固定路径自动引导车(AGV)的控制系统设计.doc

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1、 毕业设计(论 文) 固定路径自动引导车（固定路径自动引导车（AGV）的）的 控制系统设计控制系统设计 系 别 自动化工程系 专 业 自动化 班 级 5060307 姓 名 贾立峰 指导教师 王凤文 2010 年 6 月 10 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第I页 固定路径自动引导车（AGV）的控制系统设计 摘 要 随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动 化立体仓库的广泛应用，AGV(AutomatieGuidedVehiele)即自动导引车作为联系和调节 离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术 水平得到了迅猛的发展

2、。 AGV 是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶 自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当 代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV 已经得到了越来越广 泛的应用，对 AGV 的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为 AGV 的 寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单片 机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。 关键词：关键词：单片机 ，AGV，红外传感器，PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）

3、第 II 页 A fixed path Automatic Guided Vehicle (AGV) control system design Author : Jia Lifeng Tutor :Wang Fengwen Abstract As the factory automation, computer integrated manufacturing systems technology, as well as the progressive development of flexible manufacturing systems, AGV(AutomatieGuidedVehi

4、ele) is automatically guided vehicle as an associate and regulation of discrete logistics system to make it necessary for continuous operation automated transport loading and unloading means, its scope of application and level of technology has seen rapid development. AGV is a micro-controller to co

5、ntrol the core, equipped with a non- contact guiding devices, unmanned automatic guided transport vehicles, its automatic operations basic function is to guide traffic and identifying potential sites and the transfer of load to stop. As a contemporary and effective logistics process automation tools

6、, key equipment, AGV has been more and more widely used, the study of the AGV is also of great theoretical and practical significance. In the article,a fixed route automatic guided vehicle, using an infrared reflective photoelectric sensor as AGVs search flight testing devices, batteries and DC moto

7、r as the drive, steering gear as the directional control device, the use of intelligent control to control all modules work together to achieve the automatic guided vehicle automatic navigation. 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 III 页 Key words: microcontroller, AGV, infrared sensors, PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第III 页

8、 目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 论文研究的意义与目的.1 1.2 AGV 简介1 1.2.1 AGV 的定义1 1.2.2 AGV 的系统结构2 1.2.3 AGV 的特点与应用3 1.2.4 AGV 的分类及引导方式4 1.3 AGV 的现状与发展5 1.4 论文的主要研究内容及组织结构6 1.4.1 论文的主要研究内容6 1.4.2 论文的组织结构6 第二章 AGV 控制系统硬件组成.7 2.1 AGV 的控制系统总体设计7 2.2 单片机控制系统8 2.2.1 AT89C51 单片机简介.8 2.2.2 外围电路介绍10 2.3 闭环 PWM 调速系统12 2.4 红外反射式光电

9、传感器14 2.5 速度测量系统.16 2.6 电机驱动电路.17 2.7 障碍物检测系统20 2.8 舵机.21 第三章 系统软件设计.24 3.1 PID 控制器在电机调速中的应用24 3.1.1 PID 控制算法简介24 3.1.2 PID 控制器软件实现25 3.2 中断系统设计27 3.2.1 中断的控制27 3.2.2 中断响应28 3.3 系统流程29 第四章总结与展望.31 致谢.33 参考文献.34 附录.35 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第1 页 第一章 绪论 1.1 论文研究的意义与目的 信息技术和自动化技术的发展及融合，使得在现代物流领域中出现了智能化的 物流设

10、备，如自动导向车、自动化立体仓库、自动分拣系统、仓库机器人等。 在加工速度快、工件几何尺寸较大的加工车间，对物料的工序流转周期、工件 的加工信息存储和生产调度都提出了较高的要求。传统的生产管理和控制技术已经 不能适应现代生产的需要，因此研究生产车间级物流自动化流转设备具有非常现实 的意义。 自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流自动 化流转设备之一，分为普通型和智能型两种。智能型 AGV 在车载计算机控制系统 中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成 的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指

11、在固定的线 路上设置导向信息媒介，AGV 小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其 行驶方向。 本文是设计一台智能型固定路径自动导向搬运车的控制系统，实现上述的功能 要求。 1.2 AGV 简介 AGV 是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾 驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为 当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV 已经得到了越来 越广泛的应用，对 AGV 的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。 1.2.1 AGV 的定义 AGV(AutomaticGoidedVehicle)是自动导引小车的缩写

