基于STM 32的磁导航AGV控制系统设计

陕西科技大学 刘 笑 郑恩让

0 引言

自动导引车（Automated Guided Vehicle，简称AGV）是指带有导引装置（电磁、激光等），能够沿设定好的路径行驶，具有自动化搬运功能的运输车[1]。目前常用的AGV导航方式有：磁导航、激光导航、视觉导航。其中，激光导航依赖于反光板，因此成本很高；视觉导航对所处环境要求很高；而磁导航不仅成本低，且抗干扰能力强，对环境要求较低[2]。

对于国内的应用型AGV来说，大多数采用单片机[3]、可编程控制器（PLC）[4～5]、嵌入式工控机[6]等作为控制器[7]。采用工控机方案，成本过高且稳定性差；采用PLC方案，扩展不方便且难以移植实现调度算法。针对以上问题，本文设计了基于STM 32的磁导航AGV控制系统，该控制系统不仅适应性好、可靠性高，并且价格低廉。经现场实际测试，系统运行稳定可靠。

图1 AGV小车整体结构Fig.1 The overall structure of AGV trolley

1 AGV基本结构

本文设计的AGV小车整体结构如图1所示，采用六轮差速驱动结构：前面两轮为万向随动轮，后面两轮为固定轮，中间两轮为差速驱动轮。

这样的结构能够增强车体的稳定性和载重能力，且驱动轮在车体中间，减小了转弯半径，使运动更加灵活。

2 AGV系统总体设计方案

本文设计的AGV控制系统由磁导航模块、人机交互模块、安全防护模块、运动控制模块、网络通信模块等几部分组成。本系统的的总体设计如图2所示：

图2 系统总体结构图Fig.2 Overall structure diagram of the system

本方案采用模块化的思想对AGV系统进行设计，根据AGV自身的特点，考虑到成本和设计难度，采用了基于STM 32的双MCU结构。其中一个MCU用于路径识别，另一个MCU用于实现安全防护、人机交互、运动控制与网络通信等功能。

3 硬件设计

3.1 导航传感器模块

考虑到磁敏元件的检测范围和灵敏度，本设计采用RM 3100地磁传感器。与霍尔传感器相比，RM 3100地磁传感器分辨率是其10倍，能够精确的实地测量磁场。本设计中磁传感器模块共布置了6个RM 3100地磁传感器，磁传感器模块布置排列如图3所示：

图3 磁传感器布置排列Fig.3 Arrangement of magnetic sensors

AGV在运行的过程中，磁条与传感器模块的相对位置会出现4种情况：（1）3、4号磁传感器信号极强，其他信号依次变弱，则当前磁条处于磁传感模块中间，AGV小车直行；（2）1、2、3号信号较强，4、5、6号信号较弱，则认为磁条处于磁传感模块左侧，AGV小车左转弯；（3）4、5、6号信号较强，1、2、3号信号较弱，则认为磁条处于磁传感模块右侧，AGV小车右转弯；（4）传感器均检测不到信号，则认为发生丢线，AGV保持上一次行驶状态，若AGV丢线达到一定次数，则认为AGV失去导航能力。

3.2 RFID定位模块

射频读卡器的主要功能是通过读取AGV标签里所写的数据来确定AGV的位置，以实现AGV站点停车、特定位置加减速、识别分岔路口等功能。

在分岔路口，磁传感器模块可能同一时刻检测到多块磁条的存在。为了解决这一问题，本方案事先在射频设别（RFID）标签里写入相应的数据信息，当AGV经过分岔路口时，RFID模块可辅助磁导航模块进行路径识别，选择正确的道路。

3.3 驱动电机控制模块

驱动电机控制模块由控制器（STM 32F103）、执行器（无刷直流电机）、反馈装置（编码器）组成，控制器主要负责速度调节。驱动电机控制系统如图4所示：

图4 无刷直流电机控制系统框图Fig.4 Block diagram of Brushless DC motor control system

主控板STM 32F103接收各个模块传感器的信号，经过逻辑计算，通过I/O口输出控制驱动器，驱动器输出相应的PWM控制信号控制直流无刷电机，同时通过编码器采集速度信号进行反馈调节。

3.4 工业触摸屏模块

本设计中的AGV采用北京大器智成的PS-LCD工业触摸屏作为人机交互模块，采用Greatal专业组态式界面设计工具。触摸屏模块与STM 32主控板之间采用RS232方式通信，触摸屏负责信息采集、录入以及结果的显示，主控板负责分析计算。工业触摸屏运行界面如图5所示：

触摸屏分为显示区和手动操作区。显示区内信息包括：实时电量显示、读取当前地标号码、此台AGV行驶区域和当前状态、AGV运行速度与磁导航模块的寻迹信号；手动操作区分为启停模块、驱动模块、速度设定模块、方向切换模块、挂钩模块和帮助模块等。其中挂钩模块可设置AGV是否需要托送货物，方向切换模块可设置AGV运行方向。

