AGV的電路設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15055AGV的電路設計案例 1180531.1主控制器模塊 1299181.2無線通訊模塊 498781.3磁導航模塊 519481.4RFID讀寫模塊 5155311.5電機驅(qū)動模塊 794771.6速度檢測模塊 9260041.7超聲波避障模塊 10180491.8電源模塊 111.1主控制器模塊AGV的主控制器模塊是整個AGV硬件系統(tǒng)的核心。它如同人類的神經(jīng)中樞系統(tǒng)負責對上位控制系統(tǒng)所發(fā)出的命令進行接受和執(zhí)行，控制著各個模塊的工作，使AGV完成對應的任務和指令。所以一個優(yōu)秀的AGV硬件系統(tǒng)對主控芯片有很高的要求。PLC、單片機和工控機是一般AGV比較常用的控制方式，它們都具有各自的特點[18]。表3-1不同控制方式之間的對比控制方式優(yōu)點缺點PLC用于邏輯控制、I/O驅(qū)動能力強、穩(wěn)定性好、易于擴展。不能實現(xiàn)多線處理、處理任務較為單一、不利于調(diào)試。單片機成本低、功耗小、體積小需要配套的外部電路和底層算法、處理器處理能力較差、處理速度較慢工控機處理器處理能力強，能夠多線程處理、資源豐富、能夠適用于惡劣環(huán)境成本高、能耗大、體積大綜合上述的特征，從AGV的成本、性能參數(shù)以及工作環(huán)境等多個方面全面考慮，單片機就能實現(xiàn)主控模塊的全面功能需求，同時極大降低開發(fā)的成本和研發(fā)的周期。STM32F103VET6是意法半導體公司推出的控制芯片。STM32代表ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器，F(xiàn)103代表增強型，V代表100引腳，其中有80個引腳可以用于IO的輸出輸入端口，E代表內(nèi)部集成了512KB的Flash和64KB的SRAM，T代表LQFP封裝，6代表工作溫度范圍在-40℃-85℃。其次之外，STM32F103VET6的最高工作頻率可以達到72MHz，電源電壓在2V-1.6V之間，具有3個通用定時器和1個高級定時器，2個16通道12位的同步模數(shù)采集器，2路SPI接口、2路T2C接口、3路USART接口、1個USB設備接口、1個CAN接口。該芯片適用于各種應用場合，例如GPS平臺、報警系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)和游戲外設等，而且充足的接口資源和優(yōu)秀的性能可以很好的滿足AGV對于主控芯片的需求[19]。STM32芯片如果沒有外圍電路是無法正常工作的，一個STM32的最小運行系統(tǒng)通常包括晶振、供電、復位和下載電路等。晶振電路的振蕩器通常由石英晶體充當主要組成部分。普通的多諧振蕩器會受到許多因素的影響，當電壓發(fā)生波動、溫度出現(xiàn)變化或者RC參數(shù)出現(xiàn)誤差時，多諧振蕩器都會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。選擇采用石英晶體作為振蕩器的最主要的優(yōu)點就是因為它能夠保持很好的頻率穩(wěn)定性。振蕩器是通過運用石英晶體的壓電效應來達到起振的目的。具體原理是當石英晶體的兩極連接恒定電壓之后，晶體會發(fā)生一定程度的形變，而將恒定電壓換成交變電壓后，形變就會變成機械振動。振動又會產(chǎn)生一個微弱但穩(wěn)定的交變電壓。其中當外界施加的交變電壓的頻率與晶體本身固有頻率相同時會產(chǎn)生一種名為壓電諧振的特殊情況，此時壓電效應的振動幅度會有顯著的擴大。晶振電路會產(chǎn)生8MHz的振蕩頻率再通過PLL鎖相環(huán)進行倍頻后達到穩(wěn)定工作頻率72MHz。而所有的主控器外部設備和CPU的正常工作都要基于這個工作頻率，也稱之為時鐘信號。晶振電路通過OCSIN和OSCOUT端口與芯片連接。