一種紅外超聲相結合的AGV導航系統

摘 要： 隨著自動化技術的不斷提升，AGV的應用越來越廣泛。為設計一種低成本、易布設、穩定可靠的產品，提出了一種紅外超聲相結合的AGV導航系統。以并排對稱設計的紅外傳感器實現糾偏，超聲波傳感器實現測距，采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808為控制核心，結合優化的PID算法及智能化的路徑規劃算法，并采用上位機程序進行監控。經實際應用場合驗證，小車具有抗干擾能力強，導航精度高，運行穩定安全等優點，適合在物料搬運、環境監測、危險區域監控等領域推廣應用。

關鍵詞： AGV； 紅外傳感器； 超聲波傳感器； PID； 路徑規劃

中圖分類號： TN964?34； TP2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0127?04

0 引 言

AGV（自動導引運輸車）是指裝有電、磁、聲、光等導引傳感裝置，能夠按照設定的導引路徑自動行駛，并根據實際應用配備有移載、視頻監控等功能的運輸車[1]。隨著自動化技術的不斷提升，AGV的應用越來越廣泛，在越來越多的領域能夠替代人工，甚至能夠完成人工無法完成的一些工作。

AGV的導引傳感裝置[2]，被稱為AGV之“眼”，是AGV能夠完成精確導引的基石。常用的引導方式主要有電磁引導、紅外引導、磁帶引導、光學引導、激光引導、圖像識別引導、GPS引導等[3]。

本設計采用紅外加超聲的引導方式，紅外傳感器負責方向引導，超聲波傳感器負責距離判斷。地面上預先布設好色帶，小車的頭、尾、車身安裝紅外傳感器，紅外傳感器向地面發射紅外光并監測反射信號，將輸出結果發送給MCU控制單元，MCU根據反射信號的變化，實時地計算出偏離預定軌跡的偏差，根據偏差控制電機驅動電路產生糾偏動作及時地糾正到正確軌跡上。配套的超聲波傳感器將發送和接收信號的時間差傳給單片機，由單片機根據超聲波傳播特性計算出與障礙物之間的距離，可以及時地做出避障和定點停止等動作。

1 系統硬件設計

整個AGV小車的運作流程如下：工程人員通過上位機設定小車的運行路徑，之后小車通過紅外傳感器、超聲波傳感器等傳感裝置實時獲取方向、距離等信息，并上傳到MCU。MCU對獲取的信息進行分析和處理，經過PID等算法，輸出驅動控制信號給電機驅動模塊控制電機運轉，使小車做出轉向、加減速等動作。小車運動過程中，通過WiFi模塊將運動數據上傳到上位機，同時工程人員也可通過上位機人工控制小車的運動。此外考慮到安全性，小車還配備有防碰撞模塊，可對意外碰撞做出保護。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 MCU

MCU即微控制單元，本設計采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808，具有低成本、低功耗和處理性能高等特點。芯片最高運行速度可達100 MIPS，具有多種常用的外設接口，包括SCI，SPI，I2C，CAN等，可以很方便地和各種傳感器相連接。

1.2 WiFi模塊

WiFi模塊的主要功能是將MCU出來的SCI信號轉化為WiFi信號，通過WiFi網絡連接到路由器，構建一個局域網，上位機電腦通過接入此局域網，實現與WiFi模塊的數據交換，進而實現與MCU的通信。WiFi模塊采用HLK?RM04，支持AP（無線接入點）、Client（無線客戶端）、Repeater（無線中繼）、Bridge（無線橋接）、Router（無線路由）五種工作模式。在實際應用中選擇Client模式，小車的MCU作為一個客戶端，可以被上位機訪問，也可發送信息給上位機。

1.3 導引傳感模塊

導引傳感模塊包括紅外傳感器和超聲波傳感器兩部分。紅外傳感器用于方向糾偏，超聲波傳感器用于距離定位。

為獲取準確的方向信息，小車的頭、尾、側邊都需要安裝紅外傳感器，且每一個點都至少要安裝兩個，以減小誤判概率。本設計中通過自行設計紅外傳感器，將兩個傳感器完全對稱地排布在一塊PCB板上，如圖2所示。

圖2 紅外傳感器并排設計功能模塊圖

每一個紅外傳感器包含：光敏三極管、紅外光源、信號放大模塊、信號比較模塊、輸出模塊和電源模塊。傳感器的原理如下：紅外光源用來照射色帶，色帶反射回來的光線由光敏三極管接收模塊接收，通過信號放大、比較和輸出轉換，上傳到TMS320F2808，經過判斷和相應運算產生糾偏參數，TMS320F2808根據糾偏參數產生對應的驅動信號，控制驅動系統的工作，做出糾偏等動作。紅外傳感器的對稱設計可以減小安裝誤差，保證傳感器判斷的一致性，且成本低、體積小，適合在體積較小的小車上大量安裝。

為實現距離測定和避障，小車的頭尾都需安裝超聲波傳感器，其原理框圖如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器原理框圖

超聲波傳感器的基本原理是：控制單元每隔一定時間控制調制器和振蕩器，通過電聲轉換器產生超聲波，并且計時器開始計時，當超聲波遇到障礙物反射回來后，由聲電轉換器將超聲波轉換成電信號，電信號由接收檢測單元接收，使計時器停止計時，這樣就得到了發射和接收回波的時間差[t，]控制單元根據公式[4]：

[S=Ct2]

