全方位移动物料搬运车系统构造分析

1.机器人总体系统介绍

该AGV运输机器人主要用于车间物流系统中，每辆车的额定承载量为0.5 t，最大前行速度能达到0.35 m/s，采用24 V直流蓄电池供电，由于AGV运动控制的特殊性，四个轮子采用独立控制方式。在该系统中，采用了基于CAN总线的电机分布式控制原理，通信性能高速可靠，且方便其他外设扩展。一些主要的周边外设包括：循迹传感器、RFID识别模块、无线通信模块、无线Wi-Fi通信模块以及数字输入输出转接模块等。AGV运输机器人的控制系统结构如图9-8所示。

图9-8　AGV运输机器人系统结构图

该系统的核心控制器采用WAFER 945GSE3主板，实物如图9-9（a）所示，最多可以引出4路RS-232接口，处理器频率可达到1.2 GHz，内存为1 G，内部装有工业定制的Windows XP系统，具有良好的可靠性和稳定性，能方便提供简洁美观的图形界面，带来良好的人机交互体验，广泛运用于工业控制领域。

为方便进行多电机的协调控制，我们使用了CAN总线的通信分布式控制方式，将每个电机控制单元作为一个CAN节点，节点可以很方便地进行增减，增强了系统的可扩展性。PCM3680是一块CAN通信卡，通过PC104总线与主板相连接，使CAN通信更加快速可靠，PCM3680 CAN通信卡实物如图9-9（b）所示。

图9-9　WAFER-945GSE3及PCM3680实物图

无线通信模块可方便使用遥控器对机器人进行灵活控制，最大遥控距离可到200 m。Wi-Fi模块在机器人调度时使用，通过无线局域网络对机器人进行控制。

为方便对一些开关量设备进行控制和信息的获取，使用一个I/O板对8个逻辑信号进行转接，其中包含4个输入口和4个输出口。4个输出口通过继电器组后被转化为开关量信号，进行强弱电隔离，保护主板。

该机器人的电机选用了100 W的无刷直流电机，通过0～5V电压信号控制其转速，电机内嵌强力永磁体，体积小巧，效能高，具有较高的速度稳定性，保持在±1%范围以内，能够使AGV的移动稳定精确。该电机自带减速比为100的减速器，经过减速器后可输出的轮子转速范围为1～30 r/min，输出力矩最大可达50 N·m。

Mecanum轮全方位移动循迹机器人的实物如图9-10所示。为降低地面对视觉循迹的干扰，在黑线的下面铺设了一层黄纸作为背景。

图9-10　Mecanum轮全方位移动机器人实物图

该AGV安装了两个视觉循迹识别模块，前后各一个，用于检测线路轨迹的偏距。同时，也可安装两个光电循迹模块来检测线路的位置。机器人的大部分控制模块在控制机箱中，箱内包含控制主板、PCM-3680CAN通信卡、无线收发模块、电源模块、继电器组等。顶升装置安装在车体中心，执行一些货物的搬运工作。RFID射频定位模块位于车身底部，用于地面射频卡片的感应识别。

2.机器人程序的模块化设计

机器人采用了基于类的模块化设计方法，图9-11和9-12列举了开关量设备和RS-232通信类设备的构造方式。

图9-11　开关量设备的模块结构

图9-12　串口通信类设备的模块结构

多层化的结构有利于实现软件平台和硬件平台的互换，两者仅通过底层接口实现关联，减小了硬件和软件的相互依赖。同时多层化的设计还具有分散式的属性，抽象数据和控制命令也具有层次结构。(www.xing528.com)

为实现机器人的层次化结构设计，可将控制代码的类结构划分为如下几层：应用程序接口层、抽象层、物理层接口，如图9-13所示。

图9-13中，用户层为用户应用软件代码所在的空间，物理层为实际的物理设备，设备类是两者沟通的中间桥梁。在应用程序中通过类的应用程序接口来实现对类的访问，而一个类则通过底层数据接口与实际的物理设备进行数据交互，类的抽象层负责数据信息的整合和控制命令的生成。

设备类从大体上可分为两种，一种是传感器类，另一种为执行器类。传感器类主要完成传感器数据的获取和状态的解析，执行器类用于执行部件的行为控制和一些数据的反馈。在执行传感器的状态解析和执行器的行为描述过程中，如果数据较为复杂，可利用数据库进行查询或分析。

图9-13　设备类的层次化结构

3.系统构成及原理

该系统的构成如图9-14所示，主要包括：电源、微控制器、射频读写器两块、CAN接口、RS-232接口、状态指示模块、上位机操作软件。模块使用5V直流供电，微控制器采用带有CAN通信外设的高速单片机C8051F040，射频读写器选用可对所有满足ISO14443 typeA协议标准的射频存储和读取的模块。

图9-14　系统构成框图

该系统获取射频标签数据的工作流程大致为：

（1）若射频读写器检测到有射频标签，则对射频标签进行一次读取操作，接收数据成功后，将其打包发送给C8051F微控制器。

（2）微控制器获取到数据包后，判断该数据包是否有效，若无效则跳到步骤1，若有效则从数据包中获取射频标签信息，并获得标签所属的区域，用蜂鸣器和LED提示。

（3）将获得的射频标签信息和感应区域加以封装，通过RS232发送给上位机，若发送成功，使LED闪烁。

（4）上位机获取到数据包后进行解包，提取射频卡中的路段、工位和感应区域信息。

在图9-15中，该射频定位模块装有两个射频读写器，每个读写器的感应范围为一圆形区域，若分别设为A和B，则定位模块可以检测到标签所在的区域是A、B单块感应区域和同时感应区域。通过调节两个射频读写器的距离，即可调节A、B同时感应区域的大小，从而可实现感应精度的调节。该设计方式将原有的单个感应区域扩展到多感应区域。同时，通过分析标签进入A、B的先后顺序，还可以得到机器人的运动方向，从而可获得机器人在路段中的朝向。以此为基础，若采用四个射频读写器，可以实现9个区域（8个方位区域和1个中心重叠区域）的位置感应，使其在一个平面范围内对机器人进行位置引导。

图9-15　模块感应区域

4.CAN总线的电机分布式运动控制

CAN总线是一种工业现场中使用较为广泛的串行总线，具有可靠性高、抗电磁干扰特性优良、实时性强、开发成本低等优点，是一种多主式的通信方式。Mecanum轮全方位机器人的运动控制实质上是一个多电机的协调运动控制系统，电机伺服接口可将每个电机系统抽象为一个CAN网络节点，用于电机组的控制。由于其分布式的模块化特性，可使系统扩展方便、网络中电机的控制形式多样化。该分布式控制系统总体实物如图9-16所示。

图9-16　CAN总线电机分布式控制实物图