 指标(或 研究目2、 相关电路板的绘制及功能程序软件的开发。 标) 1、 st， STM3210B-MCKIT and STR750-MCKIT 3-phase motor control power 主要参考 stage，User manual ，www.st.com 文献 2、 st，STM3210B-MCKIT motor control starter kit，User manual，www.st.com 目录 摘要 ............................................................ I ABSTRACT ........................................................II 第1章 绪论...................................................... 1 1.1课题的来源、背景和意义 ........................................ 1 1.2 AGV的概念..................................................... 1 1.2.1 AGV的主要系统构成 ......................................... 2 1.2.2 AGV-AGV地面(上位)控制系统 ............................... 3 1.2.3 AGV-AGV车载(单机)控制系统 ............................... 3 1.3 AGV的发展及研究状况........................................... 4 1.3.1 AGV的发展历程和应用历史 ................................... 5 1.3.2 AGV在国外的应用发展现状 ................................... 5 1.3.3我国AGV的应用发展现状 ..................................... 6 1.3.4 AGV的发展趋势 ............................................. 7 1.4论文主要研究内容 .............................................. 8第2章 系统功能模块的基本原理 .................................... 9 引言 .......................................................... 9 2.1 2.2 中央控制模块 .................................................. 9 2.2.1 STM32系列Cortex-M3内核微控制器简介 ....................... 9 2.3步进电机驱动模块 ............................................. 13 2.3.1步进电机工作原理 .......................................... 13 2.3.2步进电机的静态指标术语 .................................... 15 2.4循迹模块原理 ................................................. 18 2.5避障模块原理 ................................................. 18 第3章 系统硬件设计 ..............................................20 3.1引言 ......................................................... 20 3.2系统综述 ..................................................... 20 3.3步进电机的驱动电路设计 ....................................... 20 3.4 红外循迹模块设计 ............................................. 22 3.5超声波避障模块设计 ........................................... 24 3.6 LCD1602显示模块设计.......................................... 28 第4章 系统软件设计 ..............................................29 第5章 系统调试与实验 ............................................31 第6章 结论......................................................32 参考文献 ........................................................33 致谢 ............................................................34 附录 ............................................................35 附录? ........................................................... 35 附录? ........................................................... 36 附录? 中文译文 .................................................. 37 附录? 英文原文 .................................................. 40 太原科技大学毕业设计(论文) 基于Cortex-M3微控制器的自动导航车(AGV)设计 摘要 AGV (Automatic Guided Vehicle)是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文介绍了AGV在国内外的发展现状和应用情况， 设计了完整的AGV小车。其研究内容主要包括以下几个方面: (1) 进行了自动导引小车总体设计。按照功能要求设计了分层机械结构，结构紧凑，便于安装、调试;采用高性能嵌入式ARM作为控制核心器件，性能强大、功耗低;采用视觉导引方式，灵活方便，进行了硬件及软件系统的总体结构设计。 (2) 设计并开发了AGV控制器硬件。控制器是使AGV得以按照系统要求顺利运行的关键部分之一，将AGV控制器按照功能模块化，每个模块完成一或两项测控功能，AGV控制器的功能模块包含驱动测控模块、状态显示模块、避障测控模块、红外循迹模块等。对各个模块进行硬件设计、开发，模块间协调工作，使AGV很好地实现控制要求。 (3) 设计并开发了AGV控制器软件。利用定时中断、定时器定时操作等方式实现了AGV自动控制的功能要求，和AGV控制器硬件相匹配，针对各个功能模块进行了相配套的控制软件的设计和调试。为提高系统运行的可靠性，在软硬件方面都采取了抗干扰措施。 (4) 对AGV系统进行了试验测试。性能测试结果表明，该AGV系统满足设计要求，最大定位误差10mm。实验得到的结果与理论相符，验证了该导航定位的可行性。所设计的AGV能够沿着设定的路线行驶。 关键词: AGV，Cortex-M3，红外循迹，超声波 I 太原科技大学毕业设计(论文) Design of Automatic Navigation Vehicle Based on Cortex-M3 Microcontroller ABSTRACT AGV (Automatic Guided Vehicle) is the unmanned driver automatic guided vehicle, its control center is the microcontroller and its driving power is storage battery, its basic function of automatic action is guided driving, recognizing the address, stopping precisely and unloading. As the valid measure of contemporary logistics processing automation and the key equipment of flexible manufacture system, the AGV has already got more and more extensive application, so that the research on AGV has very important theory meaning and realistic meaning. The dissertation introduced the applications and developments of AGV at home and abroad and designed a whole Automatic guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: (1) The full system of the AGV is designed. According to the functional requirements and also in order to be fixed and debugged easily, the mechanical structure is designed to be layered. High-performance embedded ARM is used as the core controller, which is powerful and low consumption; In order to be flexible, the visual guiding is adopted, the overall structure is designed both in hardware and software. (2) Design and develop hardwares of the AGV controller. The