AGV小车.docx

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AGV小车

五邑大学

《机器人》课程设计报告

题目：

基于嵌入式系统的AGV小车设计

院系信息工程学院

专业自动化

学号**********

学生姓名彭学良

指导教师黄辉

考核成绩

摘要

随着科学技术的迅速发展，自动导引车系统得到人们的广泛关注，同时被越

来越多地应用到现代化工业生产中。

图形处理和模式识别系统识别准确性高，引导效率高，在日常生活中得到广泛的应用，近年来逐渐被应用到自动导引车系统中，使自动导引车系统在智能控制、实时监控等性能方面有了极大的提升。

本文简单地阐述了以Cortex-M7为控制核心的自动引导（AGV）系统所涉及的基本原理。

恩智浦公司的MK60DN512ZVLQ10作为中心控制器，激光和光电探头传感器作为小车充电指示传感器，TP-LINK无线网卡作为网络通信模块，以电磁导引技术为AGV小车导向信息来源，采用“磁耦合共振”新技术为小车提供电能，3自由度机械手承载着小车补充电能的任务，MPU6050陀螺仪计算并确定小车和机械手的姿态位置。

实现了小车自动循迹，自动避障，以及远端监控。

整个系统主要由MK60控制单元、电磁导引单元、超声波避障单元、电机驱动单元、网络通信单元、及远程监控单元组成。

本文首先设计了自动导引车总体结构，介绍了小车各个组成部分及功能，给出了控制器、电源模块、稳压模块、超声波避障模块、电机驱动模块、USB接口等硬件电路完整的设计方案。

其次，对于在没有摄像头情况下，如何实现小车自动充电，研究了激光和光电技术处理方法，提出了通过对应的检测信号进行比较，从而计算出偏移量而调整自由度机械手的移动方向。

然后，研究了自动导引车系统控制策略，通过多任务方式处理电磁采集与处理、自动控制，网络通信，实现实时控制，更快的做出判断。

前端电汇传感器采集电磁信号数据，通过中心处理器处理电磁信号数据计算出与设定轨迹的偏差，采用电机返回的脉冲设置PWM，实现直流电机的调速，从而能够沿着设定的轨迹行驶。

当超声波传感器检测到前方有障碍物时系统发出命令更改行驶路线。

此外，远端监控软件可以监视控制小车的运行。

关键字:

AGV,MK60DN512ZVLQ10,PWM，电磁信号处理

1.引言

AGV英文全拼是AutomatedGuidedVehicle，通常翻译为“自动导引运输车”也可称为“无人搬运车”。

随着科学技术的飞速发展，在工业4.0的强大的爆发力下，自动导引小车系统成为公众关注的焦点，同时，当前AGV应用领域正不断拓宽，种类更加繁多，功能越来越强，自动化和智能化水平显著提高。

我国AGV市场已呈现出蓬勃发展的态势。

目前我国新增AGV机器人中超过85%为自主产品。

智能搬运AGV小车，在2017年“双十一”期间发挥着它巨大作用。

智能物流再次成为热议，亚纳逊、阿里、京东都在全面转向传出仓仓储物流智能化。

当下智能物流包括物流机器人、无人分拣机器人、无人驾驶卡车、和无人叉车......其中智能搬运AGV小车在仓储管理在物流管理中占据着核心地位。

是在物流领域中首选的简单有效的自动物料运输方式，主要应用于仓储中心货物的智能拣选、位移，立体车库的小车出入库以及港口码头机场的货柜转运。

AGV研制涉及多个学科，包含微电子、计算机、自动化等，是现代科技发展的结晶。

AGV自动化程度高，稳定性强，并且施工方便及容易维修，可以实现高效、安全的自动化生产，在自动化生产、仓库物流系统中有着广泛的应用[3]

