目前, 无人仓库的自动化无人管理越来越普遍, 无人仓库自动道路识别是其智能化改造中最重要的课题之一。无人仓库内的道路中间铺设通有微弱交变电流的引导线, 使用精度较高的电感检测导线周围产生的磁场信号, 根据实时采集的信号判断出车子在仓库中的具体位置。系统使用K60微处理器进行信号处理及系统控制, 使得智能车始终保持一定速度沿导线行驶。重点介绍了智能车系统的整体结构、信号采集电路和电机驱动电路的设计, 同时对PID控制算法做了进一步的研究。测试结果表明, 该系统设计能够使智能车在仓库中平稳的运行, 满足无人仓库对道路的自动识别, 车体转向速度快、运行稳定, 对无人仓库的智能化改造具有一定的参考价值。

智能汽车技术是一种集计算机、自动控制、无人驾驶技术、环境识别、机电一体化等多学科于一身的新技术, (柯国琴, 基于单片机的智能家居系统的研究:合肥工业大学, 2011;石磊, 张明军, 基于无线传感网的酒窖监测探杆设计研究:阜阳师范学院学报 (自然科学3版) , 2018;鲁世斌, 先伟, 等.基于电磁传感器的智能车设计与实现:阜阳师范学院学报 (自然科学版) , 2014;程亚晶, 基于物联网技术的无人值守智能仓库的建立:中国管理信息化, 2017) 主要应用在无人驾驶、自动导航、自动巡航以及自动泊车等多个领域, 无人自动化程度越来越高。 (叶身村, 周庆, 于振浩, 基于KEA128的电磁直立智能车控制系统设计:汽车实用技术, 2018;赵正平, 久春, 种小型化的车辆门闸管理系统:阜阳师范学院学报 (自然科学版) , 2014;刘明, 无人仓相关技术发展及牧星智能的实践:物流技术与应用, 2018;郭博, 王诗兵, 无人仓库智能监控报警系统研究:赤峰学院学报 (自然科学版) , 2014;邵广军, 基于无人行车的钢制品仓库系统设计与实现:大连理工大学, 2016) 目前, 仓库无人化自动管理需要设备能够按照指定的道路自动行驶, 在此背景下, 本文设计了一种能够在无人仓库中自动识别道路的智能车, 通过对车子的无线控制可以使车子到达无人仓库中的任意位置。 (马腾, 无人车自动泊车引导系统的研究:西安工业大学, 2016;鹿煜炜, 基于无线通信网络的远程医疗监护系统设计研究:阜阳师范学院学报 (自然科学版) , 2016;李爱军, 李晋瑶, 物联网在物流业中的应用研究——以基于物联网技术的无人值守仓库系统为例:襄阳职业技术学院学报, 2015;田霖, 陆国生, 林睿, 基于RFID和百度AI的无人值守电力仓库管理系统:工业控制计算机, 2019;俞磊, 韩咏竹, 等.基于物联网技术的医院嵌入式移动电子病历的研究:阜阳师范学院学报 (自然科学版) , 2014;吴祥, 基于电磁导航智能车的控制研究及实现:安徽工程大学, 2016) 本文设计的智能车能在布置有特定引导线的道路上, 通过蓝牙接收控制指令以及根据采集引导线产生的磁场数据达到自动循迹、控制车体速度和方向等功能。该系统以K60微处理器为核心控制器, 设计出的智能车能通过循环采集引导线中产生的磁场信息从而判断车体与引导线之间的相对位置, 然后通过舵机调整车身位置, 在无人操作的情况下实现智能车的自动循迹、控制车体运行以及返回车辆当前状态等功能。

