基于CPS的智能化AGV的关键技术研究

(扬州大学 江苏 扬州 225000)

一、研究的背景及意义

轨迹跟踪系统的特殊设计在机器人领域有着重要的地位，可以说是机器人实现智能化的一个重要的指标。无论什么机器人想要实现智能化就必须要实现对外部的环境自我感知与判断并做出相对的反应，最终完成人们所需布置的任务。本文以全向机器人为研究对象，通过对轨迹跟踪问题的分析，制作了一辆能够自动跟踪地面上的轨迹线的智能小车。

二、系统方案设计

(一)系统的功能与原理

1.系统的功能。系统主要实现的功能是车辆能够沿着地面上预先所画出的任意形状的黑色轨迹导线行走。途中可以避免因轨迹线不规则所可能产 生的误差而偏离跑道以及能够实现在弯道处过弯的任务。

2.系统的原理。在现有玩具电动车的基础上加装红外线检测传感器，把路面信息传回单片机。利用单片机实现即时对电动车的位置、速度、运行状况的实时测量，之后由单片机所检测的各种数据实现对电动车直流芯片的智能控制，从而达到自动寻迹的目的。

整个智能小车轨迹跟踪系统是由红外线传感检测电路，单片机信号处理及PWM输出部分，直流驱动控制芯片电路，小车实体部分(含左右轮两个电机)组成。

红外线检测电路是用于将路面的黑色轨迹线(预画)通过传感器以电平方式输出给单片机处理的单元部分。

单片机信号处理部分是通过对红外线检测电路送来的数据进行处理，选择相应的程序输出不同的PWM波给直流驱动控制芯片以达到控制电机转速的目的。

直流驱动控制芯片电路是用来直接控制直流电机的专用芯片，因为单片机所输出的电压不足以驱动电机的工作，所以要通过使用该芯片来间接控制电机。

(二)系统的设计方案。总系统主要包括路面轨迹检测系统、信号处理系统和直流调速系统。

1.路面轨迹检测系统。路面轨迹检测系统要实现对路面轨迹线的检测，就是利用红外传感器对电动车行驶路径上的黑色导线进行读取判断，并把检测到的实时数据通过高低电平的方式传送给单片机，以供单片机处理作出判断，输出结果。

红外光线检测的原理:本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的引导轨迹(路面预画导线)，经LM324电压比较器和可变电阻进行微调，整形后送单片机控制。

电路采用反射接收原理配置了一对红外接收、红外发射传感器。这个电路包括一个红外光敏二极管上接一个电阻和一个红外发光二极管:红外发光二极管可以发射一定强度的红外线照射路面，红外光敏二极管如果接收到反射回来的红外线就能导通，若没有接受到反射的红外线则截止。而路面的轨迹是黑色的，可以吸收掉发射出的红外线，因此传感器接触到黑色轨迹线就会截止、未接触黑色轨迹线而是照射地面就导通。

本系统总共设计了三个红外线传感器，通过放置在电动车的左、中、右三个方向，用来读取地面的黑色轨迹线。当行车方向偏离轨迹的时候，通过这三个红外线感应装置所检测的信号就可以判断出行车偏离的方向，将实时信息以高低电平的方式传送回单片机，然后通过单片机的处理，以及相应的直流控制芯片的驱动就可以修正行车路线，最终完成自动寻迹的任务。

2.信号处理系统。信号处理系统即单片机对路面检测系统所输入的信号进行相应处理，并进行行车修正控制。信号处理原理：电偶年纪通过接收到的高低电平，进行判断，以及进行相应的行车路线修正。例如：单片机的P1.1，P1.2和P1.3分别接收到的信号是高电平，高电平和低电平，则相应的程序判断可知小车此时行车向左偏离，需要进行向右大转行车修正即进行相应的程序控制输出不同的PWM改变左右轮的转速。

PWM波的产生原理:PWM波是通过改变其输出电压的占空比来实现的，那么要输出不同的PWM波，就只需要单片机改变输出电压的占空比即可实现。而占空比的改变是通过点偏激内部定时器延时程序来实现的。

三、AGV机械结构和驱动转向系统设计

(一)AGV机械结构的设计。小车采用两后轮独立驱动差速转向，两前轮为万向轮的四轮结构形式。步进电机经减速器后通过驱动轮提供驱动力，当两轮运动速度不同时就可以实现差速转向。

1、车架。车架是整个AGV小车的机体部分，主要用于安装轮子、光感应器、步进电机和减速器。车架上面安装步进电机驱动器、PCD板和电瓶。对于车架的设计，要有足够的强度和硬度要求，故车架材料选用铸造铝合金，牌号为6061。其中6061质量比较轻，焊接性好。

2、车轮。车轮采用实心橡胶轮胎。车体后面两主动轮为固定式驱动轮，与轮毂式电机相连。前面两个随动轮为旋转式随动轮，起支承和平衡小车的作用。

3、载荷传送装置。AGV的载荷传送装置为一平板，其作用为运输箱体类零件到指定工位。主要用来装载箱体类零件，运送物料等。

4.AGV的自动引导系统设计。采用的光电传感器型号为EE-SPY402，属于反射型光电感測器，入光时ON，侦測距离约5mm，并附动作指示灯电源电压为DC5～24V，控制输出80mA。光电感測器电源电压5V，当侦測到前方有反射物体时，动作指示灯亮，out端与负端形成通路，且out端由4V高电位降为0V低电位。此反射型光电感測器所侦測到前方的反射物体以白色为标准。

