1、 . . . 項目批準號大學生科研訓練項目申請書項目名稱： 自動引導小車控制系統設計 申 請 人： 何騰鵬 所在學院：信 息 工 程 學 院 專 業 ： 電子信息科學與技術 聯系：指導教師:徐建 職稱 講師 申報日期：2013 年 4 月 8 日民族學院教務處 制填 表 說 明 一、 填寫立項申請書前，請先咨詢指導教師或有關專業教師。申請書的各項容要事，逐條認真填寫，表達明確、嚴謹。 二 、申請書要求一律用A4紙正反打印，一式4份（負責人、指導教師、所在學院、教務處各執一份），于左側裝訂。由指導教師和所在院（部）審查并簽署意見后報教務處。三 、“項目批準號”不填，由學校統一編號。四、如表格不夠

2、，可以加附頁。一、項目概況項目簡況項目名稱 自動引導小車控制系統設計項目類別 自然科學類申請經費 3000元起止年月 2013.5-2014.5項目組成員姓 名專 業學 號所在學院項目分工本人簽字 何騰鵬電子信息科學與技術031141019信息工程學院 黃峰電子信息科學與技術031141016信息工程學院 譚方韜電子信息科學與技術031141124信息工程學院 林電子信息科學與技術031140918信息工程學院指導教師情況徐建學位職稱 講師研究方向嵌入式系統與智能控制授課名稱一、研究容概述(限200字以) 自動引導小車(AGV)控制系統由AGV智能控制模塊、監視模塊、與無線網絡通訊模塊等三大部

3、分組成。工作過程是通過接入互聯網的手機或者微機客戶端通過無線網絡向遠程的AGV發送控制指令代碼，期間傳輸信號由發送端使用加密狗加密。當信號經互聯網發送到接收終端時，AGV網絡模塊把接受的指令傳送到處理器，處理器指示驅動模塊驅動AGV執行動作。運動的同時監視模塊把采集到的圖像通過無線互聯網傳輸到客戶機端，利用本控制系統，可以實現AGV的遠程控制與工作環境實時監控。結合運輸機械裝置可以實現在特殊工作環境下的智能遠程控制搬運工作。項目創新特色概述（50字以）1 小車實現全自動控制，能夠自行引導。 2 并且小車的系統具有廣泛性，可實現對任何小車的自動引導。二、項目簡介（研究容、目的意義、具體目標、國外

4、研究現狀分析與評價等） 1 自動引導小車（AGV，Automated Guided Vehicle）是一種無人操縱的自動化運輸設備，它裝備有電磁或光學導向設備，可以按照監控系統下達的指令，根據預先設定的程序，依靠車載傳感器獲得外界環境信息和自身位置信息，沿著規定的行駛路線和停靠位置自動行駛。AGV是現代物流系統的關鍵裝備，在產品生產的整個過程中，僅僅有5%的時間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送。因此，目前世界各工業強國普遍把改造物流結構、降低物流成本作為企業在競爭中取得勝利的重要措施，為適應現代生產的需要，物流正向著現代化的方向發展。AGV適應性好、柔性程度高、可

5、靠性好、可實現生產和搬運功能的集成化和自動化，在各國的許多行業都得到了廣泛的應用。 2 自動引導車國外發展現狀世界上第一臺AGV是美國Barrett Electronics公司于20世紀50年代開發成功的,是一種能夠自動跟蹤帶電導線的無人駕駛車輛以用于倉庫貨物運輸。1961年，美國的Webb公司也研制成功了用于倉庫作業的AGV。60至70年年代，由于諸多因素的制約，美國在AGV應用領域發展遲緩。而西歐在這一時期卻在AGV研究方面取得了突飛猛進的發展。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配工廠與Schiinder-Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGV，并由多臺該

6、種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統應用的拖車與叉車等運輸工具。由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經濟效益，許多西歐國家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGV在裝配作業中成為一種流行的運輸手段。日本的第一家AGV工廠也于1966年由一家運輸設備供應廠與美國的Webb公司合資開設。到1988年，日本AGV制造廠已達20多家。我國AGV研究始于六十年代，起重運輸機械研究所、清華大學、中國科學院自動化所、組合機床研究所和國防科技大學等都在進行不同類型的AGV的研制并小批投入生產。1975年起重運輸機械研究所完成我國第一臺雙向無線電通信的AGV。自動化所為金杯汽車廠生產了6臺AGV用于