12、，它可以按照监控系统下达 的指令，根据预先设计的程序，依照传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和 停靠位置自动驾驶。根据美国物流协会的定义，AGV 是装备有电磁式或光学式自动 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第2 页 导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，并具有小车编程与停车选择装置、安全保护 以及运载功能的运输小车。 AGV 是以电池为动力，装有非接触导向装置、独立寻址系统的无人驾驶自动运 输车，是现代物流系统的关键设备。它是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移 动机器人。主要应用于柔性加工装配系统、自动化立体仓库、易燃易爆物品的运输以 及其他行业，作为搬运设备使用。 AGVS(Au

13、tomatieGuidedVehieleSystem)是自动导引车系统的缩写，由管理计算机、 数据传递子系统，若干辆沿导引路径行驶的自动导引小车、地面子系统等组成，用于 及时有效的分派 AGV 到某位置完成指定动作，而巨具有监控管理的系统。 1.2.2 AGV 的系统结构 AGV 是融合了电子技术和机械技术的典型机电一体化产品。随着各种 AGV 新产 品不断开发，AGV 技术不断发展，先进的传感器、电子电力器件、光电器件、计算 机、控制技术、电池技术、机构学等高新技术成果逐渐地集成到 AGV 新产品及其系 统技术中去，使它的技术附加值越来越大。 AGV 由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向

14、装置、精确停车装置、运动 控制器、通信装置、移载系统、和导航系统等组成。 车体由车架和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等所组成，它是 AGV 的基础部分。车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊 接而成，其上层以 lmm-3mm 的钢板或硬铝板，板下的空间安置与驱动和转向直接有 关的硬件控制系统和重量较大的部件(如蓄电池)，以利于机械结构设计和降低车体重 心，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、按键、显示屏等。车体的前后 部分还安装安全挡圈等。AGV 常采用 24V 或 48V 直流工业蓄电池电能为动力。驱动 装置由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部

15、分组成。AGV 驱动命令由计 算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。 驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。为了安全，制动器的 制动力由弹簧力产生，这样在紧急电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是 这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。 AGV 在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走速度高些，拐弯 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第3 页 时要减速，接近停位点时速度要小。紧急停车继电器独立于微型计算机之外。AGV 的方向控制是接受导引系统的方向信息通过转向装置来实现。 AGV 有

16、三种工作方式:(1)全自动方式。当 AGV 设定在全自动运行方式时，操作 者根据规划路径输入相应指令，启动之后自主车在无人操作模式下工作。(2)半自动 方式。操作者可直接通过小车上按钮，辅助小车完成工作。(3 手动方式。操作者也可 完全手动，板将小车开在任何所需的地方。小车与一般电瓶车搬运车功能样，可用控 制. 1.2.3 AGV 的特点与应用 AGV 是采用先进控制技术的现代物流设备，随着现代技术水平的进步，AGV 朝 着智能化和自主化方向发展，主要具有如下的特点。: (l)无人驾驶:AGV 上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工导向的情 况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料

17、自动从起始点运送到目的地，方便 快捷。 (2)柔性好:AGV 自动化程度和智能化水平高，行驶路径可以根据仓储货位要求、 生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的 传送线相比非常低廉。 (3)运载能力强:载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式，能满足不同产品 运送和加工的需要，物流系统的适应能力强。 (4)安全性能好:可装备多种声光报替系统，能通过车载障碍探侧系统在碰撞到障 碍物之前自动停车。当其队列行驶或在某一区域交叉运行时，具有避免相互碰撞的自 控能力，不存在人为差错。因此，AGVS 比他物料搬运系统更安全。 (5)利用率高:AGV 组成的物流系统不是永久

