工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下AGV智能小車的設(shè)計與實現(xiàn)

汪智禹,陶仕豪,何天屹,魏漢森

(南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

0 引言

隨著工業(yè)4.0的提出,傳統(tǒng)的工業(yè)制造已經(jīng)不能滿足社會的需求,取而代之的是智能化工業(yè)流水線。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中,物料的運送主要還是靠人力搬運,不僅耗費時間、浪費人力,還會造成較高的貨物損壞率,無法有效地完成貨物搬運工作[1]。而AGV小車是一種能夠完成自主駕駛、無人操縱的自動化運輸設(shè)備,因此AGV小車能夠很好地解決這部分問題。但是由于近些年工業(yè)自動化領(lǐng)域的飛速發(fā)展,工廠對小車的功能需求越來越大,在部分境況之下,任務(wù)的完成通常需要數(shù)臺小車一起發(fā)揮功用,故而有效地達(dá)成對多臺AGV小車協(xié)作的良好控制就顯得十分關(guān)鍵[2]。目前,簡單的小車還只能在部分單一的領(lǐng)域里起作用,不能夠完成較為復(fù)雜的作業(yè),而無線通信可以使小車相互之間協(xié)同工作。ZigBee無線通信技術(shù)具有成本低、功耗低、多節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定等特征[3],可以嵌入各種設(shè)備[4],很容易用一個低成本的設(shè)置來實現(xiàn),主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee無線通信技術(shù)是為短范圍無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的,并具有較高的安全可靠性,可實現(xiàn)十分完備的檢測功能[5-6]。因此,本文使用ZigBee實現(xiàn)AGV小車間的無線通信。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)循跡和避障功能、支持協(xié)同作業(yè)的AGV智能小車。AGV智能小車的具體功能為:(1)通過循跡模塊檢測路面黑線,并跟隨預(yù)設(shè)的黑線前進(jìn),實現(xiàn)自動導(dǎo)航功能;(2)通過避障模塊檢測障礙物,并繞開障礙物行駛,實現(xiàn)自動避障功能;(3)手機(jī)遙控,通過藍(lán)牙模塊接收手機(jī)端發(fā)送過來的數(shù)據(jù),進(jìn)而控制小車進(jìn)入循跡模式或避障模式。根據(jù)目標(biāo)功能,對小車的各部分模塊進(jìn)行設(shè)計,硬件部分主要為ESP32藍(lán)牙模塊、ZigBee模塊、避障模塊、循跡模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊等。主控模塊選用STM32單片機(jī),負(fù)責(zé)控制循跡模塊、避障模塊、驅(qū)動模塊,同時負(fù)責(zé)控制藍(lán)牙模塊完成與手機(jī)小程序的連接,實現(xiàn)多臺AGV的集中控制,并控制ZigBee模塊完成AGV之間信息的交互。支持協(xié)同作業(yè)的AGV系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多AGV協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)

2 AGV硬件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)總體設(shè)計,單臺AGV智能小車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實物如圖2所示。小車主要實現(xiàn)紅外循跡、超聲波避障、藍(lán)牙遙控、ZigBee無線通信4個功能。紅外循跡、超聲波避障用于檢測周圍的環(huán)境,主控芯片根據(jù)環(huán)境信息形成驅(qū)動指令實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動;藍(lán)牙遙控功能主要依賴ESP32實現(xiàn),用于完成對手機(jī)指令的接收和處理,實現(xiàn)手機(jī)端對多AGV小車的集中控制;小車間通信主要依靠ZigBee無線通信技術(shù)實現(xiàn)。

圖2 單臺AGV小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

編寫程序時需要對硬件模塊定義引腳、輸入輸出模式、設(shè)置波特率等。最大速度設(shè)置為100 m/s,紅外循跡傳感器與主芯片14和15號引腳相連,并設(shè)置為輸入模式;3塊超聲波避障傳感器分別與主芯片28、33號引腳,29、26號引腳,32、27號引腳相連,并設(shè)置為輸入模式;由于ESP32芯片自帶藍(lán)牙功能,故藍(lán)牙遙控模塊通過ESP32單片機(jī)實現(xiàn);ZigBee通信模塊核心DL-30 CC2530芯片連接主控芯片STM32芯片的21號、22號引腳;用于串口通信的波特率設(shè)為9 600。

2.1 主控器

項目選擇STM32系列的STM32F103C8T6型號,如圖3所示。此系列的單片機(jī)處理能力強(qiáng)大、開發(fā)生態(tài)豐富且易于調(diào)試和測試,能夠滿足智能小車的開發(fā)需求。

