CN202093392U - 一种agv系统的硬件平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种AGV系统的硬件平台，包括由LIN总线双向数据通信相连的一个主节点和三个从机节点，且三个从机节点相互独立，均具有用于与主节点基于LIN总线通信的LIN接口模块和特定的本地标识符；其中主节点包含主控制板、LIN接口模块、红外循迹模块、电机驱动模块及供能模块；而三个从机节点分别包含控制并反馈AGV运行以及采集轨迹信息供主节点程序处理的从控制板、超声波避障模块、温度检测模块、小车加速度测倾模块、小车红外左轮测速模块、电量检测模块和小车红外右轮测速模块。本实用新型利用LIN总线技术实现AGV系统中传感器之间的连接，不仅能够减少线束，降低维护成本，而且由于其高可靠性和高抗干扰性，也能使整个系统更加可靠稳定。

Description

一种AGV系统的硬件平台

技术领域

本实用新型涉及一种电气控制平台，尤其涉及一种将LIN总线技术应用于物流小车自动引导的硬件控制平台。

背景技术

·AGV的发展情况及应用前景：

AGV是自动导引小车(Automated Guided Vehicle)的英文缩写。根据美国输送物流协会定义，AGV是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车。AGV是先进制造系统的重要组成部分，为系统柔性化，集成化，高效运行提供了重要保证。它是集机械、电子、计算机及现场总线等技术于一体的集成化智能运输设备。

随着电子和控制技术的发展，AGV的技术也在不断进步，AGV系统正在朝着性能更优越、更廉价、自由度更高、功能更加丰富和完善的方向发展，其应用领域也在不断扩展。这种十几年前只是用作工厂内的物流输送设备，现在已经不仅仅局限于工厂之内，已成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。近年来，AGV在日本、美国、德国、比利时、瑞典等国家发展很快，有的工厂已实现从材料管理到生产成品全过程的自动导引车系统。特别是日本，AGV的总台数，每年以20％的比率增长。随着生产自动化的高度发展和柔性生产系统的要求，研制出适合国情的低成本、高可靠性、适度柔性化的AGV系统将带来巨大的经济效益和社会效益。

·现场总线发展情况及应用前景：

IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工技术委员会)对现场总线一词的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。它是一项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，是当今自动化领域发展的热点，被誉为自动化领域的局域网。由于众多领域需求各异，加上商业利益的驱使，这使得统一的现场总线标准至今仍未完成。目前国际上存在几十种现场总线标准，比较流行的有FF(基金会现场总线)、CAN(控制器局域网)、LIN、Profibus等。各种总线均有自己的特点，已在不同应用领域形成了各自的优势。

LIN总线是由国际上著名的汽车厂商，宝马、戴姆勒-克莱斯勒、大众、沃尔沃联合半导体制造商摩托罗拉公司、技术工具支持商VCT公司所组成的联营企业而开发的一种高性能串行通信协议。于2000年11月正式发布了LIN1.2规范。LIN作为面向低端通讯的一种协议，具有低成本、高可靠性、高抗干扰性、实现简单等优点。它主要应用在通信速率要求不高但对价格敏感的场合，如车身电控单元集成、将智能执行器和传感器连接到车身主体网络等。作为一种新兴的总线协议，LIN已经越来越多的被应用到了汽车行业和工业场合中。目前，LIN协议应用开发的热点集中在美国、欧洲和日本。随着车上总线节点的增加、高性能系统向中低档汽车的发展以及自动化领域对产品成本的控制，CAN总线相对较高的实现成本就成为一种障碍，LIN总线受到越来越多的青睐。

·常见的几款AGV特点分析与比较：

从引导方式比较来看：

目前常见的几款AGV按照其自动行驶过程中的导引方式，主要分为四种：电磁导引式AGV，视觉导引式AGV，激光导引式AGV，超声导引式AGV，其导引方式比较如表1所示。

表1

由表中可以看出，这四种常用导引方式虽然各有特点，但是普遍存在成本较高、柔性较低、实现复杂等问题，这使得它们难以得到广泛推广。

从控制方式比较来看：

AGV控制系统的控制方式主要有集中控制方式与分布式控制方式两种，如图1所示。目前国内市场的AGV系统多采用传统的集中控制方式，这种方式大多采用点对点的单一通信，各个模块功能由主控芯片集中处理，模块相互之间很少有联系。随着AGV系统趋向于智能化、网络化，系统的功能也更加丰富和完善，控制系统需要连接的功能模块越来越多，而主控芯片资源有限，这样不仅增加了系统的复杂性，使布线系统变大越来越庞大，而且使系统维护更加困难。

