本科毕业论文(设计)
题目：自动引导车（AGV）控制系统软件设计与研究学院：自动化工程学院
专业：自动化
姓名：徐玉兴
指导教师：于金鹏
2012年5月25日
The software design and research for the Automatic Guided Vehicle’s（AGV）control system
摘要
本文主要介绍基于凌阳SPCE061A单片机为主控单元的一种自动引导小车的设计方案，并重点对其控制系统软件进行系统研究和探讨。该车主要由液晶显示模块、4*4键盘、NRF2401无线控制、直流电机、步进电机、超声波模组、光电开关、mma7260三轴加速、双H桥驱动电路（驱动直流电机）、CCC-SP1508（步进电机驱动器）以及驱动电源模块和各种转接板构成。本系统能够完成无线控制、循迹、避障、测距和视频识别等功能。
关键词SPCE061A 步进电机mma7260 视频识别
Abstract
This paper mainly introduces a kind of automatic guided vehicle’s design scheme based on sunplus SPCE061A microprocessor as control unit with emphasis on systematic research and discussion for the control system software. The car is mainly constituted by the LCD module, 4 * 4 keyboard, NRF2401 wireless control, dc motors, step motor, ultrasonic module, photoelectric switches, mma7260 triaxial acceleration, double H bridge driving circuit (driver dc motor), CCC - SP1508 (step-motor drive) and driving power supply module and various connecting boards. This system can accomplish wireless control, follow trace, obstacle avoidance, location and video identification, and other functions.
Keywords SPCE061A step motor mma7260 video identification
目录
前言 (2)
第一章绪论 (2)
1.1AGV概论 (2)
1.1.1AGV的定义 (2)
1.1.2AGV的系统构成 (2)
1.1.3AGV的发展史 (3)
1.1.4AGV的发展现状和出现的问题 (4)
1.2AGV研究的意义 (5)
第二章AGV的各个模块设计 (6)
2.1AGV的系统设计方案 (6)
2.1.1总体方案设计 (6)
2.1.2视觉方案设计 (7)
2.1.3循迹方案设计 (9)
2.1.4避障方案设计 (10)
2.2AGV主控芯片选取 (12)
2.3驱动模块 (12)
2.3.1直流驱动电机 (12)
2.3.2交流驱动电机 (13)
2.4AGV的各个传感器 (14)
2.4.1循迹传感器 (14)
2.4.2避障传感器 (15)
2.5主要外围电路设计 (15)
2.6无线传输模块 (17)
第三章AGV软件系统设计 (17)
3.1MCS51系列单片机的工作原理 (17)
3.1.1机架基本组成 (18)
3.1.2计中应用到的MCS51单片机的相关系统 (20)
3.1.3MCS51单片机的指令系统 (23)
3.2软件部分 (22)
第四章视觉采集系统 (26)
4.1 视觉导航概述 (26)
4.2地面图象获取 (27)
4.3数字图像的处理 (28)
结束语 (30)
谢辞 (31)
参考文献 (32)
前言
也许今年的3D电影《泰坦尼克号》中的无人水下机器人在工程师的控制下潜入到铁达尼里探寻蓝海之心的情景还在您的脑海中闪烁，也许您不会忘记2010年的奥斯卡最佳得主《拆弹部队》中的无人小车拖着载有C4的拖车去引爆路边炸弹的情景。无人装置正在悄无声息地改变着我们的生活，而占有绝大大部分的无人引导车（即AGV）更是发挥着越来越重要的作用。