AGV controller was one of key parts which made AGV operate smoothly in accordance with the system requirements. AGV controller was modularized according to the functions, and each module completed one or two monitoring and control functions. Function modules of AGV controller had included the driving monitoring and control module, the obstacle avoidance module, infrared track module and so on. Design and develop hardwares of these modules to coordinate operation of modules and achieve AGV control requirements very well. (3) Design and develop softwares of the AGV controller. Operations including II 太原科技大学毕业设计(论文) regular timer interrupt, timers and so an achieved the functional requirements for the AGV automatic control. Matching with hardwares of AGV controller, the corresponding control softwares were designed and debugged. To improve the reliability of the control system, anti-interference measures are used in the design of software and hardware. (4) Carries out some experiments on the AGV model. The results indicate that this AGV system can satisfy design requirements, and the max locating precision of the system is 10mm which is excelled other system. The results are accord with theory, which confirm this system is feasible. The AGV can run along the pre-designated path. Keywords:AGV, Cortex-M3, Infrared tracking, Ultrasonic wave III 太原科技大学毕业设计(论文) 第1章 绪论 本章主要介绍了课题来源、背景和意义，AGV的概念，AGV的发展历史及研究状况，以及本文的主要工作。 1.1课题的来源、背景和意义 当今科技发展迅速，随着微电子技术的发展，机电一体化技术己经渗透到社会生产的各个行业中。飞速发展的电子控制、微机处理技术(即机电一体化技术)的崛起，无疑为传统机械的发展注入了新鲜血液，也为机械系统带来了新的技术变革，使其各种性能有了质的飞跃。特别是随着计算机技术、微处理技术、传感与检测技术、信息处理技术的发展，及其在机械系统上的成功应用，已经从根本上改变了传统机械的面貌，极大地促进了产品性能的提高，并因此而进入一个全新的发展阶段。机电一体化技术在国外机械系统上的应用已相当普及。目前传感器技术、空间定位技术、导航技术得到进一步的完善和发展，为移动机械系统的自动导航提供了良好的技术开发平合。自走车辆、自动引导车等引起国内外的广泛关注，这个领域的研究方兴未艾，具有十分广阔的发展前景。 本文作者在参加2009年全国大学生电子设计竞赛时，接触到控制类题目:声音导引系统。在赛后，继续研究将系统向自动导航(AGV)方向改进。 1.2 AGV的概念 AGV(Automated Guided Vehicles)又名自动导航车，无人搬运车，激光导航车。最早出现与20世纪70年代。指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，其显著特点的是无人驾驶，AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道(electromagnetic path-following system)来设立其行进路线，电磁轨道粘贴于地板上，无人搬运车则依循电磁轨道所带来的信号进行移动与动作。目前，在企业的物流系统和离散制造的装配系统中已经起着非常重要的作用。它以电池为动力，装备有电磁或光学等自动导航装置，能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制完成无人驾驶及作业。 1 太原科技大学毕业设计(论文) 图1-1 AGV基本组成架构 1.2.1 AGV的主要系统构成 AGV系统的控制是通过物流上位调度系统、AGV地面控制系统及AGV车载控制系统三者之间的相互协作完成的，AGV系统的硬件结构和AGV系统的软件结构曾有国外专家对AGV控制系统需解决的主要问题做了恰当的比喻:Where am I? (我在哪里,)Where am I going?(我要去哪里,) How can I get there? (我怎么去,)，这三个问题归纳起来分别就是AGV控制系统中的三个主要技术:AGV的导航(Navigation)，AGV的路径规划(Layout designing)，AGV的导引控制(Guidance)。为了能够解决好这些问题，AGV系统的构成也必然复杂: AGV控制系统分为地面(上位)控制系统、车载(单机)控制系统及导航/导引系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径(线)管理，交通管理，自动充电等功能;车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能;导航/导引系统为AGV单机提供系统绝对或相对位置及航向。 AGV系统是一套复杂的控制系统，加之不同项目对系统的要求不同，更增加了系统的复杂性，因此，系统在软件配置上设计了一套支持AGV项目从路径规划、流程设计、系统仿真(Simulation)到项目实施全过程的解决方案。上位系统提供了可灵活定义AGV系统流程的工具，可根据用户的实际需求来规划或 2 太原科技大学毕业设计(论文) 修改路径或系统流程;而下位系统也提供了可供用户定义不同AGV功能的编程语言。 1.2.2 AGV-AGV地面(上位)控制系统 AGV地面控制系统(Stationary System)即AGV上位控制系统，是AGV系统的核心。其主要功能是对AGV系统(AGVS)中的多台AGV单机进行任务分配，车辆管理，交通管理，通讯管理等。 任务管理:任务管理类似计算机操作系统的进程管理，它提供对AGV地面控制程序的解释执行环境;提供根据任务优先级和启动时间的调度运行;提供对任务的各种操作如启动、停止、取消等。 车辆管理:车辆管理是AGV管理的核心模块，它根据物料搬运任务的请求，分配调度AGV执行任务，根据AGV行走时间最短原则，计算AGV的最短行走路径，并控制指挥AGV的行走过程，及时下达装卸货和充电命令。 交通管理:根据AGV的物理尺寸大小、运行状态和路径状况，提供AGV互相自动避让的措施，同时避免车辆互相等待的死锁方法和出现死锁的解除方法;AGV的交通管理主要有行走段分配和死锁报告功能。 通讯管理:通信管理提供AGV地面控制系统与AGV单机、地面监控系统、地面IO设备、车辆仿真系统及上位计算机的通信功能。和AGV间的通信使用无线电通信方式，需要建立一个无线网络，AGV只和地面系统进行双向通信，AGV间不进行通信，地面控制系统采用轮询方式和多台AGV通信;与地面监控系统、车辆仿真系统、上位计算机的通信使用TCP/IP通信。 车辆驱动:小车驱动负责AGV状态的采集，并向交通管理发出行走段的允许请求，同时把确认段下发AGV。 1.2.3 AGV-AGV车载(单机)控制系统 AGV车载控制系统(Onboard System)，即AGV单机控制系统，在收到上位系统的指令后，负责AGV单机的导航，导引，路径选择，车辆驱动，装卸操作等功能。 导航(Navigation):AGV单机通过自身装备的导航器件测量并计算出所在全局坐标中的位置和航向。 导引(Guidance):AGV单机根据目前的位置、航向及预先设定的理论轨迹 3 太原科技大学毕业设计(论文) 来计算下个周期的速度值和转向角度值即，AGV运动的命令值。 路径选择(Searching):AGV单机根据上位系统的指令，通过计算，预先选择即将运行的路径，并将结果报送上位控制系统，能否运行由上位系统根据其它AGV所在的位置统一调配。AGV单机行走的路径是根据实际工作条件设计的，它有若干―段‖(Segment)组成。每一―段‖都指明了该段的起始点、终止点，以及AGV在该段的行驶速度和转向等信息。 车辆驱动(Driving):AGV单机根据导引(Guidance)的计算结果和路径选择信息，通过伺服器件控制车辆运行。 AGV小结: 首先，给大家两个英文单词Navigation(导航)，Guidance(导引)，这两个单词的意思是不一样的。导航是指确定自身的位置及航向;而导引是根据目前的位置、航向及理论轨迹来计算下个周期的速度值和转向角度值。有了这个概念后，我们一下磁带导引、电磁导引或其它形式的―有线‖导引。他们都只能称为导引，而不叫导航。因为，这些导引方式只需AGV的相对位置，而与全局坐标无关～这也是为什么这类导引的AGV相对简单的原因:不需要复杂的导航计算(Dead-reckoning)，甚至不需要导引计算，只需根据传感器的差分信号进行简单的转向控制。建议朋友们，不再说磁导航，而是叫磁带导引(Magnetic Tape Guidance)和电磁导引也称线导(Wire Guidance)。 AGV的导航/导引技术多种多样，不同的场合可采用不同的导引技术。单一的导引技术无法覆盖所有的应用:例如在有叉车行驶的场合我们就不宜选用磁带导引，可选用将导引线埋入地下的电磁导引;在由于工艺需要，路径需要经常变化的场合，可考虑激光导引;在路径复杂的场合应尽量考虑―无线‖方式(激光，陀螺)，因为―有线‖模式，只能是真正地理意义上的―路‖，而―无线‖模式的路径是虚拟的，可以重叠，交叉，可以乱得像一团麻，而即使这样，AGV的运行在系统的调度下也是有序的，路径的选择也是最优的，所谓―条条大路通罗马‖。