由于STM32芯片的正常工作電壓在2V-1.6V之間，所以給芯片供電的電源選用VCC1.3V比較合適，由LDO低壓差線性穩(wěn)壓器將5V換變?yōu)?.3V。復位電路的端口是NRST，當NRST端口輸入低電平時，整個芯片進行復位，各個器件初始化。在程序開發(fā)的過程中，一般采用SWD或者JTAG的方式來解決需要下載bin或者HEX文件以及在線仿真調(diào)試。SWD模式跟JTAF模式相比較，在高速模式下更加可靠，而且只需要4個引腳就能實現(xiàn)功能，與芯片的JTMS和JTCK端口相連。圖3-1晶振電路、復位電路、下載電路圖3-2STM32F103VET6引腳圖1.2無線通訊模塊AGV在實際使用的過程中，往往需要接受上位機的指令實現(xiàn)同時多臺AGV機器參與任務的分配與實施，構(gòu)建一個完整全面的調(diào)度系統(tǒng)，所以一個無線通訊模塊能夠使AGV更好的接受命令，完成更加復雜的任務。GC433-TC007是硅傳科技推出一款無線數(shù)傳模塊。該模塊屬于UART硬件模塊，通過串口來進行無線通訊，大大降低了開發(fā)成本和研發(fā)周期。具有AT指令模式和透傳模式。在AT指令模式下，用戶可以設定串口的波特率和網(wǎng)絡IP等網(wǎng)絡參數(shù)。在透傳模式下，模塊能夠?qū)⒋谳敵龅臄?shù)據(jù)傳送到目的端口，不管傳輸業(yè)務的內(nèi)容如何，不對數(shù)據(jù)內(nèi)容做出任何改變。通訊距離可達800m，覆蓋面積相比于其他無線傳輸模塊相對較大，大大提升了AGV的可控制范圍。以下是該芯片的接口功能表。表3-2GC433-TC007端口功能表序號接口名功能0RESET復位信號，低電平有效，正常使用拉高或懸空1VCC電源+1.3V2GND地3RXDUARTRX4TXDUARTTX5GND地6ANT天線接口，等效阻抗約50Ω7GND地該模塊的供電電壓為1.3V，STM32的PB10和PB11引腳與模塊的UART_TX和UART_RX相連接。為確保RESET引腳為高電壓，將RESET引腳通過電阻與VDD引腳相連接。電路中的電容是起到濾波作用，使直流信號輸入模塊時更加平滑和穩(wěn)定。圖3-3GC433-TC007引腳圖1.3磁導航模塊AGV磁導航模塊選用的是廣州聯(lián)網(wǎng)科技的D-MNSV6-X16。該模塊具有16個固定間隔排列的微型磁場檢測傳感器，每個磁場傳感器都是一個磁場的探測點。在磁導航模塊工作時，各個探測點會檢測到磁感應強度信號，在霍爾效應下磁場中的每個霍爾元件都會根據(jù)不同磁場強度產(chǎn)生不同的電壓，這樣磁場強度信號就會轉(zhuǎn)換成電信號傳輸給主控模塊,主控模塊經(jīng)過一系列的運算和轉(zhuǎn)換判斷AGV與事先在路徑上鋪設好的磁條的相對位置。當探測點檢測到相同的磁場強度時，代表磁條在正下方的中間位置，AGV此時在直行。當磁場強度不同時，代表磁條偏左或偏右，就會向主控模塊發(fā)送信息，通過主控模塊調(diào)節(jié)電機驅(qū)動單元，讓AGV實現(xiàn)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)回到中心位置[20]。圖3-4磁導航引腳圖1.4RFID讀寫模塊磁導航通常需要3連續(xù)的磁條塊來給AGV提供信息實現(xiàn)導航的目的，具有一定的局限性而且容易受干擾導致精度下降，所以需要配合RFID模塊，RFID模塊識別速度較快、使用壽命較長、可以動態(tài)更改標簽數(shù)據(jù)和通信，能夠容納較大數(shù)據(jù)，兩者共同作用提高導航的精度，增強AGV的性能。RFID射頻技術也就是無線電和射頻數(shù)據(jù)識別交換技術,它也是射頻自動識別的主要技術之一，通過無線電以射頻的形式與儀器表面的媒體之間進行非接觸雙向的射頻數(shù)據(jù)通訊。射頻儀表上的媒介例如無線電子標簽或者無線射頻卡上的控制線圈能夠接收射頻解讀器自動傳來的無線射頻識別信號,產(chǎn)生一個相應的射頻感應電流,從而用戶可以對射頻芯片內(nèi)存中的射頻信息數(shù)據(jù)進行閱讀和數(shù)據(jù)寫入,達到射頻識別的主要目標和射頻數(shù)據(jù)交換的主要技術目的。