固定路径自动引导车(AGV)的控制系统设计

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1、 毕业设计(论文)固定路径自动引导车（AGV）的控制系统设计系 别 自动化工程系 专 业 自动化 班 级 5060307 姓 名 贾立峰 指导教师 王凤文 2010年6月10日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第I页固定路径自动引导车（AGV）的控制系统设计摘 要随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV(AutomatieGuidedVehiele)即自动导引车作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的

2、无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为AGV的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。关键词：单片机 ，AGV，红外传感器，PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 II 页A fixed path Automatic Guided Vehicle (AGV) c

3、ontrol system design Author : Jia Lifeng Tutor :Wang FengwenAbstractAs the factory automation, computer integrated manufacturing systems technology, as well as the progressive development of flexible manufacturing systems, AGV(AutomatieGuidedVehiele) is automatically guided vehicle as an associate a

4、nd regulation of discrete logistics system to make it necessary for continuous operation automated transport loading and unloading means, its scope of application and level of technology has seen rapid development. AGV is a micro-controller to control the core, equipped with a non-contact guiding de

5、vices, unmanned automatic guided transport vehicles, its automatic operations basic function is to guide traffic and identifying potential sites and the transfer of load to stop. As a contemporary and effective logistics process automation tools, key equipment, AGV has been more and more widely used

6、, the study of the AGV is also of great theoretical and practical significance. In the article,a fixed route automatic guided vehicle, using an infrared reflective photoelectric sensor as AGVs search flight testing devices, batteries and DC motor as the drive, steering gear as the directional contro

7、l device, the use of intelligent control to control all modules work together to achieve the automatic guided vehicle automatic navigation.Key words: microcontroller, AGV, infrared sensors, PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第50 页目 录第一章 绪论11.1 论文研究的意义与目的11.2 AGV简介11.2.1 AGV的定义11.2.2 AGV的系统结构21.2.3 AGV的特点与应用31.2.

8、4 AGV的分类及引导方式41.3 AGV的现状与发展51.4论文的主要研究内容及组织结构61.4.1论文的主要研究内容61.4.2论文的组织结构6第二章 AGV控制系统硬件组成72.1 AGV的控制系统总体设计72.2单片机控制系统82.2.1 AT89C51单片机简介82.2.2外围电路介绍102.3闭环PWM调速系统122.4红外反射式光电传感器142.5 速度测量系统162.6 电机驱动电路172.7障碍物检测系统202.8 舵机21第三章 系统软件设计243.1 PID控制器在电机调速中的应用243.1.1 PID控制算法简介243.1.2 PID控制器软件实现253.2中断系统设计

9、273.2.1中断的控制273.2.2中断响应283.3系统流程29第四章总结与展望31致谢33参考文献34附录35第一章 绪论1.1 论文研究的意义与目的信息技术和自动化技术的发展及融合，使得在现代物流领域中出现了智能化的物流设备，如自动导向车、自动化立体仓库、自动分拣系统、仓库机器人等。在加工速度快、工件几何尺寸较大的加工车间，对物料的工序流转周期、工件的加工信息存储和生产调度都提出了较高的要求。传统的生产管理和控制技术已经不能适应现代生产的需要，因此研究生产车间级物流自动化流转设备具有非常现实的意义。自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流

10、自动化流转设备之一，分为普通型和智能型两种。智能型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上设置导向信息媒介，AGV小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。本文是设计一台智能型固定路径自动导向搬运车的控制系统，实现上述的功能要求。1.2 AGV简介AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已

11、经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。1.2.1 AGV的定义AGV(AutomaticGoidedVehicle)是自动导引小车的缩写，它可以按照监控系统下达的指令，根据预先设计的程序，依照传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动驾驶。根据美国物流协会的定义，AGV是装备有电磁式或光学式自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，并具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及运载功能的运输小车。AGV是以电池为动力，装有非接触导向装置、独立寻址系统的无人驾驶自动运输车，是现代物流系统的关键设备。它是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移动机器人。主

