慣導(dǎo)與視覺相結(jié)合的AGV小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永澤　艾長勝　張尉

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的迫切需求越來越大。為進(jìn)一步推動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化中，AGV小車在物料運(yùn)輸方面起到了重要的作用。AGV小車的分類比較多，如電磁導(dǎo)引小車、激光導(dǎo)引小車、磁條導(dǎo)引小車慣性導(dǎo)引AGV小車等。因慣性導(dǎo)航系統(tǒng)靈活性高、技術(shù)先進(jìn)、定位精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在累積誤差比較大并且難以消除等缺點(diǎn)。本文就以慣性導(dǎo)引小車為主要研究對(duì)象，并將慣導(dǎo)技術(shù)與視覺傳感器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)AGV小車的路徑規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：AGV；慣性導(dǎo)航；視覺導(dǎo)航；控制系統(tǒng)1AGV小車簡介及分類

1.1AGV小車簡介

自動(dòng)導(dǎo)引小車是指裝有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置, 可以按照指定的或固定路徑行駛的, 并且具有保護(hù)裝置以及運(yùn)輸功能的運(yùn)輸小車。

1.2AGV小車的分類

1.2.1磁導(dǎo)引方式

優(yōu)點(diǎn)是磁條的鋪設(shè)過程比較簡單，并且路線調(diào)整比較容易。缺點(diǎn)是磁帶外漏，易受到磨損、污染及機(jī)械損傷。

1.2.2激光導(dǎo)引方式

優(yōu)點(diǎn)是線路比較容易調(diào)整，使用范圍比較廣，無需鋪設(shè)導(dǎo)線。這種導(dǎo)引方式的缺點(diǎn)是受到外界光線的影響比較大。

1.2.3視覺導(dǎo)引方式

優(yōu)點(diǎn)是在AGV小車的前端裝有CMOS視覺傳感器，通過圖像采集卡將采集到的信息轉(zhuǎn)化為能夠被識(shí)別的信號(hào)。

1.2.4慣性導(dǎo)引方式

這種導(dǎo)引方式的主要元器件是陀螺儀，優(yōu)點(diǎn)是定位精度比較高，靈活性較強(qiáng)；缺點(diǎn)是累積誤差比較大。

2控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控制器的選型

AGV小車需要對(duì)紅外避障模塊、防撞模塊、慣導(dǎo)模塊以及視覺傳感器模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。本文選用STM32F103VET6模塊作為主控制器。STM32F103系列單片機(jī)的內(nèi)核是32位的Cortex-M3 CPU；擁有32K~128K的閃存程序存儲(chǔ)器以及6K~20K的SRAM，其內(nèi)部資源豐富，處理信息的能力很強(qiáng)，可以滿足本文題目的設(shè)計(jì)要求。

2.2陀螺儀

2.2.1陀螺儀簡介

陀螺儀是一種慣性傳感器，可組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。JY-901模塊集成了陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器等微處理器以及內(nèi)部帶有動(dòng)力學(xué)以及卡爾曼濾波算法，可實(shí)時(shí)輸出模塊當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2.2陀螺儀輸出信號(hào)的處理

由于不同廠家制作的陀螺儀的性能不同，在陀螺儀內(nèi)部進(jìn)行的處理過程也不同。本文采用JY-901模塊，內(nèi)部已集成角速率轉(zhuǎn)換模塊以及濾波模塊。使得該模塊的輸出量為角度。

3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

AGV小車電機(jī)的選擇。慣導(dǎo)AGV小車的電機(jī)選用無刷直流電機(jī)。原因是1）直流電機(jī)有比較好的啟動(dòng)特性及調(diào)速性能；2）直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比交流電機(jī)的大；3)直流電機(jī)通用性比較強(qiáng)，更加便于維修。

4視覺傳感器

4.1 視覺傳感器的簡介

現(xiàn)在主流的傳感器有CCD和CMOS,其中CCD攝像頭對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)性能好，并且靈敏度比較高，但是必須需要12V的供電電壓，耗能比較大。電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。CMOS攝像頭所采集圖像的靈敏度比較高，電路設(shè)計(jì)比較簡單，工作在5V的電壓下即可。并且同等條件下，CMOS圖像傳感器的工作速度高于CCD。因此選擇OV7670 CMOS圖像傳感器比較合適。

5AGV小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1利用STM32F103VET6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速

要使STM32的TIM3輸出PWM信號(hào)，具體的配置過程：

（1）開啟TIM3時(shí)鐘及復(fù)用功能時(shí)鐘，配置PB5為復(fù)用輸出；（2）設(shè)置TIM3_CH2重映射到PB5上；（3）初始化TIM3，設(shè)置TIM3的ARR和PSC;（4）設(shè)置TIM3_CH2的PWM模式，使能TIM3的CH2輸出；（5）使能TIM3；（6）修改TIM3_CCR2來控制占空比。

5.2慣導(dǎo)模塊控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)利用PC機(jī)接收通過STM32單片機(jī)發(fā)送的來自陀螺儀JY-901的信號(hào)，需要將模塊進(jìn)行如下連接：STM32F103串口1的Rx接JY-901的Tx,用于接收J(rèn)Y-901模塊的數(shù)據(jù)。STM32F103串口的Rx接電腦的USB-TTL模塊的Rx,用于向電腦發(fā)送解析后的數(shù)據(jù)。

5.3慣導(dǎo)模塊與圖像傳感器模塊相結(jié)合程序流程圖（圖１）

6試驗(yàn)結(jié)果分析

JY-901慣導(dǎo)模塊與STM32單片機(jī)連接調(diào)試結(jié)果

（1）JY-901模塊與單片機(jī)連接數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)中“Angle:-22.346 -10.366 147.387”是JY-901模塊輸出的角度值。另外可以通過改變程序?qū)崿F(xiàn)單一角度值的輸出。對(duì)于輸出的角度值，可以與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)小車電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)AGV小車的直線糾偏；（2） STM32單片機(jī)PWM輸出實(shí)現(xiàn)AGV小車的速度調(diào)整。1）硬件連接：在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間接了一個(gè)光電耦合器，將輸出的PWM信號(hào)接在光耦的輸入端。光耦的輸出端接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。給單片機(jī)通電，再接通總電源；2）軟件部分：利用keil uVision4軟件，編寫并編譯PWM信號(hào)輸出的程序。再利用J-LINK將程序下載到STM32單片機(jī)。

給兩個(gè)電機(jī)輸出相同的PWM信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)小車的直線行走。由于電機(jī)性能不同以及其他因素的影響，得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速并不相同。此時(shí)可以通過調(diào)整其中一個(gè)輸出的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)速的同步。

7結(jié)論

本文研究了一種基于慣導(dǎo)與視覺相結(jié)合的AGV小車，對(duì)小車慣導(dǎo)與視覺控制系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。當(dāng)AGV小車的視覺傳感器失靈時(shí)，小車的慣導(dǎo)模塊開始起作用。慣導(dǎo)模塊的主要元器件是一個(gè)陀螺儀，將其固定在AGV小車轉(zhuǎn)軸上，可實(shí)時(shí)輸出小車的旋轉(zhuǎn)角度。AGV可通過對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)的計(jì)算與采集，結(jié)合小車直流電機(jī)上安裝的編碼器來確定小車行走的方向與距離，據(jù)此可以計(jì)算出小車行走的路程以及進(jìn)行糾偏。endprint