自动引导小车控制系统设计

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1、项目批准号 大学生科研训练项目申请书项目名称： 自动引导小车控制系统设计 申 请 人： 何腾鹏 所在学院： 信 息 工 程 学 院 专 业 ： 电子信息科学与技术 联系电话： 指导教师: 徐建 职称 讲师 电话 申报日期： 2013 年 4 月 8 日 湖北民族学院教务处 制 填 表 说 明 一、 填写立项申请书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写，表达明确、严谨。 二 、申请书要求一律用A4纸正反打印，一式4份（负责人、指导教师、所在学院、教务处各执一份），于左侧装订。由指导教师和所在院（部）审查并签署意见后报教务处。三 、“项目批准号”不填，由学校

2、统一编号。四、如表格不够，可以加附页。一、项目概况项目简况项目名称 自动引导小车控制系统设计项目类别 自然科学类申请经费 3000元起止年月 2013.5-2014.5项目组成员姓 名专 业学 号所在学院项目分工本人签字 何腾鹏电子信息科学与技术信息工程学院 黄峰电子信息科学与技术信息工程学院 谭方韬电子信息科学与技术信息工程学院 李林电子信息科学与技术信息工程学院指导教师情况姓名徐建学位职称 讲师研究方向嵌入式系统与智能控制授课名称一、研究内容概述(限200字以内) 自动引导小车(AGV)控制系统由AGV智能控制模块、监视模块、及无线网络通讯模块等三大部分组成。工作过程是通过接入互联网的手机

3、或者微机客户端通过无线网络向远程的AGV发送控制指令代码，期间传输信号由发送端使用加密狗加密。当信号经互联网发送到接收终端时，AGV网络模块把接受的指令传送到处理器，处理器指示驱动模块驱动AGV执行动作。运动的同时监视模块把采集到的图像通过无线互联网传输到客户机端，利用本控制系统，可以实现AGV的远程控制及工作环境实时监控。结合运输机械装置可以实现在特殊工作环境下的智能远程控制搬运工作。项目创新特色概述（50字以内）1 小车实现全自动控制，能够自行引导。 2 并且小车的系统具有广泛性，可实现对任何小车的自动引导。二、项目简介（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等） 1 自动

4、引导小车（AGV，Automated Guided Vehicle）是一种无人操纵的自动化运输设备，它装备有电磁或光学导向设备，可以按照监控系统下达的指令，根据预先设定的程序，依靠车载传感器获得外界环境信息和自身位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶。AGV是现代物流系统的关键装备，在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送。因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取得胜利的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正向着现代化的方向发展。AGV适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集

5、成化和自动化，在各国的许多行业都得到了广泛的应用。 2 自动引导车国内外发展现状世界上第一台AGV是美国Barrett Electronics公司于20世纪50年代开发成功的,是一种能够自动跟踪带电导线的无人驾驶车辆以用于仓库内货物运输。1961年，美国的Webb公司也研制成功了用于仓库作业的AGV。60至70年年代，由于诸多因素的制约，美国在AGV应用领域发展迟缓。而西欧在这一时期却在AGV研究方面取得了突飞猛进的发展。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与Schiinder-Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGV，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，

6、从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGV在装配作业中成为一种流行的运输手段。日本的第一家AGV工厂也于1966年由一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家。我国AGV研究始于六十年代，北京起重运输机械研究所、清华大学、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所和国防科技大学等都在进行不同类型的AGV的研制并小批投入生产。1975年北京起重运输机械研究所完成我国第一台双向无线电通信的AGV。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6台AGV用于装配

7、线上，是汽车工业中用得较成功的AGV。清华大学独自研制的“自由路径自动导向AGV”属于固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平。目前，我国越来越多的工厂、科研机构采用AGV为汽车装配、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。 3 自动引导车的引导方式AGV的引导方式很大程度上决定了AGV的性能，也影响着系统运行的可靠性和运行费用。在20世界80年代以前，AGV引导方式主要以埋线电磁感应引导技术为主。但是电子技术的发展使AGV的引导技术多样化。目前AGV多由以下几种引导方式：（1）埋线磁感应引导方式地下埋线感应引导方式技术成熟，应用较为广泛。目前，大多数AGV系统才采用电磁感应法引导技术。

8、（2）图像识别引导方式其工作原理为摄像机得到路径信息的路面信息，通过图像处理识别出欲跟踪的路径，从而引导AGV运行。随着计算机视觉技术的飞速发展以及图像处理研究的深入，已经越来越多的AGV使用计算机视觉识别道路信息。三、研究技术路线及可行性本项目的工作主要包括以下几个方面：(1）系统总体方案及控制结构设计通过分析比较国内先进的AGV设计的特点，结合实际控制对象，进行系统总体方案的设计。采用Freecale公司16位微控制器MC9S12DG128B作为主控制器。系统使用CMOS摄像头检测道路标识线，利用舵机控制小车转向，同时使用自制编码器对车速进行检测。(2）小车各个功能模块的硬件设计本控制系统