12、要应用于柔性加工装配系统、自动化立体仓库、易燃易爆物品的运输以及其他行业，作为搬运设备使用。AGVS(AutomatieGuidedVehieleSystem)是自动导引车系统的缩写，由管理计算机、数据传递子系统，若干辆沿导引路径行驶的自动导引小车、地面子系统等组成，用于及时有效的分派AGV到某位置完成指定动作，而巨具有监控管理的系统。1.2.2 AGV的系统结构AGV是融合了电子技术和机械技术的典型机电一体化产品。随着各种AGV新产品不断开发，AGV技术不断发展，先进的传感器、电子电力器件、光电器件、计算机、控制技术、电池技术、机构学等高新技术成果逐渐地集成到AGV新产品及其系统技术中去，使

13、它的技术附加值越来越大。AGV由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、运动控制器、通信装置、移载系统、和导航系统等组成。车体由车架和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等所组成，它是AGV的基础部分。车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊接而成，其上层以lmm-3mm的钢板或硬铝板，板下的空间安置与驱动和转向直接有关的硬件控制系统和重量较大的部件(如蓄电池)，以利于机械结构设计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈等。AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池电能为动力。驱动装置由车轮

14、、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。为了安全，制动器的制动力由弹簧力产生，这样在紧急电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走速度高些，拐弯时要减速，接近停位点时速度要小。紧急停车继电器独立于微型计算机之外。AGV的方向控制是接受导引系统的方向信息通过转向装置来实现。AGV有三种工作方式:(1)全自动方式

15、。当AGV设定在全自动运行方式时，操作者根据规划路径输入相应指令，启动之后自主车在无人操作模式下工作。(2)半自动方式。操作者可直接通过小车上按钮，辅助小车完成工作。(3手动方式。操作者也可完全手动，板将小车开在任何所需的地方。小车与一般电瓶车搬运车功能样，可用控制.1.2.3 AGV的特点与应用AGV是采用先进控制技术的现代物流设备，随着现代技术水平的进步，AGV朝着智能化和自主化方向发展，主要具有如下的特点。:(l)无人驾驶:AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工导向的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地，方便快捷。(2)柔性好:AGV自动化

16、程度和智能化水平高，行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。(3)运载能力强:载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式，能满足不同产品运送和加工的需要，物流系统的适应能力强。(4)安全性能好:可装备多种声光报替系统，能通过车载障碍探侧系统在碰撞到障碍物之前自动停车。当其队列行驶或在某一区域交叉运行时，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人为差错。因此，AGVS比他物料搬运系统更安全。(5)利用率高:AGV组成的物流系统不是永久性的，而是在给定的区域内设置。与传统物料输送系统在车间内固定设置二且不易变更相比，现代物

17、流系统的设置柔性更强，并可以充分的利用人行通道和叉车速遭公从而改善车间地面利用一率。(6)环保性能好:AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。由于AGV具有的这些应用特点，AGVS已经成为许多制造企业提高生产效率和系统智能化水平的重要手段。具体使用领域如下1、自动化立体仓库;2、柔性加工系统;3、柔性装配系统(以AGV作为活动装配平台);4、机械、电子、卷烟、医疗。食品、造纸、纺织、化工等行业的物料输送;5、在车站、机场.邮局的物品分捡中作为运输工具;6、也有用在办公室、医院、宾馆的AGV:7、危险场所和特种行业。AGV被用于物品运送，这

18、样就减轻了工人的劳动强度，避免了危险环境对人的伤害。1.2.4 AGV的分类及引导方式AGV是一种用于物流系统的运输小车。根据有无固定导向线可分为固定路径型和自由路径型两大类。对固定路径型AGV，其典型设计思路是采用传感器获得AGV方位信息，并与预定方位比较，得到AGV方位角的偏差和对于路径的横向偏差信号，以此为基础而对AGV转角和驱动轮速度进行控制。具体设计既有常规设计(如优化PID)，又有自适应和模糊控制设计。自由路径AGV控制设计与其类似，不过，自由路径型AGV确认方位较难获得。目前对自由路径型AGV的研究重点不在控制方面而在导向技术与定位方式上，其中，以光码盘作为传感器通过检测车轮回转

