自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)車(chē)載控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王 冰 胡 彬 王春香 楊 明

(上海交通大學(xué)電信學(xué)院1，上海 200240;上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所2，上海 200240)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的全球化，自動(dòng)化的物流系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化工廠企業(yè)不可缺少的重要部分。由于降低成本的壓力一直貫穿于社會(huì)生產(chǎn)的整個(gè)物流搬運(yùn)行業(yè)和制造業(yè)，所以制定具有成本效益的物流搬運(yùn)解決方案成為生產(chǎn)企業(yè)的重要工作目標(biāo)之一。自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(automated guided vehicle，AGV)作為現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程起著重要的作用。AGV具有適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)AGV控制系統(tǒng)中大多采用基于單片機(jī)、可編程控制器(PLC)、嵌入式工控機(jī)等方案［1］。采用PLC的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性較高、抗干擾性能好、對(duì)操作人員要求低;其缺點(diǎn)是在AGV控制上使用時(shí)，功能上存在局限性，對(duì)實(shí)現(xiàn)上層的一些復(fù)雜的路徑規(guī)劃或調(diào)度算法難度較大［2-3］。采用工業(yè)計(jì)算機(jī)則控制方案成本過(guò)高，系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，而且由于AGV的不斷振動(dòng)等原因容易導(dǎo)致硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，造成整個(gè)AGV系統(tǒng)的宕機(jī)［4］。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究并設(shè)計(jì)了一種面向柔性制造系統(tǒng)的AGV控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定、功能擴(kuò)展方便、配置靈活等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of AGV

AGV是用在柔性制造系統(tǒng)中的自動(dòng)化設(shè)備。結(jié)合AGV的應(yīng)用來(lái)看，柔性制造系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括:工作重復(fù)性高、環(huán)境外部干擾大、場(chǎng)地比較復(fù)雜、系統(tǒng)運(yùn)行靈活等。

根據(jù)這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的AGV控制系統(tǒng)包括以下子模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理模塊、路徑導(dǎo)航模塊、里程定位模塊、安全避障模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和人機(jī)交互模塊等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述AGV控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)硬件分為三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì):①包含控制器的核心控制板;②外設(shè)接口板，外設(shè)傳感器的信號(hào)連接到接口板上，經(jīng)過(guò)光耦隔離后，送入到控制器的控制芯片上;③設(shè)定面板部分，主要進(jìn)行一些控制指令的輸入及操作。

2.1 核心控制板

AGV車(chē)載控制器主要功能接口圖如圖2所示。

圖2 AGV車(chē)載控制器主要功能接口圖Fig.2 The major functional interfaces of AGV onboard controller

核心控制板是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)采用基于Freescale的數(shù)字控制器(digital signal controller，DSC)芯片進(jìn)行車(chē)體算法設(shè)計(jì)和車(chē)體控制，芯片具體型號(hào)為MC56F8366［5］;接著在此基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)。核心控制模塊包括了DSC的最小系統(tǒng)、I/O口擴(kuò)展部分、存儲(chǔ)器、CAN通信擴(kuò)展接口和串行通信擴(kuò)展接口等。

MC56F8366將DSP和MCU集成在一起，兼有DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力和微控制器豐富靈活的片上外設(shè)模塊，并且價(jià)格低廉、外設(shè)模塊配置靈活。MC56F8366內(nèi)置了多種模塊接口，可適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合，如電源監(jiān)測(cè)、內(nèi)存擴(kuò)展、電機(jī)控制、汽車(chē)電子等。由于DSC芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)空間有限，而AGV運(yùn)行所需的地圖信息數(shù)據(jù)量比較大，所以擴(kuò)展了1個(gè)存儲(chǔ)芯片MR2A16A［6］，用來(lái)存儲(chǔ)地圖信息和記錄AGV運(yùn)行日志等。

通信模塊包括串口通信和CAN通信兩個(gè)部分。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，串口通信可以用于系統(tǒng)調(diào)試;而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，串口通信又可以用于有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式的功能擴(kuò)展。在本系統(tǒng)的配置中，串口與無(wú)線(xiàn)通信模塊ZigBee相連。CAN通信模塊采用 CTM8251AT將DSC芯片中的FlexCAN模塊輸出引腳的TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線(xiàn)的差分電平，并且具有2500 VDC的隔離功能。本系統(tǒng)中CAN模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連并進(jìn)行通信。

DSC芯片MC56F8366雖然有144個(gè)引腳，但是去除存儲(chǔ)芯片用到的16根地址線(xiàn)、16根數(shù)據(jù)線(xiàn)，以及DSC一些功能模塊的引腳定義(如PWM、脈沖捕捉等)，所剩的GPIO口不足10個(gè)。因此，采用MAX7301對(duì)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，芯片與DSC之間采用SPI接口方式。

