CAN 總線編碼器在AGV 角度計算中的應用

丁瑩 王小鐸 趙瑋 馮作鵬

（機科發(fā)展科技股份有限公司，北京，100044）

0 引言

根據美國物料搬運協(xié)會（America Material Handling Association）的定義，AGV 即Automated Guided Vehicle 的簡稱，是一種以充電電池為動力，自動導引的無人駕駛自動化車輛，它能在計算機的監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確行走并停靠到指定的地點，完成一系列的作業(yè)任務，如：取貨任務、送貨任務、充電任務等。

AGV 也叫做移動搬運機器人，它作為工廠自動化物流系統(tǒng)的柔性輸送環(huán)節(jié)，經常與自動化物流生產設備進行對接，如：輥道輸送設備、機械手、碼垛機器人等，所以， AGV 對導航精度和定位精度要求非常高，一般在±5mm-±10mm 之間。

以激光導引AGV 自動導引車為例。在激光導引的AGV 系統(tǒng)中，AGV 小車上裝有激光頭（激光發(fā)射和檢測裝置），在AGV 運行區(qū)域裝有反光板（Retro-reflector），各個反光板的坐標值及AGV 小車運行路線（電子地圖）已傳送到車載控制器中，AGV 在運行時激光頭不停地旋轉，向周圍發(fā)射激光束，同時接收由反光板反射回來的光束，激光頭將這些數據傳送給AGV 車載控制器，從中計算出AGV 在當前坐標系中的位置（X 值、Y 值、角度值α），通過與車載控制器中電子地圖里的目標位置進行比較，每50ms 修正一次，實現(xiàn)AGV 的連續(xù)導航（電子地圖由線段組成，每條線段的屬性定義了AGV 小車應行駛的速度、角度等參數）。

通常AGV 小車的驅動電機與轉向電機上都裝有編碼器，作為AGV 行走速度、距離及角度位置的反饋，在AGV 運行過程中，主控制器不斷將理論預估的物理位置與實際進行比較，并將比較的結果轉化為對AGV 小車速度和角度的命令值，以此來修正AGV 小車在行走中的速度、位置、角度偏差，實現(xiàn)AGV 精確的定位精度。

由此可見，編碼器對于AGV 的定位精度起著非常重要的作用。

1 兩種編碼器的特點

AGV 自動導引車如何選擇適合的編碼器呢？編碼器按信號原理來分，有增量型編碼器、絕對值編碼器兩種。增量型編碼器有一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，由光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波組合成A、B、C、D 信號,每個正弦波相差90°相位，將C、D 信號反向，疊加在A、B 兩相上，可增強穩(wěn)定信號；每轉輸出一個Z 相脈沖以代表零位參考位。

絕對值編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2 線、4 線、8 線、16 線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2 的零次方到2 的n-1 次方的唯一的2 進制編碼（格雷碼），即n 位絕對值編碼器。

從應用上看，兩種編碼器有各自的優(yōu)勢，增量型編碼器比較通用，價格比較便宜，絕對值編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，但是價格要比增量型編碼器貴很多。

2 使用傳統(tǒng)增量型編碼器存在的缺陷

AGV 自動導引車驅動編碼器的選擇只需考慮：在AGV 最大運行速度下，編碼器的輸出頻率與控制器所能接受的頻率相匹配，不需要有同步脈沖，但轉向編碼器的選擇需要考慮舵輪回到零位時，車載控制器能夠識別出來。

在AGV 自動導引車的調試過程中，轉向角度的調試非常重要，這在很大程度上決定AGV 小車的定位精度。對于使用增量型編碼器作為轉向反饋的AGV 來說，通常需要編碼器產生一個同步脈沖，依靠這個同步脈沖確定車輪旋轉的零位。

由于絕對值編碼器的價格比增量型編碼器價格高很多，因此傳統(tǒng)的AGV 大多選用增量型編碼器，但是在應用過程中偶爾會發(fā)現(xiàn)AGV 零點丟失的問題。當AGV 斷電時，需要主控制器記住舵輪的角度值，并且停電后AGV舵輪不能有任何移動；AGV 再次上電時，轉向編碼器在輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，否則，主控制器記憶的零點就會偏移，造成AGV 舵輪零位丟失。雖然可以通過增加參考點的措施來修正上述舵輪的位置，但是在參考點以前，仍然不能保證位置是準確的。

3 使用CAN 總線絕對值編碼器的必要性

圖1 單舵輪SD 型AGV 控制系統(tǒng)結構圖

AGV 作為現(xiàn)代化工廠物流系統(tǒng)中的關鍵工具，其穩(wěn)定性、可靠性尤為重要，因此，即使零點丟失的現(xiàn)象偶然發(fā)生，但若發(fā)生就需要重新調試，對AGV 進行零點修正，這直接影響到物料的生產輸送。為了徹底解決AGV 舵輪零點丟失的問題，筆者考慮使用絕對值編碼器。圖1 為CAN 總線絕對值編碼器作為AGV 轉向反饋的控制系統(tǒng)結構圖。

AGV 車載控制器作為CAN 總線的主站，轉向編碼器及其他子模塊作為CAN 總線的從站，每個子模塊與主控制器通過CAN 總線進行通信，主控制器通過總線協(xié)調控制各子模塊。由于絕對值編碼器是由光電碼盤的機械位置決定的，每個位置是唯一的，不受停電、干擾的影響，所以主控制器無需記憶零點位置，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置信息。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高。

