CN202929477U - 自动导引车辆控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种自动导引车辆控制系统，其包括电池、控制模块、电机控制器、第一电机、第二电机、信号处理器及机械装置。所述控制模块发出控制信号至电机控制器，电机控制器分别控制第一电机、第二电机的工作，以驱动机械装置运动。第一电机和第二电机的驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机械装置的运动。控制模块为一双核控制器，其包括ADSP电路及FPGA电路，ADSP电路实现人机界面、路径规划、数据存储、输入输出控制、在线输出功能，FPGA电路实现多轴伺服系统，向电机控制器发送多轴控制信号，且ADSP电路及FPGA电路之间进行通讯连接，实时进行数据交换和调用。

Description

自动导引车辆控制系统

技术领域

本实用新型是有关于自动导引车辆（AGV，Automated Guided Vehicle）技术领域，且特别是有关于一种自动导引车辆控制系统。 

背景技术

自动导引车辆(Automated Guided Vehicle，简称AGV)，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员且以可充电之蓄电池为其动力来源。一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道来设立其行进路线，电磁轨道黏贴于地板上，无人搬运车则依循电磁轨道所带来的信息进行移动与动作。  

AGV相对于步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。 

一般普通的AGV都具有两个电机驱动其运动，由这两个电机分别控制其在平面上的X坐标和Y坐标，并有一个万向轮来调节其稳定性，到达站点后人工装卸货物。现有的AGV基本上都是由单个数字信号处理器（digital signal processor，DSP）控制，如图1所示，为现有技术的AGV控制系统的方框图。 

现有技术中，一般的AGV的控制系统包括电池11、DSP 12、第一控制器13、第二控制器14、第一电机15、第二电机16、信号处理器17及机械装置18。电池11为供电装置，为整个系统的工作提供工作电压。DSP12内置控制程序，并发出控制信号至第一控制器13及第二控制器14，第一控制器13及第二控制器14分别控制第一电机15、第二电机16的工作，第一电机15、第二电机16又分别用于驱动设于AGV的机械装置18进行运动。其中，第一电机15和第二电机16的驱动信号经过信号处理器17合成之后，控制机械装置18的运动。 

长期以来，发现传统的AGV存在着很多安全隐患，包括： 

(1)由于以上的运动控制系统是基于“微处理器+运动控制芯片”的运动控制，这类运动控制器开发简单、可靠性高，但是由于采用了专用的运动控制芯片，无法进行扩展设计，也无法实现各种先进运动控制算法。

（2）基于DSP的开发程序较难，而且要求开发人员具有较高的C语言或者是汇编 语言知识，而且二次开发较难。 

（3）单片DSP难以胜任多信号处理系统的要求，如果增加新的处理器来满足AGV快速性和稳定性的要求，又要处理两个处理器之间的同步和通讯等问题，延长了系统开发时间。 

（4）由于受周围环境不稳定因素干扰，单DSP控制器经常会出现异常，引起失控，抗干扰能力较差。 

因此，需要对现有的基于单片DSP控制的AGV控制器进行重新设计。 

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种自动导引车辆控制系统，其基于高级运动语言，利用ADSP和FPGA双核控制。 

本实用新型提出一种自动导引车辆控制系统，其包括电池、控制模块、电机控制器、第一电机、第二电机、信号处理器及机械装置。所述控制模块发出控制信号至电机控制器，电机控制器分别控制第一电机、第二电机的工作，以驱动机械装置运动。第一电机和第二电机的驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机械装置的运动。控制模块为一双核控制器，其包括ADSP电路及FPGA电路，且ADSP电路及FPGA电路之间进行通讯连接，实时进行数据交换和调用。ADSP电路包括实现人机界面、路径规划、数据存储、输入输出控制、在线输出的模块；FPGA电路实现多轴伺服系统，与电机控制器连接以向电机控制器发送多轴控制信号。 

在本实用新型的一个实施例中，所述电池进一步与第一电机和第二电机的输出端连接，且控制模块进一步分别连接至第一电机输出端和电池之间的连接点，及第二电机输出端和电池之间的连接点。 