7、裝配線上，是汽車工業中用得較成功的AGV。清華大學獨自研制的“自由路徑自動導向AGV”屬于固定路徑導引的類型，在路徑跟蹤研究方面具有較高的水平。目前，我國越來越多的工廠、科研機構采用AGV為汽車裝配、大型軍械倉庫、自動化倉儲系統服務。 3 自動引導車的引導方式AGV的引導方式很大程度上決定了AGV的性能，也影響著系統運行的可靠性和運行費用。在20世界80年代以前，AGV引導方式主要以埋線電磁感應引導技術為主。但是電子技術的發展使AGV的引導技術多樣化。目前AGV多由以下幾種引導方式：（1）埋線磁感應引導方式地下埋線感應引導方式技術成熟，應用較為廣泛。目前，大多數AGV系統才采用電磁感應法引導技

8、術。（2）圖像識別引導方式其工作原理為攝像機得到路徑信息的路面信息，通過圖像處理識別出欲跟蹤的路徑，從而引導AGV運行。隨著計算機視覺技術的飛速發展以與圖像處理研究的深入，已經越來越多的AGV使用計算機視覺識別道路信息。三、研究技術路線與可行性本項目的工作主要包括以下幾個方面：(1）系統總體方案與控制結構設計通過分析比較國先進的AGV設計的特點，結合實際控制對象，進行系統總體方案的設計。采用Freecale公司16位微控制器MC9S12DG128B作為主控制器。系統使用CMOS攝像頭檢測道路標識線，利用舵機控制小車轉向，同時使用自制編碼器對車速進行檢測。(2）小車各個功能模塊的硬件設計本控制系

9、統采用模塊化設計，系統主要由微控制器(MCU)模塊、電源模塊、電機與其驅動模塊、舵機模塊、速度檢測模塊、道路識別模塊和調試模塊幾大部分構成。(3）詳細闡述了各功能模塊的軟件設計首先通過邊緣檢測方法提取軌道黑線，采用最小二乘法擬合直線的方法,準確判斷出當前路徑信息。采用模糊算法和PID相結合的方法來控制舵機轉向和增量PID控制小車速度。(4）介紹了系統調試。通過系統軟硬件的設計與調試，小車能夠穩定的沿引導線運行。通過實際模型小車的調試，驗證了系統設計的可行性，并取得了良好的控制效果。2.1總體設計本課題使用“飛思卡爾”杯全國大學生智能車比賽用車進行自動引導車研究。該模型后輪驅動前輪轉向的四輪模型

10、小車。比賽要求所設計的小車具有自動尋跡的功能，能在定跑道行駛。跑道為黑白兩色。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進的據。對于固定軌道引導的自動引導車，其工作方式與比賽中小車的運行方式十分相似。因此選擇該模型小車和其跑道作為自動引導車研究的依據。系統框圖如圖2.1所示：如圖2-1所示，該系統主要分為以下三大塊：（1）信息采集模塊：在該模塊中包括有速度信息采集和位置信息采集兩個子模塊，分別采集小車當前的位置信息和速度信息，并將采集到的信息傳給MCU。其核心是傳感器。（2）信息處理模塊：信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心是MCU，MCU接收到采集來的信號，對信號進行處理后作出判斷，

11、并發出控制命令。（3）執行模塊：該模塊包括了驅動電機和舵機，當接收到MCU的命令后便執行相應的操作，同時信息采集模塊又采集到電機和舵機的狀態信息，反饋給MCU。從而整個系統構成一個閉環系統，在運行過程中，系統自動調節而達到正確行駛的目的。方向控制的作用就好比是駕駛員和他所控制的方向盤；速度控制的作用就好比駕駛員和他腳下的油門和剎車。2.2硬件系統基本方案論證2.2.1圖像采集模塊為了探測小車前進過程中的路況信息以與小車在沿黑線行走過程中的偏離黑線的程度等行駛狀態信息，以便通過此信息來指導MCU應該怎樣對執行部分發出命令，采用攝像頭獲取道路圖像信息。2.2.2速度檢測模塊為了使小車能平穩地沿著賽

