基于STM32F103芯片為控制核心的磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動器

AGV系統(tǒng)在當前柔性制造系統(tǒng)（FMS）和自動化倉儲系統(tǒng)中扮演著重要的角色。AGV具有適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實現(xiàn)生產(chǎn)和搬運功能的集成化和自動化等優(yōu)點［1］。

AGV的導(dǎo)航方式主要有激光導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航、磁導(dǎo)航等，本文主要針對磁導(dǎo)航方式的AGV進行深入探討，磁導(dǎo)航AGV主要是基于磁導(dǎo)航傳感器感應(yīng)貼在路面上的磁條進行路徑跟蹤并完成其自主行駛的功能。

磁導(dǎo)航傳感器通過檢測鋪設(shè)在地面上的磁條來判斷AGV與目標路徑的偏差，然后輸出電壓模擬量［2］。對于磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動器的設(shè)計，為更好地滿足通用性需求，需要對現(xiàn)有驅(qū)動器的組成單元進行總結(jié)和歸納，并且結(jié)合實際需求，找出共同點和不同點，為磁導(dǎo)航AGV通用驅(qū)動器的設(shè)計找到突破口。

通過查閱相關(guān)文獻，對磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動器的組成有了一個總體認識，主要包括單片機單元、供電單元、手動控制單元、聲光報警單元、站點識別單元、工位檢測單元、電機驅(qū)動單元、CAN總線單元、避障單元、磁導(dǎo)航單元、姿態(tài)反饋單元、通信單元、安全輔助單元等 ［35］。

1 驅(qū)動器硬件電路設(shè)計

在對磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動器的組成單元進行分析之后，本文提出了一種基于STM32F103芯片為控制核心的通用驅(qū)動器，它包含以下模塊：單片機模塊、電源模塊、DI/DO模塊、RFID讀寫模塊、DAC輸出模塊、ADC采集模塊、CAN總線通信模塊、高速編碼器，安全模塊以及串口通信模塊，這些模塊與磁導(dǎo)航AGV驅(qū)動器的組成單元之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所列。

由表1可以看出，提出的通用驅(qū)動器設(shè)計方案可以滿足磁導(dǎo)航AGV對主要組成單元的需求。該驅(qū)動器可同時控制兩個電機以及采集相應(yīng)的速度，還可同時采集兩路磁條傳感器輸出的模擬電壓，對于執(zhí)行復(fù)雜功能的AGV而言，可以增加驅(qū)動器的數(shù)量以滿足要求，各驅(qū)動器之間可以通過CAN總線保持動作協(xié)調(diào)一致，共同完成指定的動作。

各個模塊對應(yīng)不同的功能和作用，各司其職，互相配合，完成指定的功能。各模塊的主要作用如表2所列。

1.1 單片機模塊

本設(shè)計采用STM32作為控制芯片，此芯片基于ARM CortexM3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的特點。另外，此芯片的可移植性很好，并有許多官方函數(shù)庫可以直接調(diào)用，大大縮短了開發(fā)周期。STM32F103系列有80個可以自由操控的芯片引腳，為通用驅(qū)動器的設(shè)計提供了良好的條件。此驅(qū)動器采用模塊化設(shè)計，有利于驅(qū)動器功能擴展和升級。本驅(qū)動器控制板是由STM32F103的最小系統(tǒng)、電源電路、實時時鐘系統(tǒng)、時鐘電路、JTAG接口電路、復(fù)位電路、用戶LED和按鍵電路、串口電路等組成。

1.2 電源模塊

AGV大多數(shù)通過鉛酸蓄電池供電，通過將小電壓大容量的鉛蓄電池串聯(lián)起來就可以構(gòu)成高電壓大容量的電池組，通常所用電池組為24 V，因此通過電壓轉(zhuǎn)換芯片將24 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓，再將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為STM32芯片、MAX3232等供電。電路中需要加入多組電容，用于消除低頻和高頻的電源波動。

1.3 DI/DO模塊

手動操作器和必要的輸入/輸出信號需要多路DI/DO，因此本驅(qū)動器引出了多達16路的數(shù)字量輸入和16路的數(shù)字量輸出，輸入和輸出電壓為24 V。為了消除外界對驅(qū)動板的影響，在信號輸入部分采用光電耦合器進行隔離，由于電信號傳輸具有單向性等特點，可以達到良好的電絕緣能力和抗干擾能力；在信號輸出部分采用繼電器控制輸出24 V，并達到物理隔離的效果。根據(jù)光電耦合器的二極管允許壓降1.15 V和允許電流10 mA，可以計算出輸入端接入的電阻阻值，公式為：

依據(jù)標稱電阻表選擇電阻的阻值為2.2 kΩ。

1.4 CAN總線模塊

由于高性能、高可靠性、及獨特的設(shè)計，CAN總線（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）越來越受到人們的重視。它可以多主站方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從；通信方式靈活，可以添加多達255個節(jié)點。本驅(qū)動器中STM32自帶有CAN控制器，只需要接入一個CAN收發(fā)器即可完成CAN模塊的設(shè)計。

1.5 DAC模塊

DAC模塊主要用于控制電機的轉(zhuǎn)速，這與電機驅(qū)動器的選型有關(guān)，電機的控制需要輸入0~10 V的模擬量來控制電機的速度，電機速度的可調(diào)節(jié)范圍是70～4 096 rpm，因此DAC輸出的電壓和電機速度存在一定的對應(yīng)關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系如下所示：