在本实用新型的一个实施例中，所述ADSP电路包括DSP运算电路、连接端口、人机界面、存储器、随机存储器及静态随机存储器控制器，所述连接端口、人机界面、存储器、随机存储器均与DSP运算电路进行通讯连接，且静态随机存储器控制器与随机存储器连接，静态随机存储器控制器进一步与一备份电源连接。 

在本实用新型的一个实施例中，所述连接端口包括RS-232串行接口及ICE端口。 

在本实用新型的一个实施例中，所述人机界面包括开始/重启按键及功能选择键。 

在本实用新型的一个实施例中，所述FPGA电路包括FPGA芯片、模拟数字转换器、数字模拟转换器、编码器及伺服控制器，其中，模拟数字转换器、数字模拟转换器及编码器均与FPGA芯片通讯连接，且数字模拟转换器与伺服控制器连接后，再进一步连接至电 机控制器。 

在本实用新型的一个实施例中，所述伺服控制器还包括一个或多个传感器。 

在本实用新型的一个实施例中，所述伺服控制器包括导航传感器、前方传感器、侧面传感器、站点传感器和速度传感器。 

在本实用新型的一个实施例中，所述DSP运算电路与FPGA芯片之间连接一震荡器。 

本实用新型所述的自动导引车辆控制系统由FPGA处理全数字伺服控制，大大提高了运算速度，解决了单DSP软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强。本实用新型完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还实现了多路控制信号的同步控制，有利于提高AGV小车的稳定性和动态性能。由于本控制器采用FPGA处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，并把DSP从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。再者，由于DSP和FPGA已经固化，使得二者不再需要更改，开发人员只需要采用比较简单的PLC语言就可以对此系统进行二次开发。 

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。 

附图说明

图1为现有技术的AGV控制系统的方框图。 

图2为本实用新型较佳实施例的AGV控制系统的方框图。 

图3为本实用新型较佳实施例的的控制模块的方框图。 

图4为本实用新型较佳实施例的AGV控制系统应用示意图。 

图5为本实用新型较佳实施例的PLC梯形图。 

图6为本实用新型较佳实施例的运动控制程序框图。 

具体实施方式

随着微电子技术和计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，数DSP由于其快速的计算能力,不仅广泛应用于通信与视频信号处理,也逐渐应用在各种高级的控制系统中。AD公司的ADSP-21xx系列提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力和解决方案。其中的ADSP-2188指令执行速度高达75MIPS，加上独立的算术逻辑单元，拥有强大的数字信号处理能力。此外，大容量的随机存取存储器（RAM，random access memory）被集成到该芯片 内，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。 

基于现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gata Array）及现代电子设计自动化(EDA)技术的硬件实现方法是最近几年出现了一种全新的设计思想。虽然FPGA本身只是标准的单元阵列，没有一般的集成电路所具有的功能，但用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期。由于FPGA采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA设计的系统具有良好的可复用和修改性。这种全新的设计思想已经逐渐应用在高性能的交流驱动控制上，并快速发展。 

本实用新型结合长期对无刷直流电机的工程使用，为克服单DSP不能满足稳定性和快速性的要求，舍弃了国产AGV小车所采用的单DSP多控制器工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于DSP+FPGA的全新控制模式。控制板以FPGA为处理核心，实时处理三相无刷直流电机的各种运动状态。为了提高二次开发的容易程度，本实用新型把多年开发的DSP程序和FPGA程序固化到芯片后就不再对芯片内容进行更改，然后通过自主开发的高级运动语言对此芯片二次开发，然后通过超级终端输入到存储器中供ADSP2188调用。由于二次开发采用的是PLC语言，所以开发人员即使不了解C语言或汇编语言，也可以轻易对此系统进行二次开发。 

