CN202929479U - 自动装卸自动导引车辆控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种自动装卸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、第三电机、信号处理器及机械装置，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、第二电机和第三电机的工作，第一电机和第二电机驱动机械装置运动；第三电机为自动装载电机；第一电机、第二电机和第三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；在等待时间，电池自动充电。控制模块为一双核控制器，其包括设于ADSP电路及FPGA电路的上位机系统和运动控制系统，其中，上位机系统包括人机界面、路径规划模块及在线输出模块；运动控制系统包括编码器模块、输入输出控制模块、数据存储模块及伺服控制模块。

Description

自动装卸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装卸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）由于人工的加入，并未实现真正的自动化，而且人为因素也加重了AGV小车故障率。

（2）由于多轴联动的工作量很大，单片DSP一般情况下会舍弃考虑电池的状态，使得系统能源得不到最优利用。

（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装卸自动导引车辆控制系统，其有ADSP及FPGA双核控制，且包括自动装载电机，实现自动导引车辆的全自动化装载和卸载货物。

本实用新型提出一种自动装卸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：该系统进一步包括第三电机，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、第二电机和第三电机的工作，第一电机和第二电机驱动机械装置运动；第三电机为自动装载电机；第一电机、第二电机和第三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；在等待时间，电池自动充电。控制模块为一双核控制器，其包括设于ADSP电路及FPGA电路的上位机系统和运动控制系统，其中，上位机系统包括人机界面、路径规划模块及在线输出模块；运动控制系统包括编码器模块、输入输出控制模块、数据存储模块及伺服控制模块，其中，ADSP电路实现人机界面、路径规划模块、数据存储模块、输入输出控制模块、在线输出模块，FPGA电路实现伺服控制模块。

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、第二电机和第三电机的输出端连接，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，第二电机输出端和电池之间的连接点，及第三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，所述编码器模块检测自动导引车辆实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

在本实用新型的一个实施例中，所述伺服控制模块包括数字模拟模块、传感器模块、电流模块、速度模块及位移模块。

在本实用新型的一个实施例中，所述数字模拟模块包括模拟数字转换器及数字模拟转换器。

在本实用新型的一个实施例中，所述传感器模块包括一个或多个传感器。

在本实用新型的一个实施例中，所述传感器模块包括导航传感器、前方传感器、侧面传感器、速度传感器和站点传感器，导航传感器判断自动导引车辆是否在中线运行，并调整小车在适当的运行位置；站点传感器会对地面上的站点条码进行读取，并自动累加，当达到最大站点时会自动清零并重新计数。

在本实用新型的一个实施例中，所述在线输出模块用于提示自动导引车辆的工作状态；电流模块用于调整电池的供电功率达到自动导引车辆需要的范围。

在本实用新型的一个实施例中，所述速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测自动导引车辆实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节小车实际转速；位移模块检测自动导引车辆是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至电机控制器；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至电机控制器。

本实用新型所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，在小车等待区域，充分考虑了电池能量的问题，如果电池电压低时，会自动充电，有效地增加了小车的能源，有利于小车工作距离的提高。在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于DSP+FPGA控制器时刻都在对小车的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对电池的冲击。由FPGA处理直线导航电机和自动装载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。再者，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。由于加入了自动装载电机，完全实现了自动化，排除了人工干扰等因素对AGV小车运行的影响。

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。

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，实现数字信号的实时处理，把DSP从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和FPGA的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

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、第三电机26、信号处理器27及机械装置28。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及第三电机26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。第三电机26为自动装载电机，用于自动装载货物和自动卸载货物。其中，第一电机24、第二电机25和第三电机26的驱动信号经过信号处理器27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、第二电机25及第三电机26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，第二电机25输出端和电池21之间的连接点，及第三电机26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。一并参照图4，其为本实用新型较佳实施例的AGV控制系统应用示意图。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），二者可相互通讯。控制模块22包括设于ADSP电路及FPGA电路的上位机系统221和运动控制系统222。其中，上位机系统包括人机界面2221、路径规划模块2212、在线输出模块2213。人机界面2221包括开始/重启按键及功能选择键。路径规划模块2212包括已经预设好的速度，加速度，位置等参数设置。在线输出模块2213用于提示AGV小车的工作状态，比如是小车工作过程中或到站状态提示。

运动控制系统222包括编码器模块2221、I/O控制模块2222、数据存储模块2223及伺服控制模块2224。其中，编码器模块2221检测AGV小车实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。I/O控制模块2222包括RS-232串行接口、ICE端口等。数据存储模块2223为一存储器，如闪存（flash storage）。伺服控制模块2224进一步包括数字模拟（AD，Analog-digital）模块2225、传感器模块2226、电流模块2227、速度模块2228及位移模块2229。

其中，DA模块2225包括模拟数字转换器（ADC，Analog to Digital Converter）及数字模拟转换器（DAC，Digital to Analog Converter）。传感器模块2226包括一个或多个传感器，如图4所示，本实施例中，传感器模块2226包括标号S1、S2、S3、S4、S5、S8、S9、S10代表的传感器，其高于AGV小车的不同部位，其中传感器S1、S2、S3、S4、S5为导航传感器，判断AGV小车是否在中线运行，调整小车在适当的运行位置。传感器S9、S10为设于小车前方的前方传感器和传感器S8为设于小车侧面的侧面传感器。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。

电流模块2227与电池21和电机控制器23、DA模块2225连接。DA模块2225根据电池21和电机控制器23的电流，判断工作功率，并把功率状况反馈至电池21，电流模块2227用于调整电池21的供电功率达到AGV小车需要的范围。

