基于ARM 的智能尋跡小車

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1、 天津職業(yè)技術師范大學 Tianjin University of Technology and Education 畢 業(yè) 設 計 專 業(yè)： 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二○一二 年 六 月  天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)設計 基于ARM的智能尋跡小車 The Design and Implem

2、entation of ARM-based Tracing Car 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 系 別： 2012年6月 摘 要 自動尋跡車AGV (Automatic Guided Vehicle)是以微控制器為控制核心、蓄電池為動力、裝有非接觸導引裝置的無人駕駛自動導引運載車，其自動作業(yè)的基本功能是導向行駛、認址停準和移交載荷。作為當代物流處理自動化的有效手段和柔性制造系統(tǒng)的關鍵設備，AGV已經得到了越來越廣泛的應用，對AGV的研究也具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 本文對基于A

3、RM的自動尋跡小車進行設計，通過反射式光電傳感器ST198或ST188來檢測黑線，并把信號傳給微控制器，進入相關控制程序，控制電機的轉向來尋跡；接近終點時，檢測到黑線停止。本設計選取NXP（Philips公司）推出的基于ARM7TDMI核的ARM2132作為微控制器，以ZLG（周立功）的EasyARM2131為開發(fā)板，選擇容易操作的SM-202A為步進電機驅動芯片，及驅動力足夠大的直流電機作為驅動器，電源由電池供給，組成一個完全獨立的基于ARM的尋跡小車系統(tǒng)。 本文在硬件設計的基礎上，介紹了ARM的編譯平臺ADS V1.2、Keil,仿真器平臺Protues 7.0等軟件系統(tǒng)。通過軟件和硬件

4、的相結合實現(xiàn)相應功能。 關鍵詞：AGV；反射式光電傳感器；EasyARM2131；直流電機 ABSTRACT AGV (Automatic Guided Vehicle) is the unmanned driver automatic guided vehicle; its control center is the microcontroller; its driving power is storage battery, and its basic function of automatic acti

5、on is guided driving, recognizing the address, stopping precisely and unloading. As the valid measure of contemporary logistics processing automation and the key equipment of flexible manufacture system, the AGV has already got more and more extensive application, so that the research on AGV has ver

6、y important theory meaning and realistic meaning. 　　This article is based on the ARM target homing mark car; examines the heavy line through reflection type photoelectric sensor ST198 or ST188; passes to the signal the microprocessor; enters the dependent program; and controls the electrical machin

7、ery to change seeks the mark. The microprocessor is NXP (Philips Corporation) based on ARM7TDMI nucleus ARM2131, EasyARM2131 made by ZLG is chosen as the development board; SM-202A easy to operate is chosen as the step-by-steps motor-driven chip, the driving influence enough achievement step-by-ste

8、ps the electrical machinery; the power is sourced by the battery supplies; and the car system is made. 　 It is introduced that ARM translation platform ADS V1.2, simulator platform Protues 7.0, and operation. The function is realized by hardware and software. Key word: AGV； Reflection type

9、 photoelectric sensor；EasyARM2131；DC motor I 目 錄 1 引言 1 2 ARM與智能車 2 2.1 ARM 2 2.2 智能車 7 2.2.1 AGV的主要系統(tǒng)構成 8 2.2.2 AGV-AGV地面（上位）控制系統(tǒng) 9 2.2.3 AGV-AGV車載（單機）控制系統(tǒng) 9 3 系統(tǒng)硬件設計 11 3.1 直流電機模塊 11 3.2 電源模塊 12 3.3 尋跡蔽障紅外對管模塊處 13 3.3.1 紅外對管的概述 13 3.3.2 紅外對管的應用 13

10、3.3.3 紅外線接收頭 17 4 系統(tǒng)程序設計 21 4.1 主程序流程圖 21 4.2 模塊程序設計流程圖 22 4.2.1 尋跡模塊 22 4.2.2 避障模塊 22 5 系統(tǒng)調試 24 5.1 硬件調試 24 5.1.1 靜態(tài)調試 24 5.1.2 聯(lián)機調試 24 5.2 軟件調試 25 5.3 系統(tǒng)調試 25 結 論 27 參考文獻 28 致 謝 29 附錄I 電路原理圖 30 附錄II 控制源程序 31 天津職業(yè)技術師范大學2012屆本科生畢業(yè)設計 1 引言 自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經遍及機械、電子

11、、冶金、交通、宇航、國防等領域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認識自然的過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經有充分的準備。本題目是結合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車具有自動尋跡、避障功能。 智能車要實現(xiàn)自動導引功能和避障功能就必須要感知導引線和障礙物，感知導引線相當給小車一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導引小車（

12、AVG—auto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應的執(zhí)行動作。確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎上，加裝光電、紅外線、實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至MCU(ARM)進行處理，然后由MCU根據所檢測的各種數據實現(xiàn)對電動車的智能控制。 該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。智能車要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物?？梢詫崿F(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測

13、到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當的，主要控制小車的行進方向和速度。MCU驅動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用ARM資源，直接選擇有PWM功能的MCU，這樣可以實現(xiàn)精確調速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調制，需要占用MCU資源，難以精確調速，但MCU選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。MCU使用ARM Cortex-M3，配合軟件編程實現(xiàn)。本設計采用ARM Cortex-M系列中Cortex-M3

