基于STM32單片機的自動引導小車控制系統(tǒng)設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)下達的指令，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序并融合車載傳感器信息，從而實現(xiàn)小車沿預(yù)定的行使路線自動行駛并完成一系列作業(yè)功能[1]。隨著現(xiàn)代科學與技術(shù)的高速發(fā)展，自動引導小車(AGV)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、機械加工、煙草業(yè)自動倉庫等許多領(lǐng)域[2]。作為一種無人操作的自動化運輸設(shè)備，AGV具有適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性強等特點，現(xiàn)已成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備[3]。

傳統(tǒng)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(yīng)速度不夠快[4]，為了提高中斷響應(yīng)的速度，本系統(tǒng)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(zhí)行效率高，指令執(zhí)行速度快，并且具有極高的運算能力和極強的中斷響應(yīng)能力，解決了應(yīng)對突發(fā)狀況的響應(yīng)速度。

1 自動引導小車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)主要以后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向的四輪模型小車作為載體，配備信息監(jiān)測模塊、執(zhí)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(tǒng)的設(shè)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(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 System design diagram

2 自動引導小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信息監(jiān)測模塊設(shè)計

本設(shè)計中信息監(jiān)測模塊主要完成道路信息監(jiān)測和速度監(jiān)測這兩大任務(wù)，它相當于自動引導小車控制系統(tǒng)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(jiān)測模塊

本設(shè)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(jù)。道路信息監(jiān)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(zhuǎn)換成數(shù)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(jiān)測模塊

實時監(jiān)控自動引導小車的速度，以閉環(huán)系統(tǒng)的形式對小車的速度進行反饋調(diào)節(jié)，對小車的平穩(wěn)運行，具有重要的意義。本設(shè)計速度監(jiān)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(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，紅外發(fā)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(xiàn)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(zhí)行模塊設(shè)計

執(zhí)行模塊主要由舵機和直流電機及其驅(qū)動組成。系統(tǒng)選用LM298驅(qū)動芯片結(jié)合增量式PID算法產(chǎn)生PWM波驅(qū)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(xiàn)小車前輪轉(zhuǎn)向控制。

LM298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)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(xù)工作電流為2A，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器。因此，電機驅(qū)動采用LM298驅(qū)動芯片來完成，其電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動電路Fig.4 Motor drive circuit

2.3 電源模塊設(shè)計

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

2.4 無線通訊模塊設(shè)計

無線通信模塊采用Chipcon公司的CC2420數(shù)字射頻芯片，它對信號具有同時接收和發(fā)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(shè)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(shè)計如圖5所示[6]。

圖5 CC2420應(yīng)用電路Fig.5 CC2420 application circuit

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用 C語言進行軟件設(shè)計，編程和調(diào)試環(huán)境為 Keil 4，系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主流程圖Fig.6 Main flow chart of the system

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

（1）測試環(huán)境及方法.在6m*6m正方形模型軌道上進行系統(tǒng)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(qū)，然后將STM32單片機與 CC2420進行通信，并進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

（2）測試結(jié)果.對系統(tǒng)進行測試，得到的結(jié)果如表1所示。

（3）測試結(jié)果分析.經(jīng)過測試表明自動引導小車控制系統(tǒng)既能夠在軌道上自主循跡將貨物送至目標區(qū)，也可以在控制終端的控制下順利完成送貨任務(wù)。由于系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)自主穩(wěn)定運行。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 The result of system test

5 結(jié)語

本系統(tǒng)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(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，通過系統(tǒng)測試獲得了較滿意的結(jié)果，達到了設(shè)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(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2013,34(5)∶1630-1634.

［2］張正義.自動導引車系統(tǒng)及其應(yīng)用：AGV技術(shù)發(fā)展綜述[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2005,10(7)∶66-73.

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

［4］孫波,李文鋒,李斌,等.基于無線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式機器人控制系統(tǒng)[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(yīng)用[J].應(yīng)用科技,2004,31(9)∶20-22.

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