9、采用模块化设计，系统主要由微控制器(MCU)模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块和调试模块几大部分构成。(3）详细阐述了各功能模块的软件设计首先通过边缘检测方法提取轨道黑线，采用最小二乘法拟合直线的方法,准确判断出当前路径信息。采用模糊算法和PID相结合的方法来控制舵机转向和增量PID控制小车速度。(4）介绍了系统调试。通过系统软硬件的设计及调试，小车能够稳定的沿引导线运行。通过实际模型小车的调试，验证了系统设计的可行性，并取得了良好的控制效果。2.1总体设计本课题使用“飞思卡尔”杯全国大学生智能车比赛用车进行自动引导车研究。该模型后轮驱动前轮转向的四轮模型小

10、车。比赛要求所设计的小车具有自动寻迹的功能，能在定跑道行驶。跑道为黑白两色。其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的据。对于固定轨道引导的自动引导车，其工作方式与比赛中小车的运行方式十分相似。因此选择该模型小车和其跑道作为自动引导车研究的依据。系统框图如图2.1所示： 如图2-1所示，该系统主要分为以下三大块：（1）信息采集模块：在该模块中包括有速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集到的信息传给MCU。其核心是传感器。（2）信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，

11、并发出控制命令。（3）执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到MCU的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给MCU。从而整个系统构成一个闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到正确行驶的目的。方向控制的作用就好比是驾驶员和他所控制的方向盘；速度控制的作用就好比驾驶员和他脚下的油门和刹车。2.2硬件系统基本方案论证2.2.1图像采集模块为了探测小车前进过程中的路况信息以及小车在沿黑线行走过程中的偏离黑线的程度等行驶状态信息，以便通过此信息来指导MCU应该怎样对执行部分发出命令，采用摄像头获取道路图像信息。2.2.2速度检测模块为了使小车能平稳地沿着赛

12、道运行，除了舵机转向的控制之外，还要在入弯的时候适当的减速，使小车能平缓的入弯，防止因速度过快而冲出赛道。如果仅采用开环控制方式，则智能车在转弯角度不同、路面状况改变或者系统供电电池电量不同的时候，智能车的速度在同样占空比的条件下也会有很大差别。如在电池刚充满电的情况下，很容易因速度过快冲出跑到，若采用闭环控制，将车轮转速信息反馈给微控制器，从而使电机的实际转速值等于指令转速值，就能提高速度的准确性。车速检测有多种可行的方案。2.2.3速度执行模块模型小车的速度执行机构是电机，为永磁式微型直流电动机。它的驱动方案主要有三种：电磁继电器开关控制、达林顿管或MOS管组成的H型电路控制和单片电动机控

13、制芯片控制。第一种和第三种方案电路较简单。但是继电器响应速度慢，易损坏，可靠性不高，而且体积大，显然不适合小车的使用。第二种方案效率高，而且控制灵活，但其外围电路复杂，体积和重量都不能满足要求。如果采用第三种方案，就需要解决散热和驱动电流问题。考虑到小车的主驱动电机为微型永磁式直流电动机，工作电流相对较小，而且小车的设计有重量和体积的限制，所以决定采用第三种方案。由于S12单片机带有PWM输出端口，PWM波获取方便，为了加强灵活性，能实时改变控制量，所以利用PWM脉宽与速度的对应关系对电机进行控制，从而对速度进行实时调整，精确控制。2.3软件系统结构的设计系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系

14、统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过图像采集模块获取前方赛道的图像数据，接着S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得小车于黑线位置的偏差，对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器模块获取小车的速度，根据检测到的速度，结合速度控制策略，对小车速度不断进行适当调整，沿轨道快速行驶。系统的基本软件结构如图2-2所示。 3.1硬件系统整体介绍设计硬件系统是硬件电路的设计是整个系统实现其功能的基础，它对系统运行的稳定性、控制的精确度都有着直接的影响。没有一个好的硬件设计方案，那么以后的控制策略以及控制算法就无从谈起。本系

15、统是一个各部分协调运作的控制系统。系统要完成传感器接受、单片机判断计算到执行机构执行的整个过程。系统设计要求单片机把路径迅速判断、相应的转向配合电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。本控制系统采用模块化设计，系统主要由微控制器(MCU)模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块和调试模块几部分构成。整体装置结构设计框图如图3.1所示： 3.2微控制器模块本设计选用的MC9S12DG128是飞思卡尔公司推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I 2C、A/D、PWM等。它在汽车电子、工业控制、中