14、。以M3為控制核心，利用紅外線傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡。 30 天津職業(yè)技術師范大學2012屆本科生畢業(yè)設計 2 ARM與智能車 2.1 ARM ARM處理器是世界上最流行的嵌入式處理器，廣泛應用于個人通信等嵌入式領域。在嵌入式領域，8位處理器已經不再勝任一些復雜的應用，比如GUI，TCP/IP，F(xiàn)ILESYSTEM等，而ARM芯片憑借強大的處理能力和極低的功耗，非常適合這些場合。所以現(xiàn)在越來越多的公司在產品選型的時候考慮到使用ARM處理器，現(xiàn)在全世界嵌入式處理器的品種已經超過1000多種，流行的體

15、系結構多達30多個，嵌入式處理器的尋址空間也從64KB到2GB不等，其處理速度可以從0.1MIPS~2000MIPS等。一般來說可以把嵌入式處理器分成以下4類： MCU（Micro Controller Unit）嵌入式微控制器，如：單片機、ARM； MPU（Micro Processor Unit）嵌入式微處理器； 嵌入式DSP處理器（Digital Signal Processor）； 嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。 8位的單片機將被ARM所取代，且ARM的優(yōu)勢也將趕上DSP。DSP的優(yōu)點在于其并行性和高速的乘法運算性能，其主要應用在通信、電機控制、圖象處理、

16、硬盤控制等領域。但是ARM9的處理速度已經達到了1.1MIPS/MHz，時鐘可以達到233MHz。而新出的ARM10可以達到700MHz。在處理速度上已經可以和DSP抗衡了。在開發(fā)成本上，ARM遠遠低于DSP。在生產成本上，ARM的價格也低于DSP。在開發(fā)難度上ARM低于DSP，因為 ARM的編程要靈活得多。在接口上，許多ARM芯片都內置了多個USB口、串口。有些還內置了集成音頻接口和LCD控制器（可以達到彩色）。有些ARM芯片有PWM輸出，可以取代DSP在電機控制等方面的應用。有些ARM還具備實時鐘功能[1]。Altera出了內置FPGA的ARM，這可以取代DSP在通信方面的應用。有些ARM

17、內置DMA控制器，可以取代DSP在硬盤行業(yè)的地位。連通信行業(yè)在國內占領先地位的華為和中興都已經購買ARM核了?？梢夾RM在DSP的傳統(tǒng)行業(yè)已經是步步為贏了。 本系統(tǒng)采用意法半導體(ST)公司的STM32系列微處理器。STM32系列32位閃存微控制器使用來自ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核，該內核是專門設計與滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。 STM32系列微控制器采用32位的ARM Cortex-M3內核，主要特點如下： (1) 最高工作頻率為72MHz； (2) 具有單周期硬件乘法器和除法器； (3) 32K

18、b~128Kb閃存程序存儲器，6Kb至20Kb的SRAM； (4) 多重自舉功能； (5) 2.0至3.6伏供電和I/O管腳； (6) 上電/斷電復位(POR/PDR )、可編程電壓監(jiān)測器(PVD)、掉電監(jiān)測器； (7) 內嵌4~16MHz高速晶體振蕩器； (8) 內嵌經出廠調校的8MHz的RC振蕩器； (9) 內嵌40KHz的RC振蕩器； (10) 內嵌PLL為CPU提供時鐘； (11) 2個12位模數轉換器，1μs轉換時間(16通道)； (12) 串行線調試(SW

19、D)和JTAG接口； (13) 7通道DMA控制器，支持的外設：定時器、ADC、 SPI、I2C和USART； (14) 所有I/O口可以映像到16個外部中斷。 STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能，是16位產品用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32K到128K的閃存，不同的

20、是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5mA/MHz。 STM32F101xC、STM32F101xD和STM32F101xE基本型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為36MHz，內置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和48K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含1個12位的ADC、4個通用16位定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、和5個USART接口。 STM32

21、F101xx大容量基本型系列工作于-40℃至+85℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。 STM32F101xx大容量基本型系列產品提供包括從64腳至144腳的3種不同封裝形式；根據不同的封裝形式，器件中的外設配置不盡相同。下面給出了該系列產品中所有外設的基本介紹。 STM32的整體結構框圖如圖2-1。 圖2-1整體結構框圖 本系統(tǒng)使用的Cortex-M3是一個32位的內核，在傳統(tǒng)的單片機領域中，有一些不同于通用32位CPU應用的要求。 它的優(yōu)勢有： 1、先進的內核結構：ARM最新的、架構先進的Cortex-M3內核； 2、優(yōu)秀

22、的功耗控制：高效率的動態(tài)耗電機制；性能出眾而且功能創(chuàng)新的片上外設； 3、高度的集成整合：電源監(jiān)控器、上電復位等； STM32固件函數庫； 主要模塊包括時鐘發(fā)生器、實時時鐘RTC、中斷、DMA控制器、A/D轉換器、TIM定時器、USART模塊等。這里重點介紹復位和時鐘控制模塊、內置“看門狗”模塊。 STM32共有3種形式的復位：系統(tǒng)復位、電源復位和備份區(qū)復位。 系統(tǒng)復位將復位除時鐘控制寄存器(CSR)中的復位標志和備份區(qū)域的寄存器外所有的寄存器。通常，系統(tǒng)復位由外部復位、看門狗復位、軟件復位和低功耗管理復位信號觸發(fā)。電源復位由上電/掉電復位(POR/PDR復位)觸發(fā)。發(fā)生電源復位后，