求出距離。式中的[C]為超聲波波速。

控制單元再將此結果上傳到TMS320F2808，參與到AGV小車的導航算法中。

1.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊負責小車的動作執行，是保證精準導航的前提。本設計中小車前進后退電機采用50 W的直流有刷電機，使用12 V的蓄電池供電，電機最大工作電流在4 A以上，集成化、小型化的驅動模塊無法滿足需求。本設計采用TO220封裝的MOS管IRF540搭建H橋，TMS320F2808產生PWM，通過IR2103控制MOS管的通斷來實現電機的正反轉控制。電路的最大可持續工作電流能達到8 A以上，具有足夠的驅動能力。采用優化的PID算法精確控制轉速，啟動快，轉速穩定，經測試電機的帶載啟動時間在200 ms以內，靜態誤差在±2%以內。

1.5 防碰撞模塊

防碰撞模塊的作用是防止小車發生意外碰撞，本設計采用安全觸邊實現。將安全觸邊包在小車的車頭和車尾，當發生碰撞時，安全觸邊會產生開關信號并立即傳輸到DSP，由DSP控制電機驅動模塊使小車立即停止。

2 系統軟件設計

2.1 控制算法

控制算法是整個設計的重點，而其中最重要的是小車運動分析算法和PID算法。

PID算法是一種經典的自動控制算法，廣泛應用于各種工業控制場合。其控制方程為[5]：

[u（t）=kpe（t）+1Ti0te（t）dt+Tdde（t）dt] （1）

式中：[kp]為比例系數；[Ti]為積分時間常數；[Td]為微分時間常數；[e（t）]為系統誤差；[u（t）]為輸出。

在DSP、單片機等數字控制系統中，不能直接利用上述公式，必須將式（1）離散化，并加入預標量，得到數字PID控制方程，可得：

[u（n）=kpen+kik=0nek+kd（en-en-1）+uin] （2）

式中：[ki=kpTi，][kd=kpTd，][uin]為預標量。

有了上述式（2）就可在DSP嵌入式程序中設置變量，編寫函數，得出控制參數，調節輸出PWM的占空比，精確調節電機轉速，控制小車的運動。

小車的運動分析算法主要分為前進、后退和轉彎。其中前進和后退是一個簡單的線性系統，只需知道電機的轉速、齒輪比、車輪直徑就可以算出。這里重點講述轉彎運動分析，如圖4所示。

圖4 小車轉彎運動分析示意圖

設小車勻速轉彎速度為[V，]兩主動輪間的距離為[D，]小車轉彎半徑即小車兩主動輪中心與轉彎圓心的距離為[R，]車輪半徑為[r，]兩輪的轉速分別為[S1，][S2；]車重為[G，]小車與地面的摩擦系數為[μ。]則有[4]：

[R>V2（μg）2πrS2=（2R+D）V2R2πrS1=（2R-D）V2R]

2.2 上位機軟件設計

本設計的上位機軟件使用C#編寫，主要分為以下幾個功能模塊：人機交互界面、通信模塊、數據顯示模塊和路徑規劃模塊。功能模塊圖如圖5所示。

圖5 上位機程序功能模塊圖

人機交互界面完成人與計算機之間進行各種符號和動作的雙向信息交換，通信模塊實現上位機與小車間的指令發送和數據獲取，數據顯示模塊可以實時繪制小車的運行軌跡并實時顯示小車所在位置的坐標。路徑規劃模塊可以設置小車的運行路徑，如小車的運行方向、?？抗濣c、運行速度等，用戶也可在一些特殊場合通過此模塊手動控制小車的運行。

3 實驗數據

3.1 紅外傳感器測試

紅外傳感器主要負責方向糾偏，在地面上分別鋪設不同折角角度（中間以弧線過渡）的色帶，在小車上設置一參考標尺，反復測試小車在不同角度下的方向糾偏誤差，實驗數據如表1所示，可見糾偏誤差均在5%以內。

表1 紅外傳感器測試數據

3.2 超聲波傳感器測試

超聲波傳感器主要負責距離定位，在小車前方分別設置不同距離的障礙物，編寫特定的測試程序，發送測試距離到上位機，統計的實驗數據如表2所示，距離誤差在2%以內。

3.3 定點導航精度測試

為驗證紅外超聲相結合的導航系統的導航精度，設計了以下實驗，通過布設特定的色帶和障礙物，設定小車定點停止的位置，測試小車實際停止時的角度誤差和距離誤差。測試數據如圖6所示，可見定位精度較高，可滿足大部分應用場合對定位精度的要求。

表2 超聲波傳感器測試數據

圖6 定點導航精度測試數據

4 結 語

AGV小車的核心和設計難點在于導航系統的設計，本設計采用的是紅外加超聲相結合的導航方式，經大量測試驗證，導航精度高，受外界干擾影響小，且小車具有良好的安全性和穩定性?？蓱糜谖锪习徇\、環境監測、危險區域監控等領域，具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

[1] 李強，胡澤，葛亮.利用電磁導航的AGV設計[J].現代電子技術，2012，35（12）：79?81.

[2] 鄭炳坤，賴乙宗，葉峰.磁導航AGV控制系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2014（3）：6?10.

[3] 王榮本，儲江偉，馮炎，等.一種視覺導航的實用型AGV設計[J].機械工程學報，2002（11）：135?138.

[4] 劉海霞.基于多傳感器行為融合基礎上的AGV導航研究[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[5] 陶永華，尹怡欣，葛蘆生，等.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，1998.

[6] 李昌斌，賈方亮，袁偉民，等.基于紅外導航的AGV設計與實現[J].現代電子技術，2013，36（9）：124?126.