CN102830704A - 单机驱动人工装卸agv控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单机驱动人工装卸AGV控制***，包括处理器单元、控制器、第一电机、第二电机以及AGV小车，所述的处理器单元发出控制信号至所述的控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号和第二驱动信号，所述的第一驱动信号和第二驱动信号分别控制所述的第二电机和第一电机，由所述的的第一电机控制AGV小车的速度，所述的的第二电机控制AGV小车的方向。本发明为了提高运算速度，保证AGV***的稳定性和可靠性，本发明在处理器单元的DSP处理器中引入FPGA处理器，形成基于DSP+FPGA的双核处理器，实现了AGV小车速度和方向的独立控制，有效地防止“飞轮”现象的产生，抗干扰能力大大增强。

Description

单机驱动人工装卸AGV控制***

技术领域

本发明是有关于自动导引车辆（AGV，Automated Guided Vehicle）技术领域，且特别是有关于单机驱动人工装卸AGV控制***。

背景技术

自动导引车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)，指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员且以可充电蓄电池为其提供动力来源。一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道来设立其行进路线，电磁轨道黏贴于地板上，自动导引车则依循电磁轨道所带来的信息进行移动与动作。 

AGV小车相对于步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV小车的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。

一般普通的AGV小车都具有两个电机驱动其运动，由两个电机控制其在平面上的X坐标和Y坐标，并有两个万向轮其中的一个或两个来调节其稳定性，到达站点后由人工装卸货物。

现有的AGV控制***基本上都是由单个数字信号处理器（digital signal processor，DSP）控制，形成四轮差速转向行驶，如图1所示，为现有技术的AGV控制***的方框图。

现有技术中，一般的AGV控制***包括电池、DSP处理器、第一控制器、第二控制器、第一电机、第二电机、信号处理器及AGV小车。电池为供电装置，为整个***的工作提供工作电压。DSP处理器内置控制***，并发出控制信号至第一控制器及第二控制器，第一控制器和第二控制器分别控制第二电机和第一电机的工作，第一电机和第二电机又分别用于驱动AGV小车进行运动。其中，第一电机和第二电机的驱动信号经过信号处理器合成之后，控制AGV小车的运动。

长期以来，发现传统的AGV控制***存在着很多安全隐患，包括：

（1）由于AGV小车频繁的刹车和启动，加重了DSP处理器的工作量，单片的DSP处理器无法考虑电池的状态，使得AGV控制***能源得不到最优利用；

（2）由于受周围环境不稳定因素干扰，单片的DSP处理器经常会出现异常，引起失控，抗干扰能力较差；

（3）对于AGV小车的四轮结构，理想状态一般是两个驱动电机配合一个从动轮来形成一个运动平面，但是当遇到运动路径不平整时经常碰到两个从动轮配合一个驱动轮运转，这时就会导致小车出现“飞轮”的现象发生，这种失控一般会打坏周围的仪器或者是产品； 

（4）由于DSP处理器要同时处理两个电机的速度控制信号形成两个电机的差速来调整AGV小车在平面上的速度和方向，这样速度和方向是两个耦合的量，为了实现最终的速度和方向的精确控制都比较难，有的时候需要很长时间的调整；

（5）对于差速控制的AGV小车来说，一般要求其两个电机的控制信号要同步，但是对于单片的DSP处理器来说又很难办到，使得AGV小车在直道上行驶的时候就要来回的补偿，而且有的时候摇摆幅度较大；

（6）单片的DSP处理器难以胜任多信号处理***的要求，为了满足两个电机的要求，单片的DSP处理器控制的AGV小车通常是把高速A/D采样与信号处理功能在多块不同的板卡上实现来解决，这给实际应用带来很多不便；

