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1、项目批准号 大学生科研训练项目申请书项目名称： 自动引导小车控制系统设计 申 请 人： 何腾鹏 所在学院： 信 息 工 程 学 院 专 业 ： 电子信息科学和技术 联系电话： 指导教师: 徐建 职称 讲师 电话 申报日期： 2013 年 4 月 8 日 湖北民族学院教务处 制填 表 说 明 一、 填写立项申请书前，请先咨询指导教师或有关专业教师。申请书的各项内容要求实事求是，逐条认真填写，表达明确、严谨。 二 、申请书要求一律用A4纸正反打印，一式4份（负责人、指导教师、所在学院、教务处各执一份），于左侧装订。由指导教师和所在院（部）审查并签署意见后报教务处。三 、“项目批准号”不填，由学校统
2、一编号。四、如表格不够，可以加附页。一、项目概况项目简况项目名称 自动引导小车控制系统设计项目类别 自然科学类申请经费 3000元起止年月 2013.5-2014.5项目组成员姓 名专 业学 号所在学院项目分工本人签字 何腾鹏电子信息科学和技术031141019信息工程学院 黄峰电子信息科学和技术031141016信息工程学院 谭方韬电子信息科学和技术031141124信息工程学院 李林电子信息科学和技术031140918信息工程学院指导教师情况姓名徐建学位职称 讲师研究方向嵌入式系统和智能控制授课名称一、研究内容概述(限200字以内) 自动引导小车(AGV)控制系统由AGV智能控制模块、监视
3、模块、及无线网络通讯模块等三大部分组成。工作过程是通过接入互联网的手机或者微机客户端通过无线网络向远程的AGV发送控制指令代码，期间传输信号由发送端使用加密狗加密。当信号经互联网发送到接收终端时，AGV网络模块把接受的指令传送到处理器，处理器指示驱动模块驱动AGV执行动作。运动的同时监视模块把采集到的图像通过无线互联网传输到客户机端，利用本控制系统，可以实现AGV的远程控制及工作环境实时监控。结合运输机械装置可以实现在特殊工作环境下的智能远程控制搬运工作。项目创新特色概述（50字以内）1 小车实现全自动控制，能够自行引导。 2 并且小车的系统具有广泛性，可实现对任何小车的自动引导。二、项目简介
4、（研究内容、目的意义、具体目标、国内外研究现状分析及评价等） 1 自动引导小车（AGV，Automated Guided Vehicle）是一种无人操纵的自动化运输设备，它装备有电磁或光学导向设备，可以按照监控系统下达的指令，根据预先设定的程序，依靠车载传感器获得外界环境信息和自身位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶。AGV是现代物流系统的关键装备，在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送。因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取得胜利的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正向着现代化的方
5、向发展。AGV适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到了广泛的使用。 2 自动引导车国内外发展现状世界上第一台AGV是美国Barrett Electronics公司于20世纪50年代开发成功的,是一种能够自动跟踪带电导线的无人驾驶车辆以用于仓库内货物运输。1961年，美国的Webb公司也研制成功了用于仓库作业的AGV。60至70年年代，由于诸多因素的制约，美国在AGV使用领域发展迟缓。而西欧在这一时期却在AGV研究方面取得了突飞猛进的发展。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂和Schiinder-Digitron公司合作，研
6、制出一种可装载轿车车体的AGV，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统使用的拖车及叉车等运输工具。由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGV在装配作业中成为一种流行的运输手段。日本的第一家AGV工厂也于1966年由一家运输设备供应厂和美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家。我国AGV研究始于六十年代，北京起重运输机械研究所、清华大学、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所和国防科技大学等都在进行不同类型的AGV的研制并小批投入生产。1975年北京起重运输机械研究所完成我国第一台双向无
7、线电通信的AGV。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6台AGV用于装配线上，是汽车工业中用得较成功的AGV。清华大学独自研制的“自由路径自动导向AGV”属于固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平。目前，我国越来越多的工厂、科研机构采用AGV为汽车装配、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。 3 自动引导车的引导方式AGV的引导方式很大程度上决定了AGV的性能，也影响着系统运行的可靠性和运行费用。在20世界80年代以前，AGV引导方式主要以埋线电磁感应引导技术为主。但是电子技术的发展使AGV的引导技术多样化。目前AGV多由以下几种引导方式：（1）埋线磁感应引导方式地下埋线感应引导方式技
