CN103292806B - 一种适合agv的磁导航系统和导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合AGV的磁导航系统和导航方法，所述系统包括传感器模块、磁传感器信号采集模块、巡线主板模块；磁传感器信号采集模块的传感器阵列呈三行五列的形式排列，磁传感器信号采集模块采集各传感器的TTL电平信号，编码成规定16进制协议形式，并转化为232电平信号传给巡线主板模块进行分析后得到AGV当前巡线状态，根据巡线状态进行AGV左右轮差速调整，同时将AGV巡线状态和路口检测结果报告给上位机。本发明导航速度高，摆动幅度较小，能较好的控制AGV的运行轨迹，并能应用于多种类型路口。

Description

一种适合AGV的磁导航系统和导航方法

技术领域

本技术涉及磁导航领域，尤其涉及一种适合AGV的磁导航系统和导航方法。

背景技术

目前以磁条方式导航的流转设备在现代自动化程度较高的生产线上应用极为普遍，如AGV(自动引导小车)、自动手推车AGC、无轨移动货架等。作为自动引导,巡线和路口检测在AGV控制中显得至关重要。

目前行业内的磁导航方式也是各式各样，各有各的特点，有单排模拟的、有单排数字的。单排的优点是设计简单，成本较低，缺点却很明显：一是检测精度很低,只有当设备运行过程偏移量较多的时候很多才能检测出来知道,信息传输滞后;二是能检测的路口种类不多，限制了应用范围。如果能开发出一种精度高且能检测多种类型路口的磁导航系统及对应的导航方法，将是十分有意义的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种适合AGV的磁导航系统和导航方法，

该系统包括磁传感器模块，其特征在于，还包括磁传感器信号采集模块，巡线主板模块；其中

磁传感器模块由15个按照3行5列方式排列的磁传感器组成；

磁传感器信号采集模块包括：

信号采集单元：与磁传感器模块连接，用于采集TTL数据；

信号编码单元：用于对TTL信号进行编码；

电平转换和通信单元：用于将TTL信号转化为RS232电平传输至巡线主板模块。

巡线主板模块包括：

信号解码单元：与磁传感器信号采集模块连接，用于接收RS232电平信号，进行解码得到阵列中每个传感器的状态；

状态分析单元：用于分析AGV当前巡线状态和状态偏差趋势；

巡线算法与执行单元：用于计算并输出AGV左右轮的差速；

差速调整单元：用于将AGV左右轮的差速转为PWM的占空比，以调整电机的速度；

路口检测单元：用于检测路口类型；

通信单元：用于将AGV巡线的状态，如离线状态、差速状态等通过RS232上报上位机。

使用上述系统的导航方法，包含以下步骤：

步骤1：采集磁传感器模块的TTL电平信号；

步骤2：磁传感器信号采集模块将TTL电平信号转化为RS232电平信号传输给巡线主板模块；

步骤3：巡线主板模块对信号进行解码后分析得到表示AGV当前行进状态的状态码；

步骤4：巡线主板模块根据得到的状态码，得到AGV左右电机速度的差值；

步骤5：差速调整单元将AGV左右电机速度的差值转为PWM的占空比，调整左右电机的速度；

步骤6：路口检测单元根据状态分析单元的状态得到路口种类状态；

步骤7：通信单元将巡线的状态通过RS232上报上位机。

本发明导航速度高，摆动幅度较小，能较好的控制AGV的运行轨迹，并能应用于多种类型路口。

附图说明

图1为本发明中磁传感器模块矩阵排列示意图。

图2为本发明系统结构示意图。

图中：1.导航磁条。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明。

本发明系统主要包含三个模块：磁传感器阵列模块，磁传感器采集模块，巡线主板模块。

磁传感器阵列模块，磁传感器模块由15个按照3行5列方式排列的磁传感器组成；

与现有技术不同，本发明的磁传感器模块没有采用传统的单排磁传感器阵列（如图1所示，圆圈均代表磁导航传感单元，虚线框表示摆正位置），而是采用了如图1所示的阵列（图1中15个小圆圈代表15个磁导航传感单元），阵列按照3行5列方式排列。

第二列与第三列、第四列与第三列的间距相等，为L1；第一列与第二列，第四列与第五列间距相等，为L2；行间距为H。L1略大于铺在地面的导航磁条1宽度，作为微调；L2为1.5L1，作为大调，H为1.5L1，之所以设计H为1.5L1是为了适应不同种类的路口。L1根据巡线传感器的安装位置、AGV速度等计算出来的

