CN107132847A - 一种基于磁带导航的agv嵌入式控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统及控制方法，包括：AGV车载工控机、CAN现场总线、ARM7控制器、伺服驱动器、红外光电蔽障传感器及磁带传感器。通过磁带传感器获取位姿以及命令，经伺服驱动器调整直流电机输出；通过红外光电蔽障传感器为自动引导车提供障碍物触发信号，保证自动引导车的形式安全。本发明涉及一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统及控制方法，基于磁带导航技术，带上层监控管理软件系统，易于远程管理与托管；采用CAN总线与ARM7控制器，可靠性与稳定性好，利于系统功能扩展，便于产品升级换代，在现代化现场物流运输中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，特别是一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统及控制方法。
背景技术
自动导引车AGV(Automatic Guided Vehicle)是当代物流系统自动化、柔性化及智能化的关键角色，已成为现代物流系统不可或缺的设备。它是以电池为动力源，配备电磁、激光或摄像头等非接触式导航装置，齐备接触和非接触式多级安全模块，在控制器的控制下，以足够的精度沿着预定的轨迹安全高效地完成货物移载作业的智能移动机器人。
自主导航技术是AGV控制系统的关键组成部分，常见的导航方式包括磁导航、激光导航与视觉导航，其中磁导航又可细分为电磁感应导航与磁带导航。磁带导引的控制精度不如激光导引，但是控制简单，成本低；相较电磁感应导引，磁带导引的灵活性可以得到较好的保证；至于视觉导引，由于导航作业中容易受光线及赃物等周围环境的影响，适应性差。
AGV车载控制系统在架构上可以分为两大类，一种基本的架构模式为“单微控制器+外围设备”。把集成在单微控制器上的普通数字IO接口、A/D接口、D/A接口、PWM接口、LCD显示接口及通信接口直接与车载电机驱动器、蔽障传感器及显示屏等相连。此系统架构由于只使用单微控制器，因此控制系统具有低功耗、结构紧凑与成本低廉等特点，在一定程度上是可行的。但是从AGV产品的长远发展角度来看，它展现出了许多致命缺陷。首先在系统稳定性上，微控制器把所有功用集于一身，长期处于高负荷工作，容易牵一发而动全身，导致系统无法正常工作；其次在系统实时性上，难以同时提供高时钟频率去发送AGV车载的控制速度、接收车载位姿数据与读取写入IO状态等，系统整体响应速度慢；再次在系统可管理性上，难于操控作业中的AGV与分析其工作性能；最后在系统的可扩展性上，难以从原控制系统裁剪或分配出额外资源来扩展新功能，无法同时满足现实工作的不同需要。另外一种改进的架构模式为“带监控管理系统的工控机+多微控制器+外围设备”。由于国内对AGV的研究与应用起步晚，我国AGV技术发展不够成熟，改进型的AGV系统架构模式虽然正逐渐被相关厂家与机构所研发引入，但还远远不能满足实际生产需要，本发明正是基于此来开发研究的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统及控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，包括：
设置于自动引导车上的AGV车载工控机、CAN现场总线单元与ARM7控制单元；所述ARM7控制单元经所述CAN现场总线单元与所述AGV车载工控机相连；
设置于自动引导车左侧且用于驱动左侧驱动轮的左侧直流电机，分别与所述左侧直流电机相连的左侧伺服驱动器以及左侧直流电机编码器；所述左侧伺服驱动器以及左侧直流电机编码器还与所述ARM7控制单元相连，所述左侧直流电机编码器还与所述左侧伺服驱动器相连；
设置于自动引导车右侧且用于驱动右侧驱动轮的右侧直流电机，分别与所述右侧直流电机相连的右侧伺服驱动器以及右侧直流电机编码器；所述右侧伺服驱动器以及右侧直流电机编码器还与所述ARM7控制单元相连，所述右侧直流电机编码器还与所述右侧伺服驱动器相连；
设置于自动引导车前侧的前侧红外光电蔽障传感器，设置于自动引导车后侧的后侧红外光电蔽障传感器，所述前侧红外光电蔽障传感器与所述后侧红外光电蔽障传感器均与所述ARM7控制单元相连；
设置于自动引导车前侧中部底端的磁带导航传感器以及设置于自动引导车后侧底端的磁带命令传感器，所述磁带导航传感器与所述磁带命令传感器均与所述ARM7控制单元相连。