AGV小车主要应用于FMS（灵活机械系统）、CMS（基于电脑的智能机械系统）等无人工业现场，尤其石化等有毒环境和核电站等有辐射的环境中，或者高原缺氧或极寒的环境中。AGV正在伴随着工业现代化步伐快速前进而突飞猛进的发展。从简单的无人引导玩具到工厂车间无人搬运车再到火星及月球探测车，无人车正在逐渐改变着社会。时至今日，我们不可能见到数十人围着一台电脑手工组装的过程，取而代之的是快速精确的机械手臂，尤其在汽车的自动化流水生产线上。无人机械装置无论在精度还是在速度上，抑或在成本上都优于普通的工人的手工组装。而就目前而言，我国的AGV发展相对落后，只有为数不多的公司可以制造。
AGV还有许多常人无法比拟的优势，例如没有疲劳，可以24小时轮转；体积较小，占用车间或现场的空间比较小；再者，AGV比较智能化，可以自动排队充电，可以实现自行循迹和避障等目标；还有AGV的制作成本长远来看往往比较低廉。
综上可知，AGV的研究并走未到尽头，还有很大的发展空间和发展潜力，这是AGV 深入研究的前提。至于未来AGV将会在我们的日常生活中起着如何重要的作用，让我们拭目以待。
第一章绪论
1.1 AGV概论
1.1.1 AGV简介
自动引导车(Automated Guided Vehicles，AGV)又叫做无人搬运车。AGV是无人搬运车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。AGV小车装备有电磁或光学等自动导引装置，可以按照设计好的导引路径行驶，有安全保护及各种移载功能。在科学研究上属于轮式移动机器人（WMR―Wheeled Mobile Robot）的范畴。
AGV自动引导车问世以后，马上就成为了现代工业自动化物流的核心设备，具有十分广泛的研究意义。AGV自动引导车有许多特点，比如灵活性，智能性。应用了AGV自动引导车使生产过程的运输达到柔性化的目标，降低了人类的劳动强度，也增强了安全性，更有利于安全生产。并且，AGV应用非常广泛，在各行各业都可以发挥重要作用。
AGV小车还具有下列特点：
（1）有较强的配合性，能有效的配合人、其他的AGV小车、数控中心等；
（2）有自动控制的优势，提高了安全生产的加工产率，更进一步提高企业的经济效益；
（3）发挥其灵活性的特点，带动工厂的生产设备具有极高的灵活性，有效的改变工厂装置布局；
（4）可以构成动态跟踪系统，并且与其它设备相互配合，提高精度；
（5）AGV技术的应用也有利于物件的运输装卸实现灵活处理，使企业设备的利用率得到提高；
（6）运动性能好，低噪音，无污染。能在要求较高的环境中应用，改善作业环境，起到节能减排的作用。
1.1.2 AGV的系统构成
AGV自动引导车的控制系统主要由三部分构成，有地面控制系统，车载控制系统和导航导引系统。三部分系统各有分工，地面控制系统是AGV自动引导车最重要的系统组成部分，也是其固定设备，需要负责任务接收，路线选择，行驶管理，车辆充电等功能；车载控制系统是在地面控制系统之后，根据地面控制系统发出的指令，负责AGV自动引导车的导航技术，导引控制，小车行驶，货物装卸等功能；导航导引系统则是实时跟踪AGV 小车，为其进行绝对和相对的位置定位，并确定航向。
AGV小车控制系统是由地面控制系统，车载控制系统和导航导引系统三者之间的相互
配合与协作共同完成的。其相互配合与协作主要解决了三个问题：小车在哪里？小车要去哪里？小车怎么去？这也分别对应了AGV控制系统的三个技术问题：AGV小车的导航，AGV小车的路径规划，AGV小车的导引控制。
1.1.3 AGV的发展史
AGV自动引导车是1953年诞生的，第一辆AGV是由有一辆拖拉机改造而成。应用在车间沿着一条固定的轨迹运输货物。
图1.1 AGV小车原型图
到上世纪五六十年代就已经发展有多种样式的AGV。到七十年代，出现了地面控制器，应用于AGV系统，把导线埋在地下，然后发出电磁频率，通过地面控制器来操纵导线的频率，来控制AGV小车沿着设计好的线路行驶。
上世纪八十年代，无线式导引技术问世。极大地提高了AGV系统的准确性和灵活性。当根据需要修改AGV小车路径时，可以不改动地面布置或中断生产过程。就像USB技术一样，支持热插拔，不必关机操作。
