AGV吧-agv小车:磁导航AGV控制系统的设计与实现

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所属分类:AGV设计资料
摘要

为保证磁导航AGV控制系统的可扩性与稳定性,提出一种基于CAN总线的控制系统,其硬件架构以嵌入式工控机为核心,通过CAN总线挂接多个控制外围设备的ARM处理器.重点给出了系统运动控制器与监控管理系统的实现方案.基于中断任务调度模式实现了运动控制器,由模糊自整定PD调节器来改良AGV的动态跟踪行为;监控管理系统包括六种交互模块,其发送与接收通信过程通过适时线程挂起与逐步接收匹配操作来协作完成.经现场实测,AGV工作稳定可靠,跟踪效果良好.

自动 导 向车 AGV是 现代 物 流 系统 自动 化 、柔性 化 及智 能化 的关 键 设备 .研 究 AGV的 相关 技 术意义重大。导航系统为 AGV核心组成部分 ,目前常见的 AGV导航方式 主要有视觉导航 、激光导航与磁导航,视觉导航由于易受环境影 响其适应性差 ,激光导航的硬件成本较高 ,磁导航则不仅控制简单、成本低 、且抗干扰 能力强 ,可在各种环境下工作 .应 用最 为广 泛 。AGV的导航控制系统根据其控制核心不 同主要有采用单片机、可编程控制器 PLC与嵌入式工控机等方案。单片机与 PLC控制系统具有低功耗且控制简单等优点 ,但可扩展性较差。相比之下 ,嵌入式 工 控 机 带有 多 种 硬件 接 口 ,有 利 于系 统 功 能 扩展 ,方便产品的升级换代。
      鉴 于此 本 文 提 出一种 基 于 CAN总线 的磁 导航AGV 控 制 系统 .其 硬 件 架 构 以嵌 入 式 工 控 机 为核心 ,通过 CAN总线挂接多个控制外围设备的 ARM处理 器 .以 中断 任务 调 度模 式 来 协调 系统 运 动控 制器的各个任务单元 ,通过适 时挂起线程与逐步匹配报 文方 式 来协 作 完 成监 控 管理 系统 的通 信 过 程 ,实现系 统 的实 时控 制 ,此外 ,采 用 模糊 自整定 PD调 节器 来 保 证 磁 导 航 的 控 制 精 度 和 适 应 性 .经 实 际 测试 ,系统运 行稳 定 可靠 ,取得 良好 的控制效 果 。

1 系统方 案设计

1.1 控制 对象
文中 AGV的本体结构 如图 1所示 。AGV本体由前 左 右差 速 驱 动 轮及 后万 向轮 组成 .导 航传 感 器安 装 在 车载 前 端底 部 ,用 于检 测 AGV 中心 与 磁 带轨道的偏距 ;命令传感器则 固定在车载右后侧 ,用于检测特殊命令触发信号。导航轨道 由连续磁带组成 ,离散的三磁带段组合成一特殊命令触发单元。
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1.2 系统 总体 架构 系统
架 构是 AGV控 制 系统 的关键 ,本 文 提 出的控制方案 自上而下分为监控管理层 、通信层 、控制 层 、功能层 及 传感 器层 五大层 ,如 图 2所 示 。
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监 控 管理 层 :在 AGV 上装 载研 华 工 控机 POD一6552,用 于实 现 对控 制 系 统 的监控 管 理 等 。通 过 建立无 线局域网,可实现用户端 PC与监控管理终端数 据 的共 享 ,有 助 于 控制 系 统 的调 试 、开 发 与 管理 ;在通信层采用 CAN现场总线来完成监控管理层与控制层之间的命令控制发送与报告反馈。现场总线适 于后 期 控制 节 点 的扩 展 ,是 系 统走 向复 杂 化及 智能化等的保证 :控制层使用 STM32F103RBT6ARM7处理器来协调完成各种控制功能 .图 2所示系统是由运 动 控 制 器 与辅 助 控 制 器 两 节 点 组 成 的一 个 微小 型分 散式 控 制系统 。
功能层包括导航 、特殊命令 、电机驱动 、避障 、显 示 交互 、姿态 反 馈 与手 动 控制 七 大 功 能单 元 。导航单元的功能是保证 AGV以一定的精度沿着预定的轨迹作业 ,当 AGV跑飞预定轨迹时 ,自动停止 ;特殊命令单元作用于当车载到达某预定位置时 ,命令 AGV执行停歇 、装载或者卸载特殊 动作 ;电机驱动单元是系统 的执行末端 ,系统通过 电机速度的调节控制来达成导航 、停歇及加减速等各种基本运动控制 功 能 ;避 障单 元 是 AGV 车载 系 统 的安 全 模块 ,AGV在遇到障碍物时应立即停止,障碍消失后 自动重启 ,继续作业 。此外 ,若 AGV处于前进状态 ,但检测 到 的障 碍物 位 于车 载 后端 ,那 么 AGV应 保持 继续前进状态。处于后退状态 的 AGV前面出现障碍物时做类似处理 :显示交互单元用于 AGV当前运行 速度 、位 置 等 状 态的显 示 :手 动控 制 单 元 用 来 急停控 制 AGV等 。
传感器层 由导航传 感器 、命令传感 器 、控制 电机与驱动器 、红外传感器 、液晶屏 、编码器及按钮按键组成。运动处理器通过实时扫描读取数字导航传感器的状态值 ,以普通 IO连接导航传感器 ;命令传感 器起 作 用 于一 些 离散 的特殊 标 记 点 ,采 用 10外部触发中断来猎取命令信息 :电机 的速度调控采用变 频 PWM输 出完成 ;红外 传感 器 的触 发信 息 也采用 IO外 部触 发 中断来 实 时监 视获 取 ;采 用 STM32定 时器集成 的增量式编码器接 口采集编码器信号 ,计算取得当前车载的速度和位姿。

2 运动控制器

2.1 模 糊 自整定 PD调 节器
导航跟踪方法是运动控制器 的核心技术之一 。
传统 PID控制器技术成熟 ,应用广泛 ,但常规的 PID控 制器 鲁 棒性 差 ,对 于 非线 性 时变 或 迟滞 的系 统 ,控制效果不佳 ,而纯模糊控制恰好能弥补传统 PID控制器 的缺点 。为此 本 文将模 糊控 制 与 PID控 制相结 合 ,采 用 图 3所示 的控 制 器 ,以 PD控 制 器 为核心 ,利用模糊控制来动态修正 PD控制器的系数 ,改良 AGV 的动态 跟踪 行为 。
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在图 3中,以导航传感器从磁带探测到 的跟踪偏差及偏差变化作为控制器的输入 ,经模糊处理后得到 PD控制器的参数修正值 ,修正 PD控制器后 ,输 出 AGV 车 载 左 右 轮 的 控 制 速 度 差 去 调 整 AGV的当前位姿 。为了减少在线计算量 ,提高效率,程序中 把 模 糊 调 节 器 以二 维 离 线 查 询 表 形 式 嵌 入 到STM32运 动控 制器 上 。
2.2 软 件 实现
给 出运 动控 制器功 能 的软件 实现 ,如 图 4所 示 。
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