AGV就能像汽车一样，在受到前方车辆阻挡时还能够找到其它的路径，从而提升AGV系统的作业效率。 1.3 AGV的发展及研究状况 本节主要介绍了AGV的发展应用历史、国内外应用情况及研究趋势状况， 4 太原科技大学毕业设计(论文) 以及本文的主要工作。 1.3.1 AGV的发展历程和应用历史 最早问世的AGV是1954年美国研制的感应制导式电瓶牵引车，其控制系统基于真空技术，由于受到电子技术的限制，早期的AGV控制系统体积较大而功能简单，实质上只是简单动力化的拖车或载货车，应用也多局限在仓库内作货物转运。二十世纪五十年代后期，晶体管取代了真空管，使得控制系统相对可靠，体积减小，性能亦有所改进，但晶体管技术仍过于昂贵。到了二十世纪七十年代中期，由于微处理器及计算机技术的普及、伺服驱动技术的成熟，促进了复杂控制器的改进，并设计出更为灵活的AGV，首届无人搬运车国际会议于1981年6月在伦敦召开，至此AGV技术已有了突破性进展，并已在一些生产领域得到应用。到了80年代后期，由于微处理器(Micro-Processor)及计算机技术的普及、伺服驱动技术的成熟等因素，促使了高度自动化、柔性化物流处理系统——AGY系统的迅速发展和广泛应用。从产品发展过程的角度看，AGV系统在技术上已进入成熟期，在生产方面己进入系列化批量生产阶段。 1.3.2 AGV在国外的应用发展现状 世界上第一台AGV是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车跟随一条钢丝索引导的路径行驶，并具有一个以真空管为基础的控制器。AGV技术虽然首先出现在美国，却是在欧洲迅速得到发展并推广应用，成为制造和装备作业过程中的一种流行的物料搬运设备。瑞典于1969年首次在物流系统中采用了AGV，到1985年为止，共有1250台AGV在25条AGV系统中工作。1983年全欧洲有360条AGV系统共3900台AGV在工作，而1985年所生产的AGV总台数超过31000台。1985年美国拥有2100条AGV系统，共8199台AGV。日本在1963年首次引进一台AGV, 1976年以后每年增加数十条AGV系统，己有神钢电机、平田电机、住友重机等27个主要生产厂生产几十种不同类型的AGV, 1981年销售量达60亿日元，1985年上升到200亿日元，平均每年以20%的速度递增，到1990年日本拥有AGV约超过一万台，是使用最广泛的自动化车辆，最近几年发展更为迅速。AGV系统可用于各行业自动化生产、储运、办公、服务等系统中执行室内物料运输任务。其中汽车生产、机械制造及电子工业方面的应用占较大比例，其它较多的应用部门 5 太原科技大学毕业设计(论文) 分别为造纸、化工、食品、纺织等行业。在汽车制造业中，AGV系统常用于装配生产线，以增加传输的柔性，如发动机或底盘的装配线、车身机器人焊装线等，规模大的生产系统中有近百台AGV，在机械加工或综合作业的FIBS中，在先进的仓储系统以及自动化工厂(FA-Factory Automation)中AGV系统的应用是很典型的，是工件或托板灵活转载和运输的重要设备AGV系统也是当前国内外研究开发的高技术领域一计算机集成制造系统不可缺少的物流智能设备。图1-2是美国密歇根大学研制的轮式自动引导车。 图1-2 美国密歇根大学研制的轮式自动引导车 1.3.3我国AGV的应用发展现状 我国AGV的研制起步较晚，并且受到国内市场需求的影响而发展缓慢。许多搬运任务仍然由人工借助简单的机械装置来完成，只有在一些自动化程度较高和作业环境对人体有害的场合使用AGV，并且多数是进口的，如金山石化厂涤纶车间和秦山核电站核废料仓库等。适应于工业发展的需要，国内许多厂家正在进行着生产过程的自动化改造，对于在自动化生产过程中起着纽带作用的AGV的需求越来越多，因此及时开发和研制自己的AGV是十分必要的。我国最早开始研制AGV的单位是北京起重运输机械研究所，在1978年展出了我国第一台三轮式AGV，随后又研制了第二和第三代样机，并于1984年为保定电影胶片厂设计安装了第一条AGV系统，是采用电磁感应诱导单循环线的AGV。为了迅速发展自动化和柔性制造技术，国家机电部在―七五‖计划中把FMS物流系统的技术与产品开发列为国家重点科技攻关项目之一，大连组合机床研究所承担了此项目，分别于1987和1989年年底研究开发出有轨自动运输车系统和具有通讯功能 6 太原科技大学毕业设计(论文) 的AGV.中科院沈阳自动化所利用现有的技术储备，也已开发出几种实用化的运输型和装配型自动导向车。他们生产的装配型AGV已用于沈阳金杯汽车公司、沈阳轿车厂―海狮‖牌客车的总装线上，形成了完整的自动装配导向车系统。该系统由9台AGV构成，用于发动机、后桥、油箱相对车体的装配。其AGV采用四轮结构，双驱动轮分别驱动，可实现AGV的前进、后退、转弯以及调整左右偏摆的运动。AGY行驶路径是由铺设在地下的电磁引导线的引导信号控制的，车体下面的电磁传感器感应出车体偏离路线的差值，对车体的左右引导进行校正.此外，国内一些单位正在进行着AGV系统领域内一些关键技术的研究工作。如合肥工业大学研究的CCD导向技术，重庆大学进行的―柔性制造系统工件自动搬运小车动态实时调度模型及算法‖的研究等。但这些大多处于技术研制阶段，与AGV系统的系统集成和实际应用还有很大的距离，在现有的技术条件下，还不能实现―复杂交通环境下的多车实时监控调度‖。 1.3.4 AGV的发展趋势 随着各行业自动化程度的不断提高，AGV的应用领域不断扩大。适应不同用户的需要，AGV自身的功能日趋完善。从技术含量上，AGV正朝着两个方向发展，一个方向是高技术AGV，其趋向是与综合系统一体化以及适应用户特殊的要求。虽然这种AGV复杂而昂贵，但是对相应的使用场合是经济、合理的.其运输功能也扩大了，包含生产管理、跟踪生产状况和地点、仓储与生产缓冲的管理以及称量和检验功能。另一方向是为完成简单运输自动化的廉价AGV，目的是花最少的投资取得最大效益。根据模块化、自动化与完善化程度分三个档次，通过减少及取消地面设施来实现此目标。从使用规模上，AGV正朝着超大型化和微型化的方向发展，新加坡港务局使用的用于搬运集装箱的AGV，其有效载荷50吨，自重20吨，采用柴油驱动。目前采用形状记忆合金实现跨越较规则的低小障碍或沟壑的微小型AGV也正处于实验研制阶段。从制导方式上，最初的 AGV主要采用电磁感应制导，近年来磁制导和光学制导日趋成熟，得到了广泛的应用。自由路径制导不断得到新进展，磁性格子诱导、红外线轨迹追踪诱导超声波诱导、测程图象识别联合诱导等制导技术正处于研制完善阶段，成本不断降低，为AGV成为真正的―自动导向车‖打下了良好的基础。 AGV在自动生产作业系统中的运行操作与数控机床相似。首先要根据需要 7 太原科技大学毕业设计(论文) 将要执行的任务编成―程序‖，例如先行驶到B点-装货-行驶到C点-卸货-行驶到A点-等待.这个程序与NC加工程序相似，可由操作员从AGV上的键盘输入，也可由调度系统通过通讯设备输入到AGV上。AGV一旦接到命令，则按程序进行工作。AGV的行驶路线由制导系统引导，并有专门的检测装置检测AGV的运行位置。为了均衡各工作站的负荷，保证物料的及时供应或输出，一个系统往往有多台AGV，车上和地面要有可靠的制导设施、通讯装备和控制管理软件，才能获得安全运输优化调度的效果。 1.4论文主要研究内容 本论文主要是基于Cortex-M3微控制器的自动导航车(AGV)设计，以STM32F103C8作为核心处理器对数据进行处理与分析。主要的工作是进行硬件制作与软件的设计，最后对样机进行调试与结果分析。论文的主要内容如下: 第一章 介绍了课题来源、背景、及意义，简述了AGV系统原理，了解AGV的一些发展历史及前沿情况。 第二章 介绍控制模块核心Cortex-M3的功能特点，对外部信号检测电路的原理进行介绍及实行方案进行选择。 第三章 介绍整体系统的架构，并设计相应的外部检测电路与控制模块进行连接、调试。 第四章 介绍系统程序的编写及系统框图。 第五章 介绍对自动导航车的测试。 8 太原科技大学毕业设计(论文) 第2章 系统功能模块的基本原理 2.1 引言 本章介绍了中央控制模块的性能特点，基本功能模块的原理。对Cortex-M3内核的ARM系列单片机的特点进行简单介绍，突出系统选择它的优越性。对步进电机的运行原理进行介绍，依据相关参数进行选择步进电机机型。在进行比较分析后选定反射式红外线光电传感器作为循迹元件，选定超声波作为避障传感器。并对相关原理进行介绍。 2.2 中央控制模块 本系统采用意法半导体(ST)公司的STM32系列微处理器。STM32系列32位闪存微控制器使用来自ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计与满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。 2.2.1 STM32系列Cortex-M3内核微控制器简介 STM32系列微控制器采用32位的ARM Cortex-M3内核，主要特点如下: (1) 最高工作频率为72MHz; (2) 具有单周期硬件乘法器和除法器; (3) 32Kb~128Kb闪存程序存储器，6Kb至20Kb的SRAM; (4) 多重自举功能; (5) 2.0至3.6伏供电和I/O管脚; (6) 上电/断电复位(POR/PDR )、可编程电压监测器(PVD)、掉电监测器; (7) 内嵌4~16MHz高速晶体振荡器; (8) 内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器; (9) 内嵌40KHz的RC振荡器; (10) 内嵌PLL为CPU提供时钟; (11) 2个12位模数转换器，1 μs转换时间(16通道); (12) 串行线调试(SWD)和JTAG接口; 2 (13) 7通道DMA控制器，支持的外设:定时器、ADC、 SPI、IC和USART; (14) 所有I/O口可以映像到16个外部中断。 9 太原科技大学毕业设计(论文) STM32的整体结构框图如图2-1。 图2-1 STM32的整体结构框图 本系统使用的Cortex-M3是一个32位的内核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。 它的优势有: 1、先进的内核结构:ARM最新的、架构先进的Cortex-M3内核; 2、优秀的功耗控制:高效率的动态耗电机制;性能出众而且功能创新的片上外设; 3、高度的集成整合:电源监控器、上电复位等;ST公司的STM32固件函数库; 主要模块包括时钟发生器、实时时钟RTC、中断、DMA控制器、A/D转换 10 太原科技大学毕业设计(论文) 器、TIM定时器、USART模块等。这里重点介绍复位和时钟控制模块、内置“看门狗”模块。 STM32共有3种形式的复位:系统复位、电源复位和备份区复位。 系统复位将复位除时钟控制寄存器(CSR)中的复位标志和备份区域的寄存器外所有的寄存器。