速度模块2228与编码器模块2221通讯连接，当编码器模块2221检测AGV小车实际转速过快或过慢，速度模块2228根据编码器模块2221检测的结果来调节小车实际转速。本实施例中，设于AGV小车的传感器S7为速度传感器，速度模块2228包括但不限于速度传感器。

位移模块2229检测AGV小车是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至电机控制器23；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至电机控制器23。本实施例中，设于AGV小车的传感器S6为站点传感器，其用于实现位移模块2229的功能。

结合以上描述，上位机系统完成人机界面、路径规划、在线输出等功能；运动控制系统完成AGV系统的伺服控制、数据存储、I/O控制等功能，其中工作量最大的多轴伺服系统交给FPGA电路处理，其余的包括上位机系统的完成交给ADSP电路完成，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。

进一步参照图4，本实用新型较佳实施例具体的工作原理描述如下。在AGV小车未接到命令之前，它一般会在等待区域等待主控制器，即控制模块22发出的命令，自行检查电池21的一切参数并尽量修复一些性能较差的电池单体，如出现故障将发出报警信号，在等待时间内如果电池电压过低会自动打开充电插头于自动充电装置42进行充电。AGV小车在等待区域接到任务后，会自动断开充电开关，沿着等待区域边上的轨道41进入货物运送轨道。控制模块22发出命令的方式包括但不限于通过操作人机界面2221的按键发出命令。AGV小车进入轨道后，其前方的传感器S9、S10和侧面传感器S8会对周围环境进行判断，确定有没有障碍物进入运行范围，如存在障碍物将向ADSP电路（例如I/O控制模块2222）发出中断请求，ADSP电路会对中断做第一时间响应，如果ADSP的中断响应没有来得及处理，车体上的防撞装置将被触发，进而达到蔽障的功能；如果没有障碍物进入运行范围，AGV小车将进行正常的状态运行。

在AGV进入轨道正常运行时，其导航传感器S1、S2、S3、S4、S5将工作，并把反射回来的光电信号送给ADSP，经ADSP判断后送给FPGA，由FPGA运算后与ADSP进行通讯，然后由电机控制器23传送控制信号给直线导航的第一电机24和第二电机25进行伺服控制。

为了能够实现AGV小车的稳定运转，减少小车运转的不稳定因素，系统加入了速度传感器S7，此传感器会读取地面上的加速或减速条码，然后送给电机控制器23，电机控制器23根据此信号进行运算后，控制第一电机24和第二电机25的运行速度，使AGV小车以不同的速度通过短距离直道、长距离直道和弯道。

为了能够实现AGV小车的站点功能，本实用新型加入了站点传感器S6，此站点传感器S6会对地面上的站点条码进行读取，并自动累加，当达到最大站点时会自动清零并重新从站点1计数。

为了能够实现AGV小车的自动装载货物和卸载货物功能，本实用新型在到达站点后，会根据当前站点的要求启动第三电机26，由此第三电机26配合传动装置（图未示）实现货物的自动传输。

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：在小车等待区域，充分考虑了电池能量的问题，如果电池电压低时，会自动充电，有效地增加了小车的能源，有利于小车工作距离的提高。在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于DSP+FPGA控制器时刻都在对小车的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的铅酸电池过度老化现象的发生。在铅酸电池快速放电过程中，对端电压检测过程中，引入了铅酸的内阻、温度等参数，使得端电压更接近于实际参数，有利用能源的保护。由FPGA处理直线导航电机和自动装载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。

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。由于加入了自动装载电机，完全实现了自动化，排除了人工干扰等因素对AGV小车运行的影响。

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)

1.一种自动装卸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：该系统进一步包括第三电机，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、第二电机和第三电机的工作，第一电机和第二电机驱动机械装置运动；第三电机为自动装载电机；第一电机、第二电机和第三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；在等待时间，电池连接至一自动充电装置自动充电；

其中，控制模块为一双核控制器，其包括设于ADSP电路及FPGA电路的上位机系统和运动控制系统，其中，上位机系统包括人机界面、路径规划模块及在线输出模块；运动控制系统包括编码器模块、输入输出控制模块、数据存储模块及伺服控制模块，其中，ADSP电路实现人机界面、路径规划模块、数据存储模块、输入输出控制模块、在线输出模块，FPGA电路实现伺服控制模块。

2.根据权利要求1所述的自动装卸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、第二电机和第三电机的输出端连接，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，第二电机输出端和电池之间的连接点，及第三电机输出端和电池之间的连接点。

3.根据权利要求1所述的自动装卸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。

4.根据权利要求1所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述伺服控制模块包括数字模拟模块、传感器模块、电流模块、速度模块及位移模块。

5.根据权利要求4所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于， 所述数字模拟模块包括模拟数字转换器及数字模拟转换器。

6.根据权利要求4所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括一个或多个传感器。

7.根据权利要求4所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括导航传感器、前方传感器、侧面传感器、速度传感器和站点传感器，导航传感器判断自动导引车辆是否在中线运行，并调整小车在适当的运行位置；站点传感器会对地面上的站点条码进行读取，并自动累加，当达到最大站点时会自动清零并重新计数。

8.根据权利要求5所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述在线输出模块用于提示自动导引车辆的工作状态；电流模块用于调整电池的供电功率达到自动导引车辆需要的范围。

9.根据权利要求4所述的自动装卸自动导引车辆控制系统，其特征在于，所述速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测自动导引车辆实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节小车实际转速；位移模块检测自动导引车辆是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至电机控制器；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至电机控制器。 

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