23、除備份區(qū)域外的所有寄存器均復位。 備份區(qū)域由主電源和備用電池供電。當供電正常時，備份區(qū)域僅由其控制寄存器(RCC_BDCR)的BDRST位觸發(fā)軟件復位。當主電源和備用電池均不供電時，其中一個電源的突然上電也會引起備份區(qū)域的復位。STM32的系統(tǒng)時鐘可來自3個不同的時鐘源：HIS振蕩器時鐘、HSE振蕩器時鐘、PLL時鐘。每個時鐘源都可以在不需要時關閉，以降低系統(tǒng)整體功耗。外部設備還具有下面兩個二級時鐘源： 32kHz的低速內部RC振蕩器(LSI_RC)用來驅動獨立的看門狗和選擇性的驅動用于從停止/待機模式自動喚醒的RTC； 32.768kHz的低速外部晶振(LSE)來選擇性驅動實時時鐘RT

24、C。 HSE時鐘為高速外部時鐘信號，既可以通過控制器的OSC_IN和OSC_OUT引腳跨接4~ 16MHz的無源晶體振蕩器，也可以只通過OSC_IN接入一個最高為25MHz占空比為50%的外部時鐘信號。HSE是否穩(wěn)定靠時鐘控制寄存器(RCC_CR)中的HSERDY標志位指示。啟動時，時鐘直至硬件置位該位后才能釋放。HSE振蕩器也可以通過控制寄存器RCC_CR中的HSEON位來打開或禁用。 HIS時鐘信號由控制器內部的RC振蕩產生，頻率為8MHz，既可作為系統(tǒng)時鐘，也可以2分頻后作為PLL的輸入。HIS時鐘不需要任何外圍器件即可實現(xiàn)，不過其頻率精度較低，需要校驗。系統(tǒng)復位后，出廠的校驗值會裝

25、載到時鐘控制寄存器(RCC_CR )的HSICAL[7:0]位中。與HSE類似，HIS在RCC_CR寄存器中也有HISRDY標志位指示其是否穩(wěn)定。同時，也有HISON位來控制HIS的打開或禁用。微控制器的內部有PLL可將HIS時鐘或HSE時鐘倍頻。PLL在使用前必須配置好，當PLL啟動之后，配置好的參數將不能被修改。 LSE振蕩器是一個32.768kHz的低速外部晶體，它是實時時鐘的高精度專用時鐘源。通過設置備份區(qū)域控制寄存器(RCC BDCR)的 LSEON位可以打開或禁用LSE。同時，在RCC _BDCR寄存器中也有LSERDY標志可以指示LSE晶體是否穩(wěn)定。LSI RC振蕩器是一個低功

26、耗的時鐘源，可以為獨立看門狗(IWDG)和自動喚醒單元(AWU)運行在停止和待機模式時提供時鐘。它可以通過設置控制/狀態(tài)寄存器(RCC_CSR)的LSION位來打開或者禁用。與LSE類似，RCC_CSR寄存器中也有一個LSIRDY位指示LSI是否穩(wěn)定。系統(tǒng)復位后，HIS振蕩器被選擇為系統(tǒng)時鐘。更改系統(tǒng)時鐘的選擇必須遵循“先設置，后切換”的原則，即當一個時鐘被選擇為系統(tǒng)時鐘時，它必須處于準備好的狀態(tài)。如果尚未準備好，那么切換必須等待時鐘準備好才能進行。 STM32處理器內置2個看門狗，這兩個看門狗（獨立看門狗和窗口看門狗）可用來檢測和解決由軟件錯誤引起的故障；當計數器達到給定的超時值時，觸發(fā)一

27、個中斷或產生系統(tǒng)復位。 兩者適用情況：獨立看門狗（IWDG）最適合應用于那些需要看門狗作為一個在主程序之外，能夠完全獨立工作，并且對時間精度要求較低的場合。窗口看門狗（WWDG）最適合那些要求看門狗在精確計時窗口起作用的應用程序。 1、獨立看門狗（IWDG） 獨立看門狗(IWDG)由專用的32kHz的低速時鐘為驅動；因此，即使主時鐘發(fā)生故障它也仍然有效。窗口看門狗由從APB1時鐘分頻后得到的時鐘驅動，通過可配置的時間窗口來檢測應用程序非正常的過遲或過早的行為。 在鍵寄存器(IWDG_KR)中寫入0xCCCC，開始啟用獨立看門狗；此時計數器開始從其復位值0xFFF 遞減計數。當計數器計數

28、到末尾0x000 時，會產生一個復位信號(IWDG_RESET)。無論何時，只要鍵寄存器IWDG_KR 中被寫入0xAAAA， IWDG_RLR中的值就會被重新加載到計數器中從而避免產生看門狗復位。 2、窗口看門狗（WWDG） 窗口看門狗通常被用來監(jiān)測由外部干擾或不可預見的邏輯條件造成的應用程序背離正常的運行序列而產生的軟件故障。除非遞減計數器的值在T6 位變成0 前被刷新，此看門狗電路在達到可編程的時間周期時，會產生一個MCU 復位。在遞減計數器達到窗口寄存器值之前，如果遞減計數器值的第7 位(在控制寄存器中)被刷新， 那么也將產生一個MCU 復位。這表明遞減計數器需要在一個有限的窗口中