19、的方法确定AGV是种较经济的导向与定位技术，但缺点是跟踪精度受车轮打滑、变形以及累积误差的影响。引导方式是AGV单机控制系统的核心技术，根据导航方式将AGV分为以下几类型。1)电磁导引AGV。电磁导引是传统的导引方式之一，它是在AGV的行驶路径埋设金属导线，并加载低频、低压导引电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导引磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽、不易污染和破损、导引原理简单可靠、制造成本较低。其主要缺点是路径的复杂性有限、扩充或更改很麻烦、易受干扰。2) 光学导向的基本原理和方法同电磁导向相似。一般是在运行路径上铺设一条具有稳定反光率的色带。车上设

20、有光源发身和接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方向。3）惯性导引AGV。惯性导引是在AGV上安装惯性陀螺仪，在行驶地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向，从而实现导引。其主要优点是技术先进、定位准确性较高、灵活性强、便于组合和兼容。缺点是陀螺仪对振动较敏感、地面条件对AGV的可靠性影响很大、后期维护成本较高。5)激光导引AGV。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，并采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向，实现AGV的导引。

21、其主要优点是定位精度高、地面无需其它定位设施、能够适应复杂的路径条件及工作环境、可快速变更行驶路径和修改运行参数。缺点是车型构造需首先保证激光扫描器的视场要求、AGV抗光干扰的纠错能力有一定局限。6)视觉引导AGV。视觉导引控制是利用图像传感器采集路面上条带状路径标线的图像信息，通过计算机处理、识别，计算出车辆与路径标线之间的相对位置偏差从而控制运行方向，保证AGV沿着路径标线运行。优点是引导路径的设置和变更简单方便，成本低，易维护。缺点是容易受到光线的干扰。1.3 AGV的现状与发展五十年代，第一台自动导引车是由Barrett电子公司在美国开发成功。但在六十年代和七十年代AGV技术主要在欧洲

22、得到发展。八十年代，发展中心又转移到美国目前在国内AGV的应用逐渐开始推广。从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业、飞机制造业.家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等。这说明AGV在我国有一个潜在的广阔市场。随着社会科技的发展和市场需求水平的提高，AGV技术也有其自身的主要发展方向.1）AGV的市场正向二极化方向发展，一个是向自动化程度高的高档市场发展;另一个是向流通领域、办公室等大多数以人为接点的低档市场发展。2）AGV正向多导向方式、智能化发展。要实现预定的搬运计划、发挥无人搬运车的优势，关键取决于导向系统。电磁导向方式是最先开发的AGV导向方式，目前应用的范围最为广泛。

23、但由于电磁导向方式的缺点，相继出现了光学导向方式、磁石导向方式、激光导向、标记追踪导向及图像传感器导向方式等。多种导向方式充分体现了无人搬运系统高柔性、高效率、高可靠性、低成本的发展特点，并正向智能化方向发展，使AGV技术达到新水平。3）对AGV进行工程可行性分析验证时，愈来愈多的使用系统仿真方法。专用仿真语言将使用户使用方便，仿真费用将不断降低，一般仿真系统包括有彩色图形输入与显示系统，仿真处理机和仿真语言。4）AGV/AGV模块化设计研究，由于不同的AGV/AGV之间有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采用模块化的设计方法，将AGV的各功

24、能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。5）AGV系统控制结构愈来愈多地具有跟踪物料和储存信息的功能，以支持“准时制”生产，以便允许与AGV间或任何其他控制器进行通信。6）把AGV和移动机器人的能够进行灵活操作的优点结合起来，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用。7）AGV在工业领域中的应用将继续增长，并进入生活服务行业，其中包括办公室、医院、宾馆、邮政部门、超级市场和高尔夫球场等。1.4论文的主要研究内容及组织结构1.4.1论文的主要研究内容自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流自动化流转设备之一，为普通型和智能型两种。智能