（7）由于AGV控制***不具备速度和方向的独立控制，所以AGV小车一般情况下不在弯道上设置站点，不能满足一些有拐角的路径；

（8）由于测速的两个光码盘是装在驱动轮上，导致当出现“飞轮”时，将无法完成AGV控制***的各种补偿。

因此，需要对现有的基于单片DSP控制的AGV控制器进行重新设计。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种单机驱动人工装卸AGV控制***，解决了现有技术中“飞轮”的现象以及抗干扰能力差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种单机驱动人工装卸AGV控制***，包括处理器单元、控制器、第一电机、第二电机以及AGV小车，所述的处理器单元发出控制信号至所述的控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号和第二驱动信号，所述的第一驱动信号和第二驱动信号分别控制所述的第二电机和第一电机，由所述的的第一电机控制AGV小车的速度，所述的的第二电机控制AGV小车的方向。

在本发明一个较佳实施例中，所述的处理器单元为一双核处理器，包括DSP处理器、FPGA处理器以及设于DSP处理器和FPGA处理器的上位机***和运动控制***，所述的上位机***包括人机界面模块、路径规划模块以及在线输出模块，所述的运动控制***包括伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块，其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制伺服控制模块，且DSP处理器及FPGA处理器之间实时进行数据交换和调用。

在本发明一个较佳实施例中，所述的AGV控制***还包括电池，所述的电池进一步与第一电机和第二电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一电机输出端和电池之间的连接点以及第二电机输出端和电池之间的连接点。

在本发明一个较佳实施例中，所述的伺服控制模块还包括转换模块，所述的转换模块包括模拟数字转换器及数字模拟转换器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的伺服控制模块还包括编码器模块，所述的编码器模块用于检测AGV小车实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述的伺服控制模块还包括电流模块，所述的电流模块用于调整电池的供电功率达到AGV小车需要的范围。

在本发明一个较佳实施例中，所述的伺服控制模块还包括速度模块，所述的速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测AGV小车实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节AGV小车实际转速。

在本发明一个较佳实施例中，所述的伺服控制模块还包括位移模块，所述的位移模块用于检测AGV小车是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至控制器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的AGV小车包括导航传感器、前方壁障传感器、左右侧面壁障传感器、速度传感器、站点传感器和反向传感器，所述的导航传感器判断AGV小车是否在中线运行，并调整AGV小车在适当的运行位置。

本发明的单机驱动人工装卸AGV控制***，为了提高运算速度，保证AGV***的稳定性和可靠性，本发明在处理器单元的DSP处理器中引入FPGA处理器，形成基于DSP+FPGA的双核处理器，此处理器单元把原有单片的DSP处理器实现的多控制器***集中设计，并充分考虑电池在这个***的作用，实现了AGV小车速度和方向的独立控制，并有两个不同的电机控制其速度和方向，把AGV控制***中工作量最大的伺服控制模块交给FPGA处理器处理，充分发挥FPGA处理器数据处理速度较快的特点，而人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块交给DSP处理器控制，这样就实现了DSP处理器与FPGA处理器的分工，把DSP处理器从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止“飞轮”现象的产生，抗干扰能力大大增强。

附图说明

图1为现有技术的AGV控制***的方框图；

图2为本发明较佳实施例的单机驱动人工装卸AGV控制***的方框图；

图3为图2中处理器单元的方框图；

图4为本发明较佳实施例的单机驱动人工装卸AGV控制***应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图2所示，为本发明较佳实施例的单机驱动人工装卸AGV控制***的方框图。本实施例中，单机驱动人工装卸AGV控制***包括电池、处理器单元、控制器、第一电机、第二电机以及AGV小车。其中，所述的电池为铅酸电池，是一种供电装置，为整个***的工作提供工作电压。电池进一步与第一电机和第二电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一电机输出端和电池之间的连接点以及第二电机输出端和电池之间的连接点。

本发明中所述的处理器单元内置控制***及控制电路，所述的处理器单元发出控制信号至所述的控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号和第二驱动信号，所述的第一驱动信号和第二驱动信号分别控制所述的第二电机和第一电机的工作，第一电机和第二电机又分别用于驱动设于AGV车体的AGV小车进行X方向（水平）和Y方向（垂直）的运动。本发明中由所述的的第一电机控制AGV小车的速度，所述的的第二电机控制AGV小车的方向，实现了AGV小车速度和方向的独立控制。

