【AGV车载控制系统的硬件和软件设计案例6800字】

AGV车载控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19720AGV车载控制系统的硬件和软件设计案例 199711AGV车载控制系统的硬件设计 21281.1系统硬件总体结构 2262031.2主控最小系统电路 392041.3循迹导航模块 524571.4驱动控制模块 7311111.4称重模块 847621.5安全避障模块 9272601.6本章小结 1083042AGV车载控制系统的软件设计 1143442.1软件开发平台 1152662.2系统整体程序总体框架 11204602.3循迹程序设计 1462802.4避障程序设计 14123282.5称重程序设计 15124452.6速度控制程序设计 16179633AGV实物调试及结果分析 17148283.1小车整体调试 1755953.2AGV速度测试 2079773.3AGV循迹测试 211AGV车载控制系统的硬件设计1.1系统硬件总体结构前一章节已经对AGV车载系统进行了分析，设计了整个系统的框架结构，同时也对主要功能器件做了选型分析，接下来就是开始具体的设计工作，本章主要讲述初次设计的硬件设计。AGV车载控制系统硬件结构如图1.1所示，主要由主控制器、红外导航传感器、红外避障传感器、TFT液晶显示屏、控制开关、锂电池、状态指示灯、扬声器、HX711称重模块、速度检测模块、TB6612FNG驱动控制模块组成。AGV硬件设计总体框图如图1.1所示图1.1AGV硬件设计总体框图通过前几章的内容，我们选定单片机作为AGV的控制方式，同时选用资源丰富，编辑能力较强的STM32F103RCT6芯片作为主控制器，实现对上位系统命令的接收和控制相关指令动作的完成；红外循迹模块选用的是4路循迹，即有四个和红外发射和接收对管，其中两组用来识别路径，完成循迹功能，另外两组用来识别标志点，完成定位功能；控制开关由3个按键组成，其中按键UP和按键DOWN是用来选择速度档位的，而确认按键是用来确定速度档位和开启小车运动状态；扬声器主要是在货物超重和遇到障碍物时发出警报声；速度检测模块负责测定两驱动轮的速度，以便获取小车实时速度情况。1.2主控最小系统电路本设计的主控制器选择的是ST公司的STM32F103RCT6，该芯片的最小系统包含以下电路：1：复位电路复位电路的作用是用来使系统恢复到初始状态，在单片机系统中，单片机复位方式主要有两种，一种是在系统上电、掉电以及系统从待机模式返回时发生的上电复位，另外一种是可以在程序运行过程中通过按键给NRST引脚一个低电位，从而使系统完成复位的手动复位，如下图1.2所示为复位电路，其中电容C5的作用是按键消抖，防止按键在刚刚按下或松开时的电平抖动引发误操作。 图1.2STM32F103RCT6复位电路 2：晶振电路晶振全称为晶体振荡器，在单片机系统中作用十分大，晶振电路为能单片机提供其所必须的时钟频率，而单片机的一切指令都是建立在这个基础上的。晶振所提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度也就越快。此次设计，本系统使用8M外部晶振，其能与STM32内部的PLL锁相环配合使用，使单片机的系统时钟达到STM32允许的最高频率72M，晶振电路如图1.3所示图1.3STM32F103RCT6晶振电路3:下载及调试电路STM32内部支持实时调试功能，串口只能起到下载程序的作用，而使用JNINK就可以进行在线仿真，方便观察数据变化，为使用者的设计带来诸多便利。STM32支持两种调试接口：SWD和JTAG。本次使用的是JTAG,JTAG下载接口如图1.4所示图1.4STM32F103RCT6JTAG下载接口1.3循迹导航模块红外传感器循迹原理如图1.5所示：图1.5红外传感器原理红外二极管发射红外光，接收管接受反射的红外光信号。不同的颜色反光效果不同，如果红外光照射在黑色物体上，由于黑色物体对光的吸收能力强，反射的光很少。但照在白色物体上，由于白色物体对光的吸收能力弱，反射的光较多。从而当红外二极管发出的光照射在不同颜色的物体上时，接收管接受的红外光强度也不同，从而可以判断出前面物体的颜色。