【AGV车载控制系统的硬件和软件程序的编写设计15000字（论文）】

AGV车载控制系统的硬件和软件程序的编写设计目录TOC\o"1-3"\h\u22960摘要 2319341绪论 2144811.1课题背景及研究意义 229571.2AGV技术的国内外发展历史和现状 3243021.2.1国外现状 383851.2.2国内现状 411731.3AGV关键技术研究现状 514361.3.1AGV导航技术 5173281.3.2AGV站点识别与定位技术 6127741.4论文研究内容和章节安排 7271702AGV车载控制系统总体方案设计 810982.1AGV车载控制系统概述 8191822.2AGV的结构组成 8242192.3系统主要器件选型方案论证 9143292.3.1主控制器 9197432.3.2循迹模块 10201222.3.3避障模块 11228692.4本章小结 12219673AGV车载控制系统的硬件设计 12276043.1系统硬件总体结构 1289873.2主控最小系统电路 13323063.3循迹导航模块 15254333.4驱动控制模块 1794933.4称重模块 18202213.5安全避障模块 19317093.6本章小结 20198784AGV车载控制系统的软件设计 2116694.1软件开发平台 219464.2系统整体程序总体框架 21201454.3循迹程序设计 24143394.4避障程序设计 24158214.5称重程序设计 25176984.6速度控制程序设计 2628714.7本章小结 27292285AGV实物调试及结果分析 28269825.1小车整体调试 28144255.2AGV速度测试 31170945.3AGV循迹测试 31159045.4本章小结 32150736总结和展望 33317756.1总结 33179436.2展望 33摘要：AGV即自动导引小车，它多位一体，集结了当今科技领域先进的理论和应用技术，综合了声、光、电、计算机等技术。具有灵活可靠、柔性化好、效率高、操作简便、可控性强等许多优点。本课题综合研究分析了国内外AGV的发展情况和现状，再根据设计的功能需求以及自身的实际知识储备情况，决定选用红外传感器作为循迹、避障的主要器件，带编码器的直流减速电机和TB6612作为驱动控制模块，STM32作为主控制器，同时为了避免货物质量对小车造成影响，添加了称重模块，保证车载货物在小车承重范围内。后期进行软硬件的设计，并最终完成事物的制作。所设计的小车实现自动循迹、避障、识别站点和终点等功能，基本满足设计要求。关键词：AGV；红外循迹、避障；STM321绪论1.1课题背景及研究意义近年来，科技的飞速发展，智能制造行业的兴起以及自动化行业的蓬勃发展。使得敏捷制造成为了企业的主导。因此，抓住市场导向研发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。并且减小生产成本的一个主要的方向就是使用智能化，将人工解放出来，使用机器代替人工。同时通过引入智能机器也可实现生产效率的提高。由于其具有可编程、可重组和快速响应能力等等，在进行小批量生产时具有极其广阔的应用场景。近年来，机器人技术的快速发展以及与智能制造的结合，其自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点。广泛应用于敏捷制造生产装备及系统。为现代企业的转型发展提供了重要的技术支持。自动导向小车((AutomatedGuidedVehicle简称AGV))[1]是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。AGV可以分为固定路径AGV和自由路径AGV。固定路径AGV的行动路径是固定不变的且常常是有轨道的，因此这类AGV的导引技术相对而言就比较简单；自由路径AGV是没有轨道制约的，相比之下没有轨道就为AGV自由运行提供了可能性，但是对这种沿任意路径的自由运行的人为控制仍然是工程界需要解决的一个技术难题。在以往的生产线上，导向式AGV是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式[2]等方法。这些方法的共同点就是需要预先规划好AGV的行动路线，同时生产车间的装置的位置不能随意发生变化。在现代智能制造行业的快速发现，生产车间的智能化的快速普及以及智能化程度的提高，导向式的AGV明显不能适应现代智能化车间发展。因此，非导向式AGV越来越成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式AGV系统中，对于AGV的控制就比较灵活，其行进路线不再需要附加设备决定。并且车间布局的变化对于路线的规划的影响也较小。相关数据显示:现代制造业中，从原材料到成品再到销售的整个生产过程中，用于加工和制造的时间仅仅只占5%，剩余的95%都用于原材料、半成品、成品的储存、装卸、等待加工和输送等中间过程:在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%[3]，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%。因此，企业降低成本的一个重要的举措就是想方设法降低物流成本。自动导引小车AGV也就在现代制造行业中得到了广泛的应用。目前，在我国某些汽车、烟草行业，AGV已投入使用，并取得了良好的经济效益。但是从应用的形式来看，大多数还是采用的固定路径的AGV。而自由路径因为有许多问题并未得到解决，没有得到实际的应用。因此对自由路径导向式AGV的研究任然具有重要意义。1.2AGV技术的国内外发展历史和现状1.2.1国外现状20世纪50年代初，美国研制出了世界上第一台AGV小车。这款小车是一种牵引小车，其可以方便的和其他物流系统连接使得物料搬运的效率得到了显著的提高。从而使得AGV技术得到了迅速的普及应用[4]。