29、被刷新。 主要特性： ● 可編程的自動運行遞減計數器 ● 條件復位 ? 當遞減計數器的值小于 0x40，(若看門狗被啟動)則產生復位。 ? 當遞減計數器在窗口外被重新裝載，(若看門狗被啟動)則產生復位。 ● 如果啟動了看門狗，且允許中斷，當遞減計數器等于0x40 時產生早期喚醒中斷(EWI)，它可以被用于重裝載計數器以避免WWDG 復位。 功能： 如果看門狗被啟動(WWDG_CR 寄存器中的WDGA 位被置1)，并且當7 位(T[6:0])遞減計數器從0x40 翻轉到0x3F(T6 位清零)時，則產生一個復位。如果軟件在計數器值大于窗口寄存器中的值時重新裝載計數器，將產生一個復

30、位。正常情況下，WWDG從設置的計數值遞減到窗口寄存器的值（這個要被儲存在WWDG_CR 寄存器中的值必須在0xFF 和0xC0 之間）時，會產生一個中斷，應在中斷程序中對WWDG_CR寄存器進行寫操作，以防止MCU發(fā)生復位[2]。 圖2-2智能小車整體設計結構 2.2 智能車 AGV(Automated Guided Vehicles)又名自動導航車，無人搬運車，激光導航車。最早出現(xiàn)與20世紀70年代。指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，其顯著特點的是無人駕駛，AGV上裝備有自動導

31、向系統(tǒng)，可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下就能夠沿預定的路線自動行駛，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。一般可透過電腦來控制其行進路線以及行為，或利用電磁軌道(electromagnetic path-following system)來設立其行進路線，電磁軌道粘貼于地板上，無人搬運車則依循電磁軌道所帶來的信號進行移動與動作。目前，在企業(yè)的物流系統(tǒng)和離散制造的裝配系統(tǒng)中已經起著非常重要的作用。它以電池為動力，裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠獨立自動尋址，并通過計算機系統(tǒng)控制完成無人駕駛及作業(yè)[3]。 圖2-3 AGV基本組成架構 2.2.1 AGV的主要系統(tǒng)構成 A

32、GV系統(tǒng)的控制是通過物流上位調度系統(tǒng)、AGV地面控制系統(tǒng)及AGV車載控制系統(tǒng)三者之間的相互協(xié)作完成的，AGV系統(tǒng)的硬件結構和AGV系統(tǒng)的軟件結構曾有國外專家對AGV控制系統(tǒng)需解決的主要問題做了恰當的比喻：Where am I? （我在哪里？）Where am I going?（我要去哪里？） How can I get there?（我怎么去？），這三個問題歸納起來分別就是AGV控制系統(tǒng)中的三個主要技術：AGV的導航（Navigation），AGV的路徑規(guī)劃（Layout designing），AGV的導引控制（Guidance）。為了能夠解決好這些問題，AGV系統(tǒng)的構成也必然復雜： AGV

33、控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)、車載（單機）控制系統(tǒng)及導航/導引系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設備，主要負責任務分配，車輛調度，路徑（線）管理，交通管理，自動充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負責AGV的導航計算，導引實現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能；導航/導引系統(tǒng)為AGV單機提供系統(tǒng)絕對或相對位置及航向。 AGV系統(tǒng)是一套復雜的控制系統(tǒng)，加之不同項目對系統(tǒng)的要求不同，更增加了系統(tǒng)的復雜性，因此，系統(tǒng)在軟件配置上設計了一套支持AGV項目從路徑規(guī)劃、流程設計、系統(tǒng)仿真（Simulation）到項目實施全過程的解決方案。上位系統(tǒng)提供了可靈活定義AGV系統(tǒng)流程的工具，可

34、根據用戶的實際需求來規(guī)劃或修改路徑或系統(tǒng)流程；而下位系統(tǒng)也提供了可供用戶定義不同AGV功能的編程語言。 2.2.2 AGV-AGV地面（上位）控制系統(tǒng) AGV地面控制系統(tǒng)（Stationary System）即AGV上位控制系統(tǒng)，是AGV系統(tǒng)的核心。其主要功能是對AGV系統(tǒng)（AGVS）中的多臺AGV單機進行任務分配，車輛管理，交通管理，通訊管理等[4]。 任務管理：任務管理類似計算機操作系統(tǒng)的進程管理，它提供對AGV地面控制程序的解釋執(zhí)行環(huán)境；提供根據任務優(yōu)先級和啟動時間的調度運行；提供對任務的各種操作如啟動、停止、取消等。 車輛管理：車輛管理是AGV管理的核心模塊，它根據物料搬運