图1.6轨道图示红外循迹就是根据这个原理，将红外模块安装在寻迹小车上，然后再赛道上面贴上黑色胶带，红外对管对准黑线两侧（稍留间隙），当检测到白色时说明小车沿线行驶，检测到黑色是说明小车偏离黑线，则需要纠正位置，轨道如图1.6所示。目前数字式的红外循迹传感器在市场上占有主要地位，这种传感器通过模数转换器（AD转换器）将接收管得到的红外光强度模拟数据转换为数字数据，由0和1来表示，用这种方法来确定轨迹则至少要用到两个红外传感器，将两个传感器等距离地布置在黑线两侧，当一边的传感器监测到小车在往它那边偏移时就可以控制小车往反方向回正。本次设计采用的就是这种红外模块，其电路图如下图1.7所示：图1.7红外循迹模块电路原理图1.4驱动控制模块本次设计采用的驱动控制模块是TB6612FNG[18]，TB6612FNG是一款新型直流电机驱动器件，具有大电流MOSFT-H桥结构，双通道输出，能够独立双向控制2个直流电机，能够实现多种运动姿态。并且其集成度高，对车体的占用空间小，方便布局。运行性能和能耗方面也具有优势，因此在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器件。其引脚功能和引脚模式设置分别如表1.1和表1.2所示。表1.1TB6612的引脚功能引脚定义VM驱动电压输入端（2.5~10V）VCC逻辑电平输入端（2.7~3.5V）GND电源地端STBY正常工作/待机状态控制输入端1路电机PWMAPWM信号输入端AIN1电机控制模式输入端AIN2A01电机驱动输出端A022路电机PWMAPWM信号输入端AIN1电机控制模式输入端AIN2A01电机驱动输出端A02表1.2TB6612的引脚模式设置输入输出IN1IN2PWMSTBY0102模式状态HHH/LHLL制动LHHHLH反转LHLHLL制动HLHHHL正转HLLHLL制动LLHHOFF停止H/LH/LH/LLOFF待机1.4称重模块本次设计采用的称重模块是由电阻式压力传感器和HX711A/D转换芯片组成。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，传感器使用用惠斯通电桥作为内部电路，当弹性体受到压力产生变形时，贴在弹性体上的电阻应变片（转换组件）也会受到拉伸或压缩发生相应的形变，从而使自身阻值将发生变化（增大或减小），导致电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

如图1.8所示，当一个压力P垂直作用在梁上时，梁产生形变，从而使电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，阻值增加。R2、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生不平衡电压U，电压U与作用在传感器上的正压力P成正比，从而将非电量转化为电量输出。图1.8电阻应变片受力图HX711[19,20]是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取信道A或信道B,与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64,对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。HX711芯片封装及引脚说明如图1.9所示。图1.9HX711芯片封装及引脚说明1.5安全避障模块本次设计采用红外避障传感器作为安全避障装置，红外避障是避障传感器的一种（其他避障传感器有超声波传感器、激光避障传感器等），具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（信号输出接口输出低电平信号，可通过电位器旋钮调节检测距离。其电路原理如图1.10所示：图1.10红外避障模块电路图1.6本章小结本章首先对AGV车载系统硬件结构进行了介绍，并对部分硬件组成的功能用途进行了说明，之后对本次使用的STM32最小系统进行了介绍，包括复位电路、晶振电路、下载调试电路，再对其他功能模块进行原理分析，并给出部分电路图和引脚说明。