基于CPS的智能化AGV的關鍵技術研究

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

一、研究的背景及意義

軌跡跟蹤系統(tǒng)的特殊設計在機器人領域有著重要的地位，可以說是機器人實現(xiàn)智能化的一個重要的指標。無論什么機器人想要實現(xiàn)智能化就必須要實現(xiàn)對外部的環(huán)境自我感知與判斷并做出相對的反應，最終完成人們所需布置的任務。本文以全向機器人為研究對象，通過對軌跡跟蹤問題的分析，制作了一輛能夠自動跟蹤地面上的軌跡線的智能小車。

二、系統(tǒng)方案設計

(一)系統(tǒng)的功能與原理

1.系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是車輛能夠沿著地面上預先所畫出的任意形狀的黑色軌跡導線行走。途中可以避免因軌跡線不規(guī)則所可能產 生的誤差而偏離跑道以及能夠實現(xiàn)在彎道處過彎的任務。

2.系統(tǒng)的原理。在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上加裝紅外線檢測傳感器，把路面信息傳回單片機。利用單片機實現(xiàn)即時對電動車的位置、速度、運行狀況的實時測量，之后由單片機所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車直流芯片的智能控制，從而達到自動尋跡的目的。

整個智能小車軌跡跟蹤系統(tǒng)是由紅外線傳感檢測電路，單片機信號處理及PWM輸出部分，直流驅動控制芯片電路，小車實體部分(含左右輪兩個電機)組成。

紅外線檢測電路是用于將路面的黑色軌跡線(預畫)通過傳感器以電平方式輸出給單片機處理的單元部分。

單片機信號處理部分是通過對紅外線檢測電路送來的數(shù)據(jù)進行處理，選擇相應的程序輸出不同的PWM波給直流驅動控制芯片以達到控制電機轉速的目的。

直流驅動控制芯片電路是用來直接控制直流電機的專用芯片，因為單片機所輸出的電壓不足以驅動電機的工作，所以要通過使用該芯片來間接控制電機。

(二)系統(tǒng)的設計方案?？傁到y(tǒng)主要包括路面軌跡檢測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和直流調速系統(tǒng)。

1.路面軌跡檢測系統(tǒng)。路面軌跡檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)對路面軌跡線的檢測，就是利用紅外傳感器對電動車行駛路徑上的黑色導線進行讀取判斷，并把檢測到的實時數(shù)據(jù)通過高低電平的方式傳送給單片機，以供單片機處理作出判斷，輸出結果。

紅外光線檢測的原理:本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的引導軌跡(路面預畫導線)，經LM324電壓比較器和可變電阻進行微調，整形后送單片機控制。

電路采用反射接收原理配置了一對紅外接收、紅外發(fā)射傳感器。這個電路包括一個紅外光敏二極管上接一個電阻和一個紅外發(fā)光二極管:紅外發(fā)光二極管可以發(fā)射一定強度的紅外線照射路面，紅外光敏二極管如果接收到反射回來的紅外線就能導通，若沒有接受到反射的紅外線則截止。而路面的軌跡是黑色的，可以吸收掉發(fā)射出的紅外線，因此傳感器接觸到黑色軌跡線就會截止、未接觸黑色軌跡線而是照射地面就導通。

本系統(tǒng)總共設計了三個紅外線傳感器，通過放置在電動車的左、中、右三個方向，用來讀取地面的黑色軌跡線。當行車方向偏離軌跡的時候，通過這三個紅外線感應裝置所檢測的信號就可以判斷出行車偏離的方向，將實時信息以高低電平的方式傳送回單片機，然后通過單片機的處理，以及相應的直流控制芯片的驅動就可以修正行車路線，最終完成自動尋跡的任務。

2.信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)即單片機對路面檢測系統(tǒng)所輸入的信號進行相應處理，并進行行車修正控制。信號處理原理：電偶年紀通過接收到的高低電平，進行判斷，以及進行相應的行車路線修正。例如：單片機的P1.1，P1.2和P1.3分別接收到的信號是高電平，高電平和低電平，則相應的程序判斷可知小車此時行車向左偏離，需要進行向右大轉行車修正即進行相應的程序控制輸出不同的PWM改變左右輪的轉速。