35、任務的請求，分配調度AGV執(zhí)行任務，根據AGV行走時間最短原則，計算AGV的最短行走路徑，并控制指揮AGV的行走過程，及時下達裝卸貨和充電命令。 交通管理：根據AGV的物理尺寸大小、運行狀態(tài)和路徑狀況，提供AGV互相自動避讓的措施，同時避免車輛互相等待的死鎖方法和出現(xiàn)死鎖的解除方法；AGV的交通管理主要有行走段分配和死鎖報告功能。 通訊管理：通信管理提供AGV地面控制系統(tǒng)與AGV單機、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面IO設備、車輛仿真系統(tǒng)及上位計算機的通信功能。和AGV間的通信使用無線電通信方式，需要建立一個無線網絡，AGV只和地面系統(tǒng)進行雙向通信，AGV間不進行通信，地面控制系統(tǒng)采用輪詢方式和多臺

36、AGV通信；與地面監(jiān)控系統(tǒng)、車輛仿真系統(tǒng)、上位計算機的通信使用TCP/IP通信。 車輛驅動：小車驅動負責AGV狀態(tài)的采集，并向交通管理發(fā)出行走段的允許請求，同時把確認段下發(fā)AGV[5]。 2.2.3 AGV-AGV車載（單機）控制系統(tǒng) AGV車載控制系統(tǒng)（Onboard System），即AGV單機控制系統(tǒng)，在收到上位系統(tǒng)的指令后，負責AGV單機的導航，導引，路徑選擇，車輛驅動，裝卸操作等功能。 導航（Navigation）：AGV單機通過自身裝備的導航器件測量并計算出所在全局坐標中的位置和航向。 導引（Guidance）：AGV單機根據目前的位置、航向及預先設定的理論軌跡來

37、計算下個周期的速度值和轉向角度值即，AGV運動的命令值。 路徑選擇（Searching）：AGV單機根據上位系統(tǒng)的指令，通過計算，預先選擇即將運行的路徑，并將結果報送上位控制系統(tǒng)，能否運行由上位系統(tǒng)根據其它AGV所在的位置統(tǒng)一調配。AGV單機行走的路徑是根據實際工作條件設計的，它有若干“段”（Segment）組成。每一“段”都指明了該段的起始點、終止點，以及AGV在該段的行駛速度和轉向等信息。 車輛驅動（Driving）：AGV單機根據導引（Guidance）的計算結果和路徑選擇信息，通過伺服器件控制車輛運行。 AGV小結： 首先，給大家兩個英文單詞Navigation（導航），Gui

38、dance（導引），這兩個單詞的意思是不一樣的。導航是指確定自身的位置及航向；而導引是根據目前的位置、航向及理論軌跡來計算下個周期的速度值和轉向角度值。有了這個概念后，我們分析一下磁帶導引、電磁導引或其它形式的“有線”導引。他們都只能稱為導引，而不叫導航。因為，這些導引方式只需AGV的相對位置，而與全局坐標無關！這也是為什么這類導引的AGV相對簡單的原因：不需要復雜的導航計算（Dead-reckoning），甚至不需要導引計算，只需根據傳感器的差分信號進行簡單的轉向控制。建議朋友們，不再說磁導航，而是叫磁帶導引（Magnetic Tape Guidance）和電磁導引也稱線導（Wire Gui

39、dance）[6]。 AGV的導航/導引技術多種多樣，不同的場合可采用不同的導引技術。單一的導引技術無法覆蓋所有的應用：例如在有叉車行駛的場合我們就不宜選用磁帶導引，可選用將導引線埋入地下的電磁導引；在由于工藝需要，路徑需要經常變化的場合，可考慮激光導引[7]；在路徑復雜的場合應盡量考慮“無線”方式（激光，陀螺），因為“有線”模式，只能是真正地理意義上的“路”，而“無線”模式的路徑是虛擬的，可以重疊，交叉，可以亂得像一團麻，而即使這樣，AGV的運行在系統(tǒng)的調度下也是有序的，路徑的選擇也是最優(yōu)的，所謂“條條大路通羅馬”。AGV就能像汽車一樣，在受到前方車輛阻擋時還能夠找到其它的路徑，從而提升A

40、GV系統(tǒng)的作業(yè)效率[8]。 天津職業(yè)技術師范大學2012屆本科生畢業(yè)設計 3 系統(tǒng)硬件設計 智能小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個直流電機驅動，調制后面兩個輪子的轉速起停從而達到控制轉向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。將循跡光電對管分別裝在車體下的左右。當車身下左邊的傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制左輪電機停止，車向左修正，當車身下右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機停止，車向右修正。 避障的原理和循線一樣，在車身右邊裝一個光電對管，當其檢測到障礙物時，主控芯片給出信號報警并控制車子倒退,轉向，從而避開障礙物。本模塊主要是對

41、采集信號進行分析，同時給出PWM波控制點擊速度，起停。以及再檢測到障礙主動蔽障等作用。 圖3-1 系統(tǒng)原理框圖 3.1 直流電機模塊 本設計是利用ARM 來作為MCU來控制直流電機，直流電動機帶動齒輪組，來決定小車左右輪的轉與否和轉的快慢。通過設置PWM波的占空比來控制直流電機的轉速，占空比越大，轉速越快，越小轉速越低[9]。 模塊運用框圖如圖3-2所示。 MCU (ARM) 直流電機 檢測信號 圖3-2系統(tǒng)模塊原理框圖 3.2 電源模塊 本設計用的光敏器件是個紅外對管。紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或者紅外線接收管，或者紅外線接