在本发明一实施例中，所述AGV车载工控机包括一PC/104总线接口，所述ARM7控制单元包括一CAN总线接口，所述ARM7控制单元通过该CAN总线接口经所述CAN现场总线单元，连接至所述AGV车载工控机的PC/104总线接口。
在本发明一实施例中，所述AGV车载工控机还包括一USB接口，所述AGV车载工控机经该USB接口与一外置USB无线网卡相连；所述外置USB无线网卡与一外部客户端计算机通过无线局域网匹配。
在本发明一实施例中，所述ARM7控制单元包括一定时器电路，所述左侧伺服驱动器与该定时器电路的第一PWM接口相连，所述右侧伺服驱动器与该定时器电路的第二PWM接口相连，所述左侧直流电机编码器与该定时器电路的第一增量式编码器接口相连，所述左侧直流电机编码器与该定时器电路的第一增量式编码器接口相连，所述右侧直流电机编码器与该定时器电路的第二增量式编码器接口相连。
在本发明一实施例中，所述ARM7控制器单元还包括一通用IO电路，所述前侧红外光电蔽障传感器与该通用IO电路中的第一通用IO接口相连，所述后侧红外光电蔽障传感器与该通用IO电路中的第二通用IO接口相连，所述磁带导航传感器与该通用IO电路中的第三通用IO接口相连，所述磁带命令传感器与该通用IO电路中的第四通用IO接口相连。
在本发明一实施例中，所述ARM7控制单元包括复数个ARM7控制器。
在本发明一实施例中，所述CAN现场总线单元为一双路CAN接口板卡。
还提供一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统的控制方法，启动所述AGV车载工控机，开始进行磁带跟踪；所述ARM7控制单元以第一预设周期实时读取所述磁带导航传感器采样点信号，确定自动引导车的当前中心与磁带中心的偏距，获取当前跟踪信息；所述ARM7控制单元根据当前中心与磁带中心的偏距，以第二预设周期调节所述左侧伺服驱动器以及所述右侧伺服驱动器的输出信号，调整对应的驱动电机转速，调整自动引导车的磁带跟踪位姿，所述左侧直流电机编码器以及所述右侧直流电机编码器上传当前的电机速度信息与位置信息，获取当前车载位姿信息；当所述ARM7控制单元接收到所述磁带命令传感器的命令信号时，根据命令信号执行对应的功能命令；当所述ARM7控制单元接收到来自所述前侧蔽障传感器或后侧蔽障传感器的障碍物触发信号时，停止前行或停止后退至障碍物消失。
在本发明一实施例中，所述第一预设周期为5ms，所述第二预设周期为1ms，所述磁带导航传感器采样点信号为16个。
在本发明一实施例中，还包括一通过一与所述AGV车载工控机相连的外置无线网卡与所述AGV车载工控机匹配的外部客户端计算机；所述ARM7控制单元将障碍物触发信号、当前跟踪信息与当前车载位姿信息通过所述CAN现场总线单元反馈至所述AGV车载工控机，并在所述外部客户端计算机上实时显示AGV的动态跟踪行为。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用“带监控管理系统的工控机+多ARM7微控制器+外围设备”的三级AGV嵌入式控制系统架构，每一级、级间都体现了资源的优化配置：
1.在工控机上外插USB无线网卡，与外部计算机建立起无限局域网，用户可远程登陆工控机，以工控机上的AGV监控管理系统客户端软件来监控管理AGV车载系统，极大地增强了系统的可管理性与可交互性；工控机上提供PC/104接口，用于插接双路CAN接口卡。此种接口扩展性强、可靠性好、能耗低且空间资源利用率高，有助于简化系统的复杂性设计。
2.工控机与底层ARM7微控制器间采用CAN现场总线通信，通信速率最高可达1Mbps，保证了通信的实时性。随着AGV控制系统的智能化与复杂化发展，系统的控制设备模块将越来越多，CAN现场总线控制有助于简化模块之间通信系统的建立，且保证系统具有好的可靠性。一对CAN通信双绞线上可以挂接多个模块，布线简便，安装快速；将具体的控制过程下放到现场，建立了一种真正彻底的分布式控制系统，有利于AGV控制系统稳定性的增强。
3.ARM7微控制器软硬件资源丰富，功能强大，简化并加速了控制系统的开发过程。以STM32为例，通用数字IO口支持多种工作模式，比如推挽输出，上拉输入与浮空输入等，为接收红外光电蔽障传感器和磁带传感器的数字状态信号提供了友好的接口；定时器提供了丰富的硬件功能，可产生PWM给驱动器，也可以增量式编码器接口模式接收编码器AB相信号。带有CAN通信模式，拥有完善的硬件过滤器，具有充足的缓冲器内存来发送与接收数据。可倍频，运算处理速度快。
4.磁带传感器与红外光电蔽障传感器以数字信号方式输出，功耗低且开发简单方便。命令磁带传感器具有两个信号采样点，根据接收信号的极性与次序进行组合，可产生丰富的特殊功能指令，足以满足实际作业需要。红外光电蔽障传感器带有灵敏度调节旋钮，根据AGV作业需求可设定障碍物的有效距离，此外它的响应速度快。