2AGV车载控制系统的软件设计2.1软件开发平台AGV车载系统的硬件部分作为运载程序的作用是对周围的环境进行信息采集后做出相应的动作命令，相当于人体的各种感知器官和动作系统，软件系统用来对获取的信息进行处理，并将这些动作指令发出，相当于人体的大脑。而本设计采用STM32作为中央处理器来运行软件系统进行信息处理。早期由于语言系统还不够成熟，电脑又只能识别机器码，所以程序开发只能靠手工汇编或者机器汇编的方法。这样的方法非常繁琐容易出错，随着科技的发展进步已近慢慢的淘汰了。如今人们可以靠程序开发平台直接使用C/C++等高级语言进行程序开发。本次设计选择使用适合STM32开发的Keil5

MDK作为软件开发平台。

Keil5

MDK软件是由Keilsoftware公司推出的一款集成开发环境平台，也被称为MDK-ARM。可以为软件设计提供完整的开发平台，在此平台上可以进行程序的编写和编译。Keil5简单易学，功能强大完全能够满足本次设计的要求。2.2系统整体程序总体框架在进行一项设计时，首先我们需要知道它是用来干什么的、需要那些部件、具体有什么用等，对于本次设计，已经知道了硬件的构成，在设计软件时就需要分析其功能需求，再进行具体的程序编写工作，这样才能才能有高度的逻辑性，使编写工作进行更加顺畅，提高程序开发的进度。通过分析，AGV系统所需功能所下：（1）AGV的速度设定功能：运行速度的档位、加速、减速、速度恢复；（2）AGV的驱动控制功能：包含运行、停止、左右转向功能（3）AGV的循迹功能：红外循迹传感器数据的接收和处理、终点的识别；（4）AGV的避障功能：红外避障传感器数据的接收和处理、中途站点的识别；（5）AGV的称重功能：压力传感器数据的接收和处理、重量的显示；（6）其他：串口接收/发送、定时器中断、相关子程序调用、行驶速度测量、TFT彩屏显示、扬声器警报等通过上述分析，我们知道了AGV车载控制系统软件需要实现的功能需求，然后对其进行程序设计，此次软件设计大体分为六个部分：主程序、AGV循迹程序、AGV避障程序、称重程序、速度控制程序及其他相关子程序的调用。为了保证程序能够稳定可靠的运行，在程序的编写过程中，对于每一个子程序都要进行多次测试和修改，在反复调试后都不存在问题后再进行下一程序的编写，完成所有的程序后还要对它们进行整合，再反复反复调试，完成整个程序的编写工作。程序总体流程框图如图2.1所示。图2.1程序总体流程框图当AGV上电后，系统后进行初始化并自行检测，检测AGV是否满足启动要求，各模块工作是否正常；当满足启动条件后，通过操作面板设置速度档位，在确认后判断货物是否超重，超重的话显示屏显示超重警告同时蜂鸣器发出警报声，反之在按下确认按钮后启动小车。小车启动后沿着预先铺设的黑色引导线行驶，在行使过程中会通过红外避障传感器不断检测前方环境，当有障碍物时，AGV会减速停止并发出蜂鸣器警告，直到障碍物移除后自行启动；在行驶过程中车身两侧的红外传感器不断检测路径两侧，在发现由黑胶带搭建的地标时，小车暂停5s,后自启动继续行驶，在终点时停止。2.3循迹程序设计本设计采用的是红外传感器，该传感器的循迹原理是利用红外光线在不同颜色物体的反射程度不同来识别路径的，对于红外线的反射：白色强，黑色弱，故而实现场地选白色地面，导引线选黑色。当遇到白色地面时，红外光能被反射回来从而被接收管接收，变现为接收管电阻小，通过外接电路可以读出检测的状态；当遇到黑色导引线时，红外线被吸收，接收管接收不到或接收少量红外光线，变现为电阻大，外接电路读出另一种状态，如用电平的高低来描述上面两种状态就会出现高低电平之分，也就是0和1两种状态，此时再将此送到单片机I/O口，单片机就可以判断路面情况，进而完成相应动作，如左转、右转、直行等。其程序设计框图如下图2.2所示。图2.2循迹模块程序流程图2.4避障程序设计避障模块是小车安全装置的重要构成，能够实时探测AGV行驶路径上的障碍物情况，避免小车在货物搬运过程中与人员或是其他物体相撞，保证货物和人员的安全。