带升降平台的四轮全向AGV系统的制作方法

本实用新型属于智能控制领域，更具体的涉及一种带升降平台的四轮全向 AGV系统。

背景技术：

AGV是(Automated Guided Vehicle)的缩写即自动导引运输车，是指装备有电磁或光学等自动导引装置，它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。

在现代社会生产生活中，全向移动平台正发挥着越来越大的使用价值。在一些比如狭小空间或具有复杂运动路径的特殊场合中，普通的轮式移动平台很难发挥作用，这时全向移动平台就能发挥独特的优势。全向移动平台能够在保持自身原有姿态的同时实现平面任意方向的移动，还可实现零转弯半径旋转运动，从而突破空间狭小的限制。因此，如今它广泛地分布在汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、机械加工等众多行业里。

随着物流系统自动化水平的不断提高，AGV作为一种无人驾驶搬运车，已成为柔性制造系统和自动化立体仓库的关键设备之一。由于现代工业在工作空间上的复杂性以及生产中对移载设备灵活性的要求越来越高，因此设计一种能在多种模式下工作的AGV具有重要意义。

现有技术中全向移动平台的研究不是很成熟，主要集中在小型足球机器人方面，研究的深度和广度都不高。尽管一些科研能力较强的企业进行很多研究工作，但是国内市场上并没有成熟的全向移动平台出现，所以研究一种满足工程需要的全向移动平台意义重大。但从使用形式来看，大都采用属于固定路径导向范畴的电磁导引AGV，无固定路径自主导向的AGV，由于诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。

技术实现要素：

1、实用新型目的。

本实用新型提出了一种基于STM32带升降平台的四轮全向AGV，以解决系统能够自行沿着铺设好的磁带平稳前进、根据指令全向移动并且可控制升降台工作。

2、本实用新型所采用的技术方案。

本实用新型提出了一种带升降平台的四轮全向AGV系统，包括主控制器 STM32F103RCT6、磁电传感器、升降台、无线通信模块、伺服驱动器、伺服电机；无线通信模块即通过WiFi接收遥控器发来的指令，通过串口发给车上的主控制器STM32F103RCT6，待主控制器STM32F103RCT6每次接收完一帧数据并校验后连接驱动升降台动作；AGV系统前端并排设置两个磁电传感器，每个磁电传感器能够同时采集16个位置点，再以集电极开路形式的开关量输出至主控制器 STM32F103RCT6；伺服驱动器连接伺服电机。

更进一步，包括锂电池、空气开关、急停开关、开关电源、AGV主控板、升降台驱动板、推杆电机、4个伺服电机驱动器分别连接驱动电机；主控制器 STM32F103RC分别与伺服驱动器、磁电传感器、升降台驱动板及WiFi通信模块之间连接；锂电池经逆变器连接开关电源输出直流电供给AGV主控板和升降台驱动板、磁电传感器、伺服驱动器；用于保护车上的电气设备以及当车辆空闲时断开整车电源的空气开关连接开关电源及升降台驱动板主控制器STM32F103RC；用于在小车被调试或出现故障时让小车立即停止运行的急停开关连接伺服电机驱动器；强弱电隔离同时实现弱电控制强电的固态继电器与AGV主控板连接，当AGV主控板上电固态继电器的强电通路导通，伺服驱动器上电。

更进一步，伺服驱动器为4个，采用SGD7S-2R8A00A002。

更进一步，磁电传感器采用MGS-H16，与导向磁条相距5-30mm。

更进一步，无线通讯采用ESP8266模块。

更进一步，在升降台底部各角设置4个直径127mm、可绕轮子轴心转动、绕辊子轴心转动以及绕轮子与地面接触点转动3个自由度的45°Mecanum轮，每个电机独立驱动一个Mecanum轮，车体移动方向由辊子安装角度和车轮转向共同驱动。

3、本实用新型所产生的技术效果。

(1)本实用新型以带有4个Mecanum轮的全向AGV为研究对象，介绍了包括主控板，WiFi模块，磁带检测，升降台控制以及伺服驱动电路在内的系统硬件设计，实现以STM32为核心的运动控制系统。