通常，系统复位由外部复位、看门狗复位、软件复位和低功耗管理复位信号触发。电源复位由上电/掉电复位(POR/PDR复位)触发。发生电源复位后，除备份区域外的所有寄存器均复位。 备份区域由主电源和备用电池供电。当供电正常时，备份区域仅由其控制寄存器(RCC_BDCR)的BDRST位触发软件复位。当主电源和备用电池均不供电时，其中一个电源的突然上电也会引起备份区域的复位。STM32的系统时钟可来自3个不同的时钟源:HIS振荡器时钟、HSE振荡器时钟、PLL时钟。每个时钟源都可以在不需要时关闭，以降低系统整体功耗。外部设备还具有下面两个二级时钟源: 32kHz的低速内部RC振荡器(LSI_RC)用来驱动独立的看门狗和选择性的驱动用于从停止/待机模式自动唤醒的RTC; 32.768kHz的低速外部晶振(LSE)来选择性驱动实时时钟RTC。 HSE时钟为高速外部时钟信号，既可以通过控制器的OSC_IN和OSC_OUT引脚跨接4~ 16MHz的无源晶体振荡器，也可以只通过OSC_IN接入一个最高为25MHz占空比为50%的外部时钟信号。HSE是否稳定靠时钟控制寄存器(RCC_CR)中的HSERDY标志位指示。启动时，时钟直至硬件置位该位后才能释放。HSE振荡器也可以通过控制寄存器RCC_CR中的HSEON位来打开或禁用。 HIS时钟信号由控制器内部的RC振荡产生，频率为8MHz，既可作为系统时钟，也可以2分频后作为PLL的输入。HIS时钟不需要任何外围器件即可实现，不过其频率精度较低，需要校验。系统复位后，出厂的校验值会装载到时钟控制寄存器(RCC_CR )的HSICAL[7:0]位中。与HSE类似，HIS在RCC_CR寄存器中也有HISRDY标志位指示其是否稳定。同时，也有HISON位来控制HIS的打开或禁用。微控制器的内部有PLL可将HIS时钟或HSE时钟倍频。PLL在使用前必须配置好，当PLL启动之后，配置好的参数将不能被修改。 LSE振荡器是一个32.768kHz的低速外部晶体，它是实时时钟的高精度专用 11 太原科技大学毕业设计(论文) 时钟源。通过设置备份区域控制寄存器(RCC BDCR)的 LSEON位可以打开或禁用LSE。同时，在RCC _BDCR寄存器中也有LSERDY标志可以指示LSE晶体是否稳定。LSI RC振荡器是一个低功耗的时钟源，可以为独立看门狗(IWDG)和自动唤醒单元(AWU)运行在停止和待机模式时提供时钟。它可以通过设置控制/状态寄存器(RCC_CSR)的LSION位来打开或者禁用。与LSE类似，RCC_CSR寄存器中也有一个LSIRDY位指示LSI是否稳定。系统复位后，HIS振荡器被选择为系统时钟。更改系统时钟的选择必须遵循―先设置，后切换‖的原则，即当一个时钟被选择为系统时钟时，它必须处于准备好的状态。如果尚未准备好，那么切换必须等待时钟准备好才能进行。 STM32处理器内置2个看门狗，这两个看门狗(独立看门狗和窗口看门狗)可用来检测和解决由软件错误引起的故障;当计数器达到给定的超时值时，触发一个中断或产生系统复位。 两者适用情况:独立看门狗(IWDG) 最适合应用于那些需要看门狗作为一个在主程序之外，能够完全独,工作，并且对时间精,要求较低的场合。窗口看门狗(WWDG)最适合那些要求看门狗在精确计时窗口起作用的应用程序。 1、独立看门狗(IWDG) 独,看门狗(IWDG)由专用的32kHz 的低速时钟为驱动;因此，即使主时钟发生故障它也仍然有效。窗口看门狗由从APB1 时钟分频后得到的时钟驱动，通过可配置的时间窗口来检测应用程序非正常的过迟或过早的,为。 在键寄存器(IWDG_KR)中写入0xCCCC，开始启用独,看门狗;此时计数器开始从其复位值0xFFF 递减计数。当计数器计数到末尾0x000 时，会产生一个复位信号(IWDG_RESET)。无论何时，只要键寄存器IWDG_KR 中被写入0xAAAA， IWDG_RLR 中的值就会被重新加载到计数器中从而避免产生看门狗复位。 2、窗口看门狗(WWDG) 窗口看门狗通常被用来监测由外部干扰或,可预见的逻辑条件造成的应用程序背离正常的运,序,而产生的软件故障。除非递减计数器的值在T6 位变成0 前被刷新，此看门狗电,在达到可编程的时间周期时，会产生一个MCU 复位。在递减计数器达到窗口寄存器值之前，如果递减计数器值的第7 位(在控制寄存 12 太原科技大学毕业设计(论文) 器中)被刷新， 那么也将产生一个MCU 复位。这表明递减计数器需要在一个有限的窗口中被刷新。 主要特性: ? 可编程的自动运,递减计数器 ? 条件复位 ? 当递减计数器的值小于 0x40，(若看门狗被启动)则产生复位。 ? 当递减计数器在窗口外被重新装载，(若看门狗被启动)则产生复位。 ? 如果启动,看门狗，且允许中断，当递减计数器等于0x40 时产生早期唤醒中断(EWI)，它可以被用于重装载计数器以避免WWDG 复位。 功能: 如果看门狗被启动(WWDG_CR 寄存器中的WDGA 位被置1)， 并且当7 位(T[6:0])递减计数器从0x40 翻转到0x3F(T6 位清零)时，则产生一个复位。如果软件在计数器值大于窗口寄存器中的值时重新装载计数器，将产生一个复位。正常情况下，WWDG从设置的计数值递减到窗口寄存器的值(这个要被储存在WWDG_CR 寄存器中的值必须在0xFF 和0xC0 之间)时，会产生一个中断，应在中断程序中对WWDG_CR寄存器进行写操作，以防止MCU发生复位。 2.3步进电机驱动模块 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9?/1.8?、0.36?/0.72?，从规格上分有口φ2~φ130，从静力矩上分有0.1N?M~40N?M。 2.3.1步进电机工作原理 反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面叙述三相反应式步进电机原理。 13 太原科技大学毕业设计(论文) 1、结构: 电机转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示)，即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，(A'就是A，齿5就是齿1)下面是定转子的展开图: 图2-2定转子的展开图 2、旋转: 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て，这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC,C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二 变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基相电流不同的组合，使其1/3て 本理论依据。 不难推出:电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是 14 太原科技大学毕业设计(论文) 步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 考虑连接方便、性价比等因素，选择两相步进电机作为运动元件。 3、 力矩: 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场(磁通量Ф)当转子与定子错开一定角度产生力F与(dФ/dθ)成正比。 图2-3定转子间相错开θ 其磁通量 f,Br，S (2-1) S为导磁面积。 Br为磁密， (2-2) F,L，D，Br L为铁芯有效长度，D为转子直径。 其中磁密为: N，IBr, (2-3) R 为励磁绕阻安匝数(匝数乘电流)R为磁阻。 N，I 力矩与电机有效体积、安匝数、磁密三者的乘积成正比(只考虑线性状态)，因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 2.3.2步进电机的静态指标术语 相数:产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 15 太原科技大学毕业设计(论文) 步距角:对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度(转子齿数J*运行拍数)，以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。 o360o,,,1.8四拍运行时步距角为(俗称整步)。 50，4 o360o,,,0.9八拍运行时步距角为(俗称半步)。 50，8 定位转矩:电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的) 静转矩:电机在额定静态电流作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 2.3.3步进电机动态指标及术语: 1、步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 2、失步: 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。 3、失调角: 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必然存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4、最大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 5、最大空载的运行频率: 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6、运行矩频特性: 16 太原科技大学毕业设计(论文) 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示: 图2-4运行矩频特性 其它特性，还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流(而非静态电流)，平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图所示: 图2-5电机力矩频率关系 其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 7、电机的共振点: 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间(步距角1.8度)或在400pps左右(步距角为0.9度)，电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8、电机正反转控制: 17 太原科技大学毕业设计(论文) 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。 