在控制系统上引入总线技术实现分布式控制，则可以很好的解决这个问题，它可以使各个模块之间更加独立，但联系更为方便，使整个系统易于维护和扩展。表2中给出了两种控制方式的特点比较。

表2

通过以上对AGV的导引方式与控制方式两方面的分析与比较，可以看出，目前市售的多款AGV虽然各有特点，但是由于造价高昂、维护困难、柔性较低、工艺复杂，导致不能在各类工矿企业、办公环境中得到广泛的应用。

实用新型内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是提出一种AGV系统的硬件平台，解决传统AGV由于多方面缺陷而不适于推广应用的问题。

本实用新型的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种AGV系统的硬件平台，其特征在于所述AGV控制平台为分布式结构，包括由LIN总线双向数据通信相连的一个主节点和三个从机节点，且第一从机节点、第二从机节点和第三从机节点相互独立，均具有用于与主节点基于LIN总线通信的LIN接口模块和特定的本地标识符；其中所述主节点包含主控制板、LIN接口模块、红外循迹模块、电机驱动模块及供能模块；所述第一从机节点包含第一从控制板、超声波避障模块和温度检测模块；所述第二从机节点包含第二从控制板、小车加速度测倾模块和小车红外左轮测速模块；所述第三从机节点包含第三从控制板、电量检测模块和小车红外右轮测速模块。

进一步细化来理解上述构建模块：

1、主控制板和从控制板：

主控制板是控制系统的核心部分，用于综合控制各个功能模块的执行，本设计中选用Freescale半导体公司新型的16位MCU MC9S12XDP512作为主控制芯片，这是一款低功耗、高性能、资源比较丰富的MCU，主要应用于汽车电子与工业领域。主控制板就是由该芯片构成的一个最小系统。

从控制板是控制系统的重要组成部分，它用于辅助主控芯片来实现其它功能模块，为主控芯片节省资源，从而提高主控制模块的执行效率。从控制板主要是由Freescale半导体公司8位MCU MC68HC908QL4构成的最小系统，这是一款适用于面向高性能、低成本的嵌入式控制领域的MCU，它较低的实现成本正能够满足系统设计的要求。

2、LIN接口模块：

LIN接口模块是主从控制模块之间的桥梁，通过它来实现主从之间的通信。选用LIN不仅是因为它是一种新型的工业总线，主要是由于它具有低成本的优势。它适合于节点数目不多的工业场合。

LIN接口模块选用了Freescale公司推出的单线物理接口器件MC33399作为控制芯片。该芯片具有低功耗，高性能，抗干扰能力强等优势。能够满足实际需求。

3、超声波模块：

超声波模块用于在小车行进过程中探知周围的障碍物信息，在检测到一定距离内有障碍物时及时向主控制模块发出信号，从而避免碰撞。超声波模块通过发射探头不断发射声波，在传播途中碰到障碍物时会反射回来被接收探头收到，利用声波发射和接收的时间差就可以计算出当前小车与障碍物的距离。

4、红外模块：

红外模块作为系统的“眼睛”，实现对小车进行循迹导航和测速功能。

当作为循迹功能时，该模块通过安装在小车前端的八对红外传感器来综合进行循迹，每对红外传感器由发射器和接收器组成，发射器发射红外线，当红外线遇到浅色物体时会反射回到接收器，而当红外线遇到深色物体时则被吸收而不会反射回到接收器，利用这个特点，就可以在浅色的地板上检测深色的轨迹，在模块检测到轨迹后将数据反馈到主控芯片，由主控芯片处理，从而控制转向电机作出相应的操作，实现小车沿迹行走。

当作为测速功能时，红外模块用于检测小车驱动轮的转速，本设计中通过记录在一定时间内车轮转过的角度，从而确定当前转速。在设计初期该模块用于测试电机的最大转速以及输出的PWM脉冲值所对应的转速；在设计后期则用于根据反馈的速度值来修正输出的PWM脉冲值，从而保证小车按一定速度能沿迹稳定行走。

5、电机驱动模块：

电机驱动模块是系统的执行机构，它主要用于驱动主动轮的直流减速电机以及载物台的涡轮减速电机。

6、其它功能模块：

以上所述的都是AGV系统比较重要的组成模块，除此之外还有加速度模块，电量检测模块，温度检测模块以及语音告警模块。这些模块与上面五个模块共同构成了控制系统。

应用实施本实用新型的一种AGV系统的硬件平台，其显著的效果为：

利用LIN总线技术这种新型的、低成本高性能的通信协议，实现AGV系统中传感器之间的连接，不仅能够减少线束，降低维护成本，而且由于其高可靠性和高抗干扰性，也能使整个系统更加可靠稳定。