PWM波的產生原理:PWM波是通過改變其輸出電壓的占空比來實現(xiàn)的，那么要輸出不同的PWM波，就只需要單片機改變輸出電壓的占空比即可實現(xiàn)。而占空比的改變是通過點偏激內部定時器延時程序來實現(xiàn)的。

三、AGV機械結構和驅動轉向系統(tǒng)設計

(一)AGV機械結構的設計。小車采用兩后輪獨立驅動差速轉向，兩前輪為萬向輪的四輪結構形式。步進電機經減速器后通過驅動輪提供驅動力，當兩輪運動速度不同時就可以實現(xiàn)差速轉向。

1、車架。車架是整個AGV小車的機體部分，主要用于安裝輪子、光感應器、步進電機和減速器。車架上面安裝步進電機驅動器、PCD板和電瓶。對于車架的設計，要有足夠的強度和硬度要求，故車架材料選用鑄造鋁合金，牌號為6061。其中6061質量比較輕，焊接性好。

2、車輪。車輪采用實心橡膠輪胎。車體后面兩主動輪為固定式驅動輪，與輪轂式電機相連。前面兩個隨動輪為旋轉式隨動輪，起支承和平衡小車的作用。

3、載荷傳送裝置。AGV的載荷傳送裝置為一平板，其作用為運輸箱體類零件到指定工位。主要用來裝載箱體類零件，運送物料等。

4.AGV的自動引導系統(tǒng)設計。采用的光電傳感器型號為EE-SPY402，屬于反射型光電感測器，入光時ON，偵測距離約5mm，并附動作指示燈電源電壓為DC5～24V，控制輸出80mA。光電感測器電源電壓5V，當偵測到前方有反射物體時，動作指示燈亮，out端與負端形成通路，且out端由4V高電位降為0V低電位。此反射型光電感測器所偵測到前方的反射物體以白色為標準。

(二)驅動系統(tǒng)部件的選擇與校核。AGV的驅動系統(tǒng)主要由驅動電源、直流電動機和減速器組成。電動機的性能參數(shù)及咸速器的規(guī)格型號的確定直接決定整車的動力性，即車輛的運動速度和驅動力直接決定整車的動力性，即車輛的運動速度和驅動力。

(三)電源部分選擇。目前AGV大多使用鎳鎘蓄電池，鎳氫蓄電池、鋰電池和鉛酸蓄電池.下面就對以上幾種類型的電池進行簡單比較：

1、鎳鎘蓄電池。內阻小，可供大電流放電，放電時電壓變化小與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，操作簡單方便放電電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是1.2V左右鎳鎘電池的放電終止電壓為1.OV/cell，實使用溫范圍在-200C-600C，在此范圍內可進行放電?？芍貜?00次以上的充放電。

2、鎳氫蓄電池。鎳氫電池能量比鎳鎘電池大二倍,用專門的充電器充電可在一小時內快速充電,自放電特性比鎳鎘電池好，充電后可保留更長時間,可重復500次以上的充放。

3、鋰電池。擁有高能量密度。與高容量鎳鎘電池相比，體積能量是其1.5倍，能量密度是其2倍。高電壓，平均使用電壓為3.6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍，使用電壓平坦并且高容量，廣泛的使用溫度-200C-600C。充放電壽命長，經過500次放電后其容量至少還有70%以上由于鋰電池具備了能量密度高電壓高，工作穩(wěn)定等特點。