18、性的，而是在给定的区域内设置。与 传统物料输送系统在车间内固定设置二且不易变更相比，现代物流系统的设置柔性 更强，并可以充分的利用人行通道和叉车速遭公从而改善车间地面利用一率。 (6)环保性能好:AGV 依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染， 可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。由于 AGV 具有的这些应用特点，AGVS 已经成为许多制造企业提高生产效率和系统智能化水平的重要手段。具体使用领域如 下 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第4 页 1、自动化立体仓库; 2、柔性加工系统; 3、柔性装配系统(以 AGV 作为活动装配平台); 4、机械、电子、卷烟、医疗。食品、造纸、

19、纺织、化工等行业的物料输送; 5、在车站、机场.邮局的物品分捡中作为运输工具; 6、也有用在办公室、医院、宾馆的 AGV: 7、危险场所和特种行业。AGV 被用于物品运送，这样就减轻了工人的劳动强度， 避免了危险环境对人的伤害。 1.2.4 AGV 的分类及引导方式 AGV 是一种用于物流系统的运输小车。根据有无固定导向线可分为固定路径型 和自由路径型两大类。 对固定路径型 AGV，其典型设计思路是采用传感器获得 AGV 方位信息，并与预 定方位比较，得到 AGV 方位角的偏差和对于路径的横向偏差信号，以此为基础而对 AGV 转角和驱动轮速度进行控制。具体设计既有常规设计(如优化 PID)，又

20、有自适应 和模糊控制设计。自由路径 AGV 控制设计与其类似，不过，自由路径型 AGV 确认 方位较难获得。目前对自由路径型 AGV 的研究重点不在控制方面而在导向技术与定 位方式上，其中，以光码盘作为传感器通过检测车轮回转的方法确定 AGV 是种较经 济的导向与定位技术，但缺点是跟踪精度受车轮打滑、变形以及累积误差的影响。 引导方式是 AGV 单机控制系统的核心技术，根据导航方式将 AGV 分为以下几 类型。 1)电磁导引 AGV。电磁导引是传统的导引方式之一，它是在 AGV 的行驶路径埋 设金属导线，并加载低频、低压导引电流，使导线周围产生磁场，AGV 上的感应线 圈通过对导引磁场强弱的识

21、别和跟踪，实现 AGV 的导引。其主要优点是引线隐蔽、 不易污染和破损、导引原理简单可靠、制造成本较低。其主要缺点是路径的复杂性有 限、扩充或更改很麻烦、易受干扰。 2) 光学导向的基本原理和方法同电磁导向相似。一般是在运行路径上铺设一条具 有稳定反光率的色带。车上设有光源发身和接收反射光的光电传感器，通过对检测到 的信号进行比较，调整车辆的运行方向。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第5 页 3）惯性导引 AGV。惯性导引是在 AGV 上安装惯性陀螺仪，在行驶地面上安装 定位块，AGV 可通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身 的位置和方向，从而实现导引。其主要优点是

22、技术先进、定位准确性较高、灵活性强、 便于组合和兼容。缺点是陀螺仪对振动较敏感、地面条件对 AGV 的可靠性影响很大、 后期维护成本较高。 5)激光导引 AGV。激光导引是在 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，并采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角 几何运算来确定其当前的位置和方向，实现 AGV 的导引。其主要优点是定位精度高、 地面无需其它定位设施、能够适应复杂的路径条件及工作环境、可快速变更行驶路径 和修改运行参数。缺点是车型构造需首先保证激光扫描器的视场要求、AGV 抗光干 扰的纠错能力有一定局限。 6)视觉引导 AGV。视觉导引控制是利

23、用图像传感器采集路面上条带状路径标线的 图像信息，通过计算机处理、识别，计算出车辆与路径标线之间的相对位置偏差从而 控制运行方向，保证 AGV 沿着路径标线运行。优点是引导路径的设置和变更简单方 便，成本低，易维护。缺点是容易受到光线的干扰。 1.3 AGV 的现状与发展 五十年代，第一台自动导引车是由 Barrett 电子公司在美国开发成功。但在六十 年代和七十年代 AGV 技术主要在欧洲得到发展。八十年代，发展中心又转移到美国 目前在国内 AGV 的应用逐渐开始推广。从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽 车工业、飞机制造业.家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等。这 说明 A