使用本发明时第三列或者第二行竖直方向的投影位置位于导航磁条1线上，表明摆正。

采用本发明可以检测“+”字、“T”字、“土”字、“工”字等路口，这样大大增加路口的丰富性。如表1所示：

    表1

    其中，0表示位于导航磁条线1上的传感器输出TTL电平为低，1表示不位于导航磁条线1上的传感器输出TTL电平为高。

采用此种阵列形式大大提高了导航时磁导航传感器对AGV路线偏移的检测精度，并且适用于更多的路口种类。

   磁传感器信号采集模块：

   该模块包括顺次连接的信号采集单元、信号编码单元、电平转换和通信单元。

信号采集单元:  与磁传感器模块连接，功能为采集TTL数据，便于下一步编码。

信号编码单元:  用于对TTL信号进行编码。

电平转换和通信单元: 用于将TTL信号转化为RS232电平传输至巡线主板模块。

巡线主板模块：

该模块包括顺次连接的信号解码单元、状态分析单元、巡线算法与执行单元、差速调整单元、通信单元。

信号解码单元: 与磁传感器信号采集模块连接，用于解码磁传感器采集模块传输过来的RS232数据，得到每个传感器的状态。

状态分析单元: 功能为分析解码后的状态。首先记忆当前时刻状态并赋给上一时刻状态，得出当前状态和状态偏差趋势。

巡线算法与执行单元: 该单元为整个系统的核心功能单元。功能是通过当前状态和状态偏差趋势计算AGV左右轮的差速。

差速调整单元:用于为将巡线算法与执行单元得到的差速输出转为PWM的占空比，以调整电机的速度。

路口检测单元：用于检测路口类型；

通信单元:用于将巡线的状态，如离线状态、差速状态等等通过RS232上报上位机。

    下面对上述系统的导航方法进行详细说明：

步骤1： 采集磁传感器的TTL电平信号。

具体为：磁传感器阵列模块采集阵列上15路传感器的TTL电平信号。

步骤2： 磁传感器信号采集模块将TTL电平信号转化为RS232电平信号传输给巡线主板模块。

具体为：信号编码单元按照行列关系将将15路TTL信号进行16进制编码成为3个字节协议形式，电平转换和通信单元通过电平转换芯片将其转化为RS232电平信号传给上传给巡线主板模块。

步骤3：巡线主板模块对信号进行解码后分析得到当前状态码。

具体为：信号解码单元开启一个定时器，不停地发送查询协议去查询传感器的状态（查询周期至少小于AGV以最高速度经过导航磁条线宽时间的2倍），要求查收呈严格时序，当接收传感器RS232串行数据的协议后，对其进行解析其是否合法，如果合法则解码得到代表传感器阵列的矩阵每个单元的值，根据矩阵状态在巡线状态码对应表（表2）中找到对应的状态码。

  表2

注：表2左边第一列表示代表传感器阵列的矩阵， 0表示位于导航磁条1线上的传感器输出的低电平，1表示不位于导航磁条1线上的传感器输出的高电平。

当然，状态码只是一种描述偏离摆正状态的量化方法，所以并不唯一。只是有些状态虽然偏离导航磁条1线较远，但是其偏差角度却很小，这时状态码就不需要太大，因为这时的对AGV左右轮的差速要求并不大，只是要求两者的基础速度都较快，而某些偏差角度大的可以直接将状态码设置大点这样便于及时纠正；对于离线时的状态码，因为左离线和右离线的状态是一样的（左离线和右离线时各个传感器的输出均为高电平），但是它们的上一时刻肯定不一样，因此需要根据上一时刻的状态来确定状态码，当然这样的状态可以适当取大点；如果多次采样仍然处于离线状态，这状态码需要自动增加，这样加大输入偏差，利于及时调整。

步骤4：巡线算法与执行单元将状态分析单元得到的状态码，得到左右电机速度的差值。

具体为：状态码将作为控制算法的输入，作为AGV自动巡线控制系统，要求摆动幅度不能太大、巡线精度较高、速度较快、能巡曲率较大的线，也就是对于自动控制系统而言，希望该系统的超调量小、静态误差小、动态响应快，但是这些要求有些本身就是矛盾，那么经过试验选择PID作为控制，经过整定的系数满足要求.