从上世纪八十年代以后，AGV技术得到突飞猛进的发展，可是说是实现了超常规跳跃式大发展。当之无愧的成为现在生产物流系统的最大专业分支之一，并且有产业化发展的势头，也逐渐变成现在工厂自动化设备的必不可缺的重要组成部分。AGV技术还是在欧美等发达国家发展的最为充分，也得到了最广泛的应用。在亚洲，主要是日本和韩国，现在发展的略有趋势，势头很迅猛。在日本，AGV的规格，品种，技术，数量及程序都已经发展的比较完备。达到了标准化的程度。在我国，AGV小车正在不断发展当中，我们面临最大的问题是如何解决AGV技术与应用暂时不足与我国物流系统迅速发展之间的矛盾。也就是说，我们必须设计出能够多方面满足客户需求的AGV系统。
就现在来说，综合国内外AGV技术的应用与发展，可以看出，其主要有两种发展方向：一是全自动的AGV技术。主要以欧美发达国家为代表，以追求AGV的全自动化为目标，尽量不用人工干预，适用复杂多变的路径规划和生产流程，全面应用于所有需要搬运装卸的场合。此类AGV小车技术先进，功能完善。但是对外观的要求不高，造型一般。系列产品配套设施优良，覆盖面广，有数不尽的驱动模式，导引模式，移载机构。最高的载重量可以达到60吨。同样，此类AGV的价格不菲，居高不下。在国内，只有少数企业
可以生产，技术基本可以达到国际水品。二是简易型AGV技术，主要以日本为代表，准确的说只能称其为AGC（Automated Guided Cart）。这种技术主要追求简单实用，能够让企业在最短的时间内收回成本。必然，此类AGV价格便宜。更多的应用于简单的生产环境，比如，单一的路径，固定的流程。更多的强调AGV的搬运功能，而忽略其装卸功能。也仅仅限于简易的磁带导引方式。日本生产的AGC的成本控制非常好，几乎做到了极限。所以，其在日本的应用也非常广泛，在2003年达到了顶峰。由于其技术相对简单，在国内，也有许多企业可以生产。
1.1.4 AGV的发展现状及存在的问题
由于某些工作场所不宜人员进入，AGV就广泛的得到应用，尤其在工厂的货物装运方面。AGV的应用，使企业生产的自动化规模和生产效率得到极大提高。并且在柔性制造系统及自动化工厂里构成快捷、高效的物流系统。
AGV还广泛应用在诸多行业，比如，港口货运、电子产品装配、机械加工、汽车制造、发电厂、电子行业的超净车间。AGV已经是一种非常有发展潜力的物流输送设备。
在日本、美国、德国等工业发达国家，AGVS已经非常成熟，应用范围非常广泛，许多企业和工厂开始采用的柔性制造系统FMS(Flexible Manufacture System)和柔性装配系统FAS(Flexible Assembly System)都由AGVS作为载运工具。目前，其主要的发展方向是开发无需固定线路的、并具有全面运行能力的AGV，以及具备一些特殊要求，比如提高在超重负荷、高定位精确度等一些特殊要求下的工作能力。
我国的AGV研制起步较晚，但是，中科院沈阳自动化研究所下属的新松机器人自动化股份有限公司实现自主创新，推动了AGV在汽车行业的应用。昆明船舶设备研究所引进国外最先进技术，推动了AGV在烟草行业的应用。但是总体来看，我国的AGV 技术应用范围比较窄，技术和需求还不成熟，需要AGV的生产企业更加努力，开发出更多的适应不同行业的AGV系统并提高相应行业的生产控制智能化，无人化，加大生产自动化程度和生产效率。
1.2 AGV研究的意义
AGV，也就是所谓的自动引导车，对我们目前的生活生产，研究发展具有十分重要的意义。总所周知，AGV能够按照我们人类设计的路线在具有一定地形特征的环境里自主行驶，以达到目的地，完成目标。如果换做人类，执行这些任务，很有可能会因为环境复杂，操作难度高，导致受伤。而AGV的应用就避免了这样的情况，解决了这样的难题。也是人类从简单的机械劳动中解除出来。现在，AGV已经在航天和军事、制药业、制造业得到广泛应用，并且表现优异，获得一致好评。在导引的柔性，运行的安全性，成本费用控制等方面，AGV更是有不可替代的作用。
本文对AGV的机械结构，软件控制系统设计做了深入分析和研究：
第一章主要介绍了AGV的系统构成，发展史，发展应用情况。
第二章主要介绍了AGV的各模块设计。
第三章主要介绍了AGV的软件系统设计部分，包括所用单片机的原理和指令，已完成相应动作的程序。
第四章主要介绍了AGV的视觉采集系统。最后进行总结和展望。
第二章 AGV 的各个模块设计
2.1 AGV 的系统设计方案
2.1.1 总体方案设计
首先，控制单元根据接收外界的信号（例如上电等），进行简单的判断。若有外界相应的信号输入，则系统进行相应单元的演示，例如基本功能演示（前进、后退、左转、右转、后转等）、循迹功能演示、避障功能演示、无线传输模块以及视觉功能演示等。
车体总体设计流程图
N
Y