2.2 外設(shè)接口板

為了保證控制芯片的安全，需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行隔離操作?？紤]到本系統(tǒng)中傳感器輸出信號(hào)都是開(kāi)關(guān)量，故可用光電隔離芯片PS2801-4［7］實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端的電氣隔離?；赑S2801-4設(shè)計(jì)的8路信號(hào)隔離電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)隔離電路原理圖Fig.3 Principle diagram of the signal isolation circuit

2.3 設(shè)定面板

為便于在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)AGV進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)定和AGV的狀態(tài)信息顯示，如輸入起點(diǎn)位置、輸入目標(biāo)站點(diǎn)信息等，設(shè)計(jì)了基于MAX6954［8］的人機(jī)交互設(shè)定面板。

設(shè)定面板包括狀態(tài)顯示和按鍵輸入兩個(gè)部分。其中顯示界面采用七段數(shù)碼管表征AGV當(dāng)前的狀態(tài)信息。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)和按鍵的掃描統(tǒng)一由MAX6954完成。MAX6954與DSC通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?；贛AX6954的設(shè)定面板電路原理圖如圖4所示。

圖4 基于MAX6954的設(shè)定面板電路原理圖Fig.4 Principle diagram of the setting panel circuit based on MAX6954

3 軟件設(shè)計(jì)

AGV系統(tǒng)軟件分為底層功能模塊的驅(qū)動(dòng)算法和AGV調(diào)度規(guī)劃算法兩個(gè)部分。這兩部分的主要功能、結(jié)構(gòu)框圖和程序流程分別介紹如下。

3.1 底層驅(qū)動(dòng)模塊

底層功能模塊的主要功能有路徑識(shí)別及提取、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制等。磁導(dǎo)航傳感器輸出的是16路數(shù)字信號(hào)，其根據(jù)檢測(cè)到的磁條信息的有無(wú)，分別返回0和1。假設(shè)第1個(gè)為0的信號(hào)為Dfirst，最后一個(gè)輸出為0的信號(hào)為Dlast，則導(dǎo)引磁條中線(xiàn)位置Dmid的表達(dá)式為:

計(jì)算得到磁條中線(xiàn)的位置后，將中線(xiàn)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給電機(jī)控制模塊;電機(jī)控制模塊將中線(xiàn)位置值與基準(zhǔn)中點(diǎn)值進(jìn)行比較，得到的差值即為運(yùn)行偏差量ei，該值被用來(lái)進(jìn)行電機(jī)差速控制。

AGV的電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用差速控制的方式，橫向速度采用增量式PID算法控制。控制算法框圖如圖5所示。

圖5 AGV橫向控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 AGV lateral control structure

差速控制量Δui的計(jì)算公式為:

式中:Kp為比例系數(shù);Ki為積分常數(shù);Kd為微分常數(shù);ei為控制器的輸入，即運(yùn)行偏差量。

3.2 調(diào)度算法

AGV在柔性制造系統(tǒng)中運(yùn)行，需要將現(xiàn)場(chǎng)的地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中。地圖數(shù)據(jù)以邊為單位存儲(chǔ)。地圖的邊結(jié)構(gòu)信息定義如下［9］。

邊結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)成員type表示該條邊的類(lèi)型(有直道、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎)。速度變量speed則是在該條邊上行駛設(shè)置的基準(zhǔn)速度，有三檔(低速、中速和高速)可以選擇。

整個(gè)AGV分布式控制的總流程說(shuō)明如下。

①通過(guò)設(shè)定面板或者上位機(jī)的監(jiān)控界面設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)。

②DSC芯片根據(jù)存儲(chǔ)在Flash中的地圖，搜索出一條起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑，并將最短路徑上的邊保存在邊集合中。

③按下啟動(dòng)鍵啟動(dòng)AGV后，AGV開(kāi)始運(yùn)行，且自動(dòng)加載最短路徑上第0條邊的參數(shù)。

④AGV在沿著磁條前進(jìn)的過(guò)程中，不斷掃描識(shí)別里程地標(biāo)，地標(biāo)計(jì)數(shù)從1開(kāi)始計(jì)數(shù)，每讀到一個(gè)新的地標(biāo)，地標(biāo)計(jì)數(shù)加1。

⑤根據(jù)讀到的地標(biāo)個(gè)數(shù)，加載對(duì)應(yīng)邊的參數(shù)信息。若讀到的地標(biāo)個(gè)數(shù)等于最短路徑上的節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)，則表示AGV到達(dá)終點(diǎn)，停止運(yùn)行。

