基于單頻電磁制導(dǎo)方式的AGV小車(chē)

劉建鋒，張長(zhǎng)勝

（昆明理工大學(xué) 信息工程及自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650051）

基于單頻電磁制導(dǎo)方式的AGV小車(chē)

劉建鋒，張長(zhǎng)勝

（昆明理工大學(xué) 信息工程及自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650051）

介紹了電磁制導(dǎo)方式，包括電磁信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)，信號(hào)的選頻放大以及TTL電平的轉(zhuǎn)換。小車(chē)控制核心綜合以上TTL電平信號(hào)，控制小車(chē)的行走狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)輸功能。根據(jù)其原理已做出了實(shí)物，并實(shí)現(xiàn)了基本功能，證明了該設(shè)計(jì)方案是可行的。

電磁制導(dǎo)；選頻放大；單片機(jī)

自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)（AGV）是采用自動(dòng)或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動(dòng)行駛或牽引著載貨臺(tái)車(chē)至指定地點(diǎn)，再用自動(dòng)或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車(chē)輛。

AGV的研究與開(kāi)發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通信、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，成為物流自動(dòng)化研究的熱點(diǎn)之一。目前，AGV仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待提高和突破，以進(jìn)一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費(fèi)用。本文介紹的AGV主要解決導(dǎo)向及定位問(wèn)題。

綜合成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性能考慮，本設(shè)計(jì)采用電磁單頻導(dǎo)向技術(shù)結(jié)合非接觸式ID卡識(shí)別定位。電磁引導(dǎo)介質(zhì)采用柔性較好的漆包線，可不用專(zhuān)門(mén)開(kāi)敷線槽，在試用階段可隨機(jī)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置線路走向（可用膠帶固定引導(dǎo)線）。非接觸式ID卡識(shí)別定位，采用PS/2接口及其傳輸協(xié)議（市面上有很多成熟產(chǎn)品），在小車(chē)上安裝一個(gè)ID讀卡器，該讀卡器的有效距離可達(dá)15 cm，在各個(gè)站安裝一張ID卡，小車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)讀卡器在MCU的控制下讀出ID卡信息，即可實(shí)現(xiàn)定位。

采用單頻電磁制導(dǎo)方式及非接觸式ID卡讀卡定位方式的優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，易于維護(hù)；制造成本比較低；安裝簡(jiǎn)單，引導(dǎo)線理論上可以只用一根完整的線。

1 基本原理

電磁探測(cè)方法如圖 1所示。1、2、3都是電磁探測(cè)頭，其中1、2是導(dǎo)向探頭，3是計(jì)數(shù)探頭，用來(lái)記錄小車(chē)的位置。A、B為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，小車(chē)方向的改變由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的配合完成。前導(dǎo)向輪是沒(méi)有動(dòng)力的。

小車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式：如圖1所示，小車(chē)的動(dòng)力輪是后面的A、B兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，其轉(zhuǎn)向也是由這兩個(gè)動(dòng)力輪協(xié)調(diào)工作完成。尋線走時(shí)，當(dāng)1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)探頭都有信號(hào)時(shí)，小車(chē)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都動(dòng)，即為直走；當(dāng)1號(hào)探頭有信號(hào)而2號(hào)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，說(shuō)明小車(chē)偏離了軌道，此時(shí)是A輪不動(dòng)，B輪動(dòng)，直到1、2兩個(gè)探頭都有信號(hào)為止；當(dāng)1號(hào)沒(méi)有信號(hào)而2號(hào)有信號(hào)時(shí)，A輪動(dòng)，B輪不動(dòng)，直到1、2兩個(gè)探頭都有信號(hào)為止；當(dāng)兩個(gè)探頭都沒(méi)有信號(hào)時(shí)，小車(chē)停止行走，停在原地。探頭信號(hào)有無(wú)與驅(qū)動(dòng)輪停與走的關(guān)系如表1所示。