以上流程图为该AGV 系统设计的指导思想，下文主要是依据该思路进行设计的，主要包括用以实现以上功能的各个模块的芯片选取过程：主控单元的主控芯片选取、循迹模块的传感器选取、避障模块的避障传感器的选取、视觉模块的视觉感知装置的选取以及无线传输模块的芯片选取等。
开始
判断是否接收到数
据 播放语音提示
基本功能演示 循迹功能演示 避障功能演示 视觉功能演示 图2.1 车体总流程图
2.1.2 视觉方案设计
视觉引导又称为图像识别引导，其分为有线式和无线式两种。其中有线式导引的定义是根据工业现场地面或者是两边的鲜明标志线，通过车载摄像装置动态获取地面的图像信息，经过车载控制模块识别出明显路径标志信息，并且判断车体与期望的有标志线的路径之间的距离和夹角，通过控制模块控制车体左右驱动轮转向使AGV 的实际巡航路径与期望轨迹的误差在允许的范围内。而无线式导引的定义是利用车载摄像装置动态获取地面的图像信息，并与应经存入的期望轨迹图像的数据库进行比对，从而确定AGV 当前的位置以及对下一步运行轨迹做出选择。
目前该项技术还不成熟，只有少数国家将其运用在航空航天和军事等领域。
车载摄像系统主要是由CCD 摄像头、视觉信息采集卡、光源等模块构成。CCD 采集
信息的电路如下图：
开启视觉系统后，AGV 前方的CCD 便对前面地面的路径鲜明标志线的图像进行采集，经过车载采集卡处理后送控制模块。控制模块经过适当的图象处理（例如阈值处理、掩膜技术、直方图分析、图象分割、边缘检测以及区域增长等）和相应的图象处理（例如具体物质识别、具体位置坐标、相关特征提取和图像其它物理特征分析和具体深度信息获取），形成控制指令，传到相应的控制计算机，进而控制AGV 实现相应的动作。其中视觉系统原理图如下：
超声波传感器的一个主要作用是用来检测AGV 周围有无障碍物。假设没有障碍物信息，那么超声波传感器无信号输出；当有障碍物时，相应的超声波传感器发出有效信号，
系统初始化 图像采集 预处理
特征提取 图像分割 物体识别 信号输出
图2.2 摄像头采集电路图 图2.3 机器视觉工作原理
开始循迹
判断接收到数据的值
速度加返回判断红外传感器的状态
左轮转动N步
左轮转
动步数
两倍于
右轮
前
进
右轮转
动步数
两倍于
左轮
右轮转
动N步判断是否接收
到数据
速度减设置速度
图2.4 循迹流程图
触发零号中断，进入相应的中断子程序，使AGV紧急停车，并发出报警信号，进而自动切换到手动操作模式，可以通过小键盘来操作AGV的下一步动作。
2.1.3循迹方案设计
循迹模块的方案设计主要是采用红外传感器，首先控制模块感知开始循迹的信号后，开启车载红外传感器感知周围的信息，进而进行简单的运算，输出指令控制AGV小车是加速还是减速，抑或保持原有的速度（即无任何操作）。
循迹设计方案流程图如下：
N
Y
开始避障
判断是否接收
数据
判断数据的值
语音报出障碍物距离 左转45° 速度加 前方是否有
障碍 判断前方50cm
内是否有障碍
判断是否转到
90° 速度减 设置速度 返回 前进 左转45°
车体左转45/90度 接下页 2.1.4 避障方案设计
N Y
N
Y
N Y
N Y
接上页
右转45°
车体后转
左转135° 前进
车体右转45/90° 判断前方50cm 是否有障碍 判断前方50cm 是否有障碍
返回 播放语音 前方无路障
图2.5 避障控制流程图
N
Y
N
Y
如上，避障的流程图所述：该AGV 选用的是超声波传感器，利用超声波传感器的稳定性。开始上电，控制单元感知输入信号，AGV 小车加速或减速或保持原来的速度，进而通过传感器感知前方是否有障碍。若有，将信号传递到控制模块，进而控制驱动模块实现转角，直到再次检测无障碍为止。
2.2 AGV 的主控芯片选取
在选择主控芯片的过程中，存在以下两种方案，而且均可行：
第一种方案是以凌阳61为主要的逻辑控制芯片，并辅以DSP5502，主要是以DSP 数字处理的高速性来配合传感器进行高效的数据采集。但是问题是DSP 通用的输入输出口比较缺乏（仅有2个），需要额外的添加FPGA 或CPLD 进行输入输出口的扩展。而且红外光电开关的反应速度一般比较低（一般大于0.5毫秒），采样频率只要大于2KHz 就能满足实际的要求。
第二种方案是主要以凌阳61单片机直接实现。因为该单片机内分别置有8路和2路的ADC 和DAC ，这样就减少了外接数模和模数转换芯片。而且它具有丰富的输入输出端口更易于扩展，而且凌阳61的开发板具有现成的语音模块，通过相应的语音采集与播报程序即可使其运行。并且集成的开发环境中拥有很多的语音函数，因此实现语音播放功能比较简单，再加单片机可以实现它的在线调试，不仅提高了开发的效率，而且提高了调试的效率。