综合以上原理及参数分析，本系统选择57BYGH1.8两相混合式步进电机。 2.4循迹模块原理 在本设计中，要求小车沿着路面的黑色轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理:光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制电动小车行走的路迹。实现循迹功能。下面几种方案是根据本原理设计的。 方案一、采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。 由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差，所以放弃该方案。 方案二、利用光敏电阻组成光敏探测器。 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。 方案三、采用反射式红外线光电传感器。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小车的行走路线。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。 红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。因此本方案易于实现，也比较可靠。 所以本设计采用方案三。 2.5避障模块原理 考虑到在避障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方 18 太原科技大学毕业设计(论文) 向。否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。根据上述要求，提出以下方案。 方案一、采用激光传感器探测障碍物。 该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。 方案二、采用超声波传感器探测障碍物。 超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。 同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 考虑性价比，决定采用方案二。 19 太原科技大学毕业设计(论文) 第3章 系统硬件设计 3.1引言 本章先介绍了系统的整体模块架构，然后对电机驱动电路、红外循迹电路、超声波的发射与接收电路进行设计，其间介绍了部分器件的功能原理。 3.2系统综述 本系统的设计包含中央控制模块、步进电机运动模块、红外循迹模块、超声波避障模块、显示模块等。 电机驱动 PC上位机系统模块 STM32中 红外循迹央控制模 模块块 显示模块 超声波蔽 障模块 图3-1 系统框图 在实际运行中，红外循迹模块会根据场地上的黑线进行前进，同时显示模块显示“前进中”，当黑线出现弯折时，控制芯片会采样三个光电管的反光的强弱产生的不同电信号，而对左右两个步进电机进行控制以实现小车的转动方向或转动频率，实现循迹功能。当小车在行进过程中，超声波避障系统会不断地向前方发射超声波，同时接受反射回来的超声波，进行测算当障碍物与小车的距离小于规定距离时，小车会停止前进，显示模块显示“前方有障碍物”，然后后退转向，完成避障功能。整个系统为闭环系统。 3.3步进电机的驱动电路设计 典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成:步进控制器、功率放大驱动器和步进电机。功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下 20 太原科技大学毕业设计(论文) 的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流，平均电流越电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。不同的场合应当采取不同的驱动方式，到日前为止，驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 常用的驱动电路是L297与L298组成的驱动电路 L297芯片主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，是一种硬件环分集成芯片。它能产生四相驱动信号，用以控制双极性两相步进电机或四相单极性步进电机，可以采用半步、两相励磁和单相励磁三种方式的切换。外部控制只需时钟(步进脉冲)、方向(正反转)和工作方式(半步/全步进)三个输入信号即可工作，同时L297自动产生电机励磁相序减轻了微处理器控制和编程负担。它与H桥式驱动芯片L298组合，组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。 L298芯片是用来驱动步进电机的电力输出，内含两个H桥以及桥臂上开关竹的推动电路，由于使用双极性驱动，因此电机线圈得到完全利用，使步进电机达到最佳的驱动。该芯片内含防止桥臂直通的控制逻辑电路，可以抑止输入的毛刺和十扰，工作电压可到46V ,输出电流大，瞬间峰值电流可达到3A，持续工作电流为2A。 这个驱动电路环行分配器和放大电路分别用两个芯片实现，使用了太多分立元件，因此电路比较复杂，调试和使用容易出问题，而目电路板的大小也得不到有效的控制;同时L298的发热量过大，在精密医疗仪器中对温度非常敏感，因此需要使用散热片，增加了成本，所以这种方案并不合适。 L6208是一个为驱动两相(两极)步进电机专门优化的power SPN系列的芯片，这个芯片集成了由八个功率DMOS晶体管组成的两个全桥、一个执行相位生成功能的集中式逻辑电路和关断时问恒定的PWM电流控制器(准同步模式)。L6208为每个全桥集成一个关断时间恒定的PWM电流控制器，通过检测连接在两个小功率MOS晶体管的源极与接地之间的外部敏感电阻器的压降来决定全桥的开关，因为随着电机上的电流逐渐增强，敏感电阻器上的电压也成正比例增加。当敏感电阻器上的压降大于参考输入(VrefA或VrefB)的电压时，敏感比较器就会触发单稳态电路，关闭全桥。功率MOS晶体管保持关断，关断时间长度由单稳 21 太原科技大学毕业设计(论文) 态电路设置，电机电流按照所选的衰减模式定义重新循环。当单稳态时间结束时，全桥将重新导通。 L6208的解码逻辑电路能够生成三个不同的步进序列，使这个器件能够适合各种应用。这个芯片还具有热关断功能，其高压侧功率MO SFET具有无损耗的过流保护功能;而且工作电压范围广(8--52V )，平均输出电流可以达到2. 8A，峰值5. 6A，可以驱动绝大部分步进电机，即使将来因为某些特殊需要而选用其它型号的步进电机，也无需改变驱动电路，极大地方便整个系统的后续改进优化;输入脉冲频率可达到100KHz，因此可满足各种转速要求严格的场合，此电路和以上两种驱动电路比较具有明显的优点，驱动功率大，稳定性好，实现方便，安全可靠，因此本应用选用L6208做驱动电路。 图3-2 L6208 和 STM32F103C8连接图 3.4 红外循迹模块设计 红外循迹电路(见图3-2自动导航车的光电检测电路)采用反射接收原理配置了反射式红外线光电传感器。该传感器包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。 此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射 22 太原科技大学毕业设计(论文) 红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号;电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送微控制器处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制小车的行驶状态。前进时，驱动轮直流电机正转，进入减速区时，由微控制器控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调制波形的占空比，实现调速。 Vcc R1 R4 UF lm324out R5R2IFR3 图3-3 电动车的光电检测电路 当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图3-2中电三极管将导通，输出低电平，经LM324电压比较器送单片机控制。当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光电三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上;同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。即当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为高电平，反之为低电平。 为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。如果左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向右转;如果右方向偏离黑线，则左侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向左转。从而 23 太原科技大学毕业设计(论文) 保证小车沿黑线行驶。 电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境中能够寻迹。由于接收对管装在车底，发射距离的远近较难控制，调节可调电阻，灵敏度不高，因此采用在对管上套塑料管，屏蔽外界光的影响，灵敏度将大幅提升。在该电路中，加比较器LM324的目的是使模拟量转化为开关量，便于处理。 3.5超声波避障模块设计 本系统采用超声波传感器探测障碍物。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。 作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是己知的，而目声波从声源到达目标然后返回声源的时问可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离。这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时问是t秒，则距离d可以由下列计算: d,33550(cm/s)，t(s) (3-1) 因为声波经过的距离是声源与目标之问距离的两倍，声源与目标之问的距离应该是。 