差速转向的农用自动引导小车控制系统设计_尚婕

用 AGV 控制系统． 针对目前电磁导引式 AGV 的导引线上的信号频率都是固定的情况，提出了一种可编程导引系统，可任
意更改导引线上的导引频率，使 AGV 的控制更加灵活． 航向控制采用计算量小的分区 PID 算法，提高了 AGV 行走精度． 设
计的差速转向的农用 AGV 已经成功应用于某试验田．
关键词： 自动引导小车； 差速转向； 分区 PID； 控制系统
（ School of Electronic and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China）
Abstract： As a common platform for agricultural operations，agricultural automatic guided vehicle（ AVG） is a kind of robert that is particularly designed for a specific application environment． It is very important in agricultural automation． According to the characteristics of agricultural AGV，a kind of differential turning agricultural AGV control system is designed based on ARM7 core and embedded μC / OS-II operating system． For the current，the signal frequency of electromagnetic guidance line is fixed． A programmable guidance system is put forward and implemented． It can guide any changes to the guide line frequency and bring more flexible control of AGV． Heading control by PID partitioning algorithm is used to improve the accuracy of AGV travel． The design of differential steering agricultural AGV is applied to test field successfully． Key words： automatic guided vehicle； differential steering； partition PID； control system
然而，目前电磁导引 AGV 的导引线上的信号频 率都是固定的，为了方便对 AGV 的控制，设计了一 种可编程的导引信号源，导引信号由单片机程序产 生，经过功率放大后输出到导引线，每个导引线上的 频率、产生时间、时间间隔，可以由上位机通过串口 对信号源进行设置，这样通过信号源就能控制 AGV 的运行状态，使 AGV 能适应更加复杂的农业环境而 不需要重新敷设导引线，其控制方式如图 1．
第 25 卷第 5 期 2011 年 10 月
江苏科技大学学报（ 自然科学版）
Journal of Jiangsu University of Science and Technology（ Natural Science Edition）
Vol． 25 No． 5 Oct． 2011
差速转向的农用自动引导小车控制系统设计
图 1 可编程导引源 Fig． 1 Programmable guidance source
1． 2 导引信号检测 在 AGV 前后分别装一个导引信号检测传感器，
用于前进和后退信号检测，每个传感器内有 2 个检 测线圈，如果导引线位于 2 个线圈正中间，则线圈感 应电压相等，差值为 0； 如果导引线偏向左侧线圈， 表示 AGV 行进路线偏右，左侧线圈感应电压大于右 侧线圈； 如果导引线偏向右侧侧线圈，表示 AGV 行 进路线偏左，右侧线圈感应电压大于左侧线圈． 将感 应电压放大整流后，求出信号差值，经过控制器 A / D 转换后，就可以知道 AGV 目前是否偏离导引线．
尚 婕，姜文刚，蔡蓝图
（ 江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）
摘 要： 农用自动引导小车（ AGV） 作为农业作业的通用运载平台，是针对具体应用环境而设计的特定用途机器人，已经成
为农业自动化的一个重要发展方向． 根据农用 AGV 的特点，以 ARM7 为核心，内嵌 μC / OS-II 操作系统，设计了差速转向农
由于导引信号源可编程，导引线上信号会发生 改变，因此导引信号检测传感器还要能分辨是哪种 导引信号，这个可以通过锁相电路来实现，分别锁 定 4，5，6 kHz 导引信号，每锁定一种频率的导引信
号，该路锁相输出为 1，用于控制器判断目前导引 信号的类型．