经过反复综合的考虑，以及为了满足现实的要求，不仅降低成本而且降低难度的要求，最终选择第二种方案。
SPCE061A
单片机
超声波传感器 光电开关 NRF2401 无线控制 蓄电池（辅以DC-DC 电路）
步进电机 驱动器 步进 视觉模块 图2.6 车体部分框图
2.3驱动模块
2.3.1直流驱动电机
假设采用直流电机作为小车的动力。直流运行比较连续和比较平稳，而且工作电压比较低，价格也往往比较便宜，控制方式也比较简单，但是缺点是不准确。
图2.7 直流电机驱动原理图
2.3.2交流驱动电机
假设采用交流驱动电机，即八细分1.5A的步进电机驱动器来驱动两相的步进电机作为动力。步进电机的驱动如图2.8所述：
其接线端子的定义如下：
Switch Steps per
Revolution Angle per
Step
Switch
Current
Sw1 Sw2 w3 w4 w5
0 0 200 1.8°0 0 0 0.0A
0 1 400 0.9° 1 0 0 0.5A
1 0 800 0.45°0 1 0 1.0 1 1 1600 0.225°0 0 1 1.5A
系列/步距角型号相数电压(V) 相电流
(A)
相电阻
(Ω)
相电感
（MH）
转动惯量
(Kg.㎡)
最大
静转矩
(kg.cm)
42BYG1.8 17H185H-04A
(B)
2 2.80 1.50 1.65 2.80 68x10－7 5.00
图2.8 步进电机驱图
表2.1 步进电机驱动器端口定义表
表2.2 步进电机电器规格表
由以上知识可知步进电机较直流电机而言，它不仅可以提供良好的动力，而且可以实现精确的控制。因此最终选择了步进电机作为该AGV设计的动力。
2.4 AGV的各个传感器
2.4.1循迹传感器
在选取循迹传感器的过程中，也存在下面的两种方案：
第一种方案是主要以红外对管阵列组成巡线传感器，这种传感器的成本较低，它在没有干扰的情况下能够很好的识别出地面的黑线与白线，缺点是抗干扰能力不是很强，对现场的红外光线比较敏感，而且对并非绝对白色、绝对黑色线的识别率比较低。
第二种方案是采用光电开关，这种传感器内部具有集成的编码电路，由它发送红外光线进行调制，因此具有较强的抗干扰能力，经过实验证实外界的光线对其不构成干扰即没有太大影响，而且它能够较好的识别出现场复杂环境下的黑线。
经过最终的权衡，最终选择了第二方案。
2.4.2避障传感器
由于实验室的器材决定，在选择避障传感器的过程中也存在以下两种方案：
第一种方案是选用超声波传感器作为避障传感器，利用其测量小车和障碍物间的距离进而实现避障的功能。
第二种方案是采用光电开关作为避障传感器，由于该传感器的探测距离可调，在存在障碍物与不存在障碍物时像控制模块传回不同的高低电平，并且有较高的灵敏度。
2.5主要外围电路设计
1.电源模块的设计
单片机若要正常工作，必须给它供电，即它的Vcc端（即单片机的40号引脚）必须接+5V的电源，Vss端（即单片机的20号引脚）必须接地。该AGV的设计主要是使用直流稳压模块芯片7805把电源模块的蓄电池提供的高电压（+12VDC）转换成+5VD C的直流电源。电路原理图如下图所示：
2.复位电路
经过某种方式，是的控制AGV 的控制模块的主控芯片单片机的值赋予到初始状态的值的操作叫做复位。为了使单片机得以正常的工作，必须要保证其良好的复位。复位可以分为外部复位和上电复位两种方式。
Title Size B C3
10PF 2C410u F RE SE T R8
10K
+C722u F
VCC
12U7:1A
74LS14
外部复位方式可以经过手动复位，也可以经过外部复位脉冲进行复位；上电复位方式是在单片机上电时即对单片机进行复位操作。综合各个因素考虑，该设计主要是采用第二种方案，也就是采用上电复位方式。
如上图所示，在单片机上电的瞬间，电容C7两端的电压不可以突变，因此该电容的正极电压相对较低，经过反相施密特触发器74LS14反相后，单片机的RESET 脚将保持高电平。但是随着时间的积累，电容C7的正极的电压会逐渐上升，而单片机的清零脚的电压相应的下降。只要电容的大小选择合适，即可以使清零脚（RESET 脚）上的高电位保存的时间超过两个单片机的机械周期，如此一来就可以可靠的复位单片机，在上图中其它两个电容（C3、C4）起到滤波的作用，还具有防止干扰进入复位端产生误操作。
3.时钟电路
单片机定时控制的功能是由定时电路和片内时钟电路来实现的，而且片内的时钟的产图2.9 系统电源图
图2.10 复位电路图