欧洲是AGV应用最先普及的地区之一。1960年代，欧洲有1000多台各种类型的AGV。AGV在改进AGV控制器和提高控制器的处理能力方面变得更加灵活。到1980年，欧洲的AGV总数已接近5000台，而在80年代中期约为10000辆。其应用主要分布于汽车行业和柔性系统。总共安装了约520台AGV系统的小车4800台，1985年开发了约10000台。主要用于汽车行业和柔性系统。

随着科技的进步，尤其是计算机控制技术的飞速发展，AGV的智能程度也越来越高，开始往各行各业发展。AGV的发展前景一片光明。1.2.2国内现状相比发达国家，我国对AGV的研究起步较晚，对AGV的研究相对较落后，很多场所的物料运输依然是靠人工或是操作机械完成，大多在一些对自动化要求较高的场合采用AGV设备，且对进口的需求较大。《2019-2023年中国AGV机器人行业市场行情监测及未来发展前景研究报告》显示：智能制造和工业4.0[5]的发展为AGV机器人行业发展带来了机遇。2017年中国AGV小车销量达到1.35万台，与2016年的0.67万台同比增长101.6%，预计到2022年我国AGV小车市场规模将接近100亿元。

AGV机器人作为近年来国家重点支持的一项高新技术，也得到迅猛的发展。AGV机器人占比最高的应用领域是汽车制造业；同时，在电子行业柔性生产线也到了较为广泛的应用；金属和机械加工行业也加入了AGV机器人用来提高自动化程度进而提高生产效率。

从国内AGV小车产品的应用领域来看，近几年来，AGV小车在国内的应用市场不断扩大、应用领域不断增加。除了一开始的应用于汽车制造行业、电子电器等领域，如今正向着配电、医药、半导体、5G通信等新兴领域逐渐拓展。

在未来，随着方面技术的发展以及市场需求和用户需求的不断更新，将对AGV提出更高的要求。在万物互联以及大数据的将来，AGV技术也将与这些技术相互融合，使得物流系统智能化显著提高。以适应人工智能的时代需要。

同时，在AGV导引方面无轨激光导航将成为AGV的主流。我国在较早的时候已着手发展AGV导航技术，其中磁导航为我国主流的导航技术，这种技术经过时间的沉淀已经发展得较为全面了，在市场上的竞争也很激烈。最近兴起的无轨激光导航技术，在灵敏度、精准性上都更胜一筹，且改变方向向量的能力也更强，因此之后将成为我国在导航技术方面的重点发展对象。5G的到来，AGV应用范围将不断扩大[6]，AGV需要面对的环境也越发多样化，对AGV技术的要求也越来越高，未来上位技术的发展方向将会是大数据(+互联网)，让AGV真正的信息化、智能化。1.3AGV关键技术研究现状1.3.1AGV导航技术AGV导航技术是AGV实现智能化、自主化运行的关键，目前，AGV主要的定位导航技术包括：磁导航技术、GPS导航技术、惯性导航技术、视觉导航技术和激光导航技术等多种导航技术[7,8]。=1\*GB3①电磁导航技术电磁导引方式是最早被用于工业制造当中，也是应用最广泛的，它需要在设计的路径的地面下的地槽中理设电线，再通入特定的低频交流电流，从而在路径周围产生交变的磁场，位于AGV上的磁感应传感器，可以检测到磁场并将其强弱并以电压的形式表示出来，这样就可以对路径进行识别和跟踪。该导航技术性能稳定而且成本较低，但由于路径固定不便于后期的更改，因而不适用于需要频繁改变AGV行驶路径的工作场合。

②

磁带导航技术

磁带导引[9]和电磁导引的原理很类似，只是后者使用贴磁条替代了电磁导引埋设的金属线。和电磁导引比较来，灵活性比较好，改变或扩充导引路径比较容易，但是比电磁导引更容易受周围金属物的干扰，所以这种导引方式的AGV对应用环境要求比较高。