本发明为克服单片的DSP处理器不能满足AGV控制***的稳定性和快速性的要求，舍弃了AGV控制***所采用单片的DSP处理器的工作模式，提供了基于DSP+FPGA处理器的全新控制模式。处理器单元以FPGA处理器为处理核心，实现数字信号的实时处理，把DSP处理器从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和FPGA处理器的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

请参阅图3，所述的处理器单元为一双核处理器，其包括DSP处理器及FPGA处理器，二者可相互通讯，实时进行数据交换和调用。所述的处理器单元还包括设于DSP处理器以及FPGA处理器的上位机***和运动控制***，所述的上位机***包括人机界面模块、路径规划模块以及在线输出模块，所述的运动控制***包括伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块，其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制伺服控制模块。 

上位机***包括人机界面模块、路径规划模块以及在线输出模块。人机界面模块包括开始/重启按键及功能选择键；路径规划模块包括已经预设好的速度，加速度，位置等参数设置；在线输出模块用于提示AGV小车的工作状态，比如是AGV小车工作过程中或到站状态提示。

运动控制***包括伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块。其中，数据存储模块为一存储器；I/O控制模块包括RS-232串行接口、ICE端口等。伺服控制模块进一步包括转换模块、编码器模块、电流模块、速度模块以及位移模块。

其中，所述的转换模块包括模拟数字转换器（ADC，Analog to Digital Converter）及数字模拟转换器（DAC，Digital to Analog Converter）；所述的编码器模块用于检测AGV小车实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

所述的电流模块与电池和控制器、转换模块连接。转换模块根据电池和控制器的电流，判断工作功率，并把功率状况反馈至电池，电流模块用于调整电池的供电功率达到AGV小车需要的范围。

所述的速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测AGV小车实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节AGV小车实际转速。

所述的位移模块检测AGV小车是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至控制器。

对于处理器单元为一双核处理器，在电源打开状态下，先由人机界面模块工作，再根据人机界面模块的功能选择确定AGV小车的路径规划，AGV小车的导航传感器、前方壁障传感器、左右侧面壁障传感器根据实际导航环境传输参数给处理器单元中的DSP处理器，DSP处理器处理后与FPGA处理器通讯，然后由FPGA处理器处理第一电机和第二电机的伺服控制模块，并把处理数据通讯给DSP处理器，由DSP处理器继续处理后续的运行状态。

结合以上描述，上位机***包括人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块；运动控制***包括伺服控制模块、数据存储模块、I/O控制模块。其中，工作量最大的伺服控制模块交给FPGA处理器控制，其余的包括上位机***的全部模块交给DSP处理器控制，这样就实现了DSP处理器与FPGA处理器的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

本发明中的AGV小车包括一个驱动轮、两个从动轮、多个传感器以及防撞装置，所述的从动轮上均安装有光码盘。其中，所述的传感器包括导航传感器、前方壁障传感器、左右侧面壁障传感器、速度传感器、站点传感器和反向传感器，所述的导航传感器判断AGV小车是否在中线运行，并调整AGV小车在适当的运行位置。

如图4所示，本实施例中，包括标号S1、S2、S3、S4、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S18、S19、S20代表的传感器，其设于AGV小车的不同部位。其中，传感器S1、S2、S3、S4为导航传感器，判断AGV小车是否在中线运行，调整AGV小车在适当的运行位置；传感器S9、S10为设于AGV小车前方的前方壁障传感器和传感器S8为设于AGV小车侧面的侧面壁障传感器；设于AGV小车的传感器S7为速度传感器；设于AGV小车的传感器S6为站点传感器，其用于实现位移模块的功能；传感器S11、S12、S13、S14、S18、S19、S20为反向传感器，用于调换第一电机和第二电机的运动方向。图中的站点1~n、和充电区域是设于地面的反射装置，上述传感器可配合反射装置协助AGV小车的运动。