(二)驱动系统部件的选择与校核。AGV的驱动系统主要由驱动电源、直流电动机和减速器组成。电动机的性能参数及咸速器的规格型号的确定直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力。

(三)电源部分选择。目前AGV大多使用镍镉蓄电池，镍氢蓄电池、锂电池和铅酸蓄电池.下面就对以上几种类型的电池进行简单比较：

1、镍镉蓄电池。内阻小，可供大电流放电，放电时电压变化小与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便放电电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是1.2V左右镍镉电池的放电终止电压为1.OV/cell，实使用温范围在-200C-600C，在此范围内可进行放电。可重复500次以上的充放电。

2、镍氢蓄电池。镍氢电池能量比镍镉电池大二倍,用专门的充电器充电可在一小时内快速充电,自放电特性比镍镉电池好，充电后可保留更长时间,可重复500次以上的充放。

3、锂电池。拥有高能量密度。与高容量镍镉电池相比，体积能量是其1.5倍，能量密度是其2倍。高电压，平均使用电压为3.6V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍，使用电压平坦并且高容量，广泛的使用温度-200C-600C。充放电寿命长，经过500次放电后其容量至少还有70%以上由于锂电池具备了能量密度高电压高，工作稳定等特点。

四、硬件电路设计

在硬件电路设计中，使用了3个红外线光敏管(红外传感器TRCT5000)来检测地面上的黑色轨迹线，并把其输出的电平信号和可变阻器引出的电平一同送入LM324进行电压比较。传感器TRCT5000引出的信号有反相端输入、可变电阻信号由正相端输入。调节可变电阻就可以间接改变传感器的灵敏度。经过LM324整形后的输出信号由每个集成器的输出口输出给单片机。LM324共有四组相同的集成电路，那么只需要用到其中的3组。为了直观的观察出传感器的工作状态，在每路的输出口串接入一个发光二极管，二极管的阳极接5V电源，阴极和LM324的输出端相连接，通过排针的方式引出输出信号。

当其中一路传感器接触到黑色的导线的时候，传感器输出的高电平信号给LM324。经过电压比较，LM324输出低电平信号，此时和LM324串接的发光二极管导通，就可以直观的观察传感器的工作状态了。即遇黑色轨迹线指示灯亮，遇白色地面指示灯不亮。

五、小车试验

在本课题中，AGV样车的设计严格按照一个产品的设计开发流程，由于经费的问题，本课题制作了一个小型的智能循迹小车。循迹原理与程序与本设计一致，项目进行到这一步，小车的硬件设计和软件设计都己经完成，接下来就要进行一系列的实验进行测。验证智能循迹小车是否能完成预定的目标，并通过实验找出需要改进的地方，为后续工作找出依据。在设计完成智能循迹小车的硬件设计和程序的编写后，将编写好的程序下载到单片机中。进行多次实验以验证智能循迹小车的功能和查找其不足之处为以后的改进找出依据。

循迹实验是在地面规划出小车的运动轨迹，小车能够通过红外探头跟着轨迹走。为了验证智能循迹小车循迹功能的可靠性，规划了不同的轨迹，并且分别进行正时针逆时针的实验。

试验前，现在地面上设计好小车运行的轨道，用黑色的电胶带贴好。为了验证试验的可靠性，轨道需要有不同的拐弯角度，并且需要对小车进行顺时针和逆时针的测试。经过对小车的几次试验，都能实现循迹的功能。

六、结论与展望

(一)结论。本文对智能小车路径识别技术的研究是通过实验小车来实现的，对各功能模块进行设计。由于采用了模块化设计思想，本系统有良好的扩展性和可升级性。采用单片机作为控制处理核心，它具有编程易于控制、灵活自由、扩展容易、稳定性能好等优点。本文控制系统以STC89S52单片机为核心，硬件设计包括基于红外线传感器路径的获取、执行机构及直流电机驱动电路设计。软件设计则包括道路轨迹信息的判断，电机的驱动算法，PWM波的生成。通过这些设计智能小车能够自动的识别路径，而且能够稳定的运行。实现当初的设计目标，能过完成任务要求。

在红外线检测电路部分，采用的红外发射接收管可以有效避兔外部可见光线对系统的干扰。并且通过比较器的整形输出更近一步的提高了系统的稳定性。并且调节同时接入的可变电阻可以对传感器进行灵敏度的微调。加强了系统的兼容性和稳定性。

直流电机驱动电路能够接收单片机的小信号控制以大电流形式输出给直流电机，以达到单片机间接控制的目的。且本身采用双极性H型品闸管设计，可以快速响应PWM的控制信号。系统的可执行性好。

在系统的软件部分，加入了抗干扰盲走程序，一方而能够避免路面的不稳定因素，另一方而提高了系统在弯道处的过弯能力。

(二)工作展望。在最后的调试中，小车达到了设计要求及任务要求，但美中不足的是在直线和弯道接触段是有一定冲出轨线的几率，需要改进。

乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海。经过这段时间的磨练，在今后的工作生活中必将激励我面对困难险阻，不断前行。