整個RFID閱讀系統(tǒng)中包含了閱讀儀、應答器和應用軟件系統(tǒng)等部分。閱讀器就是將一個標簽中一些信息和內(nèi)容自動讀出或者將標簽內(nèi)部所缺少的關鍵信息重新寫入標簽當中的一種裝置。通常的主要部分為信號收發(fā)天線、頻率信號產(chǎn)生器、鎖相環(huán)、微處理器、存儲器、調(diào)節(jié)控制電路及其他外設硬件接口。應答器通常來看就是一個電子標簽,它擁有一個唯一的電子標簽編碼,通常由收發(fā)天線、AC/DC控制電路、解調(diào)控制電路、邏輯信號控制電路、存儲器和調(diào)制電路等部分共同構(gòu)成。應用程序軟件管理系統(tǒng)需要能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)來源進行實時搜集并對其數(shù)據(jù)進行分析處理。RFID模塊選用的是廣州晨控的CK-G06。CK-G06的工作頻率為125KHZ，同時它還可以支持對EMID和FDX-B兩種不同格式數(shù)據(jù)標簽的實時讀取,通過它的RS232通信接口可以直接進行各種數(shù)據(jù)流的傳輸。該傳感器內(nèi)部自帶了Auto-turning自動調(diào)諧控制電路,在不同的工作環(huán)境中和運行時間內(nèi)都能夠輕松實現(xiàn)自動實時調(diào)整調(diào)諧電路的相關參數(shù),使得各種外界環(huán)境對于讀卡距離的擾動影響減少到最低程度,進一步大大提升了自身的抵抗外界干擾能力,具備了使用壽命長、靈敏度高、性能穩(wěn)定和可靠性好等四大特征。產(chǎn)品的主要參數(shù)如下：工作電壓：12V-24V/DC;工作電流：<200mA；功耗：2W;電路保護：帶極性接反保護；讀卡距離：15cm（跟標簽類型與應用環(huán)境有關）；支持標簽類型：FDX-B、EMID；通信接口：RS232；工作溫度：-25℃-85℃；當RFID傳感器接通了電源之后,紅色的LED燈常亮,傳感器就會自動進入信號調(diào)諧的工作狀態(tài),并且可以根據(jù)身處的工作場景和使用環(huán)境來對相關參數(shù)做出一個對應的調(diào)諧。當傳感器檢測到RFID標簽的存在時,讀卡器會對標簽上的信息進行解碼，解碼成功后綠色的LED燈會自動亮起,同時由RS232接口將讀取的數(shù)據(jù)信號發(fā)送給給數(shù)據(jù)接收器。傳感器可以支持兩種通訊模式：Autosendmodel和Resendmodel。在Autoread模式下當一個電子標簽進入到能夠被傳感器檢測到的感應地帶時,傳感器就會發(fā)出射頻信號對其進行編碼處理,然后自動向接收器發(fā)送標簽編碼的數(shù)據(jù)。如果一個標簽一直存在于感應區(qū)域,讀卡器連續(xù)向它發(fā)送兩次編碼的數(shù)據(jù)后將不會繼續(xù)發(fā)送這個數(shù)據(jù),直到一個標簽被移動并離開感應區(qū),或者是傳感器從另外的地方檢測到一個新的標簽。該模式信號輸出的格式為:起始碼+標簽碼類型+十進制卡號+RCC校驗+結(jié)束碼。在Resend控制模式下,控制主機可以直接通過向傳感器發(fā)送Resend命令,請求再次接收標簽的相關數(shù)據(jù),傳感器接收到指令后就會再次發(fā)送相應數(shù)據(jù)。當控制主機接收數(shù)據(jù)出錯未能成功接受到標簽數(shù)據(jù)時,可以通過這個命令再次獲取。在Reread模式下,控制主機可以通過向傳感器發(fā)送一個Reread命令,請求傳感器重新對之前的區(qū)域進行掃描,從而重新讀取該感應區(qū)內(nèi)的標簽數(shù)據(jù)。該編碼模式下信號輸出的編碼格式定義為:起始信號碼+命令碼+結(jié)束碼。RFID模塊需要通過RS232串口進行通信，而主控制器模塊上的UART串口并不能直接與RS232進行信息的交互，因為RS232是一個反邏輯也稱之為負邏輯，即低電平-3V到-15V代表邏輯1而高電平+3V-+15V代表邏輯0。