25、型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上设置导向信息媒介，AGV小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为AGV的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。1.4.2论文的组织结构第一章首先讲述了AGV的的定义、特点、应用，然后对AGV的分类及其导引方式进行了论述，最后说明了AGV的现状与发展。第二章介

26、绍了本文设计的AGV的控制系统的硬件组成。首先是介绍了AGV控制系统的总体设计，然后分别介绍了AGV的单片机控制系统，闭环PWM调速系统，导航系统，速度测量系统，驱动电机装置，避障系统以及转向舵机。第三章介绍了系统的软件设计，首先讲述了PID控制器在电机调速中的应用，然后对单片机中断系统进行了论述，最后阐明了系统的控制流程。第四章对论文进行了总结，指出设计的不足之处及改进。第二章 AGV控制系统硬件组成2.1 AGV的控制系统总体设计本文设计的AGV采用的是最常用的四轮机构,车载控制系统如图2-1所示，结构如图2-2所示，前轮为转向轮，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。后桥有差速器，当车辆转向时，

27、两后轮能自动改变转速，以减小轮胎和地面之间的滑动。在实际应用中，小车车体上部需安装装载货物的托盘等辅助机构，故控制系统安装在小车底板的下面。控制系统硬件主要包括AT89C51单片机控制系统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。 图2.1 车载控制系统框图图2.2 AGV模型图2.2单片机控制系统单片机控制系统是车载控制系统的核心，其稳定性决定了整个车载控制系统性能的优劣。单片机的最小系统由电源系统、复位系统、时钟电路等组成，相关元件的选择及电路板抗干扰能力的设计应高度重视。2.2.1 AT89C51单片机简介AGV的控制系统采用的是AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节闪存

28、可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图2.3为AT89C51单片机的引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第

29、八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口

30、写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

31、ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但

32、在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。图2.3 AT89C51引脚图2.2.2外围电路介绍（1）复位电路复位操作有手动复位和上电自动复位，图2.4为一种上电自动复位电路，图2.5为具有上电自动复位和手动复位两

33、种操作方式的复位电路。图2.4 上电自动复位电路图2.5复位电路（2）时钟电路AT89C51芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式，如图2.6。也可使用外部振荡器，有外部振荡器产生的信号直接加到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式，如图2.7。图2.6 使用片内振荡器接法图2.6 使用片外振荡器接法2.3闭环PWM调速系统本文设计的AGV采用了最常用的四轮机构，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。根据要求后轮驱动系统应有较好的调速性能。无刷直流电动机的调速方法有多种，如通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电

34、枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制(PulsewidthModulation)，简称PWM。图2.8 是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ui，t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0，t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。

35、图2.8 输入输出电压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值Uo为: 式中占空比 表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值， 变化范围为0-1之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比的大小，改变 值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。开环PWM调速系统硬件结构简单，成本低，但调速精度不高。AGV在工作时对速度控制精度有一定要求，为了保证调速精度，本系统采用闭环脉冲宽度调系统。闭环PWM调速原理在直流电机速度闭环控制中采用反射式光学编码器，首先对过程参数进行采样，与给定速度值进行比较，其差值经PID算法进行处理，改变脉冲信号的占空比，经过调节的PWM脉冲

36、波通过光电隔离及功率放大后，加在驱动电机上，以达到给定速度值。图2.9 直流电机速度闭环控制框图2.4红外反射式光电传感器反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采

37、用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图2.10所示。图2.10 红外发射接收原理图2.11 光强度相应曲线反射光强度的输出信号电压Vout是反射面与传感器之间距离x的函数，设反射面物质为同种物质时，x与Vout的响应曲线是非线性的，如图2.11所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。利用AT89C51微控制器的AD转换模块，将8个红外光电传感器的输出电压接入AD转换模块的AN0AN7，通过与检测到的黑线和白线的阈值进行比较，从而确定在AGV行驶过程中路