如下详细介绍本实用新型的技术方案。图2为本实用新型较佳实施例的AGV控制系统的方框图。本实施例中，AGV的控制系统包括电池21、控制模块22、电机控制器23、第一电机24、第二电机25、信号处理器26及机械装置27。电池21为供电装置，为整个系统的工作提供工作电压。控制模块22内置控制程序及控制电路，发出控制信号至电机控制器23，电机控制器23分别控制第一电机24、第二电机25的工作，第一电机24、第二电机25又分别用于驱动设于AGV车体的机械装置27进行X方向（水平）和Y方向（垂直）的运动。其中，第一电机24和第二电机25的驱动信号经过信号处理器26合成之后，控制机械装置27的运动。电池21进一步与第一电机24和第二电机25的输出端连接，且控制模块22进一步分别连接至第一电机24输出端和电池21之间的连接点，及第二电机25输出端和电池21之间的连接点。 

请进一步参阅图3，为本实用新型较佳实施例的控制模块22的方框图。本实施例中，控制模块22为一双核控制器，其包括ADSP电路（图未标）及FPGA电路（图未标），二者通过震荡器33连接，并可相互通讯。其中，ADSP电路包括DSP运算电路310、连接 端口311、人机界面312、存储器313、RAM 314及静态随机存储器（SRAM，Static Random Access Memory）控制器315。连接端口311、人机界面312、存储器313、RAM 314均与DSP运算电路310进行通讯连接，且SRAM控制器315与RAM 314连接，SRAM控制器315进一步与备份电源35连接。连接端口311包括RS-232串行接口、ICE端口等。人机界面312包括开始/重启按键及功能选择键。AGV控制的人机界面、路径规划、数据存储、I/O控制及在线输出等功能分虽由人机界面312、RAM 314及SRAM控制器315、存储器313及连接端口311来实现。 

FPGA电路包括FPGA芯片320、模拟数字转换器（ADC，Analog to Digital Converter）321、数字模拟转换器（DAC，Digital to Analog Converter）322、编码器323及伺服控制器324。其中，模拟数字转换器（ADC，Analog to Digital Converter）321、数字模拟转换器（DAC，Digital to Analog Converter）322及编码器323均与FPGA芯片320通讯连接，且DAC322与伺服控制器324连接后，再进一步连接至电机控制器23，伺服控制器324向电机控制器23发送多轴控制信号，以控制第一电机24和第二电机25的工作。 

根据上述内容，本实施方式把AGV控制系统分为两部分：工作量最大的多轴伺服系统交给FPGA处理，其余的人机界面、路径规划、数据存储、I/O控制、在线输出等功能交给ADSP完成，这样就实现了ADSP与FPGA的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用，完成AGV小车对地面标志的跟踪。 

进一步参照图4，其为本实用新型较佳实施例的AGV控制系统应用示意图。伺服控制器324还包括一个或多个传感器，本实施例中，图中标号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10代表设于AGV小车的传感器，其中传感器S1、S2、S3、S4、S5为导航传感器，传感器S9、S10设于前方和传感器S8设于侧面，传感器S6为站点传感器，传感器S7为速度传感器。图中的减速、站点1~n、加速、等待区域是设于地面的反射装置，上述传感器可配合反射装置协助AGV小车的运动。 

根据图4中的传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10位置和地面的反射装置，做类似与图5的梯形图，然后根据梯形图采用PLC语言编写逻辑程序，然后把各个逻辑输出到设置好的寄存器当中，此寄存器用作运动控制程序中跳转的变量。 

在电源打开状态下，即电池21处于供电状态时，先有人机界面312工作，再根据人机界面312的功能选择确定AGV小车的路径规划，AGV地面导航传感器和前方、左右侧面蔽障传感器根据实际导航环境传输参数给控制模块22中的ADSP电路，ADSP电路会根据输入的PLC梯形图确定要开通的寄存器，然后由相应的寄存器开通要触发的模式，可以直 接调用此模式下已经预设好的速度，加速度，位置等参数，然后与FPGA通讯，按照上述参数由FPGA处理多轴电机的伺服控制，将从ADSP电路输入的模式信号通过ADC 321、编码器323及DAC 322进行处理，并将处理后的信号输入至伺服控制器324，再进一步由伺服控制器324处理后发送至电机控制器23，以进一步控制AGV小车的运动。 