12、道運行，除了舵機轉向的控制之外，還要在入彎的時候適當的減速，使小車能平緩的入彎，防止因速度過快而沖出賽道。如果僅采用開環控制方式，則智能車在轉彎角度不同、路面狀況改變或者系統供電電池電量不同的時候，智能車的速度在同樣占空比的條件下也會有很大差別。如在電池剛充滿電的情況下，很容易因速度過快沖出跑到，若采用閉環控制，將車輪轉速信息反饋給微控制器，從而使電機的實際轉速值等于指令轉速值，就能提高速度的準確性。車速檢測有多種可行的方案。2.2.3速度執行模塊模型小車的速度執行機構是電機，為永磁式微型直流電動機。它的驅動方案主要有三種：電磁繼電器開關控制、達林頓管或MOS管組成的H型電路控制和單片電動機控

13、制芯片控制。第一種和第三種方案電路較簡單。但是繼電器響應速度慢，易損壞，可靠性不高，而且體積大，顯然不適合小車的使用。第二種方案效率高，而且控制靈活，但其外圍電路復雜，體積和重量都不能滿足要求。如果采用第三種方案，就需要解決散熱和驅動電流問題。考慮到小車的主驅動電機為微型永磁式直流電動機，工作電流相對較小，而且小車的設計有重量和體積的限制，所以決定采用第三種方案。由于S12單片機帶有PWM輸出端口，PWM波獲取方便，為了加強靈活性，能實時改變控制量，所以利用PWM脈寬與速度的對應關系對電機進行控制，從而對速度進行實時調整，精確控制。2.3軟件系統結構的設計系統硬件位于底層，是整個系統的基礎，系

14、統軟件結構則根據硬件和控制需求來制定。系統的基本軟件流程為：首先，對各功能模塊和控制參數進行初始化。然后，通過圖像采集模塊獲取前方賽道的圖像數據，接著S12利用邊緣檢測方法從圖像數據中提取賽道黑線，求得小車于黑線位置的偏差，對舵機進行反饋控制。同時通過速度傳感器模塊獲取小車的速度，根據檢測到的速度，結合速度控制策略，對小車速度不斷進行適當調整，沿軌道快速行駛。系統的基本軟件結構如圖2-2所示。3.1硬件系統整體介紹設計硬件系統是硬件電路的設計是整個系統實現其功能的基礎，它對系統運行的穩定性、控制的精確度都有著直接的影響。沒有一個好的硬件設計方案，那么以后的控制策略以與控制算法就無從談起。本系統

15、是一個各部分協調運作的控制系統。系統要完成傳感器接受、單片機判斷計算到執行機構執行的整個過程。系統設計要求單片機把路徑迅速判斷、相應的轉向配合電機控制以與直流驅動電機的控制精密地結合在一起。本控制系統采用模塊化設計，系統主要由微控制器(MCU)模塊、電源模塊、電機與其驅動模塊、舵機模塊、速度檢測模塊、道路識別模塊和調試模塊幾部分構成。整體裝置結構設計框圖如圖3.1所示：3.2微控制器模塊本設計選用的MC9S12DG128是飛思卡爾公司推出的S12系列單片機中的一款增強型16位單片機。其集成度高，片資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I 2C、A/D、PWM等。它在汽車電子、工業控制、中高檔機

16、電產品等領域具有廣泛的用途。3.3電源管理模塊電源是一個系統正常工作的基礎，電源模塊為系統其他各個模塊提供所需要的能源保證，因此電源模塊的設計至關重要。模型車系統中接受供電的部分包括：傳感器模塊、單片機模塊、驅動電機模塊、轉動電機模塊以與其它的外圍輔助模塊等。設計中，除了需要考慮電壓圍和電流容量等基本參數外，還要在電源轉換效率、噪聲、干擾和電路簡單等方面進行優化。可靠的電源方案是整個硬件電路穩定可靠運行的基礎。全部硬件電路的電源由7.2V、2A/h的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不一樣，因此電源模塊應該包括多個穩壓電路，將充電電池電壓轉換成各個模塊所需

