基于STM32單片機的自動引導小車控制系統設計

何騰鵬 黃 峰 譚方韜 徐 建

（湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000）

0 引言

自動引導小車（AGV）是一種無人駕駛的智能搬運機器人，按照監控系統下達的指令，根據預先設計的程序并融合車載傳感器信息，從而實現小車沿預定的行使路線自動行駛并完成一系列作業功能[1]。隨著現代科學與技術的高速發展，自動引導小車(AGV)已經廣泛應用于汽車制造、機械加工、煙草業自動倉庫等許多領域[2]。作為一種無人操作的自動化運輸設備，AGV具有適應性好、柔性程度高、可靠性強等特點，現已成為現代物流系統的關鍵裝備[3]。

傳統的自動引導小車大多采用8位或是16位處理器對信號進行處理，其缺點是處理器對中斷響的應速度不夠快[4]，為了提高中斷響應的速度，本系統采用STM32單片機，它是32位的超低功耗處理器，體積小、成本低，外部中斷多，尋址方式靈活簡單，執行效率高，指令執行速度快，并且具有極高的運算能力和極強的中斷響應能力，解決了應對突發狀況的響應速度。

1 自動引導小車控制系統的總體設計

系統主要以后輪驅動前輪轉向的四輪模型小車作為載體，配備信息監測模塊、執行模塊、電源模塊、無線通訊模塊以及單片機控制模塊進行自動引導小車控制系統的設計，也可以通過CC2420無線通訊模塊對自動引導小車進行遠程控制。本系統的總體設計如圖1所示。

圖1 系統設計框圖Fig.1 System design diagram

2 自動引導小車控制系統硬件設計

2.1 信息監測模塊設計

本設計中信息監測模塊主要完成道路信息監測和速度監測這兩大任務，它相當于自動引導小車控制系統的眼睛，對自動引導小車的導引起著決定性作用。

2.1.1 道路信息監測模塊

本設計選用跑道為黑白兩色。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進的依據。道路信息監測模塊以基于視覺導引的方式，采用CMOS攝像頭將拍攝到的路面信息以PAL電視機制式的視頻信號格式通過LM1881視頻同步信號分離芯片[5]，提取出路面視頻信息的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖，并將它們轉換成數字電平直接輸給STM32單片機的I/O口作控制信號,導引小車行駛。其電路如圖2所示。

圖2 LM1881視頻信號同步分離電路Fig.2 LM1881 video sync separator circuit diagram

2.1.2 速度監測模塊

實時監控自動引導小車的速度，以閉環系統的形式對小車的速度進行反饋調節，對小車的平穩運行，具有重要的意義。本設計速度監測模塊采用紅外對管，在齒輪的一面粘上黑白相間的碼盤，紅外對管平行于齒輪面并固定在離齒輪較近的位置，齒輪轉動時，帶動碼盤旋轉，紅外發射管在照到黑和白后返回給接受管的不同電壓，因此可以實現脈沖測速。其電路如圖3所示。

圖3 速度檢測電路Fig.3 Speed detection circuit

2.2 執行模塊設計

執行模塊主要由舵機和直流電機及其驅動組成。系統選用LM298驅動芯片結合增量式PID算法產生PWM波驅動后輪兩個RS-380SH直流電動機工作，舵機選用S3010舵機采用PD算法實現小車前輪轉向控制。

LM298是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片,其工作電壓高達46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A，內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器。因此，電機驅動采用LM298驅動芯片來完成，其電路設計如圖4所示。

圖4 電機驅動電路Fig.4 Motor drive circuit

2.3 電源模塊設計

電源模塊是整個系統運行的基本保障。本系統選用15V（0.7A）鉛蓄電池結合LM317、7805、7812等穩壓芯片組成電源模塊給整個系統供電。

2.4 無線通訊模塊設計

無線通信模塊采用Chipcon公司的CC2420數字射頻芯片，它對信號具有同時接收和發送的功能。其工作在2.4GHz的通用頻段上，并且在短距離通信具有較高的可靠性，外圍電路設計簡單，CC2420無線通信模塊直接采用3V電池供電，其外圍電路設計如圖5所示[6]。

圖5 CC2420應用電路Fig.5 CC2420 application circuit

3 系統的軟件設計

系統采用 C語言進行軟件設計，編程和調試環境為 Keil 4，系統主流程圖如圖6所示。

圖6 系統主流程圖Fig.6 Main flow chart of the system

4 系統測試結果與分析

（1）測試環境及方法.在6m*6m正方形模型軌道上進行系統的整個功能測試。先讓載有1kg貨物的自動引導小車自主地軌道上行駛，將貨物送至目標區，然后將STM32單片機與 CC2420進行通信，并進行系統聯調。

（2）測試結果.對系統進行測試，得到的結果如表1所示。

（3）測試結果分析.經過測試表明自動引導小車控制系統既能夠在軌道上自主循跡將貨物送至目標區，也可以在控制終端的控制下順利完成送貨任務。由于系統采用了增量式PID控制算法，自動引導小車人的控制精度較高，控制效果較好，能夠實現自主穩定運行。

表1 系統測試結果Tab.1 The result of system test

5 結語

本系統以STM32單片機為主控制器的自動引導小車，通過制作小車式機器人以單片機STM32與CC2420通信模塊為核心擬定了系統組成方案，完成了系統的電路硬件設計和軟件設計，通過系統測試獲得了較滿意的結果，達到了設計目的。

［1］彭聿松,佃松宜,劉濤,等.電纜管道巡檢機器人嵌入式系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2013,34(5)∶1630-1634.

［2］張正義.自動導引車系統及其應用：AGV技術發展綜述[J].物流技術與應用,2005,10(7)∶66-73.

［3］唐文偉.AGV在物流領域中的應用前景分析[J].物流技術,2001(3)∶7-8.

［4］孫波,李文鋒,李斌,等.基于無線網絡的嵌入式機器人控制系統[J].微計算機信息,2008,24(26)∶179-181.

［5］葛亞明,劉濤,王宗義.視頻同步分離芯片LM1881及其應用[J].應用科技,2004,31(9)∶20-22.

［6］徐建,劉曉妤.機器人滅火控制系統設計[J].湖北民族學院學報∶自然科學版,2013(4)∶415-417.