圖3 控制芯片電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊主要用于車速和方向的控制,本項目選擇L298N電機(jī)驅(qū)動模塊。L298N是專用的驅(qū)動集成電路,屬于H橋電機(jī)驅(qū)動芯片,輸出電流為2～4 A,最高工作電壓為50 V,輸入端可以與單片機(jī)直接相連,便于控制。與L293D相比,L298N輸出電流增大、功率增強(qiáng),更適用于智能小車的設(shè)計。本例中AGV智能小車采用三角形布局,車體前部的左右兩側(cè)各安裝一個電機(jī),驅(qū)動小車輪子,通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動來控制小車的運動狀態(tài)。小車尾部安裝了一個萬向輪,萬向輪無需電機(jī)驅(qū)動即可在水平方向進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),用于控制小車的平衡,并與車體前部由電機(jī)驅(qū)動的車輪構(gòu)成了穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。

2.3 循跡模塊

AGV智能小車采用兩路TCR5000紅外循跡傳感器,分別與STM32F103C8T6的PA4和PA5相連。地面鋪設(shè)的黑色行車線路會吸收TCR5000傳感器發(fā)射的紅外光線,而普通的路面則會將其反射回去,TCR5000傳感器將接收地面反射紅外線的強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為高低電平輸入STM32F103C8T6的PA4和PA5口(14、15號引腳)。STM32F103C8T6通過判斷PA4和PA5端口電平來控制驅(qū)動模塊調(diào)整小車兩側(cè)電機(jī)的運動狀態(tài),從而實現(xiàn)循跡的功能。

2.4 避障模塊

為了盡量避免檢測盲區(qū)的干擾,在小車車頭的中間和左右兩邊各安裝了一個HC-SR04超聲波測距模塊,分別與主控芯片PB15、PA12號引腳,PA8、PB13號引腳,PA11、PB14引腳相連。利用超聲波測距模塊發(fā)射并接收遇到障礙物而返回的超聲波的時間差,測量出模塊與障礙物之間的距離,當(dāng)距離小于設(shè)定的值后,判定小車前有障礙物,將該信息轉(zhuǎn)換為高低電平后,進(jìn)而改變電機(jī)運動狀態(tài),實現(xiàn)超聲波避障。直到該障礙物被移走,超聲波測距模塊檢測到閾值內(nèi)無障礙物,軟件繼續(xù)控制對應(yīng)引腳電平高低,使小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。HC-SR04接口電路如圖4所示。

圖4 避障模塊接口電路

2.5 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊實現(xiàn)手機(jī)與小車之間的數(shù)據(jù)交換。AGV智能小車使用ESP32內(nèi)置的藍(lán)牙模組實現(xiàn)與手機(jī)小程序之間的藍(lán)牙通信。ESP32模組是一款超小體積的多功能通用型模組,以具有雙核處理器的ESP32作為主控,主頻高達(dá)600 DMIPS,模塊搭配PCB板載天線,通信速度快,操作簡便,且使用的是低功耗藍(lán)牙技術(shù),與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比,功耗更低,價格低廉。

EST32芯片的RXD0和TXD0引腳經(jīng)CP2102芯片與STM32F103C8T6的PA9和PA10相連,實現(xiàn)EST32與STM32F103C8T6間的數(shù)據(jù)傳輸,接口連接如圖5所示。

圖5 ESP32藍(lán)牙模塊電路

手機(jī)可以連接多臺AGV智能小車實現(xiàn)總體控制。用戶通過手機(jī)小程序發(fā)送的操作指令由ESP32芯片接收并通過TXD0引腳傳遞到主控芯片,最終實現(xiàn)對AGV智能小車的遙控;而主控模塊通過RXD0引腳將當(dāng)前狀態(tài)傳遞給ESP32芯片,并通過手機(jī)顯示當(dāng)前小車的狀態(tài)。

2.6 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊主要負(fù)責(zé)車與車之間的通信。ZigBee無線通信技術(shù)以IEEE802.15.4協(xié)議棧為標(biāo)準(zhǔn),使用頻段為2.4 GHz,數(shù)據(jù)傳輸速率約250 Kbps,有效組網(wǎng)距離為100～2 000 m且支持點對點、星形、鏈狀以及網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)形式,具有成本低、功耗低、多節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定等特征,是經(jīng)濟(jì)高效的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組成部分包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò),路由器負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)包,終端節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。本項目采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),組成部分僅有終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器,其優(yōu)點是建立速度快,邏輯簡單清晰,數(shù)據(jù)傳輸雙向。在小車投入使用之前需要事先對ZigBee模塊設(shè)置波特率、工作方式等參數(shù),并由協(xié)調(diào)器建立一個網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee通信模塊采用DL-30 CC2530。通過將該模塊的TX和RX引腳與STM32F103C8T6芯片PB10和PB11的連接實現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)傳遞。組網(wǎng)時,將其中1臺AGV智能小車的CC2530芯片設(shè)置為協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò),定期發(fā)送狀態(tài)請求數(shù)據(jù)包;其他AGV智能小車的CC2530芯片充當(dāng)終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),獲得節(jié)點編號,同時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的狀態(tài)請求數(shù)據(jù)包,并發(fā)送自己的狀態(tài)。接收到各終端節(jié)點發(fā)送的狀態(tài)后,協(xié)調(diào)器根據(jù)內(nèi)部設(shè)定好的協(xié)同作業(yè)流程和作業(yè)路徑規(guī)劃算法,對這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行演算,得出避碰指令并發(fā)送含有目標(biāo)編號的協(xié)同控制數(shù)據(jù)包,對應(yīng)編號的終端節(jié)點收到控制數(shù)據(jù)包后會調(diào)整AVG智能小車相應(yīng)引腳的電平,實現(xiàn)繞行避碰。