16、高档机电产品等领域具有广泛的用途。3.3电源管理模块电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。模型车系统中接受供电的部分包括：传感器模块、单片机模块、驱动电机模块、转动电机模块以及其它的外围辅助模块等。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由7.2V、2A/h的可充电镍镉电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包括多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个

17、模块所需要的电压。电源模块由若干相互独立的稳压电源电路组成。在本系统中，除了电机驱动模块的电源是直接取自电池外，其余各模块的工作电压都需要经电源管理芯片来实现。整个电源模块的电路结构如图3.3所示：3.4舵机转向模块3.4.1舵机简介舵机是一个典型闭环反馈系统，主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等几个部分组成。其工作原理如图4.8所示。在硬件连接上共有三根线，使用方便：分别为电源、地及控制输入。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需要的能源，电压有两种规格：4.8V和6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些。在控制线接单片

18、机一路PWM输出，通过控制输入脉冲的宽度使舵机的输出轴转动到指定位置。3.4.2舵机的控制本系统采用的控制信号为周期为20ms的脉冲信号，改变脉冲的宽度就可以改变舵机的方向。其转角和脉冲宽度的对应关系如图3.8所示。 3.5电机驱动模块3.5.1电机特性小车前进的动力是通过直流电机来驱动的，直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。系统选用RS-380SH直流电动机作为驱动电机。RS-380SH的额定电压为7.2V，空载时转速为16200r/min,电流0.5A。额定转速14060r/min,电流3.29A，转速10.9MN*m，其堵转电流为21.6A。3.5.2电路设计直流电

19、机驱动采用飞思卡尔公司的5A集成H桥芯片MC33886，MC33886芯片内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的MOSFET输出电路，适合用来控制感性直流负载，可以提供连续的5A电流，并且集成了过流保护、过热保护、欠压保护。是理想的功率分流直流马达和双向推力电磁铁控制器。芯片的封装如图3.10所示： 3.6路径识别模块路径识别模块是本系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。目前自动导引车研究中，路径检测多采用彩色或黑白摄像机来处理周围路线，通过将采集的数据直接发送到上位机，上位机采集数据后进行必要的处理，得到控制输出。但是该

20、方案多应用于大型自动导引车，如JLUIV-IV型自动导引车。但是模型小车由于体积小巧，无法安放PC进行数据处理。所以在路径检测模块中采用了采集装置采集数据，直接送入模型小车上的微控制器进行处理。近年来，随着计算机技术和图像处理技术的发展，基于视觉导航和控制的自动导引车成为人们研究的热点,其中基于标识线图像识别的导航方法，由于引导标识线的设置和变更相对容易、技术成本和费用低，因而成为自动引导车导航的一个重要发展方向。3.6.1摄像头的采样机制本系统中采用输出信号制式为PAL电视机制式的摄像头，摄像头通常引出三个端子、电源端、地端、视频信号端。视频信号的电压一般位于0.5V-2V之间。摄像头每秒扫

21、描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像。3.6.3信号提取（1）信号提取方式要能有效地采样摄像头视频信号，首先要处理好的技术问题就是能提取出摄像头信号中的行同步脉冲，消隐脉冲和场同步脉冲。否则，单片机将无法识别所接收到的视频信号到底是在哪一场，无法识别是在该场中的场消隐区还是视频信号区，也无法识别是在视频信号区的第几行。因此要处理好行同步脉冲和场同步脉冲提取的问题。（3）采样电路设计摄像头采样电路如图3-15所示。摄像头视频信号端接视频信号输入端，同时也接入S12的一路AD转换端口（选用AD0）。行同步信号端（引脚1）接入S12的一个带中断能力的I/O口。LM18

22、81的奇-偶场同步信号输出端接S12中断输入口PH0由此作为奇-偶场同步信号的换场的标志信号，也可作为场信号到来的标志。 3.7速度检测模块为了使得模型车能够平稳地沿赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使得模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。可以通过控制驱动电机上的平均电压控制车速，但是如果开环控制电机转速，会有很多因素影响电机转速，例如电池电压，电机传动摩擦力和前轮转向角等。这些因素会造成小车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上面的各种因素的影响，使得车模运行的更精确。在闭环控制系统中，速度指令值通过微控制器变换到驱动器，驱动器再为电机提供能量

23、。速度传感器再把测量的小车的速度量的实际值回馈给微控制器,以便微控制器进行控制。3.8 系统软件设计及调试模块在小车的整个软件设计中，主要有以下几个方面：一、摄像头图像采集；二、摄像头图像处理；三、转向控制；四、速度控制。其中图像采集和处理是后两者的基础。Code warrior是Metrowerks公司提供的专门面向Freescale所有MCU嵌入式应用开发的软件工具。其中包括集成开发环境IDE、处理器专家、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。其使用界面如图5.1所示。在目标程序的下载方面，通过BDM与单片机之间的连接下载程序。在调试方面，使