以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是两种AGV控制系统控制方式示意图；

图2是本实用新型AGV控制平台的系统框架图；

图3是图2所示AGV控制平台进一步详细的系统框图；

图4是本实用新型主控制板的最小硬件连接图；

图5是本实用新型LIN总线接口模块的硬件电路示意图；

图6是本实用新型电机驱动模块的硬件电路示意图；

图7是本实用新型主控制板的芯片保护电路示意图；

图8是本实用新型红外循迹模块信号接收与发射电路示意图。

具体实施方式

自动导引小车(Automated Guided Vehicle，AGV)是先进制造系统的重要组成部分。本实用新型是设计了一款适合国内中小型企业使用的低价位、系统可靠实用、便于维护扩展的AGV控制平台。

LIN总线技术作为一种新型的低成本高性能的通信协议，非常适合用于对成本敏感的工业场合，系统将低成本的新型工业总线LIN总线技术引入控制系统，构建分布式总线结构由它实现AGV系统中传感器之间的连接，不仅可以减少线束，降低维护成本，而且由于其高可靠性和高抗干扰性，也可以使整个系统更加可靠稳定。而对LIN协议的应用研究也具有很高的价值。

本实用新型实现了基于LIN总线的AGV系统的控制平台设计。通过LIN总线构建控制平台，实现了对三个节点的任务调度算法，并对AGV的循迹采用了光照的自适应的方法。

一、本实用新型AGV控制平台设计的性能指标及框架结构：

要求AGV能够沿固定轨迹宽度为5cm的黑色导引带载重自动循迹行走，能够自动避障，在检测到坡度，车身倾斜时或者检测到蓄电池电量不足时，系统能语音报警提示。系统在到达停止线后能够停止行驶并完成自动卸货。在特殊情况下，AGV可以转为手动模式，由键盘操纵行走。系统性能指标参见表3：

表3

鉴于系统设计的实际指标，本实用新型中计划使用最少的机械部件、选用性价比较高的功能模块与控制方式研制AGV。本设计采用光学导引方式，使用红外传感器引导，这种方式不仅引导轨迹铺设成本很低，易于维护，而且实现简单，精度较高。为了降低系统维护成本，使系统功能更加可靠稳定，并且方便对功能的扩展，本实用新型中将LIN总线技术应用到了控制系统中，系统采用分布式控制，如图2所示。

二、AGV控制平台的硬件构成：

该AGV控制平台的控制系统是整个AGV系统的关键，它的设计直接决定着系统的运作效率。控制系统主要由主从控制板，LIN接口模块及其它功能模块等组成。如图3所示，系统通过四个节点由LIN总线互连组成。其中，主节点部分主要由主控制板、红外循迹模块，LIN接口模块，语音告警模块，电机驱动模块以及手持式编程器等组成。第一从机节点包含第一从控制板、超声波避障模块和温度检测模块；所述第二从机节点包含第二从控制板、小车加速度测倾模块和小车红外左轮测速模块；所述第三从机节点包含第三从控制板、电量检测模块和小车红外右轮测速模块。三个从机节点均具有与主节点相匹配的LIN接口模块。

以下便从上述硬件结构中的主控制板、LIN总线接口模块、电机驱动模块和红外传感模块等方面的硬件结构，进一步理解其设计原理：

1、主控制板的最小硬件设计：

主控制板是控制系统的核心部分，用于综合控制各个功能模块的执行，本设计中选用Freescale半导体公司新型的16位MCU MC9S12XDP512作为主控制芯片，这是一款低功耗、高性能、资源比较丰富的MCU，主要应用于汽车电子与工业领域。主控制板就是由该芯片构成的一个最小系统。

主控芯片的支撑电路设计好后，接下来需要解决用户程序的写入问题。随着微处理器制造工艺的提高，现在一些高端微处理器内部已经包含了用于调试的微代码，都可以通过单线背景调试模式BDM(Background Debug Mode)进行调试。由于这种方法省去了仿真器，因此避免了高频操作、交直流电的不匹配等问题，而且随着BDM标准的不断规范和普及，用BDM调试模式进行嵌入式开发已经成为一种首选。Freescale公司近年来推出的16位S12系列和S12X系列MCU，均支持BDM调试方式。BDM调试方式为开发人员提供了底层的调试手段，开发人员可以通过它向空白目标板下载程序，同时也可以通过BDM调试器对目标MCU的Flash进行写入、擦除等操作。本设计中，使用通用BDM写入器来完成实验程序的下载和调试。