38、径的信息，电路连接图如图2.12所示。与每个传感器对应一个指示灯，还可以指示传感器的工作状态图2.12 传感器检测电路图2.5 速度测量系统速度测量系统由反射式光学编码盘、反射式光电开关、施密特触发器组成。其设计方法是把一个黑白条纹相间的编码盘(图2.13 )安装在电机轴上，将反射式光电开关ST178(图2.14)的红外线发射二极管发出的光线照射到码盘上，当码盘旋转时，白色条纹将二极管发出的红外光反射到三极管，使其导通;而黑色条纹则将二极管发出的红外光吸收，使光电三极管截止，如此便使光电三极管产生了相应的输出脉冲序列。图2.13 光学编码盘图2.14 光电开关ST178单光束反射取样式光电传感

39、器ST178的特点:1.采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2.检测距离可调整范围大，4-10mm可用。3.采用非接触检测方式。测速电路如图示，图2.15中RT3限制红外线发射二极管的电流，使其发射的红外光减小到一定程度，遇到黑色底面时反射回来的光线被接收端接收后，其光线的能量不足以使三极管导通;同时遇到白色底板时接收的光线正好使三极管导通，因而RT3最好为可调电阻，以便适应不同的环境光线。图2.15 测速电路电位1经CD4069整形后送入单片机。这样随着车轮转动，图 2.15中的输出端U0循环输出高低脉冲序列。采用M法测速原理:在规定的时间间隔Tg内，测量光电编码器所产生的

40、脉冲数来获得被测速度值。M法所测转速值的计算公式: 其中，P为光电编码器旋转一周所产生的脉冲数，Tg为设定的时间间隔，ml，为设定时间间隔内的脉冲数。2.6 电机驱动电路AGV有后轮驱动电机和前轮转向舵机，后轮驱动电机需进行闭环PWM调速，前轮转向舵机不需调速，且两电机均需正反两个方向转动，需采用H型双极可逆驱动系统。考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素，采用了L298来代替三级管所构成的驱动电路。2.6.1 L298简介L298为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4

41、信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。图2.16 L298引脚图。图2.17 L298内部构成图从上图中可以看到，L298每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚(SENSEA和SENSEB)用来连接电流检测电阻。INI-IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，即实现电机的正反转。ENA，ENB引脚则为使能控制端，OUT1-OUT4是信

42、号的输出端，用于控制电机。L298内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器。单个H型双极可逆PWM驱动系统由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。4个开关管分成两组，T1、T4为一组，T2、T3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。表2给出了电机控制方向引脚的逻辑关系。ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止表1 L298控制引脚使能逻辑关系表.2.6.2 L298驱动电路由L298构成的电机驱动电路如图2.18 所示。PWM脉冲信号由单片机用软件模拟，由P1

43、.1和P1.2两个引脚接入IN1和IN2，对后轮驱动电机进行调速与控制。P1.5和P1.6两个引脚接入ENA和ENB。SENA，SENB通过10欧姆的电阻接地，为电流反馈引脚，以便实现系统的电流闭环控制。图2.18 电机驱动电路2.7障碍物检测系统当AGV行驶路线上出现障碍时，车身上的障碍检测传感器应在车子与障碍物保持一段安全距离时，向小车发出提示，故障碍检侧传感器检测方式应为非接触式。本文设计的障碍检测传感器为E3F-DS10C4反射型光电开关，它采用光电开关集成电路、传感器与放大器合成一体，具有体积小、性能可靠，安装使用方便等特点。其工作原理为:当被检测物体经过时，将足够量的发光器所发射的

44、光线直接反射回受光器，光电开关产生检测开关信号。所以该传感器能以非接触方式检测出前方一定范围内的物体，并转换成高电平信号输出。障碍物检测系统硬件接线如图 2.19 所示，E3F-DSIOC4三根外引线接法如下:棕色线接电源正极(+)，蓝色线接电源负极（-），黑色线为信号线，经光隔离后接单片机外中断1。传感器背面的红色发光二极管用来指示开关工作状态，平时熄灭，有反射物时发光;灵敏度调节孔用来调节发反射监测距离，顺时针旋转反射监测距离增大，逆时针旋转反射监测距离减小。本AGV中将棕色线和蓝色线分别接在单独的9V直流蓄电池电源的正负极，其信号输出也为9V，所以需经过电平转换将其转变为TTL电平才能将

