一种基于分数阶PID直流电机调速的AGV控制系统

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所属分类:AGV设计资料
摘要

为设计一种低成本、抗干扰、稳定可靠的AGV,提出一种基于磁带导航的AGV系统。采用Megawin公司的80C51单片机为控制核心,以并排对称设计的霍尔传感器实现循迹和纠偏,红外光电传感器实现避障,并采用上位机对其进行监控。为达到AGV电机调速的稳定性与实时性,采用分数阶PID算法进行控制,通过Matlab软件进行建模与仿真,验证其可行性。最后,经实际应用场合验证,AGV小车具有抗干扰能力强,避障精度高,运行稳定安全等优点。

0 引言

AGV(自动导引运输车)是指装有电、磁、声、光等导引传感装置,能够按照设定的导引路径自动行驶,并根据实际应用配备有移载、视频监控等功能的运输车[1]。AGV具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害等许多优点,已广泛应用于许多领域[2]。

AGV的导引传感装置被称为AGV之“眼”,是AGV能够完成精确导引的基石。常用的导引方式有电磁导引、红外导引、磁带导引、光学导引、激光导引、图像识别导引、GPS导引等[3]。考虑到光学引导传感器对周围的光线环境要求较高以及光带易磨损,易落灰等因素,本设计采用磁带导引。

AGV的驱动电机是其运动的基石。AGV运动的稳定性和响应的及时性是衡量其质量好坏的重要标志,所以对其调速控制的研究具有重要意义。传统PID由于结构简单,控制效果及稳定性好,在工业控制中得到广泛应用。但是随着智能车的发展,在高速情况下要求快速跟踪目标轨迹,传统PID的控制效果也并不理想。分数阶PID控制将传统PID控制扩展到了分数阶领域,比传统PID控制器多2个自由度,即积分和微分项的阶次,因而它具有更大的调节范围[4]。文献[5]建立了系统的分数阶数学模型并设计了分数阶PID控制器,取得了比整数阶数学模型和控制器好的系统性能。文献[6]将分数阶PID控制器用于伺服电机控制中,取得了良好的效果。因此本文将采用分数阶PID实现AGV电机调速。

1系统结构

AGV小车的系统结构如图1所示,其可划分为8个模块,分别为MCU、RFID读卡模块、磁导航传感器模块、数码管显示模块、光电与机械避障模块、电机驱动模块、WiFi模块、上位机。

一种基于分数阶PID直流电机调速的AGV控制系统

图1 AGV系统结构

图1中各个模块的功能分别如下:MCU:该模块是整个系统的核心,主要完成处理RFID读卡模块、磁导航传感器模块、光电与机械避障模块上传的信息,输出信息给数码管显示模块显示,同时控制电机的转速以及转向,并且通过WiFi模块和上位机进行信息的交换等。

RFID读卡模块:读取地标卡的信息,并上传给MCU,用于控制AGV的起停。

磁导航传感器模块:主要利用霍尔传感器检测小车运行的实际线路,并将处理后的信息发送给MCU。

数码管显示模块:用6位7段数码管并排显示AGV的运行状况(车速,出轨),电池电量。

光电与机械避障模块:主要检测AGV是否遇到障碍物。

电机驱动模块:主要为电机工作提供足够的功率,并控制其转速、转向等。

WiFi模块:实现上位机和AGV的无线通信。

2系统硬件设计

2.1MCU

本设计采用的微控单元(MCU)是Megawin公司的MA805⁃24系列的单片机。其在与标准8051MCU有同样处理能力的情况下,只需要非常低的运行速度,因此可以很大程度地减少耗电量,同时拥有低成本,高性能的优点[7]。

MA805⁃24拥有24KB的内置FLASH存储器用于保存代码和数据,拥有ISP和IAP能力。

MA805⁃24除保留了标准80C52的所有功能外,还增加了许多其他功能。接口丰富,包括PCA,SPI,UART,SCI,I2C等,可以实现和各种传感器模块的连接。

2.2磁导航模块

本设计采用磁条和并排对称设计的7组霍尔传感器实现对AGV的导航。

其原理是利用通电霍尔元件在磁场中产生一个输出电压,通过一系列的跟随,放大之后给单片机一个信号,实现AGV的导引,其原理图如图2所示。主控板给三端稳压芯片LM317一个5V电压,输出电压Vout(即CH11的电位)可以通过电位器RWC1调节,同时RWC1可以调节LM324的14脚输出电压,即改变CH13的电位,这样就可以给霍尔传感器HW⁃101A一个恒定的输入电压1.25V。霍尔传感器的输出电压只有122~370mV(CH12和CH14为其输出端),这里通过跟随、放大之后输出一个高电平,并通过RC18限流,使得三极管QC1导通,OUT1输出一个低电平信号给单片机,实现导航控制。

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