基于微控制器的AGV系统设计探析

黄岳泉，甄帅

（上汽大众汽车有限公司仪征分公司，上海 211400）

机器人技术是人类智慧的结晶，引起了国际社会的广泛关注。各国科研人员广泛开展了机器人及其技术的研究，并开发了各式各样的机器人来替代人类完成枯燥、危险的工作，其机器人类型主要包括地面机器人、飞行机器人、水下机器人，以及水陆甚至水陆空等多栖机器人。机器人技术的发展与应用，改变了人们的生活和生产方式，使得人们不仅可以从危险的工作环境中解放出来，而且还能大大提高作业效率，促进生产力的发展。目前，机器人在工业生产中的主要应用领域包括机器人制造、机器人运输等。AGV即是用于企业物料转运的一类特殊机器人，是智能制造不可或缺的重要组成部分。随着市场竞争的日渐激烈，企业纷纷引进AGV技术来替代人工进行物料转运，这不仅提高了企业的物料转运速度，节省人力成本，降低了生产制造成本，对提高市场份额具有重要意义。

1 AGV系统模型及其导航方式

1.1 AGV运动模型

通常情况下，AGV为四轮小车，后轮驱动，前轮导向，后两轮分别由一个直流伺服电机驱动，驱动电机的转速差可控制AGV进行转向。AGV的转向示意图如图1所示。

图1 AGV下车转向示意图

假设AGV的左驱动轮转速为ωl，右驱动轮的转速为ωr，A点为位于车体上的驱动轮的中心点，则通过驱动轮的转速可计算出A点的转向角速度ω以及A点的转向速度V：

其中，R表示驱动轮的半径，H表示轮距。

而AGV小车在运行过程中的t时刻，车体中心线与目标航向之间的夹角可以用a表示：

其中，a0表示初始时刻车体的转弯角度。

于是可得t时刻，车体上A点在2个坐标轴上的速度分量：

t时刻，车体A点的坐标可表示为：

根据式（1）、（2）、（4）、（5）可以得到机器人的运动状态方程：

1.2 AGV导航模式

AGV导航就是根据目标路径，对小车进行实时的路径规划，从而根据约束条件和目标函数生成一条无碰撞的最优路径。根据导航信号的获得方式，可将AGV导航分为磁导航、激光导航、视觉导航等。磁导航是通过在目标路径上铺设磁钉、磁条或者在地下埋线等方式，使得AGV小车能够实时检测当前位置与目标位置之间的偏差，从而实现AGV小车的控制。磁导航模式的可靠性和精度都较高，但需要对工作场地进行铺设磁信号发生装置等改造，增加了系统费用。此外，当工作环境布局改变后，需要重新对导航路径进行改变或扩充。AGV激光导航是通过激光定位扫描器对周围环境进行扫描，从而生成工作地图，如栅格图等，进而在地图上实时规划小车的运动路径。激光导航定位的精度高，可实时生成工作路径，以减少运行路线长度和运行时间，提高工作效率。但激光导航对工作环境的要求较高，且制造成本高，当采用多AGV协同作业时，其成本将大幅度增加。视觉导航是利用机器视觉技术，采用摄像头感知周围的环境，并实时生成运动路径的导航模式。随着机器视觉技术和计算机技术的发展，基于视觉导航的AGV得到了快速发展。AGV视觉导航对计算速度和路径规划算法的要求较高。机器视觉实时生成的是局部地图，需要在算法上保证路径规划不至于陷入局部的最优解。

图2 AGV控制系统

2 基于微控制器的AGV控制系统

控制系统是AGV小车的核心，它关系着整个AGV智能化水平的高低，决定了系统的预定功能能否实现。AGV小车的动作包括：前进、转向、避障、报警等，这些动作都是在控制系统的协调和监管下完成的。一个良好的控制系统，不仅能够使得AGV在工作时的能量消耗最少、工作效率最高，而且还应使得系统具有良好的扩展性，方便系统升级改造。由于微控制器具有体积小、能耗和成本低、可扩展性强等优势，现已成为嵌入式系统开发的核心部件。为此，本文选用ATMEGAl6型微控制器作为AGV小车的控制核心，从而完成各种信息的采集、运算与决策。通过对AGV所担负功能的分析，设计了如图2所示的AGV控制系统。其中，光电编码器模块是系统用于检测自身位置的模块；红外传感器和超声波传感器是用于避障的模块；遥操作模块使得机器人既可按照预先编程的路径运动，也可以根据遥操作信号来完成指令控制。

运动过程中，目标路径上可能存在移动或静止的障碍物，若AGV不能正确识别障碍物、不能判断移动障碍物的运动意图，则AGV会与障碍物发生碰撞，从而损坏AGV机体或者对人等移动障碍物造成伤害。因此，障碍物的检测与判断对AGV来说至关重要。国内外成熟的AGV产品大多采用红外传感器和超声波传感器进行障碍检测。红外传感器和超声波传感器各有优劣，其中，红外传感器的方向性好，但对障碍物的颜色灵敏，一般用作近距离探测；而超声波传感器的方向性差，不能提高障碍物的边界信息。为此，很多AGV以及自主导航机器人均采用上述两种传感器来进行障碍物的检测，实现优势互补。本文所设计的AGV控制系统就是采用红外传感器与超声波传感器组合成的避障模块，红外传感器用于近距离障碍物，超声波传感器则用于检测较远距离的障碍物。

3 结语

AGV的应用可以大大提高企业的生产效率，本文主要介绍了AGV小车的发展现状，建立了AGV小车的运动学模型，进而对常见的基于磁信号、激光、视觉等导航模式进行了简要介绍，然后基于微控制器设计了AGV小车的控制系统，并着重介绍了基于红外传感器和超声波传感器的AGV导航与避障模块。将AGV应用到企业中，是智能制造发展的大势所趋。