45、信号送给单片机。电平转换通过光电祸合器6N137完成。图2.19 障碍物检测系统电路图2.8 舵机在AGV转向控制系统中，就是用舵机来带动与前轮相连的连杆，通过处理路径检测模块的信号，用单片机产生的PWM控制信号的占空比的变化改变舵机转动的角度位置，从而实现AGV的实时转向。在本AGV系统中采用的是SANWA公司型号为SRM-102的舵机。其有三条控制线，分别为：电源、地及控制，电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，额定工作电压为6V。由于舵机工作时会产生较大的噪音，会影起电源电压的波动，因此该电源应尽可能与单片机系统的电源隔离。甚至小的舵机在大负载时也会拉低放大器的电压，所

46、以整个系统的电源供应的比例必须合理。由于整个系统采用单一电源供电，电源的隔离较难，同时因为7.2V转换6V的电压差不够大，而当电机运行时将电源电压拉低，转换效果更加差，故这里直接给舵机接了7.2V的电压。舵机的控制即是在控制线输入一个周期性的正向脉冲PWM信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在0.5ms2.5ms之间，而舵机的控制频率在50Hz200Hz之间，其控制要求如图2.20所示。图2.21表示了一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出臂位置的关系。图2.20 舵机控制要求图2.21 输入脉冲与转角关系图2.22舵机转角与脉宽的关系由于本文设计的是固定路径的自动引导车，所

47、以转角只需是90和-90第三章 系统软件设计在连续控制系统中,按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的PID控制算法获得了广泛的应用。这种数字PID控制算法结构简单,参数易于调整,适应性强。本系统设计采用增量式数字PID控制算法,通过PWM调速直流电机。3.1 PID控制器在电机调速中的应用AGV在自动化生产中，往往要求能将工件准时送到目的地，这样就必须控制AGV在某一速度下上行驶二个确定的时间才能准时完成任务。因而AGV的速度调节要做到快速响应而且行驶稳定。本课题采用PID控制器实现电机的调速控制。3.1.1 PID控制算法简介(1)控制对象有时也被称作执行装置。具体指AGV中的

48、后轮驱动电机。(2)控制变量它既是控制回路的输出量，也是控制对象的输入量，记为CV。是决定PWM信号占空比的一个不断变化的值。(3)对象变量记为PV。PV是控制对象的反馈值。在这里指测速系统测得的速度值。(4)期望值记为SP。SP是所希望的控制对象的取值。好的控制回路总是在不断地使PV值等于SP值。基于PID控制器的电机调速系统的程序流程为:第一步:读取当前指定的SP值。第二步:读取PV值。PV值与SP值的单位应相同。第三步:用SP减去PV得到偏差信号。偏差信号的值可以为正，也可以为负。在本系统中，正值表示电机转得较慢，负值表示电机转得较快。第四步:如果偏差信号值不为零，就应该根据PID控制算

49、法将其转换为有效的CV值输出，目的在于使控制对象的输出更为接近SP。第五步:重复前面的步骤。图3-1为PID控制系统方框图，期望速度(SP)与实际行驶速度(PV)比较后得出偏差值，偏差值经比例环节、积分环节、微分环节求和后共同作用于控制对象，产生新的输出。图3.1 PID控制系统方框图3.1.2 PID控制器软件实现在控制系统中相关的子程序已设计并定义如下:ReadMotorSpeed（）-速度测量函数; Kprop-比例项常数;Setpwm（）-PWM波形输出函数; Krate-微分项常数;Error-期望速度与实际速度差值。(1)比例项控制回路中的第一个偏差转换环节就是比例项。这一环节简单

