CN205281258U - 基于arm的agv双层控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于ARM的AGV双层控制系统，包括低层Cortex？M4处理器和高层Cortex？A8处理器，低层Cortex？M4处理器分别与电池管理模块、H桥驱动电路和直流伺服驱动器连接，低层Cortex？M4处理器设有与编码器连接的转速接口、与激光、磁导航传感器、红外传感器和RFID连接的传感器接口；高层Cortex？A8处理器分别与无线通讯模块、无线遥控模块和人机交互模块连接，高层Cortex？A8处理器设有与摄像头连接的视频接口；低层Cortex？M4处理器与高层Cortex？A8处理器通过CAN总线连接。本实用新型集成度高、低功耗、体积小、成本合理。

Description

基于ARM的AGV双层控制系统

技术领域

本实用新型涉及自主导航小车，尤其涉及自主导航小车的控制系统。

背景技术

自主导航小车(AutomatedGuidedVehicle)属于轮式移动机器人的范畴，是一种以电池为动力，装有非接触导向装置的无人驾驶自动化搬运车辆。目前，AGV越来越广泛地应用于工业、农业、军事、教育等人类社会的各个方面。随着AGV技术的不断发展与成熟，AGV研究的重点是在复杂、未知、动态环境中自主完成任务能力的研究。它不仅需要本身的机动性，更需要自主性，即在无人干预的情况下，借助自身传感器系统，实时感知和理解环境。在此过程中，一方面需要高性能的运算处理器快速运行图像处理算法和路径跟踪算法，另一方面需要可靠的微控制器实现多样化的传感器信号采集及电机控制等低层行为。

实现以上两方面功能的传统AGV控制系统通常由用于完成图像采集和传输任务的图像采集卡和用于实现图像处理算法的主控计算机组成。在该系统中，主控计算机不仅需要完成大量的图像数据运算，还需要完成整个AGV系统的任务规划以及各个子系统的协调控制。因此，为了满足整个AGV系统的实时性要求，主控计算机的CPU必须具有很高的处理数据的能力，CPU的高速运行却会导致耗能的增加。另一方面主控计算机的通用性强，无需硬件设计，但是重量和体积较大，致使AGV的功耗过大，续航能力降低。所以基于传统AGV控制系统的高性能与低功耗的矛盾，一直是限制机器人控制系统发展的关键问题之一。为了解决视觉处理单元具有强大信息处理能力的问题，满足系统实时性要求的同时，使AGV的控制系统具有集成度高，低功耗，体积小、重量轻、成本合理的特点，研究和开发AGV高性能的嵌入式控制系统已经成为AGV研究的主要方向之一。

发明内容

为了克服现有自主导航小车控制系统的集成度较低、功耗较大、体积较大、成本较高的不足，本发明提供一种集成度高、低功耗、体积小、成本合理的基于ARM的AGV双层控制系统。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于ARM的AGV双层控制系统，包括用于运行实时操作系统且承担与机器人运动控制的低层CortexM4处理器和用于图像信息采集和处理、无线通讯模块和无线遥控模块的连接、触摸屏人机交互的高层CortexA8处理器，其中，

所述低层CortexM4处理器分别与电池管理模块、H桥驱动电路和直流伺服驱动器连接，所述低层CortexM4处理器设有与编码器连接的转速接口、与激光、磁导航传感器、红外传感器和RFID连接的传感器接口；

所述高层CortexA8处理器分别与无线通讯模块、无线遥控模块和人机交互模块连接，所述高层CortexA8处理器设有与摄像头连接的视频接口；

所述低层CortexM4处理器与所述高层CortexA8处理器通过CAN总线连接。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有以下优点：本实用新型采用基于ARM的双层控制系统，通过两个处理器进行相互协作，发挥各自的优势，实现AGV向高速、高精度、开放化、智能化的方向发展；本实用新型采用传感器信息融合技术，提高了AGV自主定位的精度；本实用新型对电池进行管理，减少了AGV运行过程中因为电池问题引起的突发状况，提高了AGV运行的稳定性。