3 軟件設(shè)計

本程序是在Android studio開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的,主要分基礎(chǔ)功能部分、藍(lán)牙通信部分和ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信部分。基礎(chǔ)功能部分主要包括驅(qū)動功能、超聲波避障功能、紅外循跡功能。藍(lán)牙通信部分實現(xiàn)手機(jī)小程序和小車的通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信部分實現(xiàn)車與車之間的通信。

小車打開電源后將自動觸發(fā)循跡模塊功能和避障模塊功能。手機(jī)端藍(lán)牙與ESP32連接之后,通過小程序進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,可以對小車發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停等指令,實現(xiàn)對工作區(qū)內(nèi)AGV智能小車的總體控制。軟件部分核心函數(shù)為gatts_profile_a_event_handler,其主要功能在于使藍(lán)牙模塊和ZigBee無線模塊正常運作。AGV的藍(lán)牙、循跡和避障程序流程如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙、循跡和避障程序流程

當(dāng)手機(jī)與AGV智能小車之間完成藍(lán)牙連接后,小車LED燈亮起,表明可以正常接收指令。此時,手機(jī)端按下啟動,小車開始自行前進(jìn),循跡模塊進(jìn)入工作狀態(tài)并不斷檢測前方是否存在導(dǎo)航黑線。當(dāng)前方不存在黑線時,小車調(diào)整方向試圖回到黑線上,如果正前方無黑線,小車依次向左方和右方檢測,若存在黑線則向?qū)?yīng)方向偏轉(zhuǎn)并繼續(xù)前進(jìn),否則暫停等待。在避障模式下,小車通過3個HC-HR04超聲波測距模塊檢測障礙物,當(dāng)正前方距離大于閾值且左右方距離大于閾值的一半時,AGV智能小車判斷為周圍無障礙繼續(xù)前進(jìn),否則,判斷為周圍遇到障礙物。此時,小車停止前進(jìn),直到障礙物被移走且距離大于閾值時才自動前進(jìn),避障過程中,將自身信息通過藍(lán)牙實時通信發(fā)送到手機(jī)端。

藍(lán)牙通信過程中,小車不斷掃描串行緩沖區(qū),根據(jù)gatts_profile_a_event_handler中的ESP_GATT_CONNECT_EVT部分自動解析數(shù)據(jù)判斷指令內(nèi)容,然后根據(jù)指令動作。收到前進(jìn)指令,小車左右輪都正轉(zhuǎn),控制小車前進(jìn);收到后退指令時,小車左右輪都反轉(zhuǎn),控制小車后退;收到左轉(zhuǎn)指令,小車左輪反轉(zhuǎn),右輪正轉(zhuǎn),控制小車左轉(zhuǎn);收到右轉(zhuǎn)指令時,小車左正轉(zhuǎn),右輪反轉(zhuǎn),控制小車右轉(zhuǎn)。

ZigBee通信部分,協(xié)調(diào)器會定期廣播發(fā)送gatts_profile_a_event_handler函數(shù)中的adv_data申請采集數(shù)據(jù)包,獲得各終端節(jié)點的狀態(tài),得出路徑和避碰策略控制包,發(fā)給終端節(jié)點。終端節(jié)點收到控制數(shù)據(jù)包后調(diào)整狀態(tài),實現(xiàn)繞行避碰。而身為協(xié)調(diào)器的AGV智能小車則利用超聲波避障模塊檢測到與終端節(jié)點的距離低于閾值時停止活動,直到兩者距離大于閾值后,才繼續(xù)活動。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點間的避碰流程如圖7所示,其中協(xié)調(diào)器為小車1,終端節(jié)點為小車2。

圖7 協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點間的避碰流程

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的成品小車以STM32芯片為控制核心,在確保小車能夠正常運行的基礎(chǔ)上加入了紅外循跡、超聲波避障、藍(lán)牙遙控等功能。成品具有價格低廉、性價比高、原理清晰簡明、功能豐富、控制方法簡單的優(yōu)點。現(xiàn)實中以它為藍(lán)本作出進(jìn)一步改進(jìn)的模型車可以出色地完成一些模擬實驗或代替人類做一些危險的任務(wù),廣泛應(yīng)用于交通、探測等領(lǐng)域。