17、要的電壓。電源模塊由若干相互獨立的穩壓電源電路組成。在本系統中，除了電機驅動模塊的電源是直接取自電池外，其余各模塊的工作電壓都需要經電源管理芯片來實現。整個電源模塊的電路結構如圖3.3所示：3.4舵機轉向模塊3.4.1舵機簡介舵機是一個典型閉環反饋系統，主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機、控制電路板等幾個部分組成。其工作原理如圖4.8所示。在硬件連接上共有三根線，使用方便：分別為電源、地與控制輸入。電源線與地線用于提供部的直流馬達與控制線路所需要的能源，電壓有兩種規格：4.8V和6.0V，分別對應不同的轉矩標準，即輸出力矩不同，6.0V對應的要大一些。在控制線接單片機一路PW

18、M輸出，通過控制輸入脈沖的寬度使舵機的輸出軸轉動到指定位置。3.4.2舵機的控制本系統采用的控制信號為周期為20ms的脈沖信號，改變脈沖的寬度就可以改變舵機的方向。其轉角和脈沖寬度的對應關系如圖3.8所示。3.5電機驅動模塊3.5.1電機特性小車前進的動力是通過直流電機來驅動的，直流電動機是最早出現的電動機，也是最早能實現調速的電動機。系統選用RS-380SH直流電動機作為驅動電機。RS-380SH的額定電壓為7.2V，空載時轉速為16200r/min,電流0.5A。額定轉速14060r/min,電流3.29A，轉速10.9MN*m，其堵轉電流為21.6A。3.5.2電路設計直流電機驅動采用飛

19、思卡爾公司的5A集成H橋芯片MC33886，MC33886芯片置了控制邏輯、電荷泵、門驅動電路以與低導通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來控制感性直流負載，可以提供連續的5A電流，并且集成了過流保護、過熱保護、欠壓保護。是理想的功率分流直流馬達和雙向推力電磁鐵控制器。芯片的封裝如圖3.10所示：3.6路徑識別模塊路徑識別模塊是本系統的關鍵模塊之一，它將路況的信息傳輸給主控制模塊，路徑識別方案的好壞，直接影響著小車的控制效果。目前自動導引車研究中，路徑檢測多采用彩色或黑白攝像機來處理周圍路線，通過將采集的數據直接發送到上位機，上位機采集數據后進行必要的處理，得到控制輸出。但是該方案多應用于大型

20、自動導引車，如JLUIV-IV型自動導引車。但是模型小車由于體積小巧，無法安放PC進行數據處理。所以在路徑檢測模塊中采用了采集裝置采集數據，直接送入模型小車上的微控制器進行處理。近年來，隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，基于視覺導航和控制的自動導引車成為人們研究的熱點,其中基于標識線圖像識別的導航方法，由于引導標識線的設置和變更相對容易、技術成本和費用低，因而成為自動引導車導航的一個重要發展方向。3.6.1攝像頭的采樣機制本系統中采用輸出信號制式為PAL電視機制式的攝像頭，攝像頭通常引出三個端子、電源端、地端、視頻信號端。視頻信號的電壓一般位于0.5V-2V之間。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每

21、幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50場圖像。3.6.3信號提取（1）信號提取方式要能有效地采樣攝像頭視頻信號，首先要處理好的技術問題就是能提取出攝像頭信號中的行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖。否則，單片機將無法識別所接收到的視頻信號到底是在哪一場，無法識別是在該場中的場消隱區還是視頻信號區，也無法識別是在視頻信號區的第幾行。因此要處理好行同步脈沖和場同步脈沖提取的問題。（3）采樣電路設計攝像頭采樣電路如圖3-15所示。攝像頭視頻信號端接視頻信號輸入端，同時也接入S12的一路AD轉換端口（選用AD0）。行同步信號端（引腳1）接入S12的一個帶中斷能力的I/O口。LM1881的奇-偶場同