50、地将偏差信号乖以常数Kprop得到新的CV值。基本比例控制器的算法代码如下所示:loop:PV=ReadMotorSpeed（）Error=SP-PVCV=ErrorKpropSetpwm（）Goto Loop上一段程序中的Setpwm（）函数并非将CV值作为绝对的PWM占空比来对待。否则，不断降低的偏差值会使输出值接近零，而且由于电机工作时间需要持续的.PWM信号，控制系统将使电机稳定在低速运转状态上，从而导致控制策略失败。相反，CV值一般被取作当前PWM占空比的改变量，并被附加到当前的PWM占空比上。这也要求setpwm（）函数必须将相加后所得到的PWM占空比限制在0%-100%。正的CV

51、值将使电机两端的电压增加，负的CV值将使电机两端的电压降低，如果CV值等0，则无须改变当前占空比。较低的Kprop值会使电机的速度响应缓慢，但是却很平稳。较高的Kprop值会使速度响应更快，但可能导致超调，通常可通过试验的方法确定合适的Kprop值。(2)微分项在PID控制中，值得关心的是偏差信号相对于时间的微分，或者称为变化率。绝大多数控制器将微分项定义为:Rate=(E-Elast)/T式中，E为当前偏差值，Elast为前次偏差值，T为两次测量的时间间隔。很多控制器简单地假设T等于1，从面将T从公式中消去，得到;Rate=(E-Elast)当微分项被具体应用于控制器中时，将一个常数Krat

52、e乖以该微分项，并将它加到比例项上，就可以得到最终的CV计算公式:CV=(KpropE)+(KrateRate)在某些场合下，微分项还有利于超调量的消除，并可以允许使用较大的Krop值，从而可以增加响应的快速性。在某种意义上，微分环节还预示了偏差信号的变化趋势。当控制对象对控制器的输出响应迟缓时，微分环节的作用尤为明显。含有微分项的控制算法代码如下所示:Loop：PV=ReadMotorSpeed（）Error=ErrorError=SP-PVRate=Error-LastErrorCV=ErrorKprop+KrateRateSetpwm（CV）Goto Loop相对于微分项被忽略的情况而言

53、，过大的Krate值会使控制系统较为不稳定。具体取值可以通过试验得出。(3)积分项在PID控制回路中，偏差的积分代表从控制开始时算起所有偏差积累的总和。该总和被常数儿nt所乖后再添加到回路输出中。控制系统积分环节的作用是被用来消除静差。静差是指速度稳定值和实际的速度稳定值之间的差值。随着静差的积累，PID控制器的积分项将越来越大，从而产生出不断增加的CV输出，其结果导致静差消除，PV值与CV值相符。本课题采用的PID控制器核心代码如下:Loop:PV=ReadMotorSpeed（）LastError=ErrorIsum=Isum+ErrorError=SP-PVRate=Error-Last

54、ErrorCV=ErrorKprop+KpateRate+KintIsumSetpwm（CV）Goto Loop3.2中断系统设计中断是指当计算机执行正常程序时，系统中出现某些急需处理的异常情况和特殊请求，CPU暂时中止现行程序，转去对随机发生的更紧迫事件进行处理;处理完毕后，CPU自动返回原来的程序继续执行。中断允许软件设计不需要关心系统其它部分的定时要求，算术程序不需要考虑隔几个指令检查设备是否需要服务。89C2051单片机有5个中断源，有2个中断优先级，每个中断源的优先级可以编程控制。中断允许受到CPU开中断和中断源开中断的两级控制。在本车载控制系统中用到了三个中断源:两个外部中断和一个

55、定时中断。3.2.1中断的控制中断的控制主要实现中断的开关管理和中断优先级的管理。这个管理主要通过特殊功能寄存器IE和IP的编程实现。AT89C51复位时，IE被清零，此时CPU关中断，各中断源的中断都屏蔽。若系统需用中断方式进行事件处理，则系统初始化程序中需编程IE寄存器。在本系统中，需用到外部中断0、外部中断1、定时中断0，在系统初始化时，IE=0X87;若系统中有多个中断源同时请求中断，则CPU按中断源的优先级别，由高至低分别响应。AT89C51单片机有两个中断优先级:高优先级和低优先级。每个中断源都可以编程为高优先级或低优先级。这可以实现两级中断嵌套。嵌套的原则是:一个正在执行的中断服