24、GV 在我国有一个潜在的广阔市场。随着社会科技的发展和市场需求水平的提 高，AGV 技术也有其自身的主要发展方向. 1）AGV 的市场正向二极化方向发展，一个是向自动化程度高的高档市场发展; 另一个是向流通领域、办公室等大多数以人为接点的低档市场发展。 2）AGV 正向多导向方式、智能化发展。 要实现预定的搬运计划、发挥无人搬运车的优势，关键取决于导向系统。电磁导向方 式是最先开发的 AGV 导向方式，目前应用的范围最为广泛。但由于电磁导向方式的 缺点，相继出现了光学导向方式、磁石导向方式、激光导向、标记追踪导向及图像传 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第6 页 感器导向方式等。多种导向方

25、式充分体现了无人搬运系统高柔性、高效率、高可靠性、 低成本的发展特点，并正向智能化方向发展，使 AGV 技术达到新水平。 3）对 AGV 进行工程可行性分析验证时，愈来愈多的使用系统仿真方法。专用仿 真语言将使用户使用方便，仿真费用将不断降低，一般仿真系统包括有彩色图形输入 与显示系统，仿真处理机和仿真语言。 4）AGV/AGV 模块化设计研究，由于不同的 AGV/AGV 之间有许多的模块的功 能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采 用模块化的设计方法，将 AGV 的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用 要求进行组合。 5）AGV 系统控制结构愈来愈

26、多地具有跟踪物料和储存信息的功能，以支持“准 时制”生产，以便允许与 AGV 间或任何其他控制器进行通信。 6）把 AGV 和移动机器人的能够进行灵活操作的优点结合起来，使之具有更高的 科技含量和取得更前沿的应用。 7）AGV 在工业领域中的应用将继续增长，并进入生活服务行业，其中包括办公 室、医院、宾馆、邮政部门、超级市场和高尔夫球场等。 1.4 论文的主要研究内容及组织 结构 1.4.1 论文的主要研究内容 自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流自动化 流转设备之一，为普通型和智能型两种。智能型 AGV 在车载计算机控制系统中储 存有全部运

27、行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任 务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上 设置导向信息媒介，AGV 小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶 方向。 本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为 AGV 的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单 片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第7 页 1.4.2 论文的组织结构 第一章首先讲述了 AGV 的的定义、特点、应用，然后对 AGV 的分类及其导引 方式进行了论述，最

28、后说明了 AGV 的现状与发展。 第二章介绍了本文设计的 AGV 的控制系统的硬件组成。首先是介绍了 AGV 控 制系统的总体设计，然后分别介绍了 AGV 的单片机控制系统，闭环 PWM 调速系统， 导航系统，速度测量系统，驱动电机装置，避障系统以及转向舵机。 第三章介绍了系统的软件设计，首先讲述了 PID 控制器在电机调速中的应用，然 后对单片机中断系统进行了论述，最后阐明了系统的控制流程。 第四章对论文进行了总结，指出设计的不足之处及改进。 第二章第二章 AGV 控制系统硬件组成 2.1 AGV 的控制系统总体设计 本文设计的 AGV 采用的是最常用的四轮机构,车载控制系统如图 2-1 所

29、示，结构 如图 2-2 所示，前轮为转向轮，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。后桥有差速器，当 车辆转向时，两后轮能自动改变转速，以减小轮胎和地面之间的滑动。在实际应用中， 小车车体上部需安装装载货物的托盘等辅助机构，故控制系统安装在小车底板的下面。 控制系统硬件主要包括 AT89C51 单片机控制系统及其外围电路、电机驱动电路和传 感器检测电路。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第8 页 图 2.1 车载控制系统框图 图 2.2 AGV 模型图 2.2 单片机控制系统 单片机控制系统是车载控制系统的核心，其稳定性决定了整个车载控制系统性能 的优劣。单片机的最小系统由电源系统、复位系统、时钟电

30、路等组成，相关元件的选 择及电路板抗干扰能力的设计应高度重视。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第9 页 2.2.1 AT89C51 单片机简介 AGV 的控制系统采用的是 AT89C51 单片机，AT89C51 是一种带 4K 字节闪存 可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理。单片机的可擦除 只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造 技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容 。 图 2.3 为 AT89C51 单片机的引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路

31、双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被 外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和 校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输 出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输 入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内

32、部上 拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位 地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLAS H 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊

33、功能口： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， A

34、LE 端以 不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第10 页 跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， AL E 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN

35、 信号 将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH ），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET ；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也 用于施加 12V 编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 图 2.3 AT89C51 引脚图 2.2.2 外围电路介绍 （1）复位电路 复位操作有手动复位和上电自动复位，图 2.4 为一种上电自动复位电路，图 2.5 为具有上电自动复位和手

36、动复位两种操作方式的复位电路。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第11 页 图 2.4 上电自动复位电路 图 2.5 复位电路 （2）时钟电路 AT89C51 芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式，如图 2.6。也可使用外部振荡器， 有外部振荡器产生的信号直接加到振荡器的输入端，作为 CPU 的时钟源，称为外部 时钟方式，如图 2.7。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第12 页 图 2.6 使用片内振荡器接法 图 2.6 使用片外振荡器接法 2.3 闭环 PWM 调速系统 本文设计的 AGV 采用了最常用

37、的四轮机构，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。 根据要求后轮驱动系统应有较好的调速性能。无刷直流电动机的调速方法有多种， 如通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢 电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导 体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。 通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度， 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第13 页 这种方法称为脉冲宽度调制(PulsewidthModulation)，简称 PWM。图 2.8 是对电机进 行 PWM 调速控

38、制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开 关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 Ui，t1 秒后，栅极输入变为低电平，开 关管截止，电动机电枢两端电压为 0，t2 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的 动作重复前面的过程。 图 2.8 输入输出电压波形 电动机电枢绕组两端的电压平均值 Uo 为: 式中占空比 表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间与周期的比值， 变化 范围为 0-1 之间。所以当电源电压 Us 不变时，电枢的端电压的平均值 Uo 取决于占 空比的大小，改变 值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。 开环 PWM 调速系统硬件结构简单，成本低，但

39、调速精度不高。AGV 在工作时 对速度控制精度有一定要求，为了保证调速精度，本系统采用闭环脉冲宽度调系统。 闭环 PWM 调速原理 在直流电机速度闭环控制中采用反射式光学编码器，首先对过程参数进行采样， 与给定速度值进行比较，其差值经 PID 算法进行处理，改变脉冲信号的占空比，经过 11 0 12 0 S SS T tUt UUU t t 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第14 页 调节的 PWM 脉冲波通过光电隔离及功率放大后，加在驱动电机上，以达到给定速度 值。 图 2.9 直流电机速度闭环控制框图 2.4 红外反射式光电传感器 反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，

40、普通发光二极管， 以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频 率较集中，感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电 传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就 能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射 表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接 收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系 统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发 射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图 2.10

41、所示。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第15 页 图 2.10 红外发射接收原理 图 2.11 光强度相应曲线 反射光强度的输出信号电压 Vout 是反射面与传感器之间距离 x 的函数，设反射 面物质为同种物质时，x 与 Vout 的响应曲线是非线性的，如图 2.11 所示。设定输出 电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。 利用 AT89C51 微控制器的 AD 转换模块，将 8 个红外光电传感器的输出电压接 入 AD 转换模块的 AN0AN7，通过与检测到的黑线和白线的阈值进行比较，从而确 定在 AGV 行驶过程中路径的信息，电路连接图如图 2.12 所示。与每个

42、传感器对应一 个指示灯，还可以指示传感器的工作状态 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第16 页 U7 HPH900 U6 HPH900 U5 HPH900 U4 HPH900 R1 1K R9 120K R2 1K R10 120K R3 1K R11 120K R4 1K R12 120K +5V AN7 AN6 AN5 AN4 U3 HPH900 U2 HPH900 U1 HPH900 U0 HPH900 R5 1K R13 120K R6 1K R14 120K R7 1K R15 120K R8 1K R16 120K +5V AN3 AN2 AN1 AN0 Left Part R

43、ight Part 图2.12 传感器检测电路图 2.5 速度测量系统 速度测量系统由反射式光学编码盘、反射式光电开关、施密特触发器组成。其设 计方法是把一个黑白条纹相间的编码盘(图 2.13 )安装在电机轴上，将反射式光电开关 ST178(图 2.14)的红外线发射二极管发出的光线照射到码盘上，当码盘旋转时，白色 条纹将二极管发出的红外光反射到三极管，使其导通;而黑色条纹则将二极管发出的 红外光吸收，使光电三极管截止，如此便使光电三极管产生了相应的输出脉冲序列。 图 2.13 光学编码盘 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第17 页 图 2.14 光电开关 ST178 单光束反射取样式光电

