基于HMC1021的磁导引AGV控制系统的设计

罗 奎，谢 玮，王 振

(1.四川建筑职业技术学院信息工程系，四川 德阳 618000; 2.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海 264209; 3.济南大学泉城学院(蓬莱)工学院，山东 蓬莱 265600)

基于HMC1021的磁导引AGV控制系统的设计

罗 奎1，谢 玮2，王 振3

(1.四川建筑职业技术学院信息工程系，四川 德阳 618000; 2.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海 264209; 3.济南大学泉城学院(蓬莱)工学院，山东 蓬莱 265600)

磁条导引方式因其成本低、路径规划灵活和抗干扰能力强而在AGV的导引控制系统中普遍使用，而磁感应信号的数据采集、控制系统结构和控制策略的设计等都是需要深入研究的问题;以差速驱动转向AGV为研究对象，以模块化、通用化设计思路为导向，给出了一种分布式磁导引AGV控制系统设计和实现方案;采用Atmega128及外围电路作为主控单元，Atmega16和信号调理电路为数据采集单元、HMC1021为磁条检测传感单元来设计控制器的核心硬件结构，主控单元和数据采集单元之间通过RS485通信交换数据;随后在分析和研究AGV差速驱动原理的基础上，给出了从传感到速度控制的通用模式，并且提出了查表和模糊控制相结合的通用性控制策略设计方法;软硬件测试和实验结果表明了该设计方法的可行性和有效性。

磁条导引； 差速驱动；模糊控制；模块化

0 引言

随着物流行业和现代制造业的飞速发展， AGV(automated guided vehicle)自动导引车已经得到很广泛的应用，日益成为工业4.0框架下必不可少的关键设备。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，能够沿着规定导引路径行驶，具有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[1]。控制核心是道路跟随，可以通过电磁、光学、GPS等自动导引手段，实现沿既定导引路径移动[2-3]。目前大体有电磁导引、磁条导引、光学导引、激光导引和视觉导引这几种方式。磁条导引因其控制简单、成本低、抗干扰性能强和路径修改方便等优势[4]，近年来有日益普及的趋势。关于应用磁阻传感器来设计AGV导引数据采集部分的研究也越来越深入。沈忱等人提出使用磁阻传感芯片HMC1021 组成线阵的测量方案，设计一个通用的磁导引AGV 传感器，采用CAN 总线的方式输出偏移距离[5]。王永强和王丽颖等人利用HMC系列磁阻传感器设计高精度的数字化电子罗盘[6-7]。卢超越提出一种磁导航AGV通用驱动器的设计方案，可以满足多种磁导航AGV的控制要求[8]。从这些研究文献可以看出模块化、通用化是发展趋势。从控制策略上分析，目前PID控制和模糊控制仍然是主流，比如郑炳坤等人提出以PD 控制器为核心，利用模糊控制来动态修正PD 控制器的系数，改良AGV 的动态跟踪行为[4]。不论是固定的磁钉导引还是磁带导引，由于传感器安装位置和特性的差异，需要深入的研究系统构建方法和控制算法。本文以差速轮式移动AGV为研究对象，以模块化、通用化为导向，设计一种分布式磁导引AGV控制系统。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体设计图

为实现模块化和通用化设计，将主控模块和磁传感模块分开来设计。传感模块的主要任务是采集和发送数据，主控模块则负责控制算法的执行，并且综合AGV各种环境状况，去控制执行机构按控制算法运行，从而实现磁导引的路径跟随。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图

1.2 AGV差速驱动原理

差速驱动AGV靠两侧的车轮独立控制，通过控制两侧车轮的不同速度，使AGV实现转弯和直行，从而实现路径规划。差速转向AGV原理如图2所示。

图2 差动转向AGV原理

R代表AGV转弯时的瞬时曲率半径；W代表AGV两轮旋转轴间距；θ表示转弯角度；AGV的坐标系设定为xoya，大地坐标系设定为xoyg。

根据文献[9]的推导方法，可以得出在AGV坐标系xoya中的运动方程为：

(1)

其中:vr为右轮速度，vl为左轮速度，坐标变换到大地坐标系统xoyg中，则运动方程为：

(2)

从式(1)可以得出，在AGV沿着纵向轴线速度恒定的条件下，如果设定Δv=vr-vl，则瞬时转弯曲率半径为：

(3)

由此可见，式(3)是磁导引AGV的差速转向控制依据。在AGV运行过程中，通过控制Δv，就可以控制其瞬时转弯半径，当然，当Δv→0时，则有R→∞，则走直线。因此差速导引的控制原理就是寻找Δv与传感器信号之间的关系，进而设计道路跟随算法。