42、收頭。紅外對管與半導體二極管在結構上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結，具有單向導電性，因此工作時需加上反向電壓。如圖3-3所示。 工作原理： 當有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子---空穴對（簡稱：光生載流子）。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。 圖3-3 AD電壓測量模塊 3.3 尋跡蔽障紅外對管模塊處 3.3.1 紅外對管的概述 圖3-4紅外線接收頭 紅外對管特征[10]： 　　 紅外線接收管是將紅外線光

43、信號變成電信號的半導體器件，它的核心部件是一個特殊材料的PN結，和普通二極管相比，在結構上采取了大的改變，紅外線接收管為了更多更大面積的接受入射光線，PN結面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結的結深很淺，一般小于1微米。紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。　　 紅外對管分類： 　　 紅外線接收管有兩種，一種是光電二極管，另一種是光電三極管。光電二極管就是將光信號轉化為電信號，光電三極管在將光信號轉化為電信號的同時，也把電流放大了。因此，光電三極管也分為兩種，分別別是NPN型和PNP型。 　　 紅外對管作用[1

44、1]： 　　 紅外接收管的作用是進行光電轉換，在光控、紅外線遙控、光探測、光纖通信、光電耦合等方面有廣泛的應用。 3.3.2 紅外對管的應用 1、AD采樣實現(xiàn)避障功能[12] 圖3-5蔽障功能電路圖 針對一些紅外接收管容易收到可見光的影響，從而改變其阻值，容易造成系統(tǒng)的誤判，可以考慮采用上面的電路。100-100K歐姆，是紅外接收管在不同光線條件下（市內-陽光直射）的阻值的大小。在正常的光線下通過IOA0口A/D采集到一個電壓值作為一個參考電壓。 當隨著光線變化時，IOA0口讀進來的電壓值也就發(fā)生變化，這個使用通過IOA4、IOA5、IOA6、IOA7

45、依次選通，選擇最接近參考值的電壓作為判斷電壓。 該電路可以避免可見光帶來的干擾，檢測障礙物的距離在0-15cm。效果不錯，缺點是引用占用IO口較多，操作較為復雜。 2、 直流驅動避障電路 圖3-6直流驅動尋跡蔽障圖 直流驅動紅外探測器電路的設計與參數計算電路如圖所示。W1和R1及V1構成簡單直流發(fā)光二極管驅動電路，調節(jié)W1可以改變發(fā)光管的發(fā)光光強，從而調節(jié)探測距離，NE555及其外圍原件構成施密特觸發(fā)器，其觸發(fā)電平可通過W2控制，接收管V2和電阻R2構成光電檢測電路。通過NE555第3腳輸出的TTL電平可以直接驅動單片機I/O口[13]。 由于555輸出信號為TTL電平，單片

46、機檢測方便。缺點是容易受可見光干擾。 3、交流調制驅動避障電路 圖3-7交流調制驅動避障電路 LM567及其外圍芯片構成音頻檢頻器，其檢頻頻率f0由R4、C5決定。其中f0為檢頻頻率，當R4=10K，C5=222時，f0=41KHz。這一震蕩信號經過V3擴流后，驅動發(fā)光管，這樣處理后可以保證發(fā)光頻率與檢頻頻率嚴格一致使LM567的輸出僅與光強有關。。為進一步提升探測距離，我們還設立了一級交流放大器，其增益約為240倍，雖然這樣大的放大倍數放大器的線性和穩(wěn)定性會較差，但對于頻率檢測不會造成太大的影響[14]。 4、液滴檢測電路 圖3-8液滴檢測電路 無液滴落下時，接收管與

47、發(fā)射管正對，接收管接收到的光強較強，有液滴滴下時，下落中的水滴對紅外光有較強的漫反射、吸收及一定的散射作用，導致接收光強的較大改變，接受光接收到的信號經一級施密特觸發(fā)器，送單片機的中端口，據此就可以正確的談測出液滴的滴落。 解決了因液體透明而使得發(fā)射不明顯的問題。 紅外循跡電路采用反射接收原理配置了反射式紅外線光電傳感器。該傳感器包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻[15]。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發(fā)出一個電平跳變信號。 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，

48、光線經白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送微控制器處理，判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制小車的行駛狀態(tài)。前進時，驅動輪直流電機正轉，進入減速區(qū)時，由微控制器控制進行PWM變頻調速,通過軟件改變脈沖調制波形的占空比，實現(xiàn)調速[15]。 圖3-9電動車的光電檢測電路 小車循跡原理是小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法——紅外探測法。 當小車在白色地面行駛時

49、，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖3-3中電三極管將導通，輸出低電平，經LM324電壓比較器送MCU控制。當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光電三極管截止，輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。即當小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平。 為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個檢測器并行

50、排列，左右方向都可以進行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，結合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到MCU，進行處理校正。控制其向右轉；如果右方向偏離黑線，則左側的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到MCU，進行處理校正?？刂破湎蜃筠D。從而保證小車沿黑線行駛。 電路中的可調電阻可調節(jié)靈敏度，以滿足小車在不同光度的環(huán)境中能夠尋跡。由于接收對管裝在車底，發(fā)射距離的遠近較難控制，調節(jié)可調電阻，靈敏度不高，因此采用在對管上套塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度將大幅提升。在該電路中，加比較器LM324的目的是使模擬量轉化為開關量，便于處理[1

