使用ZigBee定位的無線充電AGV系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王天澤，袁尚青，陳德雯

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇南京，210046）

1 AGV特點

AGV采用STM32單片機作為控制核心，利用ZigBee進(jìn)行路徑追蹤、躲避障礙、調(diào)轉(zhuǎn)方向、自動變軌等功能信號檢測。

有如下特點：（1）采用ZigBee技術(shù)引導(dǎo)，生產(chǎn)工序改變時，無需重新鋪設(shè)鐵軌，只要修改軟件設(shè)定就可以改變運輸車的運行軌跡。此方法簡單，導(dǎo)向可靠，變軌成本近乎于無。（2）利用STM32設(shè)計的 AGV 智能車控制系統(tǒng)，整體運行速度快、操作便利、實時性好，適用于各種生產(chǎn)環(huán)境。（3）能夠無線充電，從而實現(xiàn)自動巡航、自主歸位充電的自動化功能，極大地減少了人工的操作。（4）本車連接車輪處使用采用軸承，避免了智能車長時間由于自身壓力原因而導(dǎo)致變形，這樣傳動效能可以更加穩(wěn)定，增加智能車的使用壽命。（5）樣機容易控制，操控方便，行駛穩(wěn)定，可靠性強，能在大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境下完成運輸物料的任務(wù)，受各因素影響的程度小，控制便捷。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計為基于ZigBee定位無線充電的AGV智能車。AGV智能車通過ZigBee定位建立空間坐標(biāo)系，由主控串口發(fā)送指令，AGV在空間坐標(biāo)系中實現(xiàn)自動巡航。當(dāng)AGV電量不足時，智能車自動到達(dá)指定充電地點。從而實現(xiàn)AGV智能車的高度自動化工作。大幅提升AGV在各種應(yīng)用場景的生產(chǎn)力。

系統(tǒng)以STM32為主控芯片,由ZigBee定位系統(tǒng)，無線充電系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)以STM32為核心控制模塊。由H橋驅(qū)動電路PWM控制實現(xiàn)對電機的控制，由CC2530通過IIC和主控機的通訊實現(xiàn)定位坐標(biāo)系的建立。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 方案優(yōu)勢

2.2.1 主控芯片

采用STM32單片機作為系統(tǒng)的核心控制器，控制行駛中的AGV，以達(dá)成期待的性能指標(biāo)。單片機控制便捷、容易、可快速上手，且價格低廉并有很好的控制和可位尋址操作功能等優(yōu)點。而使用PLC進(jìn)行控制，雖然抗干擾能力較強,但尺寸大且成本相對較高。因此,選用STM32單片機作為主控芯片。

2.2.2 定位單元

本車采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行定位,下面比較幾種常見的方案。

方案一：磁軌導(dǎo)航，先在規(guī)劃路線的地面上貼上磁帶，智能車就能根據(jù)磁帶按照想要的路徑進(jìn)行移動。磁帶上方會有磁場產(chǎn)生，智能車底部兩端分別放置電磁傳感器，這樣在磁帶的周圍，就能通過電磁感應(yīng)原理感應(yīng)到磁場，最后控制器就可以控制智能車在規(guī)劃的路徑上運行，當(dāng)它產(chǎn)生偏移或者要轉(zhuǎn)向、變道時，兩個磁感應(yīng)器收到的磁場信號也會不同，系統(tǒng)則會通過自動控制系統(tǒng)來糾正行駛方向。它的優(yōu)點在于設(shè)計簡單、性能可靠、成本不高，缺點就是只能按照磁帶所指示的行駛，而且磁帶遭受外力容易受損，視覺觀感也不好。

方案二：光傳感器，一般常見的方案是采用可見光源+光敏電阻或者紅外線發(fā)射接受管，其中前者方案簡單但易受到外界光源的干擾。主要是因為光的反射程度，軌道的平坦度、材料的反射情況等物理因素都會影響探測能力。后者由于采用紅外光，因此受可見光影響較小，但也同樣需要在地上貼膠帶來實現(xiàn)循跡。

方案三：使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行定位，采用ZigBee的定位主要是使用接收信號強度指示(RSSI)實現(xiàn)。智能車周邊放置數(shù)個信號源，發(fā)射信號，信號源與智能車彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的連接范圍內(nèi)，可以相互自動尋找，快速地形成一個相互聯(lián)動的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于AGV坐標(biāo)的變化，彼此間的狀態(tài)參數(shù)還會產(chǎn)生改變。因而，AGV還可以通過重新連接通信的信號源，確定相互之間的連接，重新刷新原有網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)點是不需要在地上貼磁軌或者膠帶，可以實現(xiàn)零成本變軌，缺點在于精度略低。

2.2.3 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊部分,我們選用普通的直流電機。直流電機運行穩(wěn)定，有著十分可靠的精度。直流電機調(diào)速性能好，調(diào)速范圍寬。直流電動機在帶有重負(fù)載時，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻、平穩(wěn)的無級調(diào)速，而且起動力矩大，調(diào)速范圍較寬。而步進(jìn)電機則是能夠定位十分精確并能很好地控制方向。若使用步進(jìn)電機作為控制用的特種電機，可以很好地對角度和距離控制。步進(jìn)電機的不存在累積誤差而只有周期性誤差的特征，使其對于位置、轉(zhuǎn)速等方面的控制用步進(jìn)電機更好。但是其缺點是相對占用空間較大，轉(zhuǎn)速緩慢，易失步，而且成本較高，操控復(fù)雜。直流電機的精度雖不比步進(jìn)電機好，但其實也可以滿足控制要求。使用直流電機作為電動車的驅(qū)動電機，不僅成本低，而且可實現(xiàn)無級調(diào)速，使智能車運行平穩(wěn)。

2.2.4 無線充電部分

使用全橋串聯(lián)諧振，即使沒有達(dá)到諧振頻率時，也能進(jìn)行能量傳遞；并且可以通過更改諧振頻率來控制功率的大小。而E類放大電路，對于電路特性要求比較高，同時要求工作在諧振狀態(tài)，串聯(lián)諧振特性受到負(fù)載的影響變化特別明顯。因此我們采用全橋串聯(lián)諧振方案。

2.3 軟件設(shè)計框圖

系統(tǒng)的軟件代碼的整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)代碼框圖

圖3 實物照片

圖4 實物照片

3 結(jié)論

本車由STM32為主控芯片，由ZigBee定位系統(tǒng)，無線充電系統(tǒng)組成，經(jīng)過測試，能實現(xiàn)大致按照想要的效果移動以及無線充電，最終的實物如圖3、圖4所示。本文以ZigBee定位和無線充電技術(shù)為基礎(chǔ)，對AGV 智能車的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的論述。并結(jié)合機械部分的設(shè)計，開發(fā)了一臺完整的三輪自動引導(dǎo)、充電智能車，在現(xiàn)場的應(yīng)用表現(xiàn)良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。采用單片機設(shè)計的循跡智能車控制系統(tǒng)，可以在智能車運行過程中調(diào)整運行速度，操作便利。試運行下來，該系統(tǒng)可控性好，性價比高，另外預(yù)留擴展接口，便于擴展以后如的GPS 導(dǎo)航等功能，實際使用價值較高。此外，若進(jìn)行多臺AGV的組網(wǎng)運行，定位應(yīng)該會更為準(zhǔn)確。