2.作品介绍

本文提出将MK60DN512ZVLQ10控制中心、图形导引技术、远程监控技术集成到自动导引车系统中，主要解决以下问题。

一、导引技术采用电磁导引，相对视觉导引技术难度低，成熟度高，应用广，能够比角准确地感知前方较道路状况，受外界干扰小，有较好的预见性。

二、采用MK60DN512ZVLQ10处理器，能够更快的处理数据，能够实时控制小车的运行。

三、远程监控机制，使运行更加安全，能够更好地控制小车。

本文设计了自动导引车的电磁信号采集与处理、超声波避障、测试模块、激光和光电导引技术模块、无线充电模块、电机驱动模块，完成了自动导引车的系统软件平台的建立以及自动导引车系统应用程序的设计，实现了AGV自动循迹，避障，实时监控等功能。

因此本设计方案内容具有一定的实用价值。

3.控制设计思路

本文主要介绍了自动导引车系统，其采用QT实现远程监控，并采用电磁传感器（感应线圈）采集电磁信号数据，对自动导引车系统的各个模块进行了分析，并最终提出了采用MK60DN512ZVLQ10处理器和网络通信技术的解决方案。

本方案以MK60DN512ZVLQ10作为中央处理器，通过处理电磁信号数据计算出行驶路线，采用PID调节、PWM实现直流电机的调速，通过网络通信模块与远程监控客户端通信。

系统将采集到的电磁信号数据通过无线网络通信模块发送到客户端。

并采用特定的设计客户端程序，提供给用户实时监控自动导引车运行状态。

报告的结构框架如下:

介绍了自动导引车系统的总体方案设计，概括了自动导引车的造型、车的基本机械结构、陀螺仪空间坐标结算、电磁感应传感器、激光/光电传感器、超声波避障传感器、测速传感器、以及电机驱动器和电机模块设计，网络通信模块以及MK60中央控制器电路设计等。

AGV小车设计的系统结构框图，如图1所示：

图1AGV小车的系统整体框图

3.1.系统结构

本设计采用基于Cortex-M7的MK60DN512ZVLQ10芯片作为主处理器，NAND作为内存，DSP作为内核和文件系统存储芯片，RTC模块为系统提供硬件时钟，使系统在掉电重启后可以恢复正确的系统时间，按键来实现控制小车的启停。

本地传感器添加超声波避障传感器、测速传感器来测定有无障碍物和小车运行速度，并添加直流电机驱动器驱动直流减速电机，系统总体框图如图2所示。

本设计方案中数据处理由MK60处理器完成，电磁信号采集模块利用电磁感应传感器采集路面的导引线线电流磁场信息。

网络通信模块实现与客户端进行通信，便于用户实时监控小车运行情况，使自动导引车运行更加安全可控。

3.2.AGV小车的造型设计

自动导引车硬件由九个模块组成，分别为MK60目标板、电源模块、直流减速电机模块、直流电机驱动模块、电磁信号采集模块、避障模块、测速模块、人机接口模块及网络通信模块，系统整体框图如图2所示。

图2系统总体框架

根据自动导引车的硬件模块构成，小车的造型如图3所示。

图3小车在造型

自动导引车共有四个驱动电机，同一侧的两个直流减速电机为一组，由两个PWM信号分别控制。

电源模块利用无线充电装置，采用9.6V电源1200毫安镍氢电池储存能量，MK60控制器需要_5V电压，9.6V电源模块需经AMS1117-S.OV稳压电路转换。

核心板为3.3V直流电源，取自主板。

电机驱动器供电范围为3到12V，由电源模块直接供电。

4.小车的结构设计

小车的结构设计包括了各功能模块的设计，其中传感器设备包括电磁感应传感器、超声波避障传感器、激光与光电探头传感器、测速传感器，下面一一介绍。

4.1.惯性导引技术选取

根据AGV导向信息的来源，导向方式可分为内导式和外导式。

另外，根据AGV导向线路的形式，导向方式又可分为无线式和有线式两种。

而本设计采用惯性导航技术，通过陀螺MPU6050和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息。

包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。

平台式惯导系统将MPU6050陀螺仪通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。

捷联惯导系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。

该技术的发展和应用趋势，以惯性导航和GPS卫星导航的组合导航最为典型。

本设计采用的惯性导向是在行驶区域的地面上安装定位块，用陀螺仪来检测AGV的方位角，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。