③GPS导航技术GPS导航[10]具有全球性、全天候的导航能力，基本原理是依据测量卫星到用户接收机之间的距离进行定位，具有精度高、效率高、功能齐全及应用广等优点，但因其测量时易受多种因素影响，从而导致信号受到干扰，故在作为导航系统时常与其他导航方式一起使用。④惯性导航技术惯性导航技术[11]是一种无轨导航方式，通过高精度的传感设备检测AGV小车在局部坐标下的位置信息，根据参考点测定AGV的行驶距离来确定其当前位置，并通过与已知规划路径进行比较，从而实现AGV的自主导引。单纯的惯性导航技术难度很大，因此大部分惯性导航技术都需要采用其他设备组合使用。惯性导航技术的优点较之磁导航技术，路径灵活性更好，定位准确度更高，适用于复杂路线与环境，缺点是高精度传感器成本较高。=5\*GB3⑤

视觉导航技术[12,13]视觉导引有两种方法。一

种是利用摄像头来实时采集行驶路径周围环境的图像信息，并与已建立的运行路径周围环境图像数据库中的信息进行比较，实现对

AGV

的控制。另一种是基于导引线的图像识别方法，利用摄像头实时采集导引线图像，并计算出导引线与小车之间的偏差，从而控制AGV沿着预定规划好的导引线行驶。该技术涉及图像处理、机器视觉和计算机视觉等技术领域，具有识别精度高、灵活性广、探测范围宽等优点，但由于车载计算机工作有明显的延迟问题，所以在实用性方面与其他导航技术相比仍有一定差距，技术还不太成熟。=6\*GB3⑥激光导航技术[14,15]

这种导引方式是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和方向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。具有精度高、灵活性强、抗干扰能力强等特点，但制造成本高，易受大气和外界环境影响。1.3.2AGV站点识别与定位技术在实际的生产过程中，AGV在始发站运载货物之后，按照用户指定的路线前进。此条路线是一条具有弯道、岔路口等复杂情形的路线。AGV在自身定位系统的工作下，实时的测量出自身所处的位置。同时按照设置的路线正常行驶。当通过站点时，AGV可以通过识别系统确认相应的站点信息。确认站点信息后，判断是否需要卸载货物或者是否继续行驶。站点识别系统始终工作在小车行驶的全过程之中，以保证AGV的正常运行。从这个角度来看，站点识别系统以及定位系统的性能直接影响AGV的性能，是AGV能否正常工作的关键。目前，应用于AGV的定位技术以使用方式的不同分为激光定位技术、视觉定位技术、惯性定位技术、二维码定位以及RFID定位技术。由于成本因素，在制造业中二维码定位和RFID定位技术[16]使用较多。二维码定位技术是提前将AGV的站点信息录入二维码标签中，并将标签贴在预先设定好的的站点位置上，当AGV行驶经过该标签位置时，AGV车身上安装的小型摄像头会扫描到二维码标签，并对其中的信息进行解析，最后将其位置信息传送到上位控制系统，从而实现AGV的站点识别和定位。而RFID定位技术的工作模式与其相似，工作人员先将写好的RFID地标卡的标签号贴在AGV的预设轨道上，在软件中设定好每个标签卡的功能。AGV在行驶过程中通过RFID读卡传感器检测到标签卡，将标签号反馈到主控制器中，AGV主控器对标签号的功能进行解析，从而实现AGV的站点识别和定位。1.4论文研究内容和章节安排本文根据课题设计要求，查阅相关文献资料了解国内外企业对AGV的设计和研发流程，并深入研究了AGV中使用到的关键技术，在此基础上，进行模块化设计，大体组成为主控器、避障模块、循迹模块、称重模块和速度控制模块等，在进行软硬件设计后得到一款能实现简单循迹避障的智能AGV.

第一章：介绍了研究背景及意义，简述了AGV关键技术的研究现状最后概述了本文的研究内容和文章结构安排。

第二章：根据任务书的要求，设计出AGV车载控制系统的总体方案并对关键器件的选型进行了方案论证。

第三章：分析各模块的相关参数，简要介绍主要模块的组成成分、原理概述、完成相应的电路设计。第四章：在硬件设计的基础上，通过分析AGV车载控制系统的软件功能需求，设计了其程序总体框架，完成AGV循迹模块、避障模块、称重模块等功能模块的软件设计。