本实用新型的较佳实施例中，AGV控制系统以如下流程形成：把已经编译好的ADSP程序固化到ADSP2188中，把已经编译好的FPGA程序固化到A3P250中。根据图4中的传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10位置和地面的反射装置，做类似与图5的梯形图，然后根据梯形图采用PLC语言编写逻辑程序，然后把各个逻辑输出到设置好的寄存器当中，此寄存器用作运动控制程序中跳转的变量。根据图5的梯形图，编写运动控制程序，运动控制程序框图如图6，其中框图中的程序主体按照上述步骤中寄存器的值做跳转条件而编写。通过超级中断把上述步骤设置的程序导入到存储器313中。开电后，ADSP会调用存储器313中的内容，然后执行PLC梯形图和运动控制程序。 

综上所述，为了提高运算速度，保证AGV系统的稳定性和可靠性，本实用新型在单DSP控制器中引入FPGA，形成基于DSP+FPGA的双核控制器，此控制器把原有的单DSP实现的多控制器系统集中设计，并充分考虑电池在这个系统的作用，实现单一控制器同步发送多轴控制信号的功能。把AGV控制系统中工作量最大的多轴伺服系统交给FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度较快的特点，而人机界面、路径规划、在线输出、数据存储、I/O控制等功能交给ADSP完成，这样就实现了ADSP与FPGA的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。 

本实用新型具有的有益效果是： 

1：由FPGA处理直线导航电机的全数字伺服控制，大大提高了运算速度，解决了单DSP软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强。

2：本实用新型完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还实现了多路控制信号的同步控制，有利于提高AGV小车的稳定性和动态性能。 

3：由于本控制器采用FPGA处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，并把DSP从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。 

4：由于DSP和FPGA已经固化，使得二者不再需要更改，开发人员只需要采用比较简单的PLC语言就可以对此系统进行二次开发。 

以上所述，仅是本实用新型的实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限 制，虽然本实用新型已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。 

Claims (9)

1.一种自动导引车辆控制系统，其包括电池、控制模块、电机控制器、第一电机、第二电机、信号处理器及机械装置，其特征在于：控制模块发出控制信号至电机控制器，电机控制器分别控制第一电机、第二电机的工作，以驱动机械装置运动；第一电机和第二电机的驱动信号经过信号处理器合成之后，控制机械装置的运动；

其中，控制模块为一双核控制器，其包括ADSP电路及FPGA电路，所述ADSP电路及FPGA电路之间进行通讯连接，实时进行数据交换和调用；ADSP电路包括实现人机界面、路径规划、数据存储、输入输出控制及在线输出的模块，FPGA电路实现多轴伺服系统，与电机控制器连接以向电机控制器发送多轴控制信号。

2.根据权利要求1所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述电池进一步与第一电机和第二电机的输出端连接，且控制模块进一步分别连接至第一电机输出端和电池之间的连接点，及第二电机输出端和电池之间的连接点。

3.根据权利要求1所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述ADSP电路包括DSP运算电路、连接端口、人机界面、存储器、随机存储器及静态随机存储器控制器，所述连接端口、人机界面、存储器、随机存储器均与DSP运算电路进行通讯连接，且静态随机存储器控制器与随机存储器连接，静态随机存储器控制器进一步与一备份电源连接。

4.根据权利要求3所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述连接端口包括RS-232串行接口及ICE端口。

5.根据权利要求3所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述人机界面包括开始/重启按键及功能选择键。

6.根据权利要求3所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述FPGA电路包括FPGA芯片、模拟数字转换器、数字模拟转换器、编码器及伺服控制器，其中，模拟数字转换器、数字模拟转换器及编码器均与FPGA芯片通讯连接，且数字模拟转换器与伺服控制器连接后，再进一步 连接至电机控制器。

7.根据权利要求6所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述伺服控制器还包括一个或多个传感器。

8.根据权利要求7所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述伺服控制器包括导航传感器、前方传感器、侧面传感器、站点传感器和速度传感器。

9.根据权利要求3所述的自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述DSP运算电路与FPGA芯片之间连接一震荡器。 

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