56、务程序可以被较高级的中断请求中断，而不能被同级或较低级的中断请求所中断。两级中断通过使用IP寄存器设置。在本系统中，定时器用作PWM波形发生器，应设置为最高优先级，其它两个中断设置为低优先级，在系统初始化时，IP=0X01;3.2.2中断响应AT89C51的CPU在响应中断请求时，由硬件自动形成转向与该中断源对应的服务程序入口地址。这种方法为硬件向量中断法。Cx51编译器支持在C源程序中直接开发中断程序，因此减轻了用汇编语言开发中断程序的繁琐过程。并且允许编程者控制中断的所有方面和使用寄存器组，也可以使用using属性为中断函数指定所用的寄存器组。下面定义了三个中断服务程序函数:Void ti

57、mer0 (void) interrupt1 usingl /定时器O中断服务程序，使用寄存器组1 Void INFO (void) interrupt1 using2 /外部中断0服务程序，使用寄存器组2 Void INT1 (void) intemipt1 using3 /外部中断1服务程序，使用寄存器组33.3系统流程该系统的主程序流程图如图3-2所示。系统首先初始化设备,然后进入参数修改程序,参数设定完毕后打开中断,最后循环执行位置速度控制程序。车速控制，角度控制I/0口初始化PWM初始化计数器初始化PID初始化采集红外传感器输出信息，速度检测输出信息送至MCU控制器计算AGV运行信息

58、（位置，速度等）计算舵机，电机校正量，并送给执行机构各模块初始化循环执行图3.2 程序流程图图3.3车载控制系统流程图第四章总结与展望本文在查阅大量文献资料的基础上，全面分析总结了AGV系统的组成原理、结构特点及应用领域，对国内外开发研究现状及其发展趋势作了较为系统全面的了解。在此基础上研制了一辆自动导引车，采用了红外反射式光电传感器作为AGV的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。本文主要完成了自动导引车的系统设计和相关软硬件开发，重点完成了自动导引车的控制系统的硬件系统设计以及软件设计，由于时间关系和水

59、平有限，在设计中难免存在一些不足和缺陷，有待于在今后的进一步设计调试中不断完善。下一步的具体改进意见如下:一、测速系统的改进本课题所研究的AGV的驱动轮是特制的，通过车轮内侧挡盖外圈上均匀刻出的黑白相间色带进行测速。由于该AGV处于一个开放的环境，传感器信号很容易受环境和光线等一些随机因素变化的影响，这就影响了测速精度和准确性，从而给系统控制带来一定的误差。所以可对测速系统进行改进，如增加一个精度较高的编码盘，从而使测出的速度更加接近AGV的实际速度。二、导航系统的改进本课题研究的AGV的导航系统采用的是光学制导方式，通过红外传感器完成导航功能。这样红外传感器的输出信号受环境光学影响较大，而且

60、AGV只能按照固定路线行驶。为了使AGV能适应不同的环境以及该AGV功能的可扩展性，结合当前国际AGV的发展趋势，可以考虑在该AGV上装上一台CCD摄像头，利用视觉导航方式进行导航。三、通讯功能的改进研究关于无线通讯的基本理论结合现在先进的通讯技术实现上位机无线监控AGV小车，并实时与小车通讯的功能。把对小车的控制集成到工厂的管理信息系统中去:四、避障系统的改进研究AGV小车主动避障的理论和方法，实现小车能在遇到障碍物的情况下，绕过障碍物继续按预设的路径行走:五、增强其智能性在以后的研究过程中，随着该AGV功能的不断完善，可以适当的结合智能移动机器人的技术，使固定路线行驶方式改为自主使行驶方式

61、，使其具有更高的科技含量和研究价值，从而有着更广阔的应用前景。致谢非常感谢王凤文老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他放弃了自己的休息时间，他的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！参考文献1张素杰,程诚,王醒.北京科技大学天津学院二队队技术报告R