惯性导航AGV小车控制系统设计

2021-09-17陈媛媛张守兴陈菁

电子制作 2021年16期

陈媛媛，张守兴，陈菁

（海口经济学院，海南海口，571100）

0 引言

近年来，国内AGV发展及其迅速，涌现出大量AGV厂家。目前，AGV已大规模应用在烟草、物流、汽车、新闻等行业，其中自动化物流和智能装配车间应用最为广泛。近年来，一些新技术、新设备、新发明的出现，使得高级智能AGV进入很多企业[1]。在物流仓储搬运装卸物流的时候，耗时长、所需费用大，为了降低成本并提高效率，自动搬运技术的采用势在必行，因而惯性导航的发展受到越来越多的关注。AGV作为载体，配合整体物流系统实现货物的自动传输和运输，AGV惯性导航的应用实现仓储物流或工厂的自动化、智能化、信息化管理，大大提高管理效率，降低出错率。

我国各制造业加快转型升级步伐，自动化生产也逐渐被企业重视与应用，不断推动着工业4.0的发展进程[2]。AGV技术作为工厂智能化、自动化的重要核心组成部分，成为该行业重点关注对象之一[3]。AGV小车具有较好的灵活性、智能化且重组方便，可满足生产过程的柔性化运输。可节约人工成本，减轻劳动强度，降低生产风险，提高生产效率，满足各行各业的发展需求[4]。目前，我国面临着人口老龄化逐渐增加，劳动力成本大幅攀升，产业工人缺乏、招工难等问题越来越多，国内企业对工业机器人的需求空前高涨[5]。由于惯性导航AGV小车不受工作环境的限制，可以随时改变路线，应用更加灵活多变，更加被市场认可。

AGV自动引导小车，是集光电、自动控制、计算机及电子信息技术等多种先进技术为一体的综合性控制系统，具有智能化、柔性化、数字化、网络化和信息化等特点[6]。惯性导航系统是一种自主、无轨导航方式，通过获取移动载体的惯性角速度和加速度，利用牛顿运动定律，计算载体的瞬时速度和位移，通过精度较高的传感器测得小车的具体位置信息，并按照不同的参考点测定其具体行驶距离，并将AGV小车的具体位置信息、角速度、线速度及姿态角等参数返回给控制系统，实现对小车的连续惯性导航[7]。无需任何导航台站装置，具有“不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好、自主性、无源性、实时性、全参量”等特点。与已知的规定行驶线路进行比较，可实现AGV的自动导引功能。

本文研究惯性导航AGV小车控制系统，可满足现代生产对物流系统、生产车间自动搬运作业的高要求。为我国AGV小车导航技术的研究奠定一定的理论、实验基础。

1 AGV控制系统的硬件结构设计

本文设计的惯性导航AGV小车控制系统由主控制模块、车体控制模块、导航模块、电源模块及安全辅助模块组成。其中车体控制模块是AGV小车的核心控制部分，由控制系统、操作面板、导航及网络通信系统和电机驱动系统构成。通过单片机、可编程控制技术（PLC）来实现对小车的整体控制。采用惯性导航技术实现对AGV小车车体位置的精准测定，使其按正确的路线行驶。网络通信模块采用RS232接口与计算机链接，可实现AGV小车与控制中心之间信息传输。通过无线通信及光通信等形式使主控中心进行精准定位，通过操作面板实现对AGV小车各种指令的输入及相关信息的显示。电源模块采用蓄电池，通过直流电动机、步进电机及伺服电机等实现对AGV小车的驱动。硬件系统的总体框图如图1所示。

图1 系统硬件的总体框图

■1.1 主控制器的选择

AGV小车的主控制系统由主控制芯片和简单外围电路组成。本文选用STM32微控制器作为主控制模块，来实现对各个模块之间的数据处理及功能指令的传达。该模块具有性能高、低成本、低功耗等特点，并且具有庞大的资源，运算速度快，能很好地满足AGV控制系统的需求。

■1.2 电源模块

按照电路设计基本要求，在进行电源模块硬件电路设计时，为避免AGV小车因地面不平、颠簸或人为操作等不可控因素导致出现的电压不稳、杂波或瞬时电压过大等情况，要对电源电压进行滤波、去耦和稳压等处理。同时，需引出不同电压值输出端子为各个模块供电。

■1.3 电机驱动模块

AGV小车电机的选择要考虑启动性好，通用性较强的电机。本文选用的无刷直流电机具有较好的启动特性及调速性能，输出转矩比交流电机大且通用性较强便于维修。步进电机采用开环控制，且具有优异的伺服特性，步进电机驱动器要求脉冲信号一般为TTL电平兼容的方波信号。本文采用THB6128作为电机驱动芯片，具有高电压、高电流、低电阻，双路全桥MOSFET式驱动等优点，可以满足AGV小车的工作需求。

■1.4 传感器导航模块

AGV小车在工作过程中，通过传感器导航模块对其实际位置定位、运行速度、角速度及姿态信息等数据的获取，同时也将小车实际外界信息传送给主控中心。本文采用ADIS16445惯性传感器同时加入一个辅助纠正误差的辅助传感器YF-9016，实现AGV小车的惯性自主导航运动和定位功能。具有较高的精度和稳定性，较强的抗干扰能力，体积小、重量轻、价格便宜等优点。

2 AGV控制系统的软件设计

软件系统，主要实现对惯性导航传感器数据的采集处理以及AGV小车的运动控制。本文软件系统主要包括：初始化模块、数据采集、数据处理、显示模块、运动控制模块、安全避障模块、通讯模块、人机接口模块、视觉导引模块和远程控制模块等。软件系统总体设计流程图如图2所示。

图2 系统总体流程图

3 试验结果分析

搭建好系统硬件平台后，按照软件系统的设计，将惯性导航传感器模块与单片机连接调试后测试结果如下：

（1）顺向转弯测试。按照设计的顺向连续转弯路径测试，重复100次×7天测试，测试期间小车未出轨道，正常；（2）非顺向转弯测试。按照设计的非顺向连续转弯（S弯）路径测试，重复100次×7天测试，测试期间小车未出轨道，正常；（3）单一站点正向对接测试。按照设计的单一站点正向对接的路径测试，小车正常运行，横向偏移度在±15 mm以内，纵向偏移度在±10 mm以内；（4）连续站点正向对接测试。按照设计的路径测试要求，AGV小车在与同一直线上的连续多个对接工位进行对接，行驶路段长度大于25M，直线行驶时分别设定15、25、30、40（m/min）4种速度进行测试，测试结果显示，小车在行驶速度为25 m/min时为最优速度，车体中心最大摆动幅度不超过±50 mm。