d/2 超声波发射电路原理图如图3-4所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机输出的40KHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种转换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波 24 太原科技大学毕业设计(论文) 的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 图3-4超声波发射装置 超声波接收装置是有索尼公司生产的CX20106A芯片。 集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 KHz与测距的超声波频率40 KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图3-5)。 CX20106A 作为超声波接收处理的典型电路。(当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入) 使用CX 20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。 1脚:超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 25 太原科技大学毕业设计(论文) 2脚:该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。 3脚:该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低;若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。 4脚:接地端。 5脚:该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0?42KHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0?38KHz。 6脚: 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚:遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚:电源正极，4.5,5V。 图3-5 CX20106A内部方框图 实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX20106A内部的放大增益，R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 Ω，C1=1μF。其余元件 26 太原科技大学毕业设计(论文) 按图3-6取值。作为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，当超声波接收头接收到40KHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机中。 图3-6 超声波接收装置 图3-7 超声波测量图 图3-7中的波形为示波器抓拍图，1通道为超声波接收回路中测得波形，即上方的波形;通道2为超声发生端测得波形。图中可见，接收回路中测得的超声波信号共有两个波束，第一个波束为余波信号，即超声波接收头在发射头发射信 27 太原科技大学毕业设计(论文) 号(一组40KHz的脉冲)后，马上就接收到了超声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的回波信号。超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时间差，由上图中就可看出，需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量区的主要原因。 在程序中，将相应的避障距离进行设置，采集回来的数据小于设置值时，小车停止然后后退转弯，执行避障操作。 3.6 LCD1602显示模块设计 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。 本系统的显示采用四线式工作方式，DB4-DB7作为数据端口，用于微控制器向显示模块传输数据; 跳线(图中的CON3)改变其工作电压，可通过R1调节LCD背光的亮度。 图3-8 液晶连接图 28 太原科技大学毕业设计(论文) 第4章 系统软件设计 系统软件设计说明 本系统软件采用模块化结构，由主程序)循迹子程序、避障子程序)中断子程序显示子程序)调速子程序)算法子程序构成。 初始化N 开关是否按下, Y 低速行驶 N 是否遇到黑线, Y 高速行驶 Y 是否偏离,转向子程序 N Y 是否有障碍,避障子程序 图4-1程序框图 NN在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根N 据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分是否检测到黑线, 叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段， Y 29 停车 太原科技大学毕业设计(论文) 这种程序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法的主要优点是: 1、单个模块比起一个完整的程序易编写及调试; 2、模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用; 3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 基于程序稳定性考虑采用STM32处理器的内置独立看门狗，部分程序如下: void WDG_Configuration(void); 初始化函数调用: WDG_Configuration(); 初始化函数 void WDG_Configuration() //看门狗初始化 { //软件看门狗初始化 WWDG_SetPrescaler(WWDG_Prescaler_8); //时钟8分频4ms // (PCLK1/4096)/8= 244 Hz (~4 ms) WWDG_SetWindowValue(65); //计数器数值 WWDG_Enable(127); //启动计数器，设置喂狗时间 // WWDG timeout = ~4 ms * 64 = 262 ms WWDG_ClearFlag(); //清除标志位 WWDG_EnableIT(); //启动中断 //独立看门狗初始化 IWDG_WriteAccessCmd(IWDG_WriteAccess_Enable);//启动寄存器读写 IWDG_SetPrescaler(IWDG_Prescaler_32);//40K时钟32分频 IWDG_SetReload(349); //计数器数值 IWDG_ReloadCounter(); //重启计数器 IWDG_Enable(); //启动看门狗 } 30 太原科技大学毕业设计(论文) 第5章 系统调试与实验 测试方法与仪器: 1、 测试仪器 测试仪器包括秒表、米尺、数字万用表、信号发生器、示波器、直流稳压电源等 2、测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数; 信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输; 直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电; 3、测试数据及测试结果分析: (1)测距精度分析 车轮周长215mm,光电码盘与电机轴安装在一起，电机轴每一转产生2个脉冲，车轮每转产生32个脉冲，理论测量精度可6.72mm<7mm (2)定位精度分析 本设计采用实际测量与软件补偿技术，理论上可使定位精度提高到误差<10mm。 31 太原科技大学毕业设计(论文) 第6章 结论 本文介绍了AGV的基本理念，在讨论了循迹、避障等功能模块的原理后，讨论并确定了本系统的各项功能模块的所用期间。进而对相关模块的具体电路进行了设计。最后编写了系统的软件程序，完成了设计之初的功能要求。主要成果有: 1、选用了功能强大的Cortex-M3微控制器作为自动导航车的控制器，能良好的 处理检测数据，更为以后的系统扩展提供了空间。 2、采用反射式红外线光电传感器作为循迹器件，硬件上三点并列的设计辅以检 测程序，能准确的实现循迹功能。避障检测模块采用超声波，可检测到40cm 内的障碍物，并能灵活避障。 3、设计了带有“看门狗”技术的软件程序，保证了系统的良好运行。 4、设计装配出了自动导航车实物。 有待改进的地方: 随着科技进步和技术的发展，AGV的应用必将更加广泛，AGV的发展方向是规模化和智能化，所以再进一步研究要将群体通信和网络管理加入其中。AGV系统在技术上日趋成熟.其自身的运行速度、载重量、转弯半径、停车定位精度等技术指标不断提高，导向方式更加灵活，系统优化调度技术更加完善，应用领域也在不断拓宽。在今后研究中单一的导航已不能够满足提高导航与跟踪控制的精度，应采用多信息融合方法，以提高自动引导车运行的状态测定精度，从而提高自动引导车的导航与跟踪控制精度。为了提高AGV的可靠性和稳定性，在实际运用中CPU应采用工控机，步进电机应改为伺服电机。 AGV作为物流处理自动化的有效手段，在我国有着广阔的应用前景。因此投入必要的人力、物力、财力，研制出适度柔性化、高可靠性、低成本的AGV系统，必将带来一定的经济效益和社会效益。 32 太原科技大学毕业设计(论文) 参考文献 [1] 叶著. 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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AGV自动导航车实物图片 35 太原科技大学毕业设计(论文) 附录? 部分程序模块: 1、外部设备中断函数 void EXTI_Configuration(void) { EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; //外部设备中断恢复默认参数 EXTI_InitStructure.EXTI_Line = 通道1|通道2; //设定所需产生外部中断的通道，一共19个。 EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; //产生中断 EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; //上升下降沿都触发 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; //启动中断的接收 EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); //外部设备中断启动 } 2、gpio初始化函数。所有程序必须。 用法:void GPIO_Configuration(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //GPIO状态恢复默认参数 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_标号 | GPIO_Pin_标号 ; //管脚位置定义，标号可以是NONE、ALL、0至15。 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;//输出速度2MHz GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入模式 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); //C组GPIO初始化 36 太原科技大学毕业设计(论文) 附录? 中文译文 AGV介绍 汽车为基础的内部交通系统采用自动导引车(AGV)用通常使用的设施，如制造工厂，仓库，配送中心和中转站。他们被称为自动导引车系统(AGVS)。附图1给出了一个这样的AGVS中在配送中心的计算机硬件和软件(德科斯特等，2004年)，其中运输导向车(托盘)地点之间负载，如接收行车线，以储存区，储存区和航运通道。 AGVS中的一个流程的设计和控制涉及的许多问题。其中主要有:引导路径设计，估算所需的车辆数目(或确定所需车辆)，车辆调度，闲置车辆定位，电池管理，车辆路由和僵局的解决。他们属于在决策过程中的不同层面。该指南路径设计可以被看作是在战略层次问题。在现阶段，决定在其他级别上的决策产生巨大影响。在战术层面的问题包括估计的车辆数目，调度车辆(车辆调度决策都可能属于战术和业务水平)，定位闲置车辆，管理电池充电计划。最后，车辆路由，死锁的决议(和预防)问题解决在业务水平。在设计和控制过程，一些互动和迭代步骤之间可以看到。例如，该指南路径系统的类型，直接影响到车辆的数目和所需的车辆调度系统的复杂性。 附图1 一个配送中心引导车系统 传统的自动导引车系统使用固定的车辆引导，路径。现代AGV系统不同于作为经典的描述，例如，在Jünemann和施密特(2000年)和汤普金斯等人(2003年)的书籍中的描述。在几个方面。而不是用固定的路径，许多现代AGV的是自由放养的，这意味着他们的首选曲目是软件编程，并且可以比较容易地改变时，新站或流量增加。第二个区别是在他们可以控制的方式。代理技术可以决定由这些智能车辆采取的，在过去采取的是由中央控制器。这导致自适应，自学习系统， 37 太原科技大学毕业设计(论文) 是特别适合大，许多车辆和巨大的潜力车辆干扰的复杂系统。这些事态发展并不意味着传统的决策问题变得过时。相反，他们的研究带来新的挑战。我们都讨论的传统AGVS中的决策问题和使用的决策自由放养的AGV的影响。AGV系统上有一些评论文章。然而，他们集中讨论的问题(Qiu等人只有有限的部分(2002年)的重点调度和路由的问题)，或者是不是最新的(Co和Tanchoco，1991年;King and Wilson, 1991; Sinriech，1995年)。此外，他们忽视了如闲置车辆定位和电池管理的一些地区。本文试图填补这一空白，提供了现有文献，包括最近的贡献扩大的概述，并结构设计与控制AGVS中的一个过程。对于每一个方面，我们审查和分类的关键决策模型。此外，一个新的调度规则的分类，选择一个合适的调度系统以及用于设计和控制决策的AGVS中提出的框架方针。我们还认为闲置车辆定位和电池管理问题，其中许多评论文章忽视。最后，我们提出了一些富有成效的未来研究方向。 引导路径设计 引导路径的设计是在AGVS中设计和控制的重要问题。它是第一个要考虑的问题之一。关于指导路径的设计问题发表的作品大多假设设施布局和皮卡地点/交货(P / D级)站，并给出固定的。主要的问题是决定连接或指导路径段被列入该解决方案。在某些情况下，平行通道的连接数是必须作出决定。这种优化的问题也需要在物资流动的设施部门之间。此信息被用来构建一个―从做‖流程图，是为引导路径设计问题的必要。在网络流量模型，车辆引导，路径通常为代表，这样过道路口;回升和交付(P / D级)的位置，可为节点审议了关于一组互相连接的弧线图形。该弧描述的路径可以遵循的车辆移动时，从节点到节点。定向弧注明车流方向。成本可以分配给每个弧代表两者之间的一个部分或车辆须沿圆弧终点的时间距离。该网络流模型可以转换为0-1整数优化模型。一个指导路径设计问题的主要目的是减少汽车的总旅行距离。缺少信息是引导路径设计的一个重要问题。例如，一个仓库内的物资流是可以改变的随着时间的推移，很难估计。 引导路径系统大致可分为附表1所示的特征。该流程拓扑描述了引导路径网络的复杂性。在简单的情况下，指导路径系统由单回路只有一个。几个循环组合在一起形成一个串联配置。一个传统的拓扑结构是一个复杂的网络路径，十字架，快捷方式和路口。如果一个网络路径区段可能只包含一个或几个平行线通道。旅 38 太原科技大学毕业设计(论文) 游车辆可以只在一个方向(单向)或双向(双向)。 附表1 特征引导路径系统 流拓扑 数平行线 流动方向 常规 单线 单向流动 单回路 多重通道 双向流 串联 选择一本指南，道路系统的适当类型是重要的。不幸的是，没有为它指引。该指南路径类型通常是选择基于设施的特点和设计师的经验。专家系统可以是有益的支持引导路径系统的选择过程。在选择的指导路径系统的适当的类型，设计人员可以使用一个合适的(数学)模式以获得最佳的引导路径系统。在实践中，传统的引导路径系统经常可以看到在仓库和配送中心(德科斯特等，2004);单回路系统使用，例如，在跨码头中心。串联配置可能会制造更多的地方工作站制造单元组合成合适的环境。 39 太原科技大学毕业设计(论文) 附录? 英文原文 Introduction Vehicle-based internal transport systems using automated guided vehicles (AGVs) are commonly used in facilities such as manufacturing plants, warehouses, distribution centers and transshipment terminals. They are referred to as automated guided vehicle systems (AGVSs). Fig. 1 gives an example of such an AGVS in a distribution center of computer hard and software (De Koster et al., 2004), in which guided vehicles transport (pallet) loads between locations, e.g. from receiving lanes to storage areas, and from storage areas to shipping lanes. The design and control processes of an AGVS involve many issues. The main ones are: guide-path design, estimating the number of vehicles required (or determining vehicle requirements), vehicle scheduling, idle-vehicle positioning, battery management, vehicle routing and deadlock resolution. They belong to different levels of the decision-making process. The guide-path design can be seen as a problem at strategic level. The decision at this stage has a strong impact on decisions at other levels. Issues at tactical level include estimating the number of vehicles, scheduling vehicle (vehicle scheduling decision may belong to both tactical and operational levels), positioning idle vehicles and, managing battery-charging scheme. Finally, vehicle routing, deadlock resolution (and prevention) problems are addressed at operational level. During the design and control processes, some interactions and iterations can be seen between steps. For example, the type of the guide-path system directly influences the number of vehicles required and the complexity of the vehicle scheduling system. Fig. 1 The guided-vehicle system of a distribution center 40 太原科技大学毕业设计(论文) Traditional AGV systems use fixed guide-paths for vehicles. Modern AGV systems differ from the classic ones as described, for instance, in the books of Jünemann and Schmidt (2000) and Tompkins et al. (2003) in several respects. Rather than using fixed paths, many modern