22、步信號輸出端接S12中斷輸入口PH0由此作為奇-偶場同步信號的換場的標志信號，也可作為場信號到來的標志。3.7速度檢測模塊為了使得模型車能夠平穩地沿賽道運行，除了控制前輪轉向舵機以外，還需要控制車速，使得模型車在急轉彎時速度不要過快而沖出跑道。可以通過控制驅動電機上的平均電壓控制車速，但是如果開環控制電機轉速，會有很多因素影響電機轉速，例如電池電壓，電機傳動摩擦力和前輪轉向角等。這些因素會造成小車運行不穩定。通過速度檢測，對車模速度進行閉環反饋控制，即可消除上面的各種因素的影響，使得車模運行的更精確。在閉環控制系統中，速度指令值通過微控制器變換到驅動器，驅動器再為電機提供能量。速度傳感器再把測

23、量的小車的速度量的實際值回饋給微控制器,以便微控制器進行控制。3.8 系統軟件設計與調試模塊在小車的整個軟件設計中，主要有以下幾個方面：一、攝像頭圖像采集；二、攝像頭圖像處理；三、轉向控制；四、速度控制。其中圖像采集和處理是后兩者的基礎。Code warrior是Metrowerks公司提供的專門面向Freescale所有MCU嵌入式應用開發的軟件工具。其中包括集成開發環境IDE、處理器專家、全芯片仿真、可視化參數顯示工具、項目工程管理、C交叉編譯器、匯編器、器以與調試器。其使用界面如圖5.1所示。在目標程序的下載方面，通過BDM與單片機之間的連接下載程序。在調試方面，使用了MC9S12DG1

24、28的串口，利用串口線將MC9S12DG128和PC的串口相連，使用PC的超級終端進行程序的調試。參考文獻：1新亮，白澤生.兩種圖像傳感器性能特點的對比分析與研究J.大學學報：自然科學版,2007,26(1):2正義.自動導引車系統與其應用-AGV技術發展綜述J.物流技術與應用，2005,（7）：66-73.3唐文偉.AGV在物流領域中的應用前景分析J，物流技術，2001（3）：7.4王明順.基于LM2576的高可靠MCU電源設計J，國外電子元器件，2004,(11)：12-14.（5）：76-80. 5徐友春，王榮本等.智能車輛視野與其圖像變形校正的研究J,公路交通科技，2000，17四、對

25、項目的參與興趣和已有的知識積累或實踐基礎在大學期間，學習了很多理論知識，雖然動手實踐過，但很少做一個完整的系統，我們很渴望將已掌握的知識應用到實際中去，在實踐中檢驗真理，為人民謀福利。在平時的學習中，項目組成員學習了單片機的使用，信號的采集、放大、傳輸、處理、存儲等等，通過在學校創新實踐中心的歷練，有一定的電路系統設計經驗和較強的團隊協作精神。五、研究計劃和進度（可就文獻查詢、社會調查、方案設計、實驗研究、數據處理、研制開發、撰寫論文或研究報告、結題和答辯、成果推廣、論文發表、專利申請等工作逐項進行安排）2013年4 月2013年7 月，總體方案設計。在深入調研和文獻查閱與項目參與者的協調預研

26、基礎上，最后確定項目實施總體方案。2013年7 月2013年10 月，研究系統的硬件結構。設計好系統硬件結構原理圖，并在軟件上進行相關仿真測試，進行硬件的制作和實物調試。2013年10 月2014年1 月，研究系統的軟件設計。在嵌入式操作系統上進行相關軟件的開發，最后實現軟硬件的聯合調試。2014年1 月2014年4 月，總結項目，完善相關細節，準備結題材料。六、項目研究支撐條件1. 信息工程學院自2002年建院以來，學院承擔各級科研項目150余項，其中國家自科基金4項，國家社科基金1項，省部級項目9項，地廳級項目50余項，院級項目50余項，橫向項目60余項，科研經費達到600余萬元。同時，學院公開發表論文460余篇，其中SCI、EI收錄40余篇，權威期刊4篇，重要期刊30余篇，核心期刊140余篇。另外，出版專著與教材10余部，獲得州科技進步二等獎10項，三等獎10項。2. 信息工