基于单频电磁制导方式的AGV小车

自动导向车(AGV)是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆。

AGV的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通信、机械设计和电子技术等多个学科，成为物流自动化研究的热点之一。目前，AGV仍有多项关键技术有待提高和突破，以进一步提高AGV的性能，降低制造成本和减少使用费用。本文介绍的AGV主要解决导向及定位问题。

综合成本和系统稳定性能考虑，本设计采用电磁单频导向技术结合非接触式ID卡识别定位。电磁引导介质采用柔性较好的漆包线，可不用专门开敷线槽，在试用阶段可随机根据实际情况设置线路走向(可用胶带固定引导线)。非接触式ID卡识别定位，采用PS/2接口及其传输协议(市面上有很多成熟产品)，在小车上安装一个ID读卡器，该读卡器的有效距离可达15 cm，在各个站安装一张ID卡，小车经过时读卡器在MCU的控制下读出ID卡信息，即可实现定位。

采用单频电磁制导方式及非接触式ID卡读卡定位方式的优点：系统比较简单，易于维护；制造成本比较低；安装简单，引导线理论上可以只用一根完整的线。

1 基本原理

电磁探测方法如图1所示。1、2、3都是电磁探测头，其中1、2是导向探头，3是计数探头，用来记录小车的位置。A、B为两个驱动轮，小车方向的改变由两个驱动轮的配合完成。前导向轮是没有动力的。

小车的驱动方式：如图1所示，小车的动力轮是后面的A、B两个驱动轮，其转向也是由这两个动力轮协调工作完成。寻线走时，当1号和2号两个探头都有信号时，小车的两个驱动轮都动，即为直走；当1号探头有信号而2号没有信号时，说明小车偏离了轨道，此时是A轮不动，B轮动，直到1、2两个探头都有信号为止；当1号没有信号而2号有信号时，A轮动，B轮不动，直到1、2两个探头都有信号为止；当两个探头都没有信号时，小车停止行走，停在原地。探头信号有无与驱动轮停与走的关系如表1所示。

3号探头用于定位计数，每到一个站点就通过ID卡进行识别计数定位(即每测到一次信号就计一次数)，直到所计的数与MCU中计算的值相等，说明小车到达了既定位置。3号探头的关键就是计数要准确，不能误计，否则就会使整个系统不能使用(小车只能一直沿着信号线走，不能定位)。

2 硬件设计

AGV小车硬件设计部分由信号发生器、制导线路、电磁信号检测、小车控制核心(MCU)、读卡器、电机驱动组成，基本的硬件结构图如图2所示。


2.1 制导线路

制导线路的设置是本设计的关键部分，如果线路没有设置好，后续的所有工作将不能完成。制导线路如图3所示，其中虚线部分是屏蔽部分。由于电磁场是矢量，当电流方向大小相同且是平行的两条线时，周围的电磁都会相互抵消，故需要将虚线部分屏蔽。该布线的关键就是要将虚线部分的屏蔽工作做好，只有这样，小车才能很好地完成寻线工作。


2.2 信号发生器

为了产生电磁信号，由信号发生器来产生交变的电信号。为了产生足够强的磁场，该信号发生器的输入输出电流不能太小，在使用专业的信号发生器来产生交变信号时，要将其设置成功率输出模式，输出电压约为3 V。

市面上的专用信号发生器的价格都比较贵，且其功能很多，而本设计因不能发挥其所有的性能，不需要那么多的功能，所以自制了一个简单的信号发生器，只能产生频率可调的且占空比不定的方波，其信号产生的基本流程如图4所示。

振荡信号由如图5所示的555产生。555频率可调但是占空比不可调节(会随频率变化而变化)，查阅相关手册可知，555工作电压为5 V时输出的电流为100 mA。为了得到很好的寻线效果，实际的电流要大于200 mA，故需要进行功率放大，其基本电原理图如图5所示。由555及其外围电路组成的多谐振荡器，其产生方波信号频率为：
f=1/0.7×(R1+2×R2)×C0
R2是可变电阻，由该公式可以计算出信号发生器的频率范围是1.3 kHz~14.3 kHz。


2.3 非接触式读卡器

该读卡器的接口协议和电气特性与PS/2键盘是一致的，所以完全可以将该读卡器当作一个PS/2键盘来处理。

具有5脚连接器的键盘称为ＡＴ键盘，而具有6脚mini-DIN连接器的键盘则称为PS/2键盘。但实际上这两种连接器都只有4个脚有意义，分别是时钟脚(Clock)、数据脚(Data)、电源脚(+5 V)和电源地(Ground)。在PS/2键盘与PC机的物理连接上只要保证这4根线一一对应就可以了。PS/2键盘由PC机的PS/2端口提供+5 V电源，时钟脚Clock和数据脚Data都是集电极开路的，所以必须接大阻值的上拉电阻，平时这两个脚均保持高电平，有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。图6的单片机是带有上接电阻的，所以PS/2可以与MCU直接连接。

2.4 小车控制核心MCU

MCU用一片AT89S51单片机来实现，51系列单片机其价格便宜、功能强大、且易学易用，唯一不足的是容易受到外界脉冲信号的干扰。但可以采用如下方式来消除脉冲信号的干扰：(1) 硬件处理。首先要注重电源设计，电源要稳定可靠；其次是在单片机的电源引脚与地引脚之间加去耦电容，两个不同的电源电路连接用光电耦合隔开等。(2)软件处理。可采用指令冗余技术、拦截技术、软件看门狗等处理技术，使程序能够自动回到正常位置执行程序。

MCU引脚链接如图7所示，因为计算定时器初始值比较容易，MCU的时钟信号是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是电机控制信号输出端，single1~single3是电磁信号经过处理后的输入端，P0中即D0~D7是LED数码管显示的数据端，K0、K1是键盘接口。IO口可用作以后系统扩展时用。这样MCU既满足了当前系统的要求，也为以后的扩展升级留有空间。