AGVs are free-ranging, which means their preferred tracks are software programmed, and can be changed relatively easily when new stations or flows are added. A second difference is in the way they can be controlled. Agent technology allows decisions to be taken by these smart vehicles that in the past were taken by central controllers. This leads to adaptive, self-learning systems and is particularly appropriate for large, complex systems with many vehicles and much potential vehicle interference. These developments do not imply that the traditional decision-making problems become obsolete. Rather, they lead to new challenges for research. We both discuss traditional AGVS’ decision-making problems and impacts of using free-ranging AGVs on decision-making. There are few review papers on AGV systems. However, they concentrate on only limited parts of the problem (Qiu et al. (2002) focus on scheduling and routing problems) or are not up to date (Co and Tanchoco, 1991; King and Wilson, 1991; Sinriech, 1995). Moreover, they ignore some areas such as idle-vehicle positioning and battery management. This paper attempts to fill this gap, by giving an extended overview of existing literature, including the most recent contributions, and also structures the design and control processes of an AGVS. For each area, we review and classify key decision models. In addition, a new classification for dispatching rules, a guideline for selecting a suitable scheduling system and a decision framework for design and control of an AGVS are proposed. We also consider idle-vehicle positioning and battery management problems, which many review papers neglect. Finally, we suggest some fruitful future research directions. . Guide-path design Guide-path design is an important issue in AGVS design and control. It is one of the very first problems to be considered. Most published works on the guide-path design 41 太原科技大学毕业设计(论文) problem assume that facility layout and locations of pickup/delivery (P/D) stations are given and fixed. The main problem is to decide the connections or guide-path segments to be included in the solution. In some cases, the number of parallel lanes of a connection is to be decided as well. This optimization problem also needs the material flows between departments in the facility. This information is used to construct a ―from–to‖ flowchart which is necessary for the guide-path design problem. In a network flow model, vehicle guide-paths are usually represented such that aisle intersections; pick-up and delivery (P/D) locations can be considered as nodes on a graph connected by a set of arcs. The arcs describe the paths that vehicles can follow when moving from node to node. Directed arcs indicate directions of vehicle flows. Cost can be assigned to each arc representing the distance between the two end points of a segment or the time required by a vehicle to travel along the arc. The network-flow model can be translated to a 0–1 integer optimization model. The main objective of a guide-path design problem is minimizing the total vehicle travel distance. Information shortage is an important problem for guide-path design. For example, the flow of materials within a warehouse can be changed over time and it is difficult to estimate. Guide-path systems can be classified roughly by characteristics indicated in Table 1. The flow topology describes the complexity of the guide-path network. In the simplest case, the guide-path system consists of only one single loop. Several loops grouped together form a tandem configuration. A conventional topology is a complicated network with paths, crosses, shortcuts and junctions. A path segment in a network may contain only one lane or few parallel lanes. Vehicles can travel a lane in only one direction (unidirectional) or both directions (bidirectional). Table 1. 42 太原科技大学毕业设计(论文) Selecting an appropriate type of the guide-path system is important. Unfortunately, there is no guideline for it. The guide-path type is normally chosen based on the characteristics of a facility and the designer’s experiences. An expert system can be useful to support the guide-path system selection process. After choosing an appropriate type of guide-path system, the designer can use a suitable (mathematical) model to obtain the best possible guide-path system. In practice, conventional guide-path systems can be seen regularly in warehouses and distribution centers (De Koster et al., 2004); single-loop systems are used, for example, in cross-dock centers. Tandem configurations may be more appropriate for manufacturing environments where workstations are grouped into manufacturing cells. 43