附图说明

图1是基于ARM的AGV双层控制系统的硬件系统示意图。

图2是双层控制器板间通讯的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

参照图1和图2，一种基于ARM的AGV双层控制系统，包括用于运行实时操作系统且承担与机器人运动控制的低层CortexM4处理器和用于图像信息采集和处理、无线通讯模块和无线遥控模块的连接、触摸屏人机交互的高层CortexA8处理器，其中，

所述低层CortexM4处理器分别与电池管理模块、H桥驱动电路和直流伺服驱动器连接，所述低层CortexM4处理器设有与编码器连接的转速接口、与激光、磁导航传感器、红外传感器和RFID连接的传感器接口；

所述高层CortexA8处理器分别与无线通讯模块、无线遥控模块和人机交互模块连接，所述高层CortexA8处理器设有与摄像头连接的视频接口；

所述低层CortexM4处理器与所述高层CortexA8处理器通过CAN总线连接。

本实施例中，采用CortexM4和CortexA8两个处理器进行相互协作，通过发挥各自的优势，为AGV设计与实现双核控制器，使AGV向高速、高精度、开放化、智能化的方向发展。低层CortexM4处理器用于运行实时操作系统，承担与机器人运动控制，直接紧密相关的控制任务如电池管理、控制举升、控制电机转向、传感器数据获取和处理；高层CortexA8处理器用于图像信息采集和处理、无线通讯模块和无线遥控模块的连接、触摸屏人机交互等对实时性要求不高，但对处理器的计算能力、处理速度要求相对较高的任务。

电池管理模块是指过流检测、电池的剩余电量估计、过冲、过放检测、温度检测与控制和漏电检测；所述的举升控制由H桥实现驱动电路驱动直线电机实现；所述的电机转向控制由直流伺服驱动器控制直流电机并通过编码器反馈进行控制；所述的传感器包括激光、磁导航、红外和RFID传感器；所述的摄像头信息采集和处理指的是将摄像头采集到的图像信息在控制器中通过定位算法的计算处理获得AGV的实际位置和环境中障碍物的信息；所述的无线通讯模块与控制器连接，并与远程PC端进行通讯，实行远程控制；所述的无线遥控模块与控制器连接，通过遥操作手柄进行控制；所述的触摸屏人机交互是指通过GUI界面的设计和与控制器的连接，实现人机交互。同时，两块板子采用板间通讯进行连接。

过流检测是指当电池总线电流超过预先设定的允许充放电流范围时，自动断开电池总线，停机并报错；所述的电池剩余电量估计指在每次AGV启动时刻，检测电池开环电压，利用开环电压与电池剩余电量的一一对应关系，确定初始电量值，在使用过程中，采用电流积分法对电池剩余电量进行实时估计，并辅以Kalman滤波器、非线性扩散滤波器等滤波方法，增强算法的抗干扰能力；所述过冲、过放检测是指在电池冲放电过程中，根据电池剩余电量估计结果，判断电池是否过冲或过放，当电池过冲或过放时，自动断开电池总线，停机并报错；所述温度检测是当温度和温度变化超过预先设定的阈值时，将提醒中央控制器，并由控制器决定是否停机并将电池包温度维持在一定范围内；所述的漏电检测指将利用漏电时电池包输入输出电流的不等性，采用漏电传感器，实时检测是否漏电，如漏电，断开电池总线，停机并报错。

传感器数据处理采用多传感器信息融合算法，将低层CortexM4处理器上连接的各个传感器获取的数据和高层CortexA8处理器上连接的摄像头获取的数据融合，来实现智能AGV的自主定位和导航。

无线通讯模块实现如下：AGV通过无线通讯模块所连接的控制器与固定在环境中的若干个站点的通讯，从而将自身的状态，如位置、速度、正在执行的任务、电池状态、自身健康情况(是否有故障)等反馈到AGV监控与管理主机，从而使得上层主机软件能够了解车辆和“道路”状况，对于任务调配进行正确决策，同时将AGV的监控信息反映到PC端。

遥操作手柄控制时，先采集到操作手柄的位置信息，然后采集操作手柄滑块信息，用位置信息控制AGV的转角，用滑块信息控制AGV的速度，并采用均值滤波滤除采集信息的噪声。

