基于LabVIEW的磁导引AGV实验平台设计-AGV吧

0 引言

AGV是“Automated Guided Vehicle”的英文缩写，意即“自动导引运输车”，是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，属于轮式移动机器人（Wheeled Mobile Robot，WMR)的范畴。由于AGV具有柔性好和自动化程度高的优点，目前已广泛应用于仓储业、制造业、邮局、烟草、港口码头以及较危险的场所。然而，随着AGV应用场景的复杂化，对其路径跟踪控制的准确性、稳定性和实时性提出了更高的要求，因此路径跟踪控制算法一直以来是AGV的主要研究内容之一。

本文基于模块化设计思路构建了一个灵活、可靠的磁导引AGV硬件实验平台，旨在作为路径跟踪控制算法研究的基础平台，并在LabVIEW软件中进行了上位机监控系统设计，通过对速度、舵机转角和偏差等数据的采集，可实时分析和调整控制算法，为路径跟踪控制算法的研究提供了方便；同时该监控系统可实时监视小车的运行状态，若小车突然冲出路径可快速将其停止，保证了实验过程中小车的安全性。

1 硬件实验平台总体框架

目前，一个完整的AGV产品在结构上通常由车体、电源装置、驱动装置、导引装置、车载控制器、通信装置、安全保护装置和移载装置等部分构成。此处，根据实际实验需求，采用模块化设计思路搭建了一个既能满足技术要求又具有通用性、可拓展性的AGV硬件实验平台，主要包含控制器模块、导航模块、驱动模块、避障模块、通信模块和电源模块，其整体结构框图如图1所示。各模块功能如下：

（1）控制器模块：该模块是整个系统的核心，相当于AGV的“大脑”，它的任务是获取外部采集到的信息，根据控制算法计算出控制指令，驱动小车以正确的姿态行驶。

（2）导航模块：相当于AGV的“眼睛”，负责对小车进行定位及导引，使小车能够沿指定路径自主行驶。

（3）驱动模块：主要由车轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器等部分组成，根据主控制器发出的指令控制车轮转速、转向，使AGV能正常运行。

（4）避障模块：主要检测AGV是否遇到障碍物，对AGV本身或其他设备起保护作用。

（5）通信模块：实现AGV和上位机之间的信息交换。

（6）电源模块：为整个设备提供动力来源。

2 各模块硬件选型及设计

根据实验环境及技术要求，此处设计构建的AGV硬件实验平台应具有高可靠性、高灵活性及可拓展性。AVG小车参数及性能指标如表1所示。

2.1 主控制器模块设计

控制器模块是AGV系统能否按指定要求正常运行的关键，目前AGV的控制器形式多种多样，如PLC、PAC、单片机和FPGA等。此处选用意法半导体公司开发的STM32F407ZET6工业级单片机芯片加上外围扩展电路构成主控制器。STM32系列是基于ARM@CortexM处理器内核的32位闪存微控制器，融高性能、实时性、低成本、低功耗于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点，

目前在工业控制领域被广泛应用。此处选用的STM32F407ZET6型号芯片带有512kB闪存（Flash)，168MHz的CPU，140个通用I/O，采用尺寸小至10mm×10mm的100~176引脚封装；且具有丰富的连接功能，如具有USB、PLL、FS、U（S）ART、SPI、CAN、SDIO和以太网等多种接口，完全能够满足AGV的性能及接口功能需求。

2.2 导航模块设计

AGV常用的导航方式有磁导航、激光导航、惯性导航和视觉导航。每一种导航方式各有其优缺点，如表2所示。

此处从经济性、环境要求、系统可靠性及柔性等方面综合考虑，AGV实验平台采用磁导航方式较为合理，即用磁条+磁导航传感器构成导航模块。具体选用日本北阳公司生产的JH-06型AGV磁导航传感器，该磁导航传感器输出方式为6位NPN输出，利用其内部间隔20mm平均排布的6个采样点，能够检测出磁条上方102T以下的微弱磁场，每一个采样点都有一路信号对应输出。AGV运行时，磁导航传感器内部垂直于磁条上方的连续1~3个采样点会输出信号，依靠输出的这几路信号，可以判断磁条相对于JH-06型AGV磁导航传感器的偏离位置，据此AGV会自动作出调整，确保其沿磁条前行。另外，该磁导航传感器安装在AGV车体前方的底部，距离磁条表面约30mm，使用磁条宽50mm、厚1mm。

