AGV移动机器人无人叉车控制器设计

Posted 2022-12-15 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

AGV控制器是为移动机器人（AMR、智能叉车等）设计的通用控制器，为移动机器人提供地图构建、定位导航、模型编辑等核心功能。 本方案将移动机器人的核心组件集成于一体，配合功能强大的客户端软件 ，可帮助用户快速实现机器人搭建。 除此以外，它逐渐演化成智能工厂基础设施的控制器，可以控制自动充电桩，自动门，电梯，交通灯等。在一个统一的调度接口框架下，推动完成整个工厂的智能化改造与自动化扩展。

 

AGV 系统主要的控制方式有集中式控制、分散式控制和分布式控制。 根据集中式控制原则，将 AGV 系统设计为三层体系结构，分别为：管理控制层、 传输层和执行层。系统各层既相互独立又相互联系，每一层在完成特定的任务的同时，又服务于其他层，系统组织结构如图 2.1 所示。 管理控制层主要指地面控制系统，由系统监控管理软件、上位 PC 机等组成，是整个 AGV 系统的大脑； 传输层一般是指地面控制系统与车载控制器之间的通信，但有时根据不同的系统需求，也会扩展通信对象，并设计专用的通讯系统，是系统间任务信息传输的坚固桥梁； 执行层是系统主要硬件组成部分，主要包括车辆主体、导引系统、车载控制系统、电源系统、驱动转向系统等。 2 AGV 车载系统总体设计 AGV 系统的车载控制器是一个典型的以中央控制单元（ Electronic Control Unit ， 简称 ECU ）为核心的微机控制系统，车载控制系统结构如图 2.2 所示。车载控制系统 作为 AGV 控制系统的执行层，通过响应管理控制层下达的指令来控制车辆动作，其主要功能包括系统运行与运动控制、车辆状态信息采集、无线通信、数据交互等。     AGV车载控制系统主要包括车载主控器模块、激光雷达导航模块、直流电机驱动模块、电源模块、通信模块、安全避障模块、信号采集电路模块、声光报警模块等。其中，车载主控器模块是 AGV 控制系统的核心，负责控制协调 AGV 车体其它单元按指令工作，主要工作是完成信号的输入，处理和输出、实时控制、故障诊断和故障处理等，以满足 AGV 控制系统实时调度的要求。车载控制系统各硬件模块之间通过总线方式进行连接，常用连接方式有 CAN 、 SPI 、 IIC 等 [31] 。一般的 AGV 由 MCU （微处理器）作为控制芯片，考虑到工业现场环境复杂，对控制芯片以及系统干扰很大，本次课题研究将 STM32F103VET6 作为 AGV 的控制核心，具有稳定性高、抗干扰性强等特点。

 AGV 车体参数

由于本次设计的 AGV 控制器是应用于实际复杂的运行环境当中，因此需要配套 相关的软件去控制控制器完成正常的工作，以保证 AGV 的正常使用。但是，车载控 制器的硬件模块过多，相应的会有多个函数（应用）同时进行，比如雷达数据处理函 数、自动导引车运动控制函数、转速信息采集函数、电压电流数据检测以及和上位机 通讯的函数等。如果采取单一的裸机的运行模式（不加任何操作系统）去运行系统， 这时就会出现如下问题，函数之间可能会相互制约，当一个函数执行的时候，另一个 函数就不会得到执行；类似的，如果我们将延时函数加入到一个可执行函数里面，此 时如果函数运行在延时函数里面，当其他的需要执行的函数，就会得不到执行。这样 系统就会出现发生错乱，处于我们不可进行控制的状态。会造成极大的系统不稳定性， 有悖于系统设计目标的性能需求，鉴于此，就很有必有引入嵌入式实时操作系统去管 理函数。 本文选择 RT-Thread 作为控制器的操作系统，之所以选择该系统作为要使用的实 时操作系统，主要是因为本文硬件系统采用基于 ARM 公司 Cortex-M3 内核的 STM32 单片机架构，该架构能够与 RT-Thread 嵌入式实时操作系统完美契合，同时它是一款 免费的实时操作系统在成本控制方面具有优势，同时它还拥有众多优越的性能，比如 可以管理 64 个任务，应用程序最多可以有 256 个任务，保障了系统运行稳定性与可靠 性好 [33] 。

 

激光导引方式的定位精度可以达到毫米级别，且反射装置尺寸较小，安装在墙壁 上，对环境影响极小。但若反射装置被遮挡或过于靠近反光物，均会影响到导引系统 的定位精度。故在反射装置的安装方面，应仔细考虑其尺寸规格与 AGV 的工作环境。 Delta-2B 激光雷达是通过 UART TTL 电平与外部设备通信的，仅支持单工通讯 ( 即激 光雷达主动发数据帧到外部设备 ) ，外部设备只需从数据帧中提取有效数据即可，不需要 做任何 回应 , 通讯帧中的所有数据都是 16 进制格式数据。 依照本文定义的通讯协议解析通讯数据，可以解析出实时测量信息和设备的健康状 态信息。 通讯帧由帧头、帧长度、帧类型、命令字、参数长度、参数、校验码组成，主要用 于激 光雷达主动上传测量信息，故障信息等给外部主机，主机端仅需要从雷达上传的通 讯帧中提 取出有效数据即可，不需要回应。

 

 

 

AGV 软件系统采用基于 RT-Thread 实时操作系统，可完成 AGV 位置数据采集和跟 新、直流电机驱动、电流电压采集与转换、串口 RS232 通讯、状态数据保存， I/O 输入 输出控制及 AGV 无线网通讯等多个任务的“同步”操作，其 AGV 系统软件流程图如图 4.5 所示：

 

AGV 实验样车如图 6.1 所示：整个车身采用钢架钣金结构设计，底层装配有 4 个直 流减速电机，附带有 4 个直径为 6cm 麦克纳姆轮，车身中央安装控制器板，车身侧边装 有量程为 8m 的激光雷达，移动电源铅酸电池，此外还装有红外避障传感器，无线通讯 单元。