⑥AGV到達(dá)終點(diǎn)后，需要將地標(biāo)計(jì)數(shù)清零，等待下一次的任務(wù)調(diào)度。

AGV控制程序流程如圖6所示。

圖6 AGV控制程序流程圖Fig.6 Flowchart of AGV control program

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)和軟件算法，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)視頻可以參考文獻(xiàn)［10］給出的網(wǎng)址。在視頻地圖上，用戶(hù)要求AGV從A點(diǎn)行駛到E點(diǎn)。從A點(diǎn)到E點(diǎn)有兩條備選路徑，分別是:14(A)-＞15-＞16-＞1- ＞2(F)- ＞3- ＞17- ＞18(C)- ＞19- ＞9-10(E)和14(A)-＞15-＞16-＞1-＞2(F)-＞3-＞4-＞5-＞6(D)-＞7-＞8-＞9-10(E)。輸入起點(diǎn)和終點(diǎn)后，后臺(tái)程序計(jì)算出一條最短路徑。界面顯示的最短路徑為14(A)-＞15-＞16-＞1-＞2(F)-＞3-＞17-＞18(C)- ＞19- ＞9-10(E)。

按下啟動(dòng)鍵后，AGV開(kāi)始啟動(dòng)，并且不斷將AGV的狀態(tài)信息發(fā)送到上位機(jī)和設(shè)定面板顯示。最終AGV的走線(xiàn)與程序加載的路徑一致，符合要求。

從視頻中可以看到設(shè)定面板上四位數(shù)碼管前兩位顯示的是本次行駛的目標(biāo)站點(diǎn)E，后兩位顯示的是最近經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)號(hào);在設(shè)定面板中還可以看到整個(gè)過(guò)程顯示的節(jié)點(diǎn)號(hào)與最短路徑上的節(jié)點(diǎn)號(hào)一致。

通過(guò)試驗(yàn)可以得出，本文設(shè)計(jì)的AGV控制系統(tǒng)硬件部分能采集識(shí)別信號(hào)，軟件系統(tǒng)能根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的輸入計(jì)算最短路徑，整個(gè)系統(tǒng)能正常工作［10］。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的AGV控制系統(tǒng)，采用MC56F8366作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了外設(shè)傳感器信息的讀取、導(dǎo)引線(xiàn)的位置計(jì)算，并根據(jù)用戶(hù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了AGV的調(diào)度規(guī)劃;通過(guò)DSC芯片上的FlexCAN模塊與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的CAN總線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)了AGV的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制;通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)AGV的狀態(tài)監(jiān)控。

此外，本文在軟件算法上設(shè)計(jì)了基于Dijkstra算法的調(diào)度規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了起點(diǎn)到終點(diǎn)最短路徑規(guī)劃。實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件的可靠性和軟件的可行性，系統(tǒng)能滿(mǎn)足物流工廠的一般應(yīng)用，對(duì)AGV的推廣應(yīng)用具有一定的價(jià)值。

［1］盧冬華.計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)(AGV)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.

［2］張曉朋.AGV開(kāi)放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安:陜西科技大學(xué)，2009.

［3］王冰，張惠僑.自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào)，2001，35(12):1793-1797.

［4］王起.論P(yáng)LC、單片機(jī)、工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用及選用方法［J］.廣西輕工業(yè)，2011(1):60-61.

［5］Freescale semiconductor.56F8366/56F8166 Datasheet［EB/OL］.［2009-11-08］.http://cache.freescale.com/files/dsp/doc/data_sheet/MC56F8366.pdf.

［6］Freescale semiconductor.MR2A16A MRAM Datasheet［EB/OL］.［2007 - 11 - 20］. http://www. freescale. com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MR2A16A.pdf.

［7］Renesas electronics corporation.Photocoupler PS2801C-1，PS2801C-4 High Isolation Voltage S Photocoupler［EB/OL］.［2009-02-15 ］. http://documentation. renesas. com/doc/YOUSYS/document/PN 10610EJ03V0DS.pdf.

［8］MAXIM semiconductor.MAX6954 Data Sheet［EB/OL］.［2009-03-18］.http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX6954.pdf.

［9］DIJKSTRA EW.A note on two problems in connection with graphs［J］.Numerische Mathematik，1959(1):269-271.

［10］胡彬.AGV 調(diào)度控制演示視頻［EB/OL］.［2012-02-01］.http://v.youku.com/v_show/id_XMzQ4MjY3Mjky.html.