44、传感器 ST178 的特点: 1.采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 2.检测距离可调整范围大，4-10mm 可用。 3.采用非接触检测方式。 测速电路如图示，图 2.15 中 RT3 限制红外线发射二极管的电流，使其发射的红 外光减小到一定程度，遇到黑色底面时反射回来的光线被接收端接收后，其光线的能 量不足以使三极管导通;同时遇到白色底板时接收的光线正好使三极管导通，因而 RT3 最好为可调电阻，以便适应不同的环境光线。 图 2.15 测速电路 电位 1 经 CD4069 整形后送入单片机。这样随着车轮转动，图 2.15 中的输出端 U0 循环输出高低脉冲序列。采用 M

45、法测速原理:在规定的时间间隔 Tg 内，测量光电 编码器所产生的脉冲数来获得被测速度值。M 法所测转速值的计算公式: 1 60( / min) g nr P m T 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第18 页 其中，P 为光电编码器旋转一周所产生的脉冲数，Tg 为设定的时间间隔，ml， 为设定时间间隔内的脉冲数。 2.6 电机驱动电路 AGV 有后轮驱动电机和前轮转向舵机，后轮驱动电机需进行闭环 PWM 调速， 前轮转向舵机不需调速，且两电机均需正反两个方向转动，需采用 H 型双极可逆驱 动系统。考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素，采用了 L298 来代替三级管 所构成的驱动电路。

46、2.6.1 L298 简介 L298 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯 片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步 进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接 透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第19 页 图 2.16 L298 引脚图 东北大学秦皇岛分校

47、毕业设计（论文） 第20 页 。 图 2.17 L298 内部构成图 从上图中可以看到，L298 每个 H 桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出 脚(SENSEA 和 SENSEB)用来连接电流检测电阻。INI-IN4 输入引脚为标准 TTL 逻辑 电平信号，用来控制 H 桥的开与关，即实现电机的正反转。ENA，ENB 引脚则为使 能控制端，OUT1-OUT4 是信号的输出端，用于控制电机。L298 内含二个 H 桥的高 电压大电流双全桥式驱动器。单个 H 型双极可逆 PWM 驱动系统由 4 个开关管和 4 个 续流二极管组成，单电源供电。4 个开关管分成两组，T1、T4 为一组，T2、T

48、3 为另 一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。 表 2 给出了电机控制方向引脚的逻辑关系。 ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况 HHL正转 HLH反转 H同 IN2(IN4)同 IN1(IN3)快速停止 LXX停止 表 1 L298 控制引脚使能逻辑关系表. 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第21 页 2.6.2 L298 驱动电路 由 L298 构成的电机驱动电路如图 2.18 所示。PWM 脉冲信号由单片机用软件模 拟，由 P1.1 和 P1.2 两个引脚接入 IN1 和 IN2，对后轮驱动电机进行调速与控制。 P1.5 和 P

49、1.6 两个引脚接入 ENA 和 ENB。SENA，SENB 通过 10 欧姆的电阻接地，为 电流反馈引脚，以便实现系统的电流闭环控制。 图 2.18 电机驱动电路 2.7 障碍物检测系统 当 AGV 行驶路线上出现障碍时，车身上的障碍检测传感器应在车子与障碍物保 持一段安全距离时，向小车发出提示，故障碍检侧传感器检测方式应为非接触式。本 文设计的障碍检测传感器为 E3F-DS10C4 反射型光电开关，它采用光电开关集成电路、 传感器与放大器合成一体，具有体积小、性能可靠，安装使用方便等特点。其工作原 理为:当被检测物体经过时，将足够量的发光器所发射的光线直接反射回受光器，光 电开关产生检测开关信号。所以该传感器能以非接触方式检测出前方一定范围内的物 体，并转换成高电平信号输出。障碍物检测系统硬件接线如图 2.19 所示，E3F- DSIOC4 三根