所以需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來進行轉(zhuǎn)換，解決兩個端口電平不統(tǒng)一的情況。圖3-5RFID接口與MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片1.5電機驅(qū)動模塊 驅(qū)動電機能夠為AGV的行駛提供充足的動力，是硬件系統(tǒng)的一個重要組成部分。一般的AGV驅(qū)動電機分為步進電機、直流有刷電機、直流無刷電機、直流無刷伺服電機等。步進電機：依賴于自由旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，當氣隙磁導發(fā)生變化時就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機開始工作，步進電機接收到電信號之后，但轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較小。直流有刷電機：內(nèi)含電刷裝置，能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)化為機械能或者將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能，控制電路相對簡單、成本低、運行較為平穩(wěn)，但是可靠性不高、工作壽命短，不容易更換[21]。直流無刷電機：在原來的有刷電機上發(fā)展，將傳統(tǒng)的機械換向用先進的電子換向取代，性能更加可靠，不會磨損，使用壽命得到提高，屬于靜態(tài)電機，空載電流小。但是成本較高，容易形成共振，產(chǎn)生嗡嗡聲。直流無刷伺服電機：伺服電機可以通過脈沖來定位，當伺服電機接收到脈沖之后，就會旋轉(zhuǎn)相對應的角度完成位移，而伺服電機自身具有發(fā)送脈沖的功能，所以可以通過發(fā)送相應的脈沖個數(shù)將旋轉(zhuǎn)的度數(shù)告訴系統(tǒng)，這樣就與系統(tǒng)發(fā)出的脈沖形成了閉環(huán)，通過發(fā)送的脈沖與接收到的脈沖，實現(xiàn)了高精度的定位。根據(jù)AGV小車的性能參數(shù)、成本預算、電源類型和電機力矩等因素，決定選用直流無刷電機60DH200和直流無刷電機驅(qū)動器BLD15LB。該直流無刷驅(qū)動器采用12V-56VDC電源供電具有低溫升、低噪音、速度/電流雙環(huán)驅(qū)動和多種調(diào)速模式等特點，而且能夠面對各種意外情況提供過流保護、過壓保護、欠壓保護、摩爾錯誤保護等安全措施。電機的參數(shù)和電機驅(qū)動器的端口功能如下表所示:表3-3直流無刷電機參數(shù)表參數(shù)數(shù)值額定電壓DC24V額定電流10A額定功率200W額定轉(zhuǎn)速3000RPM額定力矩2.01表3-4電機驅(qū)動器端口功能表端子信號信號種類信號說明DC+電源連接直流電源接入正極。DC-直流電源接入負極。W電機連接直流無刷電機W相。V直流無刷電機V相。U直流無刷電機U相。REF+霍爾信號直流無刷電機霍爾信號電源線。HW直流無刷電機霍爾信號HW。HV直流無刷電機霍爾信號HV。HU直流無刷電機霍爾信號HU。REF-直流無刷電機霍爾信號接地線。SV控制信號調(diào)速信號輸入端口，與外部電位器中間引出端相連，電位器另外兩側(cè)與REF+端口和COM端口相連。COM公共端口。F/R控制電機轉(zhuǎn)動的方向，與COM端口配合使用，兩者斷開時為順時針轉(zhuǎn)動。當兩者短接時，電機更改為逆時針轉(zhuǎn)動。EN停止信號控制端，EN端口與COM端口斷開為電機緩慢停止，短接閉合為正常運行。BRK電機快速剎車信號端口，BRK端口與COM端口斷開時電機為快速剎車，短接閉合為正常運行。SPEED輸出信號輸出速度信號，根據(jù)電機在行駛過程中的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號。