图5 触摸屏运行界面图Fig.5 Touch screen operation interface diagram

3.5 安全防护模块

AGV车体设有安全防护模块，主要包括车体前侧上方安装的光学避障传感器、车体前侧下方安装的物理避障传感器、车身两侧安装的红外对射传感器、急停按钮等。当各个传感器模块检测到故障，AGV主控板一方面通过网络通信模块报告给上位机软件供管理人员处理，另一方面进行声光报警与紧急停车，保护AGV周边的工作人员与设备。

4 软件设计

4.1 电机运动PI控制

驱动电机控制系统速度环采用增量式PI控制算法，该算法的可由下式描述：

式(1)中，kp为比例系数，Ti为积分时间常数，u(T)为输出信号，e(t)为输入偏差信号，经过离散化的PI表达式为：

式(2)中，k为采样序列，e(k)为第k时刻的误差值，令：

则增量式PI表达式为：

PI控制算法不仅考虑了响应的快速性，还消除了稳态误差，系统控制效果良好。

4.2 上位机监控软件设计

AGV上位机监控软件基于VS2013平台，采用C#技术开发，其运行界面如图6所示，AGV状态监控软件由以下几部分组成：

（1）启停部分：该部分位于软件界面右上方，其中停止按钮可以紧急停止AGV小车。AGV小车紧急停止之后，必须在上位机上按下启动按钮才再次启动；

（2）AGV基本状态部分：该部分在启停模块下方，包括AGV编号、AGV行驶状态、在线状态三个部分。其中AGV编号在AGVs（多个AGV）系统中可以方便选择查看特定编号的AGV状态；AGV行驶状态表示当前AGV状态是否正常；在线状态表示AGV是否在线，若该编号AGV不在线，则需调度其他编号AGV完成工作；

（3）AGV位置状态部分：包括当前地标、当前目标、上一地标。当前地标为当前AGV读取的RFID标签号，代表AGV当前所处的位置；当前目标为该编号AGV所要达到的目的地；上一地标为AGV运行时所经过的上一位置；

（4）AGV运行状态部分：包括运行速度和电量；

（5）手动控制区：包括指定AGV目标和AGV速度2个功能，通过指定AGV目标可以临时手动改变AGV目的地，通过AGV速度滑动条可以手动调节AGV速度；

（6）地图显示区：地图显示区可以清楚查看AGV当前所处位置；

（7）系统日志：系统日志区域可以记录AGV状态信息，方便管理人员查看。

图6 上位机监控界面Fig.6 Monitoring interface of upper computer

5 系统测试结果与分析

为测试所设计的AGV控制系统的可行性与稳定性，进行了模拟实验。在地面上铺设磁条，将本方案中的六轮式AGV放置于磁条导轨，同时使用RFID标签卡模拟停车站点，本实验中AGV及磁条轨迹图如图7所示。

本方案中的差速式AGV在实际行驶中，通过调整两个驱动轮的速度来完成导航与停车功能。本方案测试了不同速度时AGV的导航精度与停车精度，导航精度测试结果如表1所示。

图7 AGV测试车体与磁条导轨Fig.7 AGV test car body and magnetic slideway

表1 AGV导航定位数据统计Tab.1 AGV navigation and positioning data statistics

在表1（单位为mm）中，编号1代表AGV速度为0.75m/s，编号2代表速度为0.6m/s，编号3代表速度为0.4m/s。通过上表可知，AGV速度越低，稳定性越高。因此AGV在直线轨道时应该加速，拐弯时应适当降低速度以保证其稳定性。

一般情况下，AGV停车精度影响AGV上料精度，因此AGV速度应该尽量低以保证其停车精度，但也需考虑工厂调度节拍，AGV速度不能过慢。因此本方案在停车地标之前设置了一个减速地标用于减速，以此来提高AGV停车精度。AGV停车精度测试结果如表2所示：

表2 AGV停车定位数据统计Tab.1 AGV parking location data statistics

在表2（单位为mm）中，AGV停车精度测试是在匀速0.5m/s，遇到减速地标减速至0.3m/s的条件下进行实验。在表2中，编号1代表在直线路段停车，编号2代表在弯道停车。通过AGV停车精度测试，可以看出AGV在直线路段停车精度优于弯道。但无论直线路段停车还是弯道停车，其精度均小于10mm，满足一般工厂的停车定位精度要求。

通过AGV导航精度测试与停车精度测试，表明了本控制系统的稳定性和可行性。

6 结论

本文提出了一种基于STM 32的磁导航AGV控制系统，采用了高性价比的STM 32 F103组成双MCU架构，路径识别采用RM 3100地磁传感器组成AGV传感器组，配合RFID读卡器完成AGV寻迹功能，运动控制采用增量式PI算法实现AGV直流无刷电机的控制，采用RS232通信实现AGV与工业触摸屏的通信，实现人机交互功能，同时设计了基于C#的上位机监控软件，方便管理人员管理。系统功能模块化分工明确，整个控制系统简单易行，经现场实际测试，系统运行稳定可靠。

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