上述MC9S12XDP512最小系统设计为一个包括了SCI模块电路、支撑电路以及BDM连接头电路的系统。其硬件连接如图4所示：

(1)支撑电路：支撑电路为MC9S12XDP512提供+5V直流工作电压以及16MHz的时钟工作频率。

(2)复位电路：MC9S12XDP512的复位引脚RESET平时被10K电阻外部上拉到+5V，为高电平；当按下复位按扭时，通过51Ω电阻被拉到地，变低电平，芯片复位。

(3)SCI电平转换电路：MC9S12XDP512集成6个支持LIN总线的SCI模块，TTL电平转换芯片MAX232的8(R0IN)、13(R1IN)、7(T0OUT)、14(T1OUT)分别为232电平的接收与发送引脚。当MCU需要往外发送数据时，MCU的TXD0、TXD1(TTL电平)信号经过MAX232的10(T0IN)、11(T1IN)送到MAX232内部，在内部TTL电平被“提升”为232电平，通过7(T0OUT)、14(T1OUT)发送出去；当外部有数据发往MCU时，外部232电平经过MAX232的8(R0IN)、13(R1IN)进入到MAX232的内部，在内部232电平被“降低”为TTL电平，经过9(R0OUT)、12(R1OUT)送到MCU的RXD0和RXD1，进入MCU内部。

(4)BDM连接头电路：置MC9S12XDP512的BKGD引脚为低电平，然后给芯片的RESET引脚加低电平，即给芯片复位，复位脉冲要足够宽，至少要大于芯片的512个时钟周期。本设计中是采用Freescale公司的MC68HC908JB8MCU制作BDM调试头，用其PTA0和PTA1口来控制目标芯片的RESET和BKGD引脚。此方法是通过软件编程的方式使芯片进入BDM模式。接下来，底层的发送和接收数据通过从MC68HC908JB8的I/O口向目标芯片的BKGD引脚打时序信号进行单线通信。

2、LIN总线模块的硬件设计：

LIN总线模块硬件电路如图5所示，MC33399供电电源输入端是Vsup引脚，输入电压为12V。RX、TX是LIN收发器与MCU的SCI通信的引脚，LIN收发器从总线上接收到报文并将数据存放在接收器中，通过RX传输到MCU的SCI口；LIN收发器通过TX接收来自MCU的数据报文并将它存放在发送器中，再通过LIN引脚发送到总线上。其中LIN引脚用于完成单总线收发功能。TX引脚则用于控制LIN引脚的输出状态，工作时，这两引脚的状态始终保持一致。

而RX引脚则可用来显示LIN总线的状态，LIN总线呈现高电平(隐性)时，RX为高；反之，LIN总线为低电平(显性)时，RX为低。RX输出为典型的CMOS推挽输出结构。芯片的EN引脚是LIN收发器的选通输入端，与MCU相连由MCU控制MC33399的工作模式：EN＝1，芯片处于正常工作模式(Normal Mode)状态，正常收发LIN报文；EN＝0，芯片从正常工作状态进入睡眠模式(即低功耗模式)。

图中LT1121芯片是一款开关型电源转换芯片。它由MC33399的INH引脚控制，当芯片处于正常工作模式时，INH可用于抑制高端开关打开，外部电源管理器使能，LT1121芯片正常输出5V给MCU供电；当芯片处于睡眠模式时，INH抑制高端开关关闭，外部电源管理器禁止，此时LT1121芯片不输出5V电压。

3、电机驱动模块的硬件设计：

电机驱动模块是小车运作的基础，由于驱动电机所需的电压为24V，而主控制板I/O口输出信号的高电平为5V，所以通过主控制板是不能直接驱动电机的，在两者之间必须通过驱动板相连。实际设计中使用了三个电机(两个后轮驱动电机，一个卸货驱动电机)，分别采用三个直流减速电机的驱动模块来驱动。