8、术成熟，使用较为广泛。目前，大多数AGV系统才采用电磁感应法引导技术。（2）图像识别引导方式其工作原理为摄像机得到路径信息的路面信息，通过图像处理识别出欲跟踪的路径，从而引导AGV运行。随着计算机视觉技术的飞速发展以及图像处理研究的深入，已经越来越多的AGV使用计算机视觉识别道路信息。三、研究技术路线及可行性本项目的工作主要包括以下几个方面：(1）系统总体方案及控制结构设计通过分析比较国内先进的AGV设计的特点，结合实际控制对象，进行系统总体方案的设计。采用Freecale公司16位微控制器MC9S12DG128B作为主控制器。系统使用CMOS摄像头检测道路标识线，利用舵机控制小车转向，同时使
9、用自制编码器对车速进行检测。(2）小车各个功能模块的硬件设计本控制系统采用模块化设计，系统主要由微控制器(MCU)模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块和调试模块几大部分构成。(3）详细阐述了各功能模块的软件设计首先通过边缘检测方法提取轨道黑线，采用最小二乘法拟合直线的方法,准确判断出当前路径信息。采用模糊算法和PID相结合的方法来控制舵机转向和增量PID控制小车速度。(4）介绍了系统调试。通过系统软硬件的设计及调试，小车能够稳定的沿引导线运行。通过实际模型小车的调试，验证了系统设计的可行性，并取得了良好的控制效果。2.1总体设计本课题使用“飞思卡尔”杯全国大学
10、生智能车比赛用车进行自动引导车研究。该模型后轮驱动前轮转向的四轮模型小车。比赛要求所设计的小车具有自动寻迹的功能，能在定跑道行驶。跑道为黑白两色。其背景色为白色，跑道中央有一条黑线作为小车行进的据。对于固定轨道引导的自动引导车，其工作方式和比赛中小车的运行方式十分相似。因此选择该模型小车和其跑道作为自动引导车研究的依据。系统框图如图2.1所示： 如图2-1所示，该系统主要分为以下三大块：（1）信息采集模块：在该模块中包括有速度信息采集和位置信息采集两个子模块，分别采集小车当前的位置信息和速度信息，并将采集到的信息传给MCU。其核心是传感器。（2）信息处理模块：信息处理模块包括信息处理和控制模块
11、，其核心是MCU，MCU接收到采集来的信号，对信号进行处理后作出判断，并发出控制命令。（3）执行模块：该模块包括了驱动电机和舵机，当接收到MCU的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机和舵机的状态信息，反馈给MCU。从而整个系统构成一个闭环系统，在运行过程中，系统自动调节而达到正确行驶的目的。方向控制的作用就好比是驾驶员和他所控制的方向盘；速度控制的作用就好比驾驶员和他脚下的油门和刹车。2.2硬件系统基本方案论证2.2.1图像采集模块为了探测小车前进过程中的路况信息以及小车在沿黑线行走过程中的偏离黑线的程度等行驶状态信息，以便通过此信息来指导MCU应该怎样对执行部分发出命令，采用
12、摄像头获取道路图像信息。2.2.2速度检测模块为了使小车能平稳地沿着赛道运行，除了舵机转向的控制之外，还要在入弯的时候适当的减速，使小车能平缓的入弯，防止因速度过快而冲出赛道。如果仅采用开环控制方式，则智能车在转弯角度不同、路面状况改变或者系统供电电池电量不同的时候，智能车的速度在同样占空比的条件下也会有很大差别。如在电池刚充满电的情况下，很容易因速度过快冲出跑到，若采用闭环控制，将车轮转速信息反馈给微控制器，从而使电机的实际转速值等于指令转速值，就能提高速度的准确性。车速检测有多种可行的方案。2.2.3速度执行模块模型小车的速度执行机构是电机，为永磁式微型直流电动机。它的驱动方案主要有三种：
13、电磁继电器开关控制、达林顿管或MOS管组成的H型电路控制和单片电动机控制芯片控制。第一种和第三种方案电路较简单。但是继电器响应速度慢，易损坏，可靠性不高，而且体积大，显然不适合小车的使用。第二种方案效率高，而且控制灵活，但其外围电路复杂，体积和重量都不能满足要求。如果采用第三种方案，就需要解决散热和驱动电流问题。考虑到小车的主驱动电机为微型永磁式直流电动机，工作电流相对较小，而且小车的设计有重量和体积的限制，所以决定采用第三种方案。由于S12单片机带有PWM输出端口，PWM波获取方便，为了加强灵活性，能实时改变控制量，所以利用PWM脉宽和速度的对应关系对电机进行控制，从而对速度进行实时调整，精
14、确控制。2.3软件系统结构的设计系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。系统的基本软件流程为：首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。然后，通过图像采集模块获取前方赛道的图像数据，接着S12利用边缘检测方法从图像数据中提取赛道黑线，求得小车于黑线位置的偏差，对舵机进行反馈控制。同时通过速度传感器模块获取小车的速度，根据检测到的速度，结合速度控制策略，对小车速度不断进行适当调整，沿轨道快速行驶。系统的基本软件结构如图2-2所示。 3.1硬件系统整体介绍设计硬件系统是硬件电路的设计是整个系统实现其功能的基础，它对系统运行的稳定性、控制的精确度都有着直接的影响。没有一个好的硬件设计方案，那么以后的控制策略以及控制算法就无从谈起。本系统是一个各部分协调运作的控制系统。系统要完成传感器接受、单片机判断计算到执行机构执行的整个过程。系统设计要求单片机把路径迅速判断、相应的转向配合电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。本控制系统采用模块化设计，系统主要由微控制器(MCU)模块、电源模块、电机及其驱动模块、舵机模块、速度检测模块、道路识别模块和调试模块几部分构成。整体装置结构设计框图如图3.1