4 CAN 總線絕對值編碼器在實際中的應用

下面以某品牌的CAN 總線絕對值編碼器為例，介紹絕對值編碼器在AGV 轉向系統(tǒng)中的應用。

編碼器舵輪結構見圖 2 所示。已知舵輪轉向齒輪與編碼器齒輪速比為1：3.175，即舵輪轉動1 圈，轉向編碼器轉3.175 圈；編碼器在CAN 總線上的節(jié)點號為7，具體設置見圖3 所示。

單圈絕對值編碼器，在轉動中測量光電碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360°時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼只能用于旋轉范圍在360°以內的測量。此例中，舵輪轉向齒輪與編碼器齒輪速比為1：3.175，舵輪從-90°到+90°。在轉動過程中，如果用單圈絕對值編碼器，旋轉絕對編碼不唯一，所以，編碼器齒輪與舵輪轉向齒輪速比大于1∶1 時，要選用多圈絕對值編碼器。

圖2 編碼器舵輪結構

圖3 控制界面參數設置

AGV 自動導引車在正常工作時，舵輪的轉動范圍只可能在-90°轉到+90°之間，如選用單圈分辨率為4096，總分辨率為65536 的多圈編碼器，舵輪從-90°轉到+90°，編碼器一共轉的脈沖數為(3.175/2)*4096=6502。當舵輪物理位置處在0°位置時，理論上CAN 總線編碼器的數值應該是6502/2=3251，舵輪左轉時，CAN 總線編碼器的值應該從3251 開始增大，舵輪右轉時，CAN 總線編碼器的值從3251 開始減小，所以設定舵輪處在0°位置時CAN 總線編碼器的數值為5000，通過主控制器中參數的換算關系，就可以得出舵輪在各個位置的角度值。（為了保證舵輪右轉到-90°時編碼器的值不要太接近0，因為過了0，CAN 總線編碼器的數值就會變到最大，所以舵輪在0°位置時，編碼器的值設置為5000。）

例如：當人為將舵輪轉動到0°位置（即當前的角度值為0°），通過軟件將5000 賦值給編碼器，由于以下2個參數值是固定不變的：

CAN_Enc_7.SteerEncScal = 4096* 3.175 =13005( 舵輪轉一圈，編碼器轉3.175 圈)

CAN_Enc_7. SteerEncFactor=36000（編碼器轉向因數按360°考慮）

調整CAN_Enc_7. SteerOffset 的值= -10420，使編碼器的反饋值CAN_Enc_7. EncAngle= 0 與舵輪物理角度位置一致，這樣就確定了AGV 自動導引車轉向的零點位置。具體設置見圖4 所示。

轉向編碼器設置、調試步驟如下：

圖4 控制界面參數設置二

一般情況下，CAN 總線編碼器需要通過CAN 總線診斷軟件對編碼器進行參數設置（包括節(jié)點號、波特率、分辨率、當前位置值等），具體設置見圖5、圖6 所示，設定完成后關機并給主控制器下傳程序。

圖5 控制界面參數設置三

如：按照某品牌通信協(xié)議，在確定AGV 轉向零點位置時，需要設定如下參數：

圖6 控制界面參數設置四

波特率為250kHz；

ID DLC Data 63F 8 2F 00 21 00 05 00 00 00 賦給編碼器的值設置5BF 8 60 00 21 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

設置節(jié)點號為7；

ID DLC Data 63F 8 2F 01 21 00 07 00 00 00 賦給編碼器的值5BF 8 60 01 21 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

保存Bus objects；

ID DLC Data 63F 8 23 05 21 00 73 61 76 65 賦給編碼器的值5BF 8 60 05 21 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

設置正轉或反轉的方向；（01 為逆時針旋轉代碼增加，00 為順時針旋轉代碼增加）

ID DLC Data 607 8 2B 00 60 00 01 00 00 00 賦給編碼器的值585 8 60 00 62 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

單圈分辨率的設置；

ID DLC Data MUR 0X1000,十進制4096 607 8 23 01 60 00 00 10 00 00 賦給編碼器的值585 8 60 01 60 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

總分辨率的設置；

ID DLC Data 0X10000,十進制65536 607 8 23 02 60 00 00 00 01 00 賦給編碼器的值585 8 60 02 60 00 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

編碼器預置值的設置；(例如：設置零位的值為5000)

ID DLC Data Set Preset Value 5000 607 8 23 03 60 00 88 13 00 00 賦給編碼器的值585 8 從編碼器返回的確認信息值

保存所有參數 。

ID DLC Data Set Preset Value 0 607 8 23 10 10 01 73 61 76 65 賦給編碼器的值585 8 60 10 10 01 00 00 00 00 從編碼器返回的確認信息值

5 結語

CAN 總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通信控制方式，已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中。CANOpen 是基于CAN 總線的開放式協(xié)議，CAN 總線絕對值編碼器與其他的信號形式比較，其數據傳遞得更可靠，更經濟通用，更安全。

AGV 自動導引車作為自動化領域具有高科技附加值的關鍵物流輸送設備，其安全性、可靠性尤為重要，同時，隨著近兩年電子科技技術的快速發(fā)展，CAN 總線絕對值編碼器的成本也逐漸降低，已越來越廣泛地做為AGV 自動導引車轉向、升降等角度、位置反饋控制元器件。

本應用案例通過將CAN 總線多圈絕對值編碼器應用于AGV 舵輪轉向系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)中使用增量型編碼器造成的零位丟失問題，為提高AGV 運行的可靠性、導航定位的精確性提供了有效途徑，是AGV 制造企業(yè)應用的發(fā)展趨勢。