(2)本实用新型设计的这种四轮全向移动平台因具有很好的应用价值与较高的移植性，可为相关的自动化运输制造领域提供一些借鉴意义。

附图说明

图1为系统总体框架图。

图2为整车电气原理图。

图3为主控板电源管理。

图4 24V转5V电源电路。

图5 5V转3.3V电源电路。

图6 5V转-5V电源电路。

图7外部时钟电路。

图8复位电路。

图9上拉电路。

图10移位寄存器接线电路。

图11光耦隔离电路。

图12控制升降台升起动作的硬件电路。

图13数模转换电路。

图14数模转换电路。

具体实施方式

实施例1

本系统选用STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片带有256K字节的FLASH以及48K字节的SRAM，系统时钟频率最高可达72MHz，该芯片还集成了丰富的内置外设资源，是一款高性能、低成本、低功耗的微控制器芯片，能够较好满足系统的设计要求。如图1所示，当系统上电运行时，无线通信模块会不断接收到遥控器通过WiFi发来的指令，模块将接收的指令通过串口发给车上的主控制器 STM32F103RCT6，待主控制器STM32F103RCT6每次接收完一帧数据并校验通过后，便解析数据内容，以此确定接下来小车的运行模式；若是循迹模式，则处理磁电传感器采集进来的数据，得出4个电机的转速控制量，并通过外部的4路 DA转换电路变成模拟电压，经由调理电路转换成加到4个伺服驱动器转速控制端的控制电压；若是遥控模式，则继续解析这一帧数据，可以得到控制全向运动的三个值，之后控制各电机转速的过程与循迹模式一样；这样便实现了小车的循迹或在遥控模式下的全向移动与升降台的正常工作。

1、整车电源管理

如图2是小车的电气原理图，系统由48V锂电池供电，经最大输出功率为 2500W的逆变器转换输出220V单相交流电供给系统中的开关电源以及伺服驱动器。在强电线路中设置了空气开关和急停开关，空气开关用于保护车上的电气设备以及当车辆空闲时断开整车电源，急停开关用于在小车被调试或出现故障时，让小车立即停止运行；固态继电器是强弱电隔离同时实现弱电控制强电的器件，在该系统中，只有当主控板正常得电时，固态继电器的强电通路才能导通，伺服驱动器才能正常上电；开关电源输出24V直流电供给主控板和升降台驱动板，后者用来控制升降台升降；同时，主控板分别与伺服驱动器、升降台驱动板、磁电传感器及WiFi通信模块之间接有必要的弱电线路，在后面章节会再次提到系统中主板上的电源设计。

3、主要部件的选型

3.1伺服单元的选型

考虑到四轮AGV小车的载重以及工作性能，本系统选用了安川电机的Σ-7 系列伺服单元，其中伺服驱动器型号为SGD7S-2R8A00A002，最大适用电机容量为400W，接口类型包括模拟量电压以及脉冲序列指令型，具有可分配输入输出接线端，设定最高速度，分频输出编码器脉冲以及强制停止等功能；伺服电机型号为SGM7J-04AFC6E，具有24位增量型串行编码器，高级自动调整功能，是一种中惯量、高速的电机

3.2磁电传感器的选型

MGS-H16是一种可被安装到无人驾驶的AGV小车上，用于磁道导航的磁导向传感器，工作时要与导向磁条相距5-30mm，每个传感器都有16个以NPN集电极开路方式的开关量输出引脚。如果小车在运行过程中偏移了轨道，16位开关量会有一位或多位的状态发生改变，系统可以根据这些开关量组合代码的不同发出各种指令，使小车能正确沿着轨道行驶。传感器可对探测面处高于6GS的磁场进行偏移量检测，该型传感器的价格远低于同类进口产品，具有极高的性价比。

3.3 AGV全向移动的运动部件

系统选用4个直径127mm的45°Mecanum轮，这是小车实现全向移动的关键部件。Mecanum轮具有绕轮子轴心转动、绕辊子轴心转动以及绕轮子与地面接触点转动3个自由度。每个电机独立驱动一个Mecanum轮，车体移动方向由辊子安装角度和车轮转向共同决定。

4主控板电源管理

主控板如同人的大脑，作为系统最重要的控制部分，须有可靠的电源供应与防护措施，设计时需合理选择电源芯片、布置PCB板的走线，使用时要做好与强电线路的隔离工作，以避免强电源的干扰甚至短路故障，保障小车正常运行。

如图3所示，24V开关电源作为磁电传感器、伺服驱动器接口以及升降台的工作电源；经过LM2596-5转成5V，供给主板上的转-5V电源模块，指示元件和其他芯片；通过AZ1117H3.3把5V转换成3.3V电源供给主控制器STM32F103RCT6 最小系统。

24V转5V电源，因为主控板上有不少逻辑处理芯片以及LED、蜂鸣器等指示元件同时工作，所以电源芯片在保持输出电压稳定的同时也要能够提供足够大的输出电流，LM2596-5只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路且最高输出 3A的驱动电流，符合主控板的用电要求。如图4所示，该电路中的E1为输入端的滤波电容，L1和E2构成开关电源LC滤波电路、D5构成钳位电路，D4为工作指示灯。