表1 探頭信號(hào)與驅(qū)動(dòng)輪的關(guān)系

3號(hào)探頭用于定位計(jì)數(shù)，每到一個(gè)站點(diǎn)就通過(guò)ID卡進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)定位（即每測(cè)到一次信號(hào)就計(jì)一次數(shù)），直到所計(jì)的數(shù)與MCU中計(jì)算的值相等，說(shuō)明小車(chē)到達(dá)了既定位置。3號(hào)探頭的關(guān)鍵就是計(jì)數(shù)要準(zhǔn)確，不能誤計(jì)，否則就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)不能使用（小車(chē)只能一直沿著信號(hào)線走，不能定位）。

2 硬件設(shè)計(jì)

AGV小車(chē)硬件設(shè)計(jì)部分由信號(hào)發(fā)生器、制導(dǎo)線路、電磁信號(hào)檢測(cè)、小車(chē)控制核心（MCU）、讀卡器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成，基本的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 制導(dǎo)線路

制導(dǎo)線路的設(shè)置是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，如果線路沒(méi)有設(shè)置好，后續(xù)的所有工作將不能完成。制導(dǎo)線路如圖3所示，其中虛線部分是屏蔽部分。由于電磁場(chǎng)是矢量，當(dāng)電流方向大小相同且是平行的兩條線時(shí)，周?chē)碾姶哦紩?huì)相互抵消，故需要將虛線部分屏蔽。該布線的關(guān)鍵就是要將虛線部分的屏蔽工作做好，只有這樣，小車(chē)才能很好地完成尋線工作。

圖3 制導(dǎo)線路

2.2 信號(hào)發(fā)生器

為了產(chǎn)生電磁信號(hào)，由信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生交變的電信號(hào)。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，該信號(hào)發(fā)生器的輸入輸出電流不能太小，在使用專(zhuān)業(yè)的信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生交變信號(hào)時(shí)，要將其設(shè)置成功率輸出模式，輸出電壓約為3 V。

市面上的專(zhuān)用信號(hào)發(fā)生器的價(jià)格都比較貴，且其功能很多，而本設(shè)計(jì)因不能發(fā)揮其所有的性能，不需要那么多的功能，所以自制了一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)發(fā)生器，只能產(chǎn)生頻率可調(diào)的且占空比不定的方波，其信號(hào)產(chǎn)生的基本流程如圖4所示。

振蕩信號(hào)由如圖5所示的555產(chǎn)生。555頻率可調(diào)但是占空比不可調(diào)節(jié)（會(huì)隨頻率變化而變化），查閱相關(guān)手冊(cè)可知，555工作電壓為5 V時(shí)輸出的電流為100 mA。為了得到很好的尋線效果，實(shí)際的電流要大于200 mA，故需要進(jìn)行功率放大，其基本電原理圖如圖5所示。由555及其外圍電路組成的多諧振蕩器，其產(chǎn)生方波信號(hào)頻率為：

R2是可變電阻，由該公式可以計(jì)算出信號(hào)發(fā)生器的頻率范圍是 1.3 kHz～14.3 kHz。

2.3 非接觸式讀卡器

該讀卡器的接口協(xié)議和電氣特性與PS/2鍵盤(pán)是一致的，所以完全可以將該讀卡器當(dāng)作一個(gè)PS/2鍵盤(pán)來(lái)處理。

具有5腳連接器的鍵盤(pán)稱(chēng)為AT鍵盤(pán)，而具有6腳mini-DIN連接器的鍵盤(pán)則稱(chēng)為PS/2鍵盤(pán)。但實(shí)際上這兩種連接器都只有4個(gè)腳有意義，分別是時(shí)鐘腳（Clock）、 數(shù) 據(jù) 腳（Data）、 電 源 腳（+5 V）和 電 源 地（Ground）。在PS/2鍵盤(pán)與PC機(jī)的物理連接上只要保證這4根線一一對(duì)應(yīng)就可以了。PS/2鍵盤(pán)由PC機(jī)的PS/2端口提供+5 V電源，時(shí)鐘腳Clock和數(shù)據(jù)腳Data都是集電極開(kāi)路的，所以必須接大阻值的上拉電阻，平時(shí)這兩個(gè)腳均保持高電平，有輸出時(shí)才被拉到低電平，之后自動(dòng)上浮到高電平。圖6的單片機(jī)是帶有上接電阻的，所以PS/2可以與MCU直接連接。