5.数字式伺服驱动器体积小巧、安装方便且调试简单，对编码器反馈信号进行分频，提高了速度位置控制精度，此外还能够有效地对直流电机进行过载、短路和欠压等安全保护。直流伺服电机是AGV控制系统的执行末端，具有位置精度高及响应速度快等特点。
附图说明
图1为本发明中磁带导航AGV嵌入式控制系统连接图。
图2为本发明中ARM7微控制器外设连接图。
图3为本发明中AGV车载工控机外设连接图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，如附图1所示，主要包括带上层监控管理软件的AGV车载工控机、CAN现场总线、底层ARM7控制器、红外光电蔽障传感器、磁带传感器、分别用于驱动对应直流电机的数字式伺服驱动器以及用于检测直流电机的编码器。双路CAN接口板卡通过PC/104总线插接于AGV车载工控机，通过手动配置该板卡在工控机上占用的内存与中断请求号后即可使用。底层ARM7控制器及与AGV车载工控机间，以CAN现场总线相互连接，从而实现整个车载系统的实时交互通信。电机增量式编码器与伺服驱动器之间以单端方式连接外，还与底层ARM7控制器相连，用于调节电机转速与接收电机的速度与位置信息。红外光电蔽障传感器安装于AGV车载前后，遵循“遇障即停，无障则行”原则。用于跟踪磁带的导航传感器固定在AGV车载正前端底部，命令传感器用来检测特殊功能命令指示，安装在正后侧底部，且皆连接于底层ARM7控制器。
进一步的，在本实施例中，底层ARM7控制器采用基于ARM7的控制器，且复数个ARM7控制器。如图2所示，包括CAN总线单元、定时器单元与通用IO单元等。底层ARM7控制器通过CAN总线单元与车载工控机相连，用于与其它控制器及上位机间的通信。底层ARM7控制器通过定时器单元输出变频PWM给对应的直流电机伺服驱动器，用于对各电机的变频调速。底层ARM7控制器与对应设置于各直流电机处的编码器通过定时器单元的增量式编码器接口模式相连，用于接收AGV当前的位置速度值，确定出AGV的当前位姿。红外光电蔽障传感器连接在底层ARM7控制器的通用IO单元上，信号以外部中断触发方式被底层ARM7控制器接收。磁带导航传感器与底层ARM7控制器的通用IO单元相连，底层ARM7控制器以5ms周期实时扫描IO单元方式读取导航传感器16个采样点的信号状态，以此确定出AGV中心与磁带中心的偏距。磁带命令传感器由两个采样点组成，接于底层ARM7控制器的通用IO单元，信号以有序触发外部中断方式被底层ARM7控制器接收，每种命令由一组三次有序中端信号组成。
进一步的，在本实施例中，AGV车载工控机上带有PC/104与USB接口，如图3所示，USB接口与外置无线网卡相连，外部客户端计算机与工控机通过无线局域网相连，从而外部用户便可远程登陆AGV车载工控机，通过工控机上的上层监控管理软件来监控管理AGV。AGV车载工控机与双路CAN接口卡通过PC/104总线相连，用于实现工控机与底层ARM7微控制器间的数据通信。
进一步的，在本实施例中，为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的系统，下面结合该系统的控制方法进行具体说明。该基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统的工作过程：通过搭载于AGV车载工控机中的上层监控管理系统启动AGV，以自主跟踪导航模式开始进行磁带跟踪。底层ARM7控制器以周期5ms实时读取磁带导航传感器的16个采样点信号，确定出AGV的当前中心偏距。底层ARM7控制器根据当前偏距，以1ms周期不断调节改变PWM频率给伺服驱动器，调整AGV的驱动电机转速，改良AGV车载的磁带跟踪位姿。当底层ARM7控制器接收到来自磁带命令传感器的信号时，根据命令信息执行装载及卸载等特殊功能命令。当底层ARM7控制器接收到来自蔽障传感器的障碍物触发信号时，停止前行或后退至障碍物消失。同时，底层ARM7控制器把蔽障信息、当前跟踪信息与车载位姿信息等通过CAN总线反馈给上层监控管理系统，在上位机或外部客户端计算机上实时显示AGV的动态跟踪行为。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，包括：
设置于自动引导车上的AGV车载工控机、CAN现场总线单元与ARM7控制单元；所述ARM7控制单元经所述CAN现场总线单元与所述AGV车载工控机相连；