4.2.超声波避障模块

在小车的前后适当并且对称地安装4个超声波测距模块，用于小车在行驶过程中避障所用。

当超声波模块发送并且接收到信号时，说明前方有障碍物，小车会停止前进，并发出警报声。

超声波模块使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平触发trig（控制端）,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,得出的时间就为此次测距的时间,利用此时间可算出距离。

超声波模块的实物如图3所示。

步骤如下：

第一步：

采用单片机IO口触发模块trig（控制端），给至少10us的高电平信号。

第二步：

触发trig端之后，模块自动发送8个40khz的方波，模块再自动检测是否有信号返回。

第三步：

如果有信号返回，模块echo端输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

第四步：

单片机计算echo端高电平的时间，计算距离并显示。

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2；

使用本模块有如下特性：

使用电压：

DC5V

静态电流：

小于2Ma

高电平输出：

5V

低电平输出：

0V

感应角度：

不大于15度

探测距离：

2cm-500cm

探测精度：

0.3cm

VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND

图4超声波模块实物图

4.3.直流电机模块

驱动AGV自动导引车运行并具有速度控制和制动能力的子系统。

主要包括电机、减速器、驱动器、控制与驱动电路等。

驱动系统一般为闭环方式与开环方式，前者以伺服直流电机为主，后者以步进电机为主。

AGV直流无刷电机选型分析AGV直流无刷电机选型对于AGV的研发来说至关重要，那如何能够恰到好处的选择电机的功率、电机的减速比。

电机经减速机、传动链条之后所提供的最大扭矩如果小于克服负载所产生的摩擦力：

在这种情况下电机将持续处于过载状态，可能出现减速机滑丝或者电机烧坏的现象，这种情况可能不会立即出现，但时间久了类似的故障不可避免，尤其是减速机滑丝的过程它是个缓慢的过程，减速机一旦滑丝电机必将报废。

电机经减速机、传动链条之后所提供的最大扭矩如果远远大于克服负载所产生的摩擦力：

这种情况的下，电机属于资源浪费，电机未能充分的利用且推高了不必要的成本支出，这种情况也是不可接受的。

电机选型分析：

所选的电机及减速机首先要能够提供足够的扭矩来克服AGV最大负载时所产生的摩擦力，其次电机的转速经减速机后所能输出的速度能够达到研发人员对AGV最大速度的要求。

以下的参数是需要综合来考虑的：

1、电机功率

2、电机减速比

3、链条的传动比

4、驱动轮的直径

5、AGV要求的最大速度

根据如上分析我们选择了德国buhler减速电机。

德国buhler减速电机，二级行星减速，第一级塑料齿轮，第二级是加厚的金属齿轮，单电机长75mm，齿轮箱减速比才39.7:

1，扭矩能达到1Nm。

电机标称24V，输出转速75转每分钟，测试空载电流大约160ma左右。

实际测试最低电压3.5v就可以运行，减速输出轴已经用手难以堵转了，12V电压测试转速大约在45转左右。

电机实物如图4所示。

图4电机实物图

4.4.电机驱动器模块

采用直流电机驱动器驱动直流电机，直流电机驱动器采用L298N双H桥直流电机驱动芯片。

模块采用PWM方式调节电机两极电压，进而调节车轮转速。

前后两个直流电机为一组接到直流电机驱动器的一个输出端口。

通过改变直流电机驱动器的输出改变四个轮子的速度来实现对小车的控制。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片的主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A,额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载。