2.4 小車(chē)控制核心MCU

MCU用一片AT89S51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，51系列單片機(jī)其價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大、且易學(xué)易用，唯一不足的是容易受到外界脈沖信號(hào)的干擾。但可以采用如下方式來(lái)消除脈沖信號(hào)的干擾：（1）硬件處理。首先要注重電源設(shè)計(jì)，電源要穩(wěn)定可靠；其次是在單片機(jī)的電源引腳與地引腳之間加去耦電容，兩個(gè)不同的電源電路連接用光電耦合隔開(kāi)等。（2）軟件處理。可采用指令冗余技術(shù)、攔截技術(shù)、軟件看門(mén)狗等處理技術(shù)，使程序能夠自動(dòng)回到正常位置執(zhí)行程序。

MCU引腳鏈接如圖7所示，因?yàn)橛?jì)算定時(shí)器初始值比較容易，MCU的時(shí)鐘信號(hào)是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是電機(jī)控制信號(hào)輸出端，single1～single3是電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的輸入端，P0中即D0～D7是 LED數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)端，K0、K1是鍵盤(pán)接口。IO口可用作以后系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)用。這樣MCU既滿足了當(dāng)前系統(tǒng)的要求，也為以后的擴(kuò)展升級(jí)留有空間。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為初始化模塊、讀卡器讀卡模塊、位置計(jì)算模塊、小車(chē)行走模塊（內(nèi)含故障處理機(jī)制）。其程序流程如圖8所示。

各模塊基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，為了保證得到結(jié)構(gòu)化的程序，可采用以下方法：自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化編程。在軟件設(shè)計(jì)中選用了通用性比較強(qiáng)的C語(yǔ)言作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)語(yǔ)言。

當(dāng)從設(shè)備（PS/2）向主設(shè)備（MCU）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查時(shí)鐘線，以確認(rèn)時(shí)鐘線是否為高電平，如果是高電平，從設(shè)備就可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)；反之，從設(shè)備要等待獲得總線的控制權(quán)，才能開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)拿恳粠?1 bit組成，發(fā)送時(shí)序及每一位的含義如圖9所示。

在PS／2通信過(guò)程中，MCU在時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號(hào)。因?yàn)镸CU向鍵盤(pán)發(fā)送的是指令，需要鍵盤(pán)回應(yīng)，所以這部分程序采用查詢(xún)方式I。而MCU接收鍵盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)線上的信號(hào)在時(shí)鐘為低時(shí)已經(jīng)穩(wěn)定，所以這部分程序采用中斷方式，且不需要在程序中加入延時(shí)程序。

4 測(cè)試結(jié)果

雖然電磁信號(hào)接收處理部分能夠接收并處理信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，但是頻率調(diào)節(jié)的效果并不理想。因此將信號(hào)發(fā)生器做成頻率可調(diào)的，以便于信號(hào)發(fā)生器與電磁信號(hào)接收處理部分握手，以及達(dá)到在演示時(shí)能體現(xiàn)出電路的選頻特性。

用示波器觀察信號(hào)發(fā)生器的其輸出波形發(fā)現(xiàn)，輸出波形并不是很完好，有很多諧波在里面，如圖10所示。由于這些諧波存在，使得該波形的帶寬BW比較寬，不能很好地體現(xiàn)出電路的選頻作用。這是因?yàn)槿龢O管開(kāi)關(guān)速度及電路焊接的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟硬件都已通過(guò)各種測(cè)試，與同類(lèi)產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、使用成本低、引導(dǎo)路徑的更改比較隨意，這也是使用成本低的關(guān)鍵因素。

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The AGV vehicle based on single frequency electromagnetism guidance

Liu Jianfeng，Zhang Changsheng

（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

This paper introduced electromagnetism to lead mode，including the creation of electromagnetism，examination of electromagnetism，choose pin with signal to enlarge and convert（into TTL）.Small car control core comprehensive above TTLs，control the car run or stop to realize automatic conveyance between any two function.The real object has been done according to the principle，and it works well.

electromagnetism lead；choose pin with signal enlarge；MCU

TP273+.5

A

1674-7720（2011）03-0018-04

2010-09-15）

劉建鋒，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：工業(yè)控制。