第五章：对AGV车载控制系统进行测试，主要包括AGV实际行驶速度、巡线能力等测试，根据测试结果以及数据分析最后得出结论，

第六章：对本文所研究的内容和主要工作进行总结，同时指出在研究过程中还存在的问题。2AGV车载控制系统总体方案设计2.1AGV车载控制系统概述AGV车载控制系统即AGV小车，主要实现AGV的自主循迹、站点识别和定位、状态显示和安全避障等功能。AGV在运行过程中，需要不断地接收上位调度系统发出的指令，从而控制AGV完成相应的装卸货物操作，同时AGV也能通过无线网络实时反馈AGV的状态信息，便于工作人员对AGV的监控。2.2AGV的结构组成本课题设计的AGV主要由主控制器、循迹定位机构、驱动机构、称重机构、操作显示面板、安全机构等部分构成，其结构图如下

图2.2系统结构图主控器负责接收并解析传感设备的信息，控制AGV进行各种动作，完成物料的搬运工作；循迹定位机构是红外循迹模块，它负责完成AGV的导引、定位和路径识别功能；驱动机构主要由驱动控制模块和带编码器的直流减速电机组成，它负责AGV的行走功能；操作显示面板由电源开关、速度调节按钮、起/停按钮、TFT液晶显示屏组成，通过显示屏可以查看当前AGV的状态。了解AGV的行驶速度和物料重量；安全机构是红外传感器、扬声器、指示灯组成，负责保护AGV和工作人员的安全[17]。2.3系统主要器件选型方案论证2.3.1主控制器

AGV的主控模块是AGV车载控制系统相当于电脑的CPU,其主要职责是接收来自上位控制系统的命令、接收并解析传感器发回的信息以及控制AGV进行相应的动作，所以AGV主控模块的控制方式和芯片的选择尤为重要。当前AGV的控制方式一般分为PLC、工控机、单片机控制三种，它们各有优缺点，如表2.1所示表2.1AGV三种主控方式优缺点控制方式优点缺点PLCIO驱动能力强，易于扩展，稳定性好、可靠性高，主要用于逻辑控制处理任务单一，调试不便工控机CPU处理速度快，实现多线程处理各类任务，资源丰富抗干扰能力强，可以用于振动、高湿、电磁辐射等恶劣环境价格昂贵，体积大，能耗高单片机体积小，功耗低，成本低CPU运算速度较慢，且需要花费较多精力设计外部电路以及各种底层运算本次设计的AGV预计是用于仓库货物搬运和生产线物料运送，故从AGV工作环境、成本等多方面考虑，采用单片机作为AGV主控模块的控制方式既能满足设计的需求还能大大降低开发使用成本。从AGV主控芯片的内存、FLASH、IO、串口等资源以及AGV的后续开发的优化升级所需的资源等几个方面考虑，本文采用STM32F103RCT6芯片作为AGV的主控芯片。2.3.2循迹模块循迹传感器的原理是将路面的图像信号转化为数字信号，以便于单片机对信息进行解析，其实质是图像处理技术的实际运用，循迹是实现AGV智能化、自动化寻运行的先决条件，因而，循迹系统的性能决定AGV的性能。近年来，随着世界电子技术飞速发展，基于图像处理的数字化传感器在生产生活中得到了广泛的运用，并仍在飞速发展。目前应用较为广泛的循迹传感器主要是视觉类的传感器和光电式传感器这两种。