1.3 磁阻传感器数据采集模块设计

Honeywell的HMC1021型单轴磁阻传感器以其成本低、灵敏度高和低功耗等优势在测量弱磁场方面得到广泛应用。它的测量范围是±6gauss，精度可达到mgauss级[10]。从目前市场上的流行的磁条实验情况来看，能满足测试要求。磁阻传感器的核心是通过4个相同的磁敏电阻形成惠斯通电桥来感应磁场的变化。在线性范围内有[11]：

Vout=S0B+V0

(4)

Vout为输出电压,S0为传感器的灵敏度,B为待测的磁感应强度,V0为传感器自身的漂移输出。如电路原理图3所示，为实现传感部分的模块化设计，采用独立Atmega16MCU采集数据，利用标准RS485串口向主控板收发信息，协议开放，也可与第三方嵌入式主控板接口。通过对HMC1021施加一个瞬态强恢复磁场来保证磁阻传感器的敏感特性和灵敏度。IRF7105和两个电容C2,C3组成HMC1021的置位和复位脉冲电路，提供的瞬时脉冲幅值高达16V，实现有效的复位和置位。AMP04对差分输出的mV级测量信号方法，经过与U4组成的跟随器进入Atmega16的ADC(ADC0-ADC3，电路图中仅画了一路来示例)转换口。此单片机自带8路10位A/D转换器，利用定时器产生S/R时钟脉冲，并且连续采集4路传感器数据，通过Max485接口将数据送给主控制器。

图3 磁阻传感器数据采集原理图

1.4 主控模块的设计

主控模块主要包括运动控制部分、运行状态显示、按键控制、通信模块(包括与PC机通信和与传感器模块通信)和外围传感信息采集(比如避障传感器、防碰开关和工作站点的配合电子开关等)，主要电路原理如图4所示。主控板与直流电机驱动器接口大体可以分为电压控制，脉宽控制和脉冲控制3种，目前电压控制的已经很少，在此设计中以脉冲/脉宽控制为主。在此将每个电机驱动器的接口信号进行整合，分为使能信号、正反转和速度控制信号(脉宽或脉冲)，即图3中的EML，EMR；ML,MR;PL,PR. 还有电机编码器的反馈信号Encod1，Encod2. 同时预留3路定位信号输入口Pos1，Pos2和Pos3；预留3路红外避障信号Infra1,Infra2和Infra3.AlARM为报警信号，Runset为状态指示信号。4个按键Key1-Key4，分别对应启/停、左转、右转和导航，与液晶屏界面配合完成人机操作。PowCheck(ADC0)用来采集供电电池电量信号，AS0和AS1为预留模拟量传感器接口。Max485用来和磁传感器通信。Max232则用来和PC上位机或者无线数传模块接口。选择ATmega128MCU是因为其外设丰富，带AD转换器，程序空间大和寻址能力强，速度快。

图4 主控板原理图

2 系统软件设计

2.1 磁传感数据采集

磁传感器模块始终处于监听状态，当主控制器发送信息时，进行“地址对号”操作，如果主控器发送的是本机地址，则立即建立通信链路，并根据所收到的报文命令字节做出相应的操作。报文的格式如下：

图5 数据报文的结构

报文中地址段采用一个字节，命令字段也为1字节，表示命令或响应的类型。数据占8个字节，每个传感器占用2个字节。从机地址范围01～10，命令暂时分为两种，即从机自检和发送信息；从机发送的数据信息也包括两种，即自检成功和8个字节的采集数据。在此报文结构框架下，命令和传感数据信息可扩展，也可根据报文结构自行定义数据格式。磁传感器模块的软件流程如图6所示。

图6 软件流程图

2.2 主控模块程序设计

主控模块设计的核心是控制算法。算法设计的主要依据是传感器的安装形式和式(3)。假设控制量为u，传感信号为Si(i=1,2,...,N)表示N个传感器，则根据式(3), 控制目标可描述为：

Si→u→ΔV

(5)

传感器的安装方式如图7所示，根据式(5)，需要利用4个HMC1201采集回来的信息找出与控制量u之间的对应关系。如果以表格形式存储Si与u之间的序列对，编程时采用IF-Then的形式查表就可以搜寻到控制量。