GUI界面设计可在界面的左上角显示AGV的实时视频信息，移动机器人的速度和转角用仪表盘的方式显示，在界面的顶端，显示每秒所传输的图像的帧数，并在界面中反应通讯状况是否良好，且显示直接控制时所下达给AGV的速度命令之和转角命令值，在AGV出现电池温度异常或其他故障时，界面上出现故障报警信号并停止强制停止电机转动。

板间通讯是指两块板子之间的相互信息传达和控制。将CortexM4处理器连接的直流电机编码器反馈信号和传感器信息传输到CortexA8处理器，由CortexA8处理器负责处理CortexM4中传感器信息和摄像头采集的图像信息的融合估计，并通过遥操作手柄和触摸屏，通讯CortexM4处理器，控制AGV的速度和转角。

如图1，基于ARM处理器的双层控制系统由两个处理器构成双核控制器。控制系统采用分层模型，高层处理器选择三星公司基于Cortex-A8内核SoC的芯片S5PV210承担图像信息采集和处理、无线通讯模块和无线遥控模块的连接、触摸屏人机交互等任务，并根据高层决策的结果，将控制指令发送给下层处理器。下层处理器选择基于Cortex-M4ARM内核的STM32F401作为实时工控单元，CortexM4处理器运行实时操作系统，承担与机器人运动控制直接紧密相关的控制任务，例如电池管理、控制举升、控制电机转向、传感器数据获取和处理，两个处理器共同实现AGV控制系统运行和调试所需的功能。

其中，Cortex-M4处理器通过H桥驱动电路驱动直线电机来实现AGV的举升，并通过直流伺服驱动器驱动直流电机并通过编码器产生的脉冲数将电机转速反馈回Cortex-M4控制器。而且，Cortex-M4获取激光、磁导航传感器、红外传感器和RFID的数据信息并传递给Cortex-A8。同时，将检测到的电池总线电流、电压、电池温度等信息传送给Cortex-M4，并由Cortex-M4处理来进行电池管理。

其中，Cortex-A8处理器获取摄像头采集的图像信息，根据图像信息得到AGV的位置信息和障碍物信息，并将其与Cortex-M4传递过来的其他传感器信息进行融合估计，更精确实现AGV的自定位。而且，通过Cortex-A8和无线通讯模块以及无线遥控模块的连接，将AGV当前的信息反馈到PC端，并通过遥操作手柄来控制AGV的行走速度和转向。同时，设计GUI界面，在触摸屏上显示AGV速度和转向信息、摄像机每秒传输的帧数、AGV当前位置和前方障碍物距离信息且设置急停按钮、停止按钮、开始按钮和报警设置，当AGV遇到紧急情况或触摸屏显示报警时，按下急停，AGV电机停止工作，当需要开始工作和正常停止工作时，按下相应的按钮。

如图2，两块板子之间通过板间通讯连接。将CortexM4控制器的直流电机编码器反馈信号和传感器信息传输到CortexA8控制器，由CortexA8控制器负责处理CortexM4中传感器信息和摄像头采集的图像信息的融合估计，并通过遥操作手柄和触摸屏，通讯CortexM4控制器，控制AGV的速度和转角。

需要强调的是，本实用新型的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是有本领域技术人员根据本实用新型的技术方案的其他实施方式，同样属于本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于ARM的AGV双层控制系统，其特征在于：包括用于运行实时操作系统且承担与机器人运动控制的低层CortexM4处理器和用于图像信息采集和处理、无线通讯模块和无线遥控模块的连接、触摸屏人机交互的高层CortexA8处理器，其中，

所述低层CortexM4处理器分别与电池管理模块、H桥驱动电路和直流伺服驱动器连接，所述低层CortexM4处理器设有与编码器连接的转速接口、与激光、磁导航传感器、红外传感器和RFID连接的传感器接口；

所述高层CortexA8处理器分别与无线通讯模块、无线遥控模块和人机交互模块连接，所述高层CortexA8处理器设有与摄像头连接的视频接口；

所述低层CortexM4处理器与所述高层CortexA8处理器通过CAN总线连接。