24、用了MC9S12DG128的串口，利用串口线将MC9S12DG128和PC的串口相连，使用PC的超级终端进行程序的调试。参考文献：1曹新亮，白泽生.两种图像传感器性能特点的对比分析与研究J.延安大学学报：自然科学版,2007,26(1):2张正义.自动导引车系统及其应用-AGV技术发展综述J.物流技术与应用，2005,（7）：66-73.3唐文伟.AGV在物流领域中的应用前景分析J，物流技术，2001（3）：7.4王明顺.基于LM2576的高可靠MCU电源设计J，国外电子元器件，2004,(11)：12-14.（5）：76-80. 5徐友春，王荣本等.智能车辆视野及其图像变形校正的研究J,公路

25、交通科技，2000，17四、对项目的参与兴趣和已有的知识积累或实践基础在大学期间，学习了很多理论知识，虽然动手实践过，但很少做一个完整的系统，我们很渴望将已掌握的知识应用到实际中去，在实践中检验真理，为人民谋福利。在平时的学习中，项目组成员学习了单片机的使用，信号的采集、放大、传输、处理、存储等等，通过在学校创新实践中心的历练，有一定的电路系统设计经验和较强的团队协作精神。五、研究计划和进度（可就文献查询、社会调查、方案设计、实验研究、数据处理、研制开发、撰写论文或研究报告、结题和答辩、成果推广、论文发表、专利申请等工作逐项进行安排）2013年4 月2013年7 月，总体方案设计。在深入调研和

26、文献查阅及项目参与者的协调预研基础上，最后确定项目实施总体方案。2013年7 月2013年10 月，研究系统的硬件结构。设计好系统硬件结构原理图，并在软件上进行相关仿真测试，进行硬件的制作和实物调试。2013年10 月2014年1 月，研究系统的软件设计。在嵌入式操作系统上进行相关软件的开发，最后实现软硬件的联合调试。2014年1 月2014年4 月，总结项目，完善相关细节，准备结题材料。六、项目研究支撑条件1. 信息工程学院自2002年建院以来，学院承担各级科研项目150余项，其中国家自科基金4项，国家社科基金1项，省部级项目9项，地厅级项目50余项，院级项目50余项，横向项目60余项，科研

27、经费达到600余万元。同时，学院公开发表论文460余篇，其中SCI、EI收录40余篇，权威期刊4篇，重要期刊30余篇，核心期刊140余篇。另外，出版专著及教材10余部，获得州科技进步二等奖10项，三等奖10项。2. 信息工程学院实验中心自2002年以来，投入设备费用800多万元，新建了通信原理实验室、DSP实验室、继电保护实验室、传感器实验室、ARM实验室、PLC实验室、电机与控制实验室、计算机网络实验室、物联网实验室，改造了EDA实验室、自控II实验室、计算机组成原理实验室、自动控制实验室。在实验室建设过程中，为达到资源最大程度的共享及优化，学院又对实验室结构进行了调整，建成了省级实验教学示

28、范中心1个，校级实验教学实验中心1个，设备总价值达到1200多万元。3. 信息工程学院创新实践中心成立于2006年1月，现有专职教师3人，兼职教师27人，在册学生121人，设有基础电子设计部、嵌入式系统开发部、机器人开发部、软件开发部和网络工程部等5个项目研究部门，共完成学生科研项目80余项。创新实践中心现有开放实验室8个，总建筑面积1192平方米，共有实验仪器230多台件，总价值达91万元，能够同时容纳200名学生从事科研活动、学术竞赛活动和创新实践活动。创新实践中心自成立以来，坚持以大学生科研项目研究和科技竞赛为工作重点，成功参加了一届全国大学生电子设计竞赛、两届湖北省大学生电子设计竞赛和

29、一届全国大学生SOPC大赛，取得了多个省级一、二、三等奖的好成绩。实验中心和创新实践中心有项目开展所需要实验的实验箱和开发板，具备项目的实验平台和环境，拥有完成该项目的技术和实力。七、预期提供的成果及形式 1发表1篇期刊的学术论文。 2. 完成实物制作。 八、项目经费概算 申请资助总金额： 3000 元 预算科目金额（元）计算根据及理由1.资料费500资料打印，图书购买2.调研费 3.器材购买费1500电容，电阻，各类传感器，步进电机，M3单片机4.实验材料费10005.其他九、项目评审意见 (一) 指导教师意见(对立题、经费预算、项目可行性等签署具体意见)：项目立题有新意，设计思路明确，技术路线正确，经费预算合理，建议资助。指导教师（签名）： 年 月 日 (二) 学院推荐意见： 主管院长签名（单位章）： 年 月 日(三) 学校意见： 专家组组长长签名（教务处代章）： 年 月 日