51、6]。 3.3.3 紅外線接收頭 圖3-10紅外線接頭 采用小型設計、內屏蔽模塊封裝，可以做紅外線解碼實驗，紅外線遙控器等等。配合遙控器完成遙控解碼及紅外遙控實驗。在紅外遙控系統(tǒng)中作為接收元件廣泛應用于1、視聽器材（如VCD、DVD、DVB、TV等） 2、家庭器材（如冷氣機，電風扇、電燈等）3、紅外線搖控（如玩具等） 　　金屬封裝紅外線接收管,適用于各類光電轉換的自控儀器,傳感器.各類光電檢測器的信號光源.根據驅動方式可獲得穩(wěn)定光.脈沖光,緩變光.常用于控制,報警等方面.持點;采用反射功能的結構形式,光功率較強,低驅動電壓,易與晶體管電路匹配.結構堅固耐震.可靠性高.金屬玻璃封裝

52、器件,耐磨耐溫性好. 　　接收器對外只有3個引腳：Out、GND、Vcc與單片機接口非常方便，如圖7所示。 　?、?脈沖信號輸出接，直接接單片機的IO 口。 　?、?GND接系統(tǒng)的地線（0V）； ③ Vcc接系統(tǒng)的電源正極（+5V）； 四、紅外線探測法檢測信號 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如

53、圖3-11。 市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。 圖3-11循跡原理圖 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；電動車經過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線，傳感器輸出低電平信號后送MCU處理，判斷執(zhí)行哪一種預先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)。前進時，驅動輪直流電機正轉,進入減速區(qū)時,由單片機控制進行PWM變頻調速,通過軟件改變脈沖調寬波形的占空比,實現(xiàn)調速。最后經反接制動實現(xiàn)停車。前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器。電橋上設置有兩組

54、開關，一組常閉，另一組常開[17]。 3-12電動車的方向檢測電路(a) 3-13電動車的方向檢測電路(b) 電橋一端接電源，另一端接了一個三極管。三極管導通時，電橋通過三極管接地，電機電樞中有電流通過；三極管截止時，電橋浮空，電機電樞中沒有電流通過。系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉向電機供電。通過對繼電器開閉的控制即可控制電機的開斷和轉速方向進而達到控制智能車前行與倒車的目的，實現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能。前行與倒車控制電路所示。 3-14前行與倒車控制電路

55、 4 系統(tǒng)程序設計 系統(tǒng)軟件設計說明 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，由主程序﹑循跡子程序、蔽障字程序、中斷子程序顯示子程序﹑控制電機速度子程序﹑算法子程序構成[17]。 4.1 主程序流程圖 圖4-1主程序框圖 4.2 模塊程序設計流程圖 在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法[18]。

56、模塊程序設計法的主要優(yōu)點是： 1、單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試； 2、模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用； 3、模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。 4.2.1 尋跡模塊 循跡框圖： 圖4-2 循跡框圖 循跡程序：（見附錄） 4.2.2 避障模塊 避障框圖： 圖4-3 避障框圖 避障程序：（見附錄） 5 系統(tǒng)調試 根據方案設計要求，調試過程共分三大部分，硬件調試，軟件調試，軟件和硬件聯(lián)調（即系統(tǒng)調試）。電路按模塊逐個調試，各模塊調試通過后再聯(lián)調。程序先在最小系統(tǒng)板調試，

57、通過后再軟硬聯(lián)調[19]。 5.1 硬件調試 5.1.1 靜態(tài)調試 線路的檢查：通過目測和使用萬用表，檢查線路連接的正確性，有無斷路或短路，有無虛焊的存在等。檢查各主要元器件是否因為焊接而損壞，比如數碼管等。 核對元件：檢察元件是否安裝正確，有無損壞等。 檢查電源系統(tǒng)：在加入集成電路之前，應檢查加入電源的品質，包括電源的電壓以及負載能力等。只有當電源滿足要求后，才能加上所有的元器件進行上電調試。 5.1.2 聯(lián)機調試 雖然經過了靜態(tài)測試，但仍有不少的硬件故障要在軟硬件聯(lián)機調試中才能發(fā)現(xiàn)。所以聯(lián)機調試很有必要，具體操作如下： 測試晶振電路和復位電路：這是單片機應用系統(tǒng)工作的最基本

58、的條件，可用示波器或邏輯筆進行檢查。 測試存儲器：將數據寫入存儲單元并讀回比較，寫入與讀出的數據如果是一致的則表示存儲單元能正常工作，否則有短路，斷路或器件損壞的情況。 測試I/O口和I/O設備：編寫簡單的測試程序，單獨支持某一I/O口和與之相連的I/O設備，如果能自如的支配或控制，則表明I/O通道的工作正常。 將通過以上的檢測，如果各個測試環(huán)節(jié)，如果最終各環(huán)節(jié)都正常，那么硬件測試應該沒問題了。 5.2 軟件調試 程序模塊編寫完成后，首先通過匯編和編譯。有些開發(fā)軟件的功能比較強，能夠模仿ARM的運行模式，直接在pc機上就可以調試編寫的軟件。對于大多數情況，還是需要把程序裝入ARM系統(tǒng)