5V转3.3V电源，经过LM2596-5稳压芯片产生的5V电压虽能供给主板上的大部分信号处理模块，但由于LM2596-5本身是开关型电源芯片，输出电压具有一定的纹波，而主控制器STM32F103RCT6对工作电源的要求是2.0V～3.6V，显然这样的5V电压不满足要求，为保证主控制器STM32F103RCT6的可靠工作，需进一步对5V电压进行处理。AZ1117H-3.3稳压芯片可以提供3.3V电压，在正常工作条件下，最高可提供1A的输出电流，由于主控制器STM32F103RCT6的工作电流通常不会超过200mA，所以该芯片符合要求。

如图5所示，LED作为主控制器STM32F103RCT6上电指示灯，输入端的10UF 钽电容，用于滤除5V电源中的交流成分，稳压管IN4733在与输出端电容C2并联后，可以增强滤波效果，消除通过电源的耦合，使输出电压更平稳。

5V转-5V电源，WRA0505CS是宽电压输入，隔离稳压正负双路输出的DC-DC 模块电源，其输出电压的稳定度与纹波噪声符合作为运放正负电源的要求。如图 6所示，电路产生的±5V电压作为调理电路中运放的正负电源，两个0.1UF钽电容用于输出滤波，LED作为产生的-5V电源指示灯。

5主控制器STM32F103RCT6最小系统

5.1外部时钟电路

如图7所示，最小系统选用外部8M无源晶振作为时钟源，两个22pF电容为起振电容，并接的1M电阻主要用来产生负反馈，保证该处引脚内部的放大器能够工作在高增益的线性区，同时起到限流作用，防止输出信号对晶振过分驱动，保证晶体稳定工作。

8.2复位电路，复位电路用于使CPU及系统各部件从程序设定的初始状态开始运行，在主控制器STM32F103RCT6的REST引脚外加一个低电平信号能引起复位。如图8所示为采用的积分型上电复位电路，其中R5作为上拉电阻使REST 维持在高电平，电容起到消除按键动作抖动的作用，具有硬件滤波的效果。

另外，为实现主控制器STM32F103RCT6与ESP8266模块进行串口通信，将模块的UTXD,URXD脚分别接到主控制器STM32F103RCT6的PA10，PA9脚。

6磁带检测电路

为了获取较为准确的位置信息，AGV需要实时采集车身前端32个点的磁带信号。由于每个磁电传感器能够同时采集16个位置点，再以集电极开路形式的开关量输出，因此在小车前端并排设置两个磁电传感器。如图9所示，A1至A16 是传感器的输出引脚，外接了10K的上拉电阻以便输出高电平，其中16个LED 指示灯用来直观显示传感器采集信号的情况，当某采样点检测到磁场信号时，对应引脚输出低电平，这时该位置的LED灯会点亮。

图10为AGV左端磁电传感器与两个移位寄存器的接线电路。74LS165是八位并行输入互补串行输出的移位寄存器，当7脚产生负脉冲时，寄存器输入端八位并行数据存入，之后时钟引脚产生八个脉冲期间，八位并行数据依次从Q7脚输出，若保持第2或第15脚为高电平，可禁用该芯片；两片74LS165通过DS 脚与Q7脚级联，这样能扩大数据采集的宽度。

实际硬件电路中，每个传感器占用两片74LS165，小车上两个磁电传感器共需要4片74LS165，每个移位寄存器的1脚都接到主控制器STM32F103RCT6的 PC0，时钟引脚都接到PC1，这样只需控制主控制器STM32F103RCT6这两个引脚按以上所述的时序产生高低电平，就能让主控制器STM32F103RCT6接收这32个位置点的信号，可见这样可以极大地节省主控制器STM32F103RCT6引脚资源。

7升降台硬件电路

该部分电路的功能是让主控制器STM32F103RCT6能够控制升降台的起降动作，升降台电机工作电压为24V，要与主控制器STM32F103RCT6进行隔离；在升起过程中，必须保证下降控制端的信号不产生干扰，反之同理；当升降台到达高限位处时，即便升起信号依然存在，升降台不响应，低限位处同理。

图11所示为光耦隔离电路，该电路运用单通道光耦PC817完成电-光-电的转换，使输入输出相互隔离，具有良好的电绝缘和抗干扰能力，因为光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而该电路也具有很强的共模抑制能力。图示电路只用于产生升起控制信号，UP_S接到主控制器STM32F103RCT6引脚，当该脚设置为高电平时，发光二极管点亮，光耦输出端导通，UP端由24V分压得到5V，即为高电平；若UP_S脚是低电平，光耦输出端关断，UP端输出低电平。