ALM輸出報警信號，正常時表現(xiàn)為電平5V，出現(xiàn)故障時電平為0V。1.6速度檢測模塊為了對AGV小車在行駛過程中的速度有一個更精確的控制，所以需要增加一個速度檢測模塊。一般的測速可以通過測速傳感器，例如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、測速發(fā)電機等。本文選用的是增量式光電編碼器。增量式光電編碼器主要由發(fā)光二極管、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、檢測光柵也稱固定光柵、棱鏡、光電檢測器件光敏管、碼盤也稱光柵板組成。碼盤上刻有許多等節(jié)距的徑向輻射狀的間隙，每兩個相鄰的間隙就代表一個信號。當發(fā)光二極管發(fā)出光線透過棱鏡時，只有一部分光線能夠通過碼盤的間隙照到固定光柵上。固定光柵上具有A、B兩組和碼盤上等節(jié)距可以透光的間隙，這兩組間隙在相對位置上相差1/4節(jié)距，這會導致從碼盤上透過間隙的光在穿過固定光柵的A、B后產(chǎn)生90°的相位差。在增量式光電編碼器工作開始隨著部件旋轉(zhuǎn)時，光信號通過碼盤和固定光柵后被光敏管等光電檢測器件轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波信號，對這些數(shù)字方波信號進行處理就能得到旋轉(zhuǎn)軸的一系列數(shù)據(jù)，例如角速度和位置等[22]。增量式光電編碼器跟其他數(shù)字式傳感器類似，電機的轉(zhuǎn)速越快，增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度越快，產(chǎn)生的脈沖頻率就越高。所以可以通過數(shù)字式測速法對小車的速度進行測量。最基本的測量原理就是在對脈沖信號進行處理之后，測量固定的時間間隔內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)。根據(jù)對脈沖信號的不同處理方式，可以分為“M”法、“T”法和“M/T”法[23]?！癕”測量法又稱為定時測角法。該法是在給定高頻的時鐘間隔下測量增量式光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量來計算轉(zhuǎn)速?！癕”法的分辨率跟編碼器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速無關，跟給定時間間隔和編碼器輸出脈沖分辨率成負相關?！癕”法在中高速轉(zhuǎn)速下的測量精度較高，在低速的情況下，會產(chǎn)生相對較高的誤差[24]。“T”測量法又稱為定角測試法。該法通過高頻的時鐘對編碼器一個脈沖周期（例如兩個相鄰上升沿之間的時間間隔）進行計數(shù)，從而計算得到編碼器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速?！癟”法的分辨率與編碼器輸出的脈沖分辨率、高頻時鐘脈沖的脈沖周期和脈沖計數(shù)負相關?！癟”不適用于較高速的測量，因為中高速階段編碼器脈沖輸出較快，脈沖周期較小會導致需要更高的采集頻率，不然會引起誤差，所以更適合低速的測量?！癕/T”法原理跟“T”法相似，只不過“M/T”法是選擇一定數(shù)量的編碼器輸出脈沖周期來計算轉(zhuǎn)速。“T”法可以看過是選取一個脈沖周期的特殊“M/T”法。“M/T”法的分辨率跟選擇脈沖周期的個數(shù)成正相關，與編碼器輸出的脈沖分辨率、高頻時鐘脈沖的脈沖周期和脈沖計數(shù)負相關。雖然“M/T”法解決了“T”法在高速階段對于高頻采樣頻率的需求，但是在低速階段由于編碼器輸出脈沖周期較大，導致檢測需要的時間較長，實時性比較差[25]。根據(jù)AGV的性能參數(shù)、行駛速度、測速精度、測速實時性等需求，采用“M”法測速比較合適。1.7超聲波避障模塊為了避免AGV執(zhí)行任務行駛過程中碰撞到障礙物，需要使用避障模塊來探測前方是否存在需要回