图7 传感器和磁条的相对位置

为实现更精细的控制，本文给出查表和模糊控制相结合的控制策略。以图7为例，将磁轨所在的大地平面从左到右分为A、B、C、D4个区域。这4个区域可以表示AGV偏离磁轨的偏差，其根据各个传感器的测量值V1,V2,V3,V4确定；各个传感器S1→S4测量值的变化量(ΔV1,ΔV2,ΔV3,ΔV4)用来判定AGV偏离中心线的方向和速度。由此进一步细分区域，并据此给出对应的控制量。因此，在这种布局结构中，根据各传感器当前测量值与历史(上次)测量值比较结果，可测知AGV磁轨位置偏离方向，即误差的变化。并以此来划分论域和制定模糊规则，就可以寻找出这些变量与控制量u之间模糊推理关系，设计过程不再详细赘述。

值得一提的是在测量值的变化量时，需要设置一个给定噪声门限值σ，如果|ΔVx|绝对差值小于σ，则可认定磁条传感器相对位置未变化。这样可以避免直线导引时过于灵敏。另外在设计模糊控制器时，先借助MATLAB辅助软件构造，最后将生成的模糊控制表编写到主控器内部存储器中，就能实现在线查表控制，从而避免了在主控器中进行复杂的计算。

3 系统测试与分析

按照上述软硬件设计思路，构建AGV系统进行试验。将4个传感器的测量值和变化率论域分为5级，分别为“负大”、“负小”、“零”、“正小”、“正大”。隶属度函数采用三角波形，设计模糊规则构造磁导引模糊控制表。噪声门限值σ设为0.015V，传感器测量范围为0-3.8V。经过反复实验测试，直线导引速度可达到0.5 m/s, 拐弯可达到0.2 m/s.导引路径误差为≤15 mm，基本上能满足导引性能指标要求。

如果按照式(5)的设计思想，传感器用作开关量检测方式也能利用表格形式存储Si与u之间的序列对，从而通过查表建立控制关系。在图7的传感器布局中，通过各个传感器本身测得的历史值和当前值做比较,来判断本身位置变化趋势；而各个传感器的当前值又可以反映当前偏离中心线的相对位置。此二者结合起来，可以实现比较精细的控制，也具有一定的预测控制能力。实际测试时，为了防止ΔV在有测量噪声情况下超调太大，做了限幅处理。而在直线道路跟随时，根据现场实际情况选择合适的噪声门限值σ，可以防止左右大幅摆动蛇形跟随的情况。因此在实际运行中要综合考虑传感器布局和性质、规则库的设计、模糊化求解过程和查询表优化等因素进行控制系统分析和设计。

4 结论

本文所设计的AGV导引系统，模块化分布式控制，易于扩展，成本低、为磁导引AGV系统的模块化设计提供了一种较为可行的方案。已经在某物流运货车间使用，能够实现导引要求。目前研究主要侧重于单轴磁阻传感器HMC1021，考虑用多轴传感器HMC022可以更加精准地测量磁条周围的二维磁感应信号，这是下一步要深入研究的工作。

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[11] 王 震, 米 东,徐章遂.磁阻传感器在弱磁测量中的应用研究[J]. 仪表技术, 2006(6): 70-71.

Design of Magnetic Guidance AGV Control System Based on HMC1021

Luo Kui1，Xie Wei2，Wang Zhen3

(1.Information Engineering Department, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China；
2.School of information and Electrical Engineering of Harbin Institute, Technology (Weihai),Weihai 264209, China;
3.Springs College (Penglai) University of Jinan, Penglai 265600,China)

Due to its low cost, flexible path planning and strong anti-interference ability, the magnetic guidance mode is widely used in the guidance and control system of AGV, but the design of data acquisition for the magnetic induction signal, control system structure and control strategy is a problem to be studied deeply. The AGV of differential speed steering is studied，and distributed magnetic guidance AGV control system under modularization and general oriented is designed, which use Atmega 128 And peripheral circuit as master control unit, Atmega 16 and signal conditioning circuit as data acquisition unit, and HMC1021 magneto resistance sensor for magnetic detection device to building the core hardware structure of the controller. Main control unit and data acquisition unit through the RS485 communication exchange data. Then based on the analysis and study of the differential drive principle of AGV, the general mode of sensing to speed control is given, and the generic control strategy combined with the table lookup and fuzzy control is put forward. The results of practical application and software and hardware testing have shown that the design method is feasible and effective.

magnetic guidance; differential drive; fuzzy control; modularization

2016-11-03；

2016-11-28。

哈尔滨工业大学研究生教育教学改革研究项目(JGYJ-201626)；中央高校基本科研业务费专项资金(HIT.NSRIF.2016106)。

罗 奎 (1979-)，男，四川德阳人，硕士，助教，主要从事计算机测量与控制方向的研究。

1671-4598(2017)04-0058-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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