方案一：使用视觉类传感器，视觉类传感器的工作原理主要是通过从图片中获取的数千个的像素点，然后构建出想要观察的对象，而图像的清晰度取决于捕获的像素点数量，像素点越多图像越清晰。传感器将捕获到的图像存储在自身内存中，然后通过比对传感器捕获的图像和内存中存储的基准图像，从而判断AGV所处位置。在智能小车此类设计中，通常使用使用CCD摄像头，该类传感器具有安装便捷，分辨率高，获取内容丰富等诸多优点，但是该类传感器的使用对光线的要求高，耗电量较大，同时对处理软件的要求也高，处理速度相对较慢。方案二：使用光电传感器，目前应用较多的光电传感器是红外传感器，它集发射和接收于一体，在实际的运用时，传感器利用路面和导引线对红外线的反射能力的差异进行工作的，路面一般选用白色路面，导引线选黑色，传感器一般正对着导引线两侧路面，当被检测部分有路面转向导引线时，红外线被吸收，导致传感器的输出信号发生跳变，完成光信号到电信号的转变，将路面情况反馈到主控器，从而控制小车运动。红外对管结构简单，对外界环境变化也较敏感，处理速度快。视觉类传感器能够通过摄像头获取的信息来计算得到AGV小车、如小车位置、行驶速度和离目的地之间的距离，但正因需要处理的数据较多，对处理器的要求就很高，处理速度也较慢，实时性差，不适合本设计。而红外传感器结构简单、灵敏度高、性能稳定，并且成本较低，能够满足本次设计需求，故而选择红外传感器作为本次的循迹模块。2.3.3避障模块在AGV的研究中，避障[21]是其需要实现的一个最基本的功能，避障传感器作为获取障碍物信息的器件，能够为AGV的行驶提供安全保证，避免AGV损坏以及其它安全事故。而目前的市面上常用的避障传感器有超声波传感器、红外避障传感器、激光雷达传感器这三种。方案一：选用超声波传感器。超声波测距的灵感来源于蝙蝠，视力极差的的蝙蝠能在黑夜里捕食猎物、躲避障碍物其实就在于对超声波的熟练运用。超声波测距的原理是利用超声波传感器发出超声波和接收物体反射的回波之间所用时间和超声波在空中传播速度来计算物体与传感器之间的距离。超声波避障则是当物体的距离小于超声波传感器的某个设定值时，控制小车停止从而达到避障的目的。方案二：使用红外避障传感器。市面上的红外避障传感器大多为收发一体的红外对管，其中发射管持续发射红外线，在遇到障碍物时红外线被反射回来接着被接收管接收，从而光电回路选通电路，判断有障碍物存在。对于障碍物，除了深色物体，其他的都没有太多的局限性。方案三：使用激光雷达装置。原理与超声波类似，激光传感器通过向某一方向发射一段激光脉，待照射到目标时，目标会反射一个脉冲并被传感器接收，通过计算脉冲从发送到接收的之间所用的时间以及光的传播速度来测量目标距离，可以用激光返回时间和波长的差异来得出物体的行状轮廓。该传感器反应迅速并且测量精度高，通常用于制作高分辨率地图，但是成本价高。目前阶段，红外避障传感器技术发展最为成熟，性能也比较稳定，最重要的是成本低廉。而超声波传感器虽然探测范围广，探测的精度高，但是在实际运用中方向不好把控，得到的测量结果不准确，存在探测盲区。激光雷达传感器虽然探测效果做好，但成本高昂，而本次设计对避障传感器的要求只是检测AGV小车路径前方一定距离内有无障碍物，红外避障传感器足以胜任，是性价比最好的选择，故本设计选用红外避障传感器。2.4本章小结本章首先对AGV车载控制系统进行了概述，之后介绍了本次设计的AGV系统结构组成，并对各模块的功能进行了分析介绍，最后是对主要器件的选型进行方案论证。3AGV车载控制系统的硬件设计3.1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3.1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3.1所示图3.1AGV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。3.2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3.2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3.2STM32F103RCT6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3.3所示图3.3STM32F103RCT6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3.4所示图3.4STM32F103RCT6JTAG下载接口3.3循迹导航模块红外传感器循迹原理如图3.5所示：图3.5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3.6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3.6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3.7所示：图3.7红外循迹模块电路原理图3.4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3.1和表3.2所示。表3.1TB6612的引脚功能引脚定义VM驱动电压输入端（4.5~10V）VCC逻辑电平输入端（2.7~5.5V）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3.2TB6612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3.4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3.8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3.8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3.9所示。图3.9HX711芯片封装及引脚说明3.5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3.10所示：图3.10红外避障模块电路图3.6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。4AGV车载控制系统的软件设计4.1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。4.2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4.1所示。图4.1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。4.3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4.2所示。图4.2循迹模块程序流程图4.4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4.3所示：图4.3红外避障程序流程图4.5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4.4所示。图4.4称重程序流程图4.6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4.5所示。图4.5速度控制流程图4.7本章小结本章首先对使用的软件开发平台进行简述，然后分析AGV的功能需求来完成对系统整体程序框架的设计，之后确定系统整体程序流程框图。然后分析循迹、避障、称重、速度等模块的程序设计。5AGV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。5.1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5.1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5.2所示。图5.1速度选择界面图5.2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5.3。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5.4所示。图5.3物体超重提示界面 图5.4AGV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5.5和图5.6所示。图5.5站点标识 图5.6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5.7和图5.8所示。通过调试，AG基本实现了设计要求。图5.7站点识别 图5.8终点识别5.2AGV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的实际运行速度。实验数据如表5.1所示。表5.1AGV行驶速度测试数据运行距离（m）设定速度（m/min）行走时间（S）行驶速度（m/min）51520.1714.872015.2119.732511.9425.12309.9030.31358.3136.12由表5.1数据可知:AGV实际行驶速度与设定速度在15m/min~30m/min之间，误差小于1m/min，