AGV移动机器人无人叉车控制器设计

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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 [31] 。一般的 AGV 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。

 

 

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