4.5.测速传感器模块

测速传感器主要用来检测自动导引小车运行速度。

测速传感器主要可分为测线速传感器和测转速传感器两种。

线速传感器主要用来测量直线运动速度的传感器，由于小车不一定是直线运动，所以本设计使用测转速传感器。

测转速传感器应用广泛，在生产设备，风力发电等行业中应用十分普遍。

随着科技的发展，现在光电式测速传感器己被广泛适用，但本设计车速较低，传统的测速设备己经能够满足要求。

其产品特性参数如表1所示。

4.6.姿态采集模块

姿态采集传感器MPU6050常用作提供飞控运行时的姿态测量和计算，在姿态结算中有几个重要的概念，欧拉角、四元数等。

欧拉角：

用来表征三维空间中运动物体绕着坐标轴旋转的情况。

即物体的每时每秒的姿态可以由欧拉角表出。

四元数：

超复数，q=（q0,q1,q2,q3），q0位实数，q1,q2,q3为虚部的实数。

简单的可以理解为四维空间，就是原有的三维空间加入一个旋转角。

而四元数可以表征欧拉角，并且计算方便，故可以采用四元数来计算。

在此还要提到加速度和磁力计补偿原理，补偿的目的是使两个坐标系世界坐标系和刚体坐标系能够完全重合，在此基础上，计算补偿值来修正旋转矩阵，即四元数矩阵。

最终的结果是解算出四元数的姿态，就是四元数矩阵的各个元素的值。

4.7.自由度机械手

在三自由度机械手上安装GY530激光传感器和光电探头传感器，而激光传感器是用来判断机械手与物体的位置（包括距离），能够实现机械手无预提之间的精准定位；光电探头主要用于识别物体，在本年设计中，主要是用于识别无线电发射装置，通过识别无线电发射装置，计算出装置的位置数据并发送至中央处理器处理数据，最后指挥机械手动作，完成自动充电功能。

4.8.无线充电电源模块

本设计的无线电充电模块采用“磁耦合共振”新技术，当发射端通电时，充电系统会行成一自闭合磁场，并不会向外发射电磁波，只是在周围行成一个非辐射的磁场。

这个磁场用来接收端联络，激发接收端的共振，因此可以一很小的消耗为代价来传输能量。

在这项技术中，磁场的强度将和地球的磁场相似。

无线电模块内部集成了振荡电路、整形电路、检测电路、频率干扰抑制电路、充电电流自动控制、无线功率发射驱动电路等部分。

发射端与接收端的距离越短，则接收端的实际功率就会越大。

基本方案如图6所示。

图6无线充电模块原理图

　将直流电转换成高频交流电，然后通过没有任何有有线连接的原、副线圈之间的互感耦合实现电能的无线馈送。

本无线充电器设计由电能发送电路和电能接收与充电控制电路两部分构成。

电能的无线传送实际上是通过发射线圈L1和接收线圈L2的互感作用实现的，这里L1与L2构成一个无磁芯的变压器的原、副线圈。

为保证足够的功率和尽可能高的效率，应选择较高的调制频率，同时要考虑到器件的高频特性。

本电源设计的储能部分采用超级电容。

超级电容电池可逆的，并且可以反复充电数十万次，而且寿命很长，充电时间短，节能环保。

5.作品展望

目前AGV小车的八大发展趋势：

预计在未来几年，AGV小车将会出现在各个行业的车间里，AGV小车作为自动化无人搬运，设备能够降低人工劳动强度提升工作效率。

同时一些“不可能完成的任务”，它能娴熟快速的完成。

譬如：

汽车、航天、化工等大型设备的装配车间引进AGV小车，实现点对点自动存取搬运作业，实现精细化、柔性化、信息化、缩短物流时间、降低商品损耗，减少建设投资的成本。

1.高速化。

汽车、3C行业、国防、航天等行业对新材料的应用，对搬运机器人的高速化要求提高。

2.柔性化。

自动化和信息化要求搬运机器人提高零件加工精度及生产效率，缩短产品制造周期。

3.高精度化。

要求AGV智能搬运小车提升运行精度、监测精度、避障精度也越来越受重视。

4.信息交互网络化。

市场需要搬运机器人具有双向、高速的联网通讯功能，保证信息流在各个部门之间畅通无阻是非常重要的。

5.控制智能化。

适应各类制造业，搬运机器人的智能化程度在不断提高。

6.可靠性靠。

搬运机器人需要严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节，不断改善和创新，增加可靠性。

7.多媒体技术的应用。

AGV智能搬运机器人极大方便了非专业用户的使用，可以直接通过安卓操作界面菜单或是平板进行操作。