基于惯性导引AGV控制系统的设计研究

摘要 简要地介绍了基于惯性导引的AGV控制系统的原理和组成，并对AGV控制系统结构和软硬件设计进行了阐述，提出了一种采用惯性导引控制的AGV设计方法，并通过样车实验结果表明，样车运行过程稳定，定位精度较好、控制性能良好。

关键词 AGV；惯性导引；系统设计

中图分类号U48文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）35-0001-02

0 引言

自动导引运输车(AGV)系统是当今柔性制造系统（FMS）和自动化仓储系统中物流运输的主要手段。作为一种无人驾驶工业搬运车辆，高速高效、高定位精度、智能化、网络化是目前自动导引小车系统的重要研究内容。

国内自动导引运输车较多采用电磁导引与激光导引技术，电磁导引是在AGV行驶路径上埋设导引线进行导引，电磁导引方式不适合复杂路径，路径不可任意规划。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束来确定其当前的位置与方向，其导引路径可以任意规划，但其导引方式不适合激光反射板容易被货物遮挡或者不易安装的场合，同时激光导引技术在导引过程中存在盲区多的缺点。

惯性导引技术在航天和军事上较早运用，是AGV领域新兴的一项技术，其主要优点是技术先进，定位准确性高，灵活性强，便于组合和兼容，适用领域广。惯性导引技术已被国外的许多AGV生产厂家所采用。近年来MEMS惯性敏感元件的高速发展使惯性导引在工业领域得到广泛应用，其高集成度、高性价比等特点极大推动了惯性导引技术在自动导引小车系统领域研究的发展。本论文研究一种惯性测量方法，采用捷联结构的惯性导引技术，提出一种AGV控制系统的解决方案。

1 系统总体结构

系统由AGV调度系统与AGV控制系统两大部分组成。AGV调度系统为固定式基站，AGV控制系统则为车载控制系统由电池进行供电，两大系统之间通过ZigBee无线模块进行通讯，如图1所示，AGV调度系统是由计算机外接ZigBee模块组成，而AGV控制系统则分别由AGV控制器、位置检测装置及AGV驱动器三大部分组成。

AGV调度系统作为基站控制系统通过无线通讯模块发送AGV调度与控制指令，AGV控制系统通过无线模块接收到AGV调度系统的指令后，先通过位置检测装置的角陀螺与编码器得到AGV的当前位置，然后发送AGV控制指令给AGV驱动器，控制驱动器的行进电机与转向电机动作，调整AGV的状态前进。在前进过程中，AGV通过RS-232接口实时采集AGV当前位置信息并与终点信息进行比较，计算出实时行进路径，再通过RS-485接口发送位置控制指令给AGV驱动器，控制电机调整AGV的位置与姿态行进。在AGV行进过程中AGV控制器通过障碍检测传感器检测路径是否通畅，当AGV行进遇到障碍时AGV控制器按照避障程序进行避障。

2 系统硬件设计

2.1 AGV控制器设计

AGV控制系统中AGV控制器是由Cortex-M3内核的ARM—STM32F103VET6为核心，主频为72MHz，片内512KB Flash，内置五个高速串行通讯接口，并通过FSMC高速前端总线控制显示专用ASIC驱动TFT全彩液晶屏。AGV控制系统如图2所示。

USART1外接MAX3232可以实现ISP程序下载，USART2外接RS485收发器MAX3082与ZigBee无线通讯模块通讯，USART3则与位置检测装置通讯，实时采集AGV的位置信号。UART4与AGV驱动器连接，驱动AGV行进。AGV控制器的电源由24V电池经过DCDC开关电源芯片LM2576输出5V3A，再由LM1117-3.3 LDO线性电源输出3.3V的控制器电源。

2.2 位置检测装置设计

位置检测原理

位置检测的原理是将AGV的运行路径用极坐标的方式进行处理，以出发点为原点，以原点出发某条射线为极轴，空间某点坐标到原点距离为l，与原点连线与极轴夹角为α，α以极轴出发逆时针为正，如图3所示。以AGV的质点为中心，将AGV的移动分解为极径与极角两个分量，极径以驱动轮编码器测量，极角以安装在质心的角陀螺测量。

位置检测装置由Cortex-M3内核的ARM—STM32F103RB6为核心。ARM内置的AD接口连接角陀螺ADXRS300，ADXRS300是一款角速度范围为300°/S的MEMS角速度传感器，如图4所示ADXRS300角速度输出与转向之间的关系。ARM通过实时采集ADXRS300的角速度值并进行积分得出ADXRS300的角度值，ADXRS300安装在AGV车体的质心上，这种捷联结构使得AGV车体的角度值就等于ADXRS300的角度值。极径的测量通过安装在后轮上的编码器取得。位置检测装置的系统结构图如图5所示。

2.3 AGV驱动器设计

AGV驱动电机采用无刷直流电机的驱动方式，驱动器采用AVR单片机进行控制，型号为ATMEGA16，驱动器采用“两两导通”的驱动方式，功率模块中桥臂的上管采用PWM调制，下管在每个扇区中通断。AGV驱动器的系统结构如图6所示。

3 系统软件设计

本次设计的AGV控制系统是分布式控制系统，各个子系统单独承担各自的运行任务，通过通讯协议将各个系统有效地联接，降低了单个系统的计算强度并提高整个系统的速度与精度。根据系统的分布，系统中各单元的功能划分如图7所示。

3.1 调度系统

调度系统是在计算机上通过桌面设计软件编写的，调度系统的任务包括通讯管理、车辆管理和任务管理。通讯管理负责与车载系统的通讯，车辆管理负责监控AGV的状态，任务管理负责分配AGV的任务。

3.2 车载控制系统

车载控制系统中位置检测装置将导引信息中的极径l与极角a，通过式（1）的计算由极坐标系换算成x,y坐标系。由于极坐标的增量特性，在每次任务的开始需要从AGV固定车站进行原点复位。

AGV控制器由位置检测装置得到的AGV位置信息实时修改路径信息并进行路径搜索形成行走段表同时结合障碍检测产生对AGV驱动器的行走控制与转向控制。对于AGV驱动器，对于每个行走与转向任务都相应分配启停控制与加减速控制。

4 结论

通过设计与样机验证，用分布式系统将AGV车载控制系统按主要功能分成了AGV控制器、位置检测装置和AGV驱动器。提出了一种AGV控制系统的设计方法。