设置于自动引导车左侧且用于驱动左侧驱动轮的左侧直流电机，分别与所述左侧直流电机相连的左侧伺服驱动器以及左侧直流电机编码器；所述左侧伺服驱动器以及左侧直流电机编码器还与所述ARM7控制单元相连，所述左侧直流电机编码器还与所述左侧伺服驱动器相连；
设置于自动引导车右侧且用于驱动右侧驱动轮的右侧直流电机，分别与所述右侧直流电机相连的右侧伺服驱动器以及右侧直流电机编码器；所述右侧伺服驱动器以及右侧直流电机编码器还与所述ARM7控制单元相连，所述右侧直流电机编码器还与所述右侧伺服驱动器相连；
设置于自动引导车前侧的前侧红外光电蔽障传感器，设置于自动引导车后侧的后侧红外光电蔽障传感器，所述前侧红外光电蔽障传感器与所述后侧红外光电蔽障传感器均与所述ARM7控制单元相连；
设置于自动引导车前侧中部底端的磁带导航传感器以及设置于自动引导车后侧底端的磁带命令传感器，所述磁带导航传感器与所述磁带命令传感器均与所述ARM7控制单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述AGV车载工控机包括一PC/104总线接口，所述ARM7控制单元包括一CAN总线接口，所述ARM7控制单元通过该CAN总线接口经所述CAN现场总线单元，连接至所述AGV车载工控机的PC/104总线接口。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述AGV车载工控机还包括一USB接口，所述AGV车载工控机经该USB接口与一外置USB无线网卡相连；所述外置USB无线网卡与一外部客户端计算机通过无线局域网匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述ARM7控制单元包括一定时器电路，所述左侧伺服驱动器与该定时器电路的第一PWM接口相连，所述右侧伺服驱动器与该定时器电路的第二PWM接口相连，所述左侧直流电机编码器与该定时器电路的第一增量式编码器接口相连，所述左侧直流电机编码器与该定时器电路的第一增量式编码器接口相连，所述右侧直流电机编码器与该定时器电路的第二增量式编码器接口相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述ARM7控制器单元还包括一通用IO电路，所述前侧红外光电蔽障传感器与该通用IO电路中的第一通用IO接口相连，所述后侧红外光电蔽障传感器与该通用IO电路中的第二通用IO接口相连，所述磁带导航传感器与该通用IO电路中的第三通用IO接口相连，所述磁带命令传感器与该通用IO电路中的第四通用IO接口相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述ARM7控制单元包括复数个ARM7控制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统，其特征在于，所述CAN现场总线单元为一双路CAN接口板卡。
8.一种基于权利要求1所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统的控制方法，其特征在于，启动所述AGV车载工控机，开始进行磁带跟踪；所述ARM7控制单元以第一预设周期实时读取所述磁带导航传感器采样点信号，确定自动引导车的当前中心与磁带中心的偏距，获取当前跟踪信息；所述ARM7控制单元根据当前中心与磁带中心的偏距，以第二预设周期调节所述左侧伺服驱动器以及所述右侧伺服驱动器的输出信号，调整对应的驱动电机转速，调整自动引导车的磁带跟踪位姿，所述左侧直流电机编码器以及所述右侧直流电机编码器上传当前的电机速度信息与位置信息，获取当前车载位姿信息；当所述ARM7控制单元接收到所述磁带命令传感器的命令信号时，根据命令信号执行对应的功能命令；当所述ARM7控制单元接收到来自所述前侧蔽障传感器或后侧蔽障传感器的障碍物触发信号时，停止前行或停止后退至障碍物消失。
9.根据权利要求8所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统的控制方法，其特征在于，所述第一预设周期为5ms，所述第二预设周期为1ms，所述磁带导航传感器采样点信号为16个。
10.根据权利要求8所述的一种基于磁带导航的AGV嵌入式控制系统的控制方法，其特征在于，还包括一通过一与所述AGV车载工控机相连的外置无线网卡与所述AGV车载工控机匹配的外部客户端计算机；所述ARM7控制单元将障碍物触发信号、当前跟踪信息与当前车载位姿信息通过所述CAN现场总线单元反馈至所述AGV车载工控机，并在所述外部客户端计算机上实时显示AGV的动态跟踪行为。
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