四、硬件電路設計

在硬件電路設計中，使用了3個紅外線光敏管(紅外傳感器TRCT5000)來檢測地面上的黑色軌跡線，并把其輸出的電平信號和可變阻器引出的電平一同送入LM324進行電壓比較。傳感器TRCT5000引出的信號有反相端輸入、可變電阻信號由正相端輸入。調節(jié)可變電阻就可以間接改變傳感器的靈敏度。經過LM324整形后的輸出信號由每個集成器的輸出口輸出給單片機。LM324共有四組相同的集成電路，那么只需要用到其中的3組。為了直觀的觀察出傳感器的工作狀態(tài)，在每路的輸出口串接入一個發(fā)光二極管，二極管的陽極接5V電源，陰極和LM324的輸出端相連接，通過排針的方式引出輸出信號。

當其中一路傳感器接觸到黑色的導線的時候，傳感器輸出的高電平信號給LM324。經過電壓比較，LM324輸出低電平信號，此時和LM324串接的發(fā)光二極管導通，就可以直觀的觀察傳感器的工作狀態(tài)了。即遇黑色軌跡線指示燈亮，遇白色地面指示燈不亮。

五、小車試驗

在本課題中，AGV樣車的設計嚴格按照一個產品的設計開發(fā)流程，由于經費的問題，本課題制作了一個小型的智能循跡小車。循跡原理與程序與本設計一致，項目進行到這一步，小車的硬件設計和軟件設計都己經完成，接下來就要進行一系列的實驗進行測。驗證智能循跡小車是否能完成預定的目標，并通過實驗找出需要改進的地方，為后續(xù)工作找出依據(jù)。在設計完成智能循跡小車的硬件設計和程序的編寫后，將編寫好的程序下載到單片機中。進行多次實驗以驗證智能循跡小車的功能和查找其不足之處為以后的改進找出依據(jù)。

循跡實驗是在地面規(guī)劃出小車的運動軌跡，小車能夠通過紅外探頭跟著軌跡走。為了驗證智能循跡小車循跡功能的可靠性，規(guī)劃了不同的軌跡，并且分別進行正時針逆時針的實驗。

試驗前，現(xiàn)在地面上設計好小車運行的軌道，用黑色的電膠帶貼好。為了驗證試驗的可靠性，軌道需要有不同的拐彎角度，并且需要對小車進行順時針和逆時針的測試。經過對小車的幾次試驗，都能實現(xiàn)循跡的功能。

六、結論與展望

(一)結論。本文對智能小車路徑識別技術的研究是通過實驗小車來實現(xiàn)的，對各功能模塊進行設計。由于采用了模塊化設計思想，本系統(tǒng)有良好的擴展性和可升級性。采用單片機作為控制處理核心，它具有編程易于控制、靈活自由、擴展容易、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點。本文控制系統(tǒng)以STC89S52單片機為核心，硬件設計包括基于紅外線傳感器路徑的獲取、執(zhí)行機構及直流電機驅動電路設計。軟件設計則包括道路軌跡信息的判斷，電機的驅動算法，PWM波的生成。通過這些設計智能小車能夠自動的識別路徑，而且能夠穩(wěn)定的運行。實現(xiàn)當初的設計目標，能過完成任務要求。

在紅外線檢測電路部分，采用的紅外發(fā)射接收管可以有效避兔外部可見光線對系統(tǒng)的干擾。并且通過比較器的整形輸出更近一步的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且調節(jié)同時接入的可變電阻可以對傳感器進行靈敏度的微調。加強了系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。

直流電機驅動電路能夠接收單片機的小信號控制以大電流形式輸出給直流電機，以達到單片機間接控制的目的。且本身采用雙極性H型品閘管設計，可以快速響應PWM的控制信號。系統(tǒng)的可執(zhí)行性好。

在系統(tǒng)的軟件部分，加入了抗干擾盲走程序，一方而能夠避免路面的不穩(wěn)定因素，另一方而提高了系統(tǒng)在彎道處的過彎能力。

(二)工作展望。在最后的調試中，小車達到了設計要求及任務要求，但美中不足的是在直線和彎道接觸段是有一定沖出軌線的幾率，需要改進。

乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄海。經過這段時間的磨練，在今后的工作生活中必將激勵我面對困難險阻，不斷前行。