其具体的功能实现如下：

1）在AGV小车未接到命令之前，它一般会在充电区域等待控制器发出的命令，一旦接到任务后，会沿着充电区域边上的轨道进入货物运送轨道；

3）AGV小车进入轨道后，其前方的传感器S9、S10和侧面传感器S8会对周围环境进行判断，确定有没有障碍物进入运行范围，如存在障碍物将向DSP处理器发出中断请求，DSP处理器会对中断做第一时间响应，如果DSP处理器的中断响应没有来得及处理，AGV小车上的防撞装置将被触发，进而达到蔽障的功能；如果没有障碍物进入运行范围，AGV小车将进行正常的状态运行；

4）在AGV小车进入轨道正常运行时，DSP处理器会根据实际运行环境送出AGV小车的行驶速度大小，并根据采集过来的两个从动轮的速度大小，经DSP处理器与FPGA处理器通讯后，由FPGA处理器生成具体的PWM波来控制第一电机，从而来调节AGV小车运行的速度；

5）在AGV小车进入轨道正常运行速度达到要求的条件下，其导航传感器S1、S2、S3和S4进行工作，并把反射回来的光电信号送给DSP处理器，经DSP处理器判断后送给FPGA处理器，由FPGA处理器运算后与DSP处理器进行通讯，然后由控制器发送第一驱动信号控制第二电机，然后由第二电机进行伺服控制来调节AGV小车运行的方向，使得导航传感器可以轻松的跟随运动轨迹；

6）为了能够实现AGV小车的稳定运转，减少AGV小车运转的不稳定因素，***加入了速度传感器S7，此传感器会读取地面上的加速或减速条码，然后送给控制器，控制器会根据此信号和实际周围环境进行运算，然后送出第二驱动信号控制第一电机的运行速度，使AGV小车以不同的速度通过短距离直道、长距离直道和弯道；

7）为了能够实现AGV小车的站点功能，本发明加入了站点传感器S6，此传感器会对地面上的站点条码进行读取，并自动累加，到达站点后AGV小车会自动停车，由当前站点的工人自动装卸货物；

8）为了实现循环功能，当AGV小车达到最大站点时会自动清零并重新从站点1计数；

9）如果AGV小车接到倒车请求，AGV小车会在原地自动停止运动并缩写当前状态，开启其反向传感器S11、S12、S13、S14、S18、S19和S20并调换第一电机和第二电机的运动方向，采取和正向一样的工作原理，控制其反向运动。

综上所述的，本发明揭示的单机驱动人工装卸AGV控制***，为了提高运算速度，保证AGV***的稳定性和可靠性，本发明在处理器单元的DSP处理器中引入FPGA处理器，形成基于DSP+FPGA的双核处理器，此处理器单元把原有单片的DSP处理器实现的多控制器***集中设计，并充分考虑电池在这个***的作用，实现了AGV小车速度和方向的独立控制，并有两个不同的电机控制其速度和方向，把AGV控制***中工作量最大的伺服控制模块交给FPGA处理器处理，充分发挥FPGA处理器数据处理速度较快的特点，而人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块交给DSP处理器控制，这样就实现了DSP处理器与FPGA处理器的分工，把DSP处理器从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止“飞轮”现象的产生，抗干扰能力大大增强。

本发明单机驱动人工装卸AGV控制***具有的有益效果是：

1、在运动过程中，充分考虑了电池在这个***中的作用，基于DSP+FPGA处理器时刻都在对AGV小车的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的铅酸电池过度老化现象的发生；

2、在快速放电过程中，对端电压检测过程中，引入了铅酸电池的内阻、温度等参数，使得端电压更接近于实际参数，有利用能源的保护；

3、由FPGA处理器处理AGV小车的速度大小和方向的独立控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片的DSP处理器运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且***可移植能力强；