对于状态码摆正为0,左偏为负,右偏为正；把当前状态码偏差和偏差的偏差作为输入 (偏差的偏差是AGV这一时刻与上一时刻的状态码差值减去上一时刻与上上时刻的状态码差值所得) ，首先通过仿真和分析得到PID 参数的一个范围,对于AGV控制系统，是一种典型伺服机电控制系统，这样可以抽象理解为一阶惯性系统，因此可以知道大概一个P、I、D系数范围。由于AGV巡线偏差主要由巡线曲率引起，而曲率是随机和不稳定的，因此就控制系统而言，干扰是随机的阶跃激励，且幅值随机，故静态偏差是一直存在的，因此I必须存在，所以可以把输入偏差做一定平滑，对于控制系统要求超调量不能太大，不然会导致过大摆动幅度，所以要求D系数要大于I 系数结合实际确定。这里PID算法由于在单片机里进行，因此采用增量式PID，且采用整形数据运算，最通过右移得到小数运算。另外需要强调的是调整频率，首先是采样频率，经过采样频率大于计算处理、电机的执行频率，这里以最高采样频率为更新频率，而采样频率满足大于最高速度更新线宽频率两倍以上。如果由于干扰太大，一直在一定数量的周期内还处于离线状态，这停止当做离线故障处理。

步骤5：差速调整单元将巡线算法与执行单元得到的差，分别加减给左右电机速度控制上，继而转为PWM（Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制）的差值以改变占空比，最终调整电机的速度

步骤6：路口检测单元根据状态分析单元的状态查表得到路口类型，如表1所示。

当然实际中，路口传感器状态并非如表所述那么标准，因此需要对边缘一些状态做一定容错，这会大大增加路口检测频率。

步骤7： 通信单元将巡线的状态，如离线状态、差速状态等等通过RS232上报上位机。

经试验和产品运行反馈，本发明的优点有以下几点：

1.导航速度角度较高，最高可达0.6m/s，

2.摆动幅度较小，AGV车身小于3度，

3.在一定干扰下，可以在小于10个周期内返回线上，

4.在局部出现磁条损坏下，仍可巡线，

5.在有很厚的东西盖住磁条，AGV仍可以巡线，

6.路口检测率高达99%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于，所述适合AGV的磁导航系统，包括磁传感器模块，还包括磁传感器信号采集模块，巡线主板模块；其中

磁传感器模块由15个按照3行5列方式排列的磁传感器组成；

磁传感器信号采集模块包括：

信号采集单元：与磁传感器模块连接，用于采集TTL数据；

信号编码单元：用于对TTL信号进行编码；

电平转换和通信单元：用于将TTL信号转化为RS232电平传输至巡线主板模块；

巡线主板模块包括：

信号解码单元：与磁传感器信号采集模块连接，用于接收RS232电平信号，进行解码得到阵列中每个传感器的状态；

状态分析单元：用于分析AGV当前巡线状态和状态偏差趋势；

巡线算法与执行单元：用于计算并输出AGV左右轮的差速；

差速调整单元：用于将AGV左右轮的差速转为PWM的占空比，以调整电机的速度；

路口检测单元：用于检测路口类型；

通信单元：用于将AGV巡线的状态通过RS232上报上位机;

上述适合AGV的磁导航系统的导航方法包含以下步骤：

步骤1：采集磁传感器模块的TTL电平信号；

步骤2：磁传感器信号采集模块将TTL电平信号转化为RS232电平信号传输给巡线主板模块；

步骤3：巡线主板模块对信号进行解码后分析得到表示AGV当前行进状态的状态码；

步骤4：巡线主板模块根据得到的状态码，得到AGV左右电机速度的差值；

步骤5：差速调整单元将AGV左右电机速度的差值转为PWM的占空比，调整左右电机的速度；

步骤6：路口检测单元根据状态分析单元的状态得到路口种类状态；

步骤7：通信单元将巡线的状态通过RS232上报上位机。

2. 一种如权利要求1所述的一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于：步骤2中，磁传感器信号采集模块的信号编码单元，按照磁传感器模块传感器阵列的行列关系将15路TTL信号进行16进制编码成为3个字节后转化为RS232电平信号。

3.一种如权利要求1所述的一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于：步骤3中，磁传感器信号采集模块的信号解码单元开启一个定时器，不停地发送查询协议去查询传感器的状态，当接收RS232电平信号，对其进行解析其是否合法，如果合法则解码得到代表传感器阵列的矩阵每个单元的值。

4.一种如权利要求1所述的一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于：步骤3中，当AGV完全脱离导航磁条（1）时，属于离线状态，因为左离线和右离线的状态是一样的，但上一时刻状态不一样，因此需要根据上一时刻的状态来确定状态码。

5.一种如权利要求1所述的一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于：步骤4中，采用PID算法，把当前状态码偏差和偏差的偏差作为输入，通过仿真和分析得到PID 参数的一个范围, I必须存在，D系数要大于I 系数。

6.一种如权利要求1所述的一种适合AGV的磁导航系统的导航方法，其特征在于：步骤6中，可对传感器阵列边缘传感器单元的状态增加容错，以增加路口检测频率。