2.3 驱动模块设计

此处设计的AGV小车采用后轮驱动+前轮导向的方式移动。后轮由直流电机驱动且速度可调，通过旋转编码器实时检测后轮速度并反馈给主控制器，主控制器再控制直流电机转速，形成闭环调速控制系统。编码器此处选欧姆龙公司小且经济型的E6A2-CW3E系列，其外径为25mm，分辨率为500P/R（表示每转500个脉冲），安装时通过齿轮啮合与后轮轴连接；另外，由于该AGV小车只需单向行驶和制动，因此后轮采用带能耗制动的PWM变换电路（采用驱动芯片IR2110）为直流电机提供驱动电压。AGV后轮直流电机驱动电路如图2所示，其中PWM1和PWM2为主控制器芯片的输出。

前轮导向选用意大利CFR品牌转向舵机实现转向，它具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，舵机的控制信号是周期为20ms的脉宽调制（PWM)信号，若脉冲宽度从0.5ms~2.5ms变化时，相对应的舵盘位置为0°~180°，呈线性变化。因此，通过调节主控芯片STM32F407ZET6输出的PWM信号脉冲宽度即可实现舵机转角变化。

2.4 通信模块设计

通信模块是AGV小车与上位机进行交流的桥梁。此处使用USR-WIFl232-G2a串口转WiFi模块，可以方便地将主控芯片STM32F407ZET6的GPIO口输出信号转为无线WiFi信号，在WiFi网络环境下与上位机进行交流。USR-WIFI232-G2a嵌入式 WiFi模组提供了一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，并提供UART、SPI等接口传输数据的解决方案。该模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器；嵌入式的固件则支持WiFi协议及配置，以及组网的TCP/IP协议栈；采用3.3V单电源供电。在实际应用中该通信方式表现出低功耗、低成本、通信快捷方便的特性。

2.5 避障模块设计

AGV常采用红外传感器、激光传感器和超声波传感器等避障形式。因超声波避障传感器不会受外界环境颜色光线的影响，目前应用最为广泛。此处使用CCF-SR2型超声波避障传感器，将其安装在AGV小车的前挡盖上面，小车在运行过程中，如果传感器感应到前方障碍物会输出开关量信号，系统会根据开关量信号组合代码的不同发出各种指令，使小车能根据感应距离的远近正确做出减速或停止动作，以防止AGV小车撞上障碍物。CCF-SR2型超声波传感器具有2位高速开关量输出（NPN集电极开路型）组合，可直接接到主控芯片STM32F407ZET6上；其距离检测范围为3cm~450cm，夹角感应范围为120°，具有感应距离远、感应信号灵敏、输出信号稳定等特点。

2.6 电源模块设计

根据各模块硬件选型和设计情况，AGV硬件实验平台需要3.3V、7.2V、15V和24V共4种电压。具体需求情况如表3所示。

从经济实用的角度考虑，此处AGV实验平台选用24V铅酸电池作为供电电源，最长可连续工作8h，手动更换电池。其他所需3.3V、7.2V和15V电压可通过开关稳压芯片将24V电源进行转换得到，稳压芯片的选用具体可从供电电流大小、供电电压需求等方面综合考虑。如主控单片机芯片需要3.3V电压，且需提供较大的电流驱动，因此可选用LM2576（3.3V)稳压芯片进行设计，其最大输出电流为3A，保证了主控单片机能稳定可靠地工作。

3 上位机监控系统软件设计

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工作平台）是由美国国家仪器公司（NI)开发的一款标准的数据采集和仪器控制软件，目前被广泛应用于工业界、学术界和研究实验室]。利用它可以对AGV运行过程中的状态及数据（如速度、舵机转角和偏差)等信息进行实时监测、调整和采集，构成一个上位机监控系统，为控制算法的分析和研究提供了一个有效的软件平台。此处上位机监控系统设计主要包括2部分，分别是监视部分和控制部分。

3.1 监视部分程序设计

监视部分即AGV小车在不同的路径跟踪控制算法下，可在上位机软件界面上直观地以数值或波形的形式显示小车行进速度、舵机转角和路径偏差等信息，实现对小车运动状态的监视。上位机监视部分程序如图3所示。

3.2 控制部分程序设计

控制部分即在上位机软件界面上可以控制AGV小车启动、停止，同时根据其工作状态可以对AGV小车行驶的速度进行调整，为研究AGV控制算法提供便利。其中停车控制程序如图4所示。

3.3 前面板界面设计

根据AGV小车在控制算法研究实验中所需要的参数显示和控制情况，前面板包含开关操作区、数据显示区和参数设置区，如图5所示。