4、完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还实现了AGV小车的速度大小和方向的独立控制，有利于提高AGV小车的稳定性和动态性能；

5、由于采用FPGA处理器处理大量的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，并把现有技术中的DSP处理器从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止“飞轮”现象的产生，抗干扰能力大大增强；

6、由于AGV小车只有一个驱动轮，使得两个电机与两个从动轮永远在一个平面上，使得AGV小车永远不会因为飞轮问题而失控；

7、由于采用速度大小和方向的独立控制，而控制AGV小车运行方向的第二电机功率较小，这样有利于减少能量的消耗；

8、由于AGV小车的速度和方向独立控制，而且具有存储功能，这使得AGV小车可以随意停在任何位置上的站点；

9、由于采用的是速度大小和方向的独立控制，使得AGV小车更容易实现反向倒车，在实际结构中只要加多一套方向判别传感器，就可以实现AGV小车的倒车功能，而不需要旋转180度；

10、AGV小车后面的两个从动轮上都装有光码盘，这样可以根据后轮的两个光码盘输出进行驱动轮的速度、方向以及AGV小车位移的补偿校正，这使得AGV小车进站的位置更精确；

11、AGV小车其方向导航的传感器是安装在从动轮上的，这使得其控制更精确和简单，一般有四个传感器就可以精确对其方向进行控制。

以上所述的仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，包括处理器单元、控制器、第一电机、第二电机以及AGV小车，所述的处理器单元发出控制信号至所述的控制器，通过所述的控制器把控制信号分为第一驱动信号和第二驱动信号，所述的第一驱动信号和第二驱动信号分别控制所述的第二电机和第一电机，由所述的的第一电机控制AGV小车的速度，所述的的第二电机控制AGV小车的方向。

2.根据权利要求1所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的处理器单元为一双核处理器，包括DSP处理器、FPGA处理器以及设于DSP处理器和FPGA处理器的上位机***和运动控制***，所述的上位机***包括人机界面模块、路径规划模块以及在线输出模块，所述的运动控制***包括伺服控制模块、数据存储模块以及I/O控制模块，其中，DSP处理器用于控制人机界面模块、路径规划模块、在线输出模块、数据存储模块以及I/O控制模块，FPGA处理器用于控制伺服控制模块，且DSP处理器及FPGA处理器之间实时进行数据交换和调用。

3.根据权利要求1所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的AGV控制***还包括电池，所述的电池进一步与第一电机和第二电机的输出端连接，且处理器单元进一步分别连接至第一电机输出端和电池之间的连接点以及第二电机输出端和电池之间的连接点。

4.根据权利要求2所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的伺服控制模块还包括转换模块，所述的转换模块包括模拟数字转换器及数字模拟转换器。

5.根据权利要求2所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的伺服控制模块还包括编码器模块，所述的编码器模块用于检测AGV小车实际转速，判断是否符合速度要求，是否过快或过慢，并发出控制信号。

6.根据权利要求3所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的伺服控制模块还包括电流模块，所述的电流模块用于调整电池的供电功率达到AGV小车需要的范围。

7.根据权利要求5所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的伺服控制模块还包括速度模块，所述的速度模块与编码器模块通讯连接，当编码器模块检测AGV小车实际转速过快或过慢，速度模块根据编码器模块检测的结果来调节AGV小车实际转速。

8.根据权利要求2所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的伺服控制模块还包括位移模块，所述的位移模块用于检测AGV小车是否到站，是否到达既定位移，如果过慢，发出加速指令至控制器；如果离既定位移过近，需要减速，则发出减速指令至控制器。

9.根据权利要求1所述的单机驱动人工装卸AGV控制***，其特征在于，所述的AGV小车包括导航传感器、前方壁障传感器、左右侧面壁障传感器、速度传感器、站点传感器和反向传感器，所述的导航传感器判断AGV小车是否在中线运行，并调整AGV小车在适当的运行位置。

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