图12为控制升起的硬件电路，其中CN1，CN2分别为控制升、降动作的继电器，只要某个继电器线圈得电，升降台就会执行相应动作。在该图中，当UP 输入高电平时，NPN三极管Q2导通，24V电源经过R1，R2与Q2形成对地通路，由于R1上的压降使得P型MOS管的Vgs<0，MOS管导通，输出端CN1-14接到 24V，从而继电器CN1线圈得电，升降台升起。左边电路中的CN2-1和CN2-9是继电器CN2的常闭触点，设计目的是保证在升降台升起时，继电器CN2不得电，排除两个继电器同时得电的情况，即实现互锁功能；如果在升起过程中，升降架下的滚轮触碰到了上升限位开关，短接了三极管的基射极，引起三极管关断，24V 电源的对地通路就被立即切断，Vgs变为0，MOS管立即关断，继电器CN1的线圈失电引起常开开关CN1-8和CN-12断开，这样就从硬件上阻止平台继续上升。 C1与1N5819的并联结构可使电压更平稳，有利于升降台平稳工作。

综上可得，在升降台未到达高限位时，只要把UP_S设置成高电平，同时把 DOWN_S设置成低电平，升降台就上升，而下降时按相反设置即可；只有在UP_S 和DOWN_S都为低电平时，升降台不工作。实际硬件电路中将UP_S接到PA6脚， DOWN_S接到PA7脚。

8伺服驱动电路

伺服驱动单元接线，由图13可看出伺服驱动器由逆变器产生的交流220V 供电，驱动器输出三相电驱动交流伺服电机，同时编码器将电机转速反馈给伺服驱动器以便形成对电机转速的闭环控制。

驱动器与主控板间的信号线束包括24V电源线和地线，主要传递伺服电机开关控制信号S-ON，电机速度控制信号V-REF，禁止正转驱动信号P-OT以及禁止反转驱动信号N-OT。

8.1调理电路

系统选择的电机转速控制方式为模拟电压控制，即通过改变伺服驱动器速度控制端的电压来改变电机转速。如图14是系统的第1路数模转换电路，采用12 位数模转换芯片DAC7512，当工作电压5V时，其输出电压范围在0～5V之间，主控制器STM32F103RCT6通过PB2引脚将电机控制量传到外部DA电路转换成模拟电压vout1，之后经过图3.12所示的调理电路处理得到控制电压vmoto1，这也就是上节提到的电机速度指令V-REF，电压值越大，电机转速越快，电压正负决定电机转速方向。

设计调理电路的目的是将0～5V的电压转换成正负区间对称的控制电压。图14中，先通过+5V分压得到+2.5V电压，再经过反相器得到-2.5V，最后通过加法电路得出伺服电机速度的控制电压。该电路中，DA输出电压Vout与控制电压 Vmoto的运算关系为

可见，当DA输出电压为0时，实际加到控制端的电压为-5V，电机会以反向最大速度运行，DA输出为+5V时，电机以正向最大速度运行，所以在软件设计时需考虑到控制端电压为0时的数字输出量的选取。因为DA芯片是12位的数模转换器，可正确接收的最大数字量为4095，所以系统应选用2047作为基准值，又考虑到电子元件实际参数及环境温度等因素的影响，4个基准值须经实际调试后再选择，但与2047的差别不会很大。

无线通讯采用ESP8266模块，一种串口WiFi通信模块，可用3.3V电源供电，体积小，功耗低，支持透传，丢包现象不严重，通过官方集成的AT指令集便可进行开发，操作简单方便。

工作原理：如图1是本系统的总体框架。当系统上电运行时，无线通信模块会不断接收到遥控器通过WiFi发来的指令，模块将接收的指令通过串口发给车上的主控制器STM32F103RCT6，待主控制器STM32F103RCT6每次接收完一帧数据并校验通过后，便解析数据内容，以此确定接下来小车的运行模式；若是循迹模式，则处理磁电传感器采集进来的数据，得出4个电机的转速控制量，并通过外部的4路DA转换电路变成模拟电压，经由调理电路转换成加到4个伺服驱动器转速控制端的控制电压；若是遥控模式，则继续解析这一帧数据，可以得到控制全向运动的三个值，之后控制各电机转速的过程与循迹模式一样；这样便实现了小车的循迹或在遥控模式下的全向移动与升降台的正常工作。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。