59、中進行聯(lián)機調試。直到每一個程序模塊調試成功[19]。 本設計中用ARM編程軟件ADS1.2進行編寫程序（匯編語言和C語言），對其中的部分電路進行仿真，ADS1.2編譯器把匯編語言編寫的源程序與ADS1.2內涵的庫函數裝配在一起，通過編譯器編譯生成目標文件。利用下載軟件將程序代碼下載到目標芯片中。 1.小車的測試調試步棸： 對于小車的整體來說測試要按照模塊來進行，一般我認為應分為以下幾個步驟： ①首先測試電源的工作情況，各個模塊能否得到良好供電。 ②紅外對管安裝完成后按照第三章中的方法依次測試每個光電管的電壓變化情況，完成后根據測試數據調節(jié)電位器選擇合適的參考電壓然后依次測量比較器或運

60、放的輸出端有無根據檢測到黑線的情況產生相應的電平變化，若沒有則檢查相應的電路和元件好壞，測試成功后進行下一步。 ③檢查ARM能否正常的燒寫程序和工作。 ④用ARM產生不同占空比的信號控制直流電機進行轉角測試，找出小車轉向的參考點和對應的PWM設置參數。 ⑤測試前電機的工作情況并試驗在不同頻率和占空比的情況下電機的驅動能力。 ⑥將外紅對管和直流電機聯(lián)合，編寫程序測試轉向情況。 ⑦編寫測試程序讓小車初步運行。 ⑧反復測試各參數變化對小車的影響，找出最有效的配置。 ⑨對小車運行過程中各種可能出現(xiàn)的情況進行測試，發(fā)現(xiàn)問題、找出解決方法。 ⑩整理數據，優(yōu)化算法和程序設計。 5.3 系統(tǒng)

61、調試 焊接完所有模塊后，就要對系統(tǒng)的靜態(tài)測試，就是對組成系統(tǒng)的各個模塊分別進行功能測試，使其實現(xiàn)預定功能。 在對各個模塊調試完畢之后，再對整個系統(tǒng)進行整機聯(lián)調。連接好電源，注意正負極性，連接好所有的I/O口，編寫簡單的測試程序，單獨支持某一I/O口和與之相連的I/O設備，如果能自如的支配或控制，則表明I/O通道的工作正常。通過以上的檢測，如果各個測試環(huán)節(jié)，如果最終各環(huán)節(jié)都正常，那么硬件測試應該沒問題了。 程序模塊編寫完成后，首先通過匯編和編譯。有些開發(fā)軟件的功能比較強，能夠模仿ARM的運行模式，直接在pc機上就可以調試編寫的軟件。對于大多數情況，還是需要把程序裝入單片機系統(tǒng)中進行聯(lián)機調試

62、。直到每一個程序模塊調試成功。 當硬件調試和軟件模塊調試之后，就可以進行系統(tǒng)調試。在系統(tǒng)調試時，應將全部硬件電路都接上，應用程序模塊也都組合好，進行全系統(tǒng)軟硬件調試。系統(tǒng)調試的任務是排除軟硬件中的殘留錯誤。使整個系統(tǒng)能夠完成預定的工作任務，達到要求的技術性能指標。 參考文獻 結 論 本文介紹了AGV的基本理念，在討論了循跡、避障等功能模塊的原理后，討論并確定了本系統(tǒng)的各項功能模塊的所用期間。進而對相關模塊的具體電路進行了設計。最后編寫了系統(tǒng)的軟件程序，完成了設計之初的功能要求。主要成果有： 1、選用了功能強大的Cortex-M3微控制器作為自動導航車的控制器，能良好的處理檢

63、測數據，更為以后的系統(tǒng)擴展提供了空間。 2、采用反射式紅外線光電傳感器作為循跡器件，硬件上三點并列的設計輔以檢測程序，能準確的實現(xiàn)循跡功能。 3、設計了帶有“看門狗”技術的軟件程序，保證了系統(tǒng)的良好運行。 4、設計裝配出了自動導航車實物。 有待改進的地方： 隨著科技進步和技術的發(fā)展，AGV的應用必將更加廣泛，AGV的發(fā)展方向是規(guī)?；椭悄芑栽龠M一步研究要將群體通信和網絡管理加入其中。AGV系統(tǒng)在技術上日趨成熟.其自身的運行速度、載重量、轉彎半徑、停車定位精度等技術指標不斷提高，導向方式更加靈活，系統(tǒng)優(yōu)化調度技術更加完善，應用領域也在不斷拓寬。在今后研究中單一的導航已不能夠

64、滿足提高導航與跟蹤控制的精度，應采用多信息融合方法，以提高自動引導車運行的狀態(tài)測定精度，從而提高自動引導車的導航與跟蹤控制精度。為了提高AGV的可靠性和穩(wěn)定性，在實際運用中CPU應采用工控機，直流電機應改為伺服電機。 AGV作為物流處理自動化的有效手段，在我國有著廣闊的應用前景。因此投入必要的人力、物力、財力，研制出適度柔性化、高可靠性、低成本的AGV系統(tǒng)，必將帶來一定的經濟效益和社會效益。 參考文獻 [1] 葉著. 磁導式AGV控制系統(tǒng)設計與研究.武漢:武漢理工大學，2006. [2]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā).北京:清華大學出版社，2004. [3]宋長

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