其中，n為電機的轉(zhuǎn)速大?。▎挝粸閞/min），U為DAC輸出的電壓大小（單位為 V）。

為了能夠更好地控制電機，需要輸出的電壓穩(wěn)定且有一定的驅(qū)動能力，由此在原理圖設(shè)計時，首先通過電壓轉(zhuǎn)換芯片把24 V轉(zhuǎn)換為±12 V，再將產(chǎn)生的+12 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V模擬量，最后將5 V轉(zhuǎn)換為+1.25 V和+2.5 V的標準參考電壓，其中+2.5 V的參考電壓接入STM32的 VREF+引腳，作為DAC和ADC的參考電壓。

由于芯片輸出的DAC模擬量的帶負載能力較弱且電壓輸出范圍只有0~2.5 V，因此，加入運算放大器以提高帶負載能力，在參考電壓+1.25 V的參考下，將0~2.5 V的輸出范圍變?yōu)?1.25~+1.25 V的輸出范圍，再放大8倍即可達到設(shè)計要求的0~+10 V的輸出范圍。

放大倍數(shù)可以通過調(diào)節(jié)運算放大器外圍電路中的4個電阻的阻值來改變，另外在設(shè)計時，考慮到電阻阻值的不精確，用可調(diào)電阻替換其中一個電阻，最后調(diào)試PCB板時，通過調(diào)節(jié)這個可調(diào)電阻，使輸出電壓可以達到10 V。

1.6 ADC模塊

磁導(dǎo)航AG V中的磁條傳感器輸出來的偏差信號是通過電壓反映出來的，具體的比例關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出偏差與傳感器輸出的電壓在一定范圍內(nèi)成正比，GATE用于指示傳感器是否在磁條上。ADC的參考電壓為+2.5 V，傳感器輸出電壓范圍是0~+10 V，采用電阻分壓的方法將0~10 V變?yōu)?~2.5 V，將測量范圍擴大4倍，如果想改變測量范圍，可以改變分壓電阻的阻值。

1.7 高速編碼器模塊

高速編碼器主要依靠STM32上的高速計時器來完成，采集電機輸出來的脈沖信號，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為速度值，可以和DAC形成一個速度閉環(huán)控制。另外，對實時速度在時間上積分就可以得到行走的距離，對AGV的實時控制和顯示有用。脈沖信號和速度的具體對應(yīng)關(guān)系如下：

n為電機的轉(zhuǎn)速大?。▎挝粸閞/min），tp為高速編碼器采集到的信號高電平的時間（單位為μs）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言進行編寫，編譯器采用IAR 5.3，底層驅(qū)動器軟件控制流程如圖2所示，中斷流程如圖3所示。

程序采用模塊化編程，將各個模塊分別寫到不同的子函數(shù)中，這樣便于調(diào)試、移植和修改。本文采用中斷模式來協(xié)調(diào)實現(xiàn)AGV各項功能，中斷模式中的中斷優(yōu)先級根據(jù)任務(wù)的重要程度來確定，緊急信號中斷的優(yōu)先級最高，CAN總線和串口中斷次之，定時器4的中斷優(yōu)先級最低。定時器4每隔50 ms溢出一次，整個程序執(zhí)行一次，執(zhí)行的過程中讀取磁條傳感器狀態(tài)值，確定當前的偏差，根據(jù)糾偏算法控制AGV車的運行狀態(tài)。在糾偏算法中，根據(jù)不同的車型、不同的傳感器位置，建立不同的控制模型，進而更好地控制AGV按照設(shè)定好的路線行進。

對于不同功能的AGV，軟件控制也不相同，上文中的控制流程圖只針對一種車型，對其他車型，控制方式只需加入相應(yīng)功能的程序模塊即可。

3 試驗測試

該通用驅(qū)動器目前已在3種車型上進行過試驗，這3種車型分別是：差速AGV、單舵輪AGV叉車和雙轉(zhuǎn)向架全向AGV，實物圖如圖4所示。前兩種AGV車只需一個驅(qū)動器，雙轉(zhuǎn)向架全向AGV車則需要兩個驅(qū)動器來控制，根據(jù)不同AVG建立不同的數(shù)學模型［6］，完成試驗。

為了測試硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是否合理，鋪設(shè)了一段環(huán)形磁條測試三種AGV，測試的路徑示意圖如圖5所示。圖5中1、2、3、4處分別放置編號為1、2、3、4的RFID標簽。

測試過程如下：

① 將AGV置為手動模式，通過手操器控制AGV運動，能夠快速地完成指定的動作。

② 將AGV置為自動模式，AGV沿著鋪設(shè)的軌跡行走，完成在指定點處執(zhí)行相應(yīng)的動作。

③ 在自動模式下，按下急停按鈕，保證車在緊急狀態(tài)下停止運行。

④ 在自動模式下，在軌跡上放上雜物，AGV在接觸到物品時會自動停止運行。

經(jīng)過測試，3種AGV車都可以沿著鋪設(shè)的磁條穩(wěn)定行進，并在指定的工位執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)基本功能。

結(jié)語

本文設(shè)計的磁導(dǎo)航AGV通用驅(qū)動器采用STM32F103作為主控芯片實現(xiàn)AGV基本功能，在3種車型上能夠穩(wěn)定地工作，實現(xiàn)基本功能，并且模塊化設(shè)計給硬件調(diào)試和檢測提供了很大的方便，可擴展性很高。后期可以根據(jù)功能的需求增加或刪減相應(yīng)的模塊，從而降低成本，增強產(chǎn)品的競爭力。

編輯：hfy