设计的要求是当前方探测范围内出现障碍物时，小车制动并且发出警报，待障碍物从路径移开后自行启动并按原定路径继续行驶，程序框图如图2.3所示：图2.3红外避障程序流程图2.5称重程序设计称重模块是用来称量货物的重量，判断货物质量是否在AGV的承重范围内，避免超重对车体造成影响。本次设计的称重阈值为700g，小车进入称重程序运行后，首先进行初始化，后获取物体重量并进行判断，超重警报提示，否则显示物体重量。程序框图如图2.4所示。图2.4称重程序流程图2.6速度控制程序设计速度控制在整个系统中起到至关重要的作用，直接关系到系统能够实现智能行驶的目的。根据我们的实际经验，在直道上行驶时可以匀速或者加速行驶，在进入弯道之后需要适当减速，对于本设计而言也是如此，最简单的方法是采用开环控制的方法，在进入弯道的时候由于受到弯道的阻力其速度会自然的减小，但是这种情况可能会出现入弯减速控制不及时的情况，所以基于以上的情况，我们选择使用PID控制算法对速度进行处理PID控制是发展最早的控制算法之一，由于其算法简单，鲁棒性较好，性能稳定被广泛应用。PID控制算法有三部分组成即比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。本系统速度控制过程为:红外对管反映出小车当前位置相对于中心位置，因.此基本控制思想将不同的状态速度组对应起来，每一种状态都会对应一个速度。例如:当传感器检测到小车车身向左边偏移一个较小的角度则此时左边电机速度设定为400，右边设定为300，如果车子进入左转弯则此时左边电机设定为200,右边电机设定为500。然后通过PID算法，使小车速度迅速稳定的达到目标值，这个过程可以放在系统中断中，每10ms进入一次中断并对速度进行调整，其控制框图如下图2.5所示。图2.5速度控制流程图3AGV实物调试及结果分析本文前几个章节分析了AGV车载控制系统的功能需求，确定了系统总体设计方案，对关键器件的选型进行了验证，然后分别对AGV的硬件和软件进行了具体设计，通过反复的调试，最后得到了实物。本章主要讲述实物的调试，同时对结果进行分析，具体将从循迹能力、行驶速度等方面进行性能测试。3.1小车整体调试在完成小车的组装后，先检查是否有线路接错、没接等问题，确认无误后，开始调试。在给小车上电后，观察TFT显示屏是否能正常进入操作界面，正常会显示“欢迎使用”，之后跳入速度设定界面，如图3.1所示，通过UP按钮使箭头上移，DOWN按钮使箭头下移，通过“确认”按钮选定速度档位；之后会进入称重界面，如图3.2所示。图3.1速度选择界面图3.2称重界面在小车上放置物体，会显示出其重量,由于承重模块设定的的阈值是700g，当物体超过700g时，小车会发出警报并且在显示屏中提示超重，如图3.3。在小车设定承重范围内，按下“确认”按钮，小车启动。小车在无导引线的情况下，一直直线运动，直到遇到障碍物停止并发出警报，如图3.4所示。图3.3物体超重提示界面 图3.4AGV避障图之后在一白色场地布置黑色导引线，要有直道和弯道，之后启动小车，看其是否能够进行循迹测试，重点观察弯道部分。在初次测试时，小车设定速度较大，结果小车一路直行，没有沿导引线行驶，之后在调低速度后，小车有了一定的循迹能力，但结果都不太理想，之后通过反复调节车头的红外循迹对管宽度和导引线宽度后，循迹效果明显提升。在完善循迹效果后，开始测试站点识别和终点识别，在导引线上进行站点和终点的布置，分别如图3.5和图3.6所示。图3.5站点标识 图3.6终点标识启动小车，观察其能否识别站点和终点。刚开始，由于速度过快原因，两者都不能识别，在通过调节AGV速度、站点和终点的标识宽度后，基本能实现站点识别和终点识别功能。其实际结果图如图3.7和图3.8所示。通过调试，AG基本实现了设计要求。图3.7站点识别 图3.8终点识别3.2AGV速度测试速度的精准性是小车性能的一重要表现，下面对AGV的速度情况进行测试。选定一白色地面作为实验场地，用黑色导引线铺设一条长度近7m的直线轨道，然后在中间选取一段长为5m的路径作为测试路段，在两端做好标记。然后设定AGV的运行速度，在空载情况下，让AGV以不同的设定速度在这条直线轨道上运行，用秒表记录AGV在不同的设定速度下经过这段轨道的时间。将设定的速度和其通过这条轨道对应的时间记录在表中，多次实验后，对表中的数据进行处理，得到AGV的