2 控制器设计
AGV 的控制器主要有工控计算机、PLC、小型 单片机和嵌入式系统，由于农用 AGV 主要采用电 池供电驱动，虽然工控计算机编程开发方便但耗电 大； PLC 同样存在耗电问题，而且其梯形图扫描周 期影响了控制器的实时性，外加专门的多轴控制器 增加了成本开销； 小型单片机系统处理能力弱； 因 此本文的农用 AGV 控制器采用 ARM 嵌入式系统． 2． 1 硬件设计
ARM7 处理器核具有用户、系统、管理、中止、 未定义、中断和快中断 7 种模式，其中除用户模式 外其它均为特权模式． 其中管理、中止、未定义、中 断和快中断模式与相应异常相联系，任务使用这些 模式不太适合． 而系统模式除了是特权模式外，其 它与用户模式一样，因而可选为任务使用的模式只 有用户模式和系统模式． 为了尽量减少任务代码错 误对整个程序的影响，缺省的任务模式定为用户模 式，可选为系统模式，同时提供接口使任务可以在 这 2 种模式间切换．
最小转弯半径，适合行走在农田中狭小的田间． 现 有的电磁导引式 AGV，其导引线上的信号频率都 是固定的，当其遇到不同频率信号时会自动停车． 文中提出并实现了一种可编程导引系统，可任意更 改导引线上的导引频率，使 AGV 的控制更加灵活．
1 可编程导引系统设计
1． 1 导引方式 农用 AGV 的导引方式主要包括固定路径导引
中图分类号： TP273
7（2011）05 － 0453 － 04
Design of control system of agricultural automatic guided vehicle with differential steering
Shang Jie，Jiang Wengang，Cai Lantu
AGV 作为行走平台搭载相应的作业设备实现［6］． 农用 AGV 基本都在泥土路面行走，农田作业
环境复杂，并且装载不同的机械实现复杂作业，因 此对农用 AGV 控制系统提出了更高的要求． 文中 控制对象作为农业作业的通用运载平台，最大载荷 为 120 kg，采用 2 个主动轮，位于 AGV 的两侧中 间，电机和主动轮通过链条传动，链条上覆盖有橡 皮履带，以适应泥土路面行走，前后还装有辅佐行 走轮． 据此，文中采用嵌入式系统 ARM 设计了一 种农用 AGV 的控制器，该控制器通过差速转向，在 一个主动轮正转而另一个主动轮反转时，可以实现
图 2 AGV 嵌入式系统结构 Fig． 2 AGV embedded system architecture
第5 期
尚 婕，等： 差速转向的农用自动引导小车控制系统设计
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农用 AVG 工作时是在自动导航状态，因此其 安全性 要 求 较 高，为 了 保 护 人、畜、周 围 设 施 及 AVG 本身，在 AGV 的前后各装有一个 OMRON 的 超声波雷达，前后还装有带弹簧缓冲的保险杠，保 险杠上安装行程开关，发现障碍或发生触碰时能立 即停止运动． AGV 在行走时发出声光报警，以警示 行人和动物． AGV 的显著位置装有急停按钮，按下 AVG 就停住． AGV 实时监测各种状态，包括检测到 障碍、触 碰、急 停 都 立 即 传 输 给 上 位 机，告 知 控 制 人员．
收稿日期： 2010 － 11 － 02 基金项目： 江苏大学农机研究院委托基金资助项目（ 2006DX095F） 作者简介： 尚 婕（ 1979—） ，女，河南开封人，讲师，研究方向为控制理论及应用． E-mail： shang_j@ 163． com
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江苏科技大学学报（ 自然科学版）
第 25 卷
和自由路径导引［6 － 8］． ① 固定路径导引主要包括： 电磁导引、光学导引、磁带导引； ② 自由路径导引， 是根据各种传感器来判断 AGV 当前所在位置，然 后再决定下一步移动的方向，主要包括： 行驶路径 轨迹推算导向法、惯性导引、环境映射法导引、激光 导引、视觉导引、GPS 导引．
综合考虑成本和实现的难易程度，文中设计的 农用 AGV 小车采用电磁导引方式． 共设置 3 种导 引信号，1 号导引频率5 kHz，2 号导引频率 6 kHz， 停车频率 4 kHz．
自 动 引 导 小 车 （ Automatic Guided Vehicle， AGV） ，是 指 配 备 有 自 动 导 引 装 置 的 移 载 运 输 小 车，以控制器为核心，以蓄电池为动力，装有非接触 导引装置，无人驾驶． 它的主要功能是通过通讯，在 上位机的监控下，按照规划好的路径和作业要求， 使小车能够比较精确地行走并且停靠在指定地点， 完成一系列作业功能． AGV 具有运输效率 高、节 能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害 等许多优点，广泛运用在工业自动化领域［1 － 5］． 随 着现代农业的发展，要实现自动播种、施肥、喷洒农 药、收获、数据和图像采集等一系列目标，多以农用