直流减速电机驱动模块的硬件电路图如图6所示，MC33887的第4、5、16脚作为芯片工作电压的正极输入端，电压范围为5V～40V。芯片的Enable脚用于控制芯片的工作状态，当该引脚为高电平时芯片正常工作，当为低电平时芯片停止工作进入睡眠模式。芯片的IN1和IN2脚，用于接收主控芯片发来的脉冲信号从而控制电机的转速和方向。主控芯片通过IN1和IN2引脚将相位相反的两个脉冲信号输出给电机，当脉冲信号的正脉宽大于负脉宽时，电机得到正向的平均电压，电机正向旋转；正脉宽越宽，电机得到正向的平均电压越高，电机正向转速越快。同样，当脉冲信号的负脉宽大于正脉宽时，电机得到负向的平均电压，电机反向旋转；负脉宽越宽，电机得到负向的平均电压越高，电机反向旋转越快。这样通过主控芯片输出不同脉宽的脉冲信号即可达到调速，换向的目的。

芯片的OUTPUT脚6脚和7脚连接，生成OUT1脚，14脚和15脚连接，生成OUT2脚，此两脚是驱动器输出端，用来连接负载。由于电机是感性负载，所以要在MC33887的输出端接四个快速二极管IN5822组成续流电路，将电机产生的感应电流消耗，防止对电路产生影响。

以左后轮的电机驱动模块为例，MC33887的Enable、IN1和IN2引脚分别接主控芯片MC9S12XDP512的PTA0、PWM1和PWM2引脚，通过这三个I/O口的信号输出来控制电机的转速和方向。但是由于电机驱动电路工作时电流非常大，为了避免烧毁主控电路，需要在这两个电路之间加一个如图7所示的主控芯片保护电路。如图所示，只需在DP512的I/O引脚与MC33887的控制引脚之间加上肖特极二极管IN4148，即可起到保护控制端电路的目的，肖特极二极管IN4148用于嵌压，使DP512的I/O引脚电压保持在5.7V，当MC33887三个控制引脚产生24V的反向电压时，二极管IN4148正向导通，由于4.7K电阻的存在，使得反向电流非常小，因此保护了后端电路。

4、红外模块的硬件设计：

红外模块使用了十对红外反射式光电传感器，其中八对固定在小车前方用于感知周围环境实现循迹，两对用于测速，测速模块用于检测小车车轮的转速，通过记录在一定时间内车轮转过的角度，从而确定当前转速。系统采用红外反射光强法进行测量，其原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号后送外部采样。

红外传感器的电路有很多种，在这里为了安装调试方便，作者采用了图8的电路形式。模块的第2引脚供主控芯片采样。

当作为循迹模块使用时，八对红外传感器分别占用了八路AD通道。图中过红外发射管的电阻R2可用于调节发射管强度，阻值越小，红外发射二极管发射红外光能量越强，其与循迹路线的距离就越大，但阻值不能过小，否则电流过大会烧坏红外二极管。本设计中R2、R1分别选用100Ω、1MΩ的阻值，经多次实验证明，它的反射距离在5～6cm范围内。

当作为测速模块使用时，每对红外模块检测一个车轮的转速。在车轮上固定了带凹槽的码盘，一对红外模块中的发射管与接收管分别位于码盘两侧。电路中R2选用100Ω阻值，通过与发光二极管串联后加上5V电压降，光敏三极管接成共射放大电路，负载电阻R1选择为10KΩ，当红外模块对应码盘的凹槽时，由于无障碍物遮挡，光敏三极管导通，输出为0，而当有障碍物时，光敏三极管截至，输出为1。实际测量中发现在小车车轮转动时传感器输出为近似正弦波，但这对单片机读取脉冲信号没有影响，为了防止信号的随机抖动，在信号的输出端加上了一个去耦电容，容值为0.1μF，通过实验证实，在这样的情况下能十分准确地读取脉冲信息。

综上，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本本实用新型实质性特征的，而非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变形都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种AGV系统的硬件平台，其特征在于所述AGV控制平台为分布式结构，包括由LIN总线双向数据通信相连的一个主节点和三个从机节点，且第一从机节点、第二从机节点和第三从机节点相互独立，均具有用于与主节点基于LIN总线通信的LIN接口模块和特定的本地标识符；其中所述主节点包含主控制板、LIN接口模块、红外循迹模块、电机驱动模块及供能模块；所述第一从机节点包含第一从控制板、超声波避障模块和温度检测模块；所述第二从机节点包含第二从控制板、小车加速度测倾模块和小车红外左轮测速模块；所述第三从机节点包含第三从控制板、电量检测模块和小车红外右轮测速模块。

2.根据权利要求1所述的一种AGV系统的硬件平台，其特征在于：所述主节点的组成结构中包含手持式编程器。

3.根据权利要求1所述的一种AGV系统的硬件平台，其特征在于：所述主节点的组成结构中包含语音告警模块。

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