智能车循迹使用的引导线是一条0.5mm的漆包线, 按照车子将来运行的轨迹铺设。导线中通有频率为20kHz, 100mA的交变电流。 (李涛, 基于WSN的智能气象传感器设计及应用:苏州大学, 2014) 根据毕奥-萨伐尔定律可知通电的漆包线周围产生的磁场由导线向外呈同心圆状分布, 且距离导线越远磁场强度越弱。 (余世干, 电磁感应信号导航的智能车设计与实现:西安文理学院学报, 2016) 根据电磁感应现象系统用电感检测导线产生的磁场大小作为识别路径的手段。导线中交变的电流会在其周围产生交变的磁场, 使置于其中的电感两端会产生交变的感应电动势, (李立, 接触网“V”形天窗作业感应电压的分析与预防:电气化铁道, 2015) 电感距离导线越近, 产生的感应电动的幅值就越大, 如果系统使用多个电感按照不同的位置排布, 根据电感中检测到的电压就可以判断当前车体与道路的相对位置, 再采集当前在仓库中的位置信息。因此在本系统中选用两个10Hg的电感作为磁场传感器, 根据两个电感中产生的感应电动势的大小及其差值作为车体与导线之间相对位置的判断依据。

本设计系统的主要结构框图如图1所示, 其中包括控制器系统、电源管理模块、信号检测与调理模块、电机驱动与测速模块、OLED显示模块、蓝牙无线传输模块和在线调试模块等组成。其中控制器模块主要由K60微处理器组成, 主要功能是负责发出对各模块的控制信号、对电磁信号的采集和处理以及向上位机发送车体当前状态等。电源模块主要功能是给系统其它各个组成部分提供电源电压。信号采集电路主要负责对电感输出的信号进行放大整流, 将频率为20KHz的信号调理为0-3.3V范围内的直流电压信号。电机驱动模块主要负责给电机提供大电流的驱动能力, 速度检测模块主要使用两个1024线编码器采集当前两个车轮的速度。显示模块采用0.96寸的OLED显示屏, 主要用于显示智能车在调试和运行状态下的系统参数, 比如当前A/D转换器的测量值、当前车身和引导线的相对位置等信息。调试模块包括蓝牙和调试接口, 用于实时检测智能车当前的运行状态、在线调试以及向上位机通过无线方式发送车子运行状态。

图1 系统整体结构框图  下载原图

系统硬件电路主要包括微处理器的最小系统、电源控制电路、磁场信号采集与转换电路、OLED液晶显示屏连接电路、电机驱动电路和调试接口等构成。在此, 主要介绍电源电路、电感信号调理电路和电机驱动电路。

图2 系统主要电源电路  下载原图

电源电路主要提供所有组成部分所需的电源, 其中系统微控制器电源、显示器电源和蓝牙电源等都是采用+3.3V供电, 系统使用LM1117作为电源芯片产生+3.3V电压。电磁信号调理电路中不仅需要+5V电压还需要-5V电压, 因此使用LM2940和7660产生所需的电源。电机驱动电路中使用的HIP4082需要系统提供+12的电源, 因此, 选用了BL0512作为电源芯片。主要的电源电路如图2所示。

本设计采用LC谐振放大整流的方法来得到最终的直流信号。该电路中主要使用TL082双运算放大器对电感信号进行放大, 信号通过AD0接入, 经过选频放大整流滤波后变成直流信号从OUT0输出, 经过微处理器内部自带的AD转换器转换成对应的数字信号。电路原理图如图3所示。

图3 电磁信号调理电路  下载原图

本设计中的MOS管采用内阻低、性能稳定的LR7843。HIP4082是一个专门的MOSFET驱动控制芯片, 主要是针对使用PWM信号控制电机设计的。电路中使用一块HIP4082芯片驱动四片LR7843。具体电路图如图4所示, 在实际控制过程中, 当ENable1＿1为低电平时, 芯片使能, 这时通过单片机控制的PWMIN1＿1和PWMIN1＿2两路PWM信号就可以控制电机的正向和反向运行。禁止芯片使能时, 可以达到制动的效果。

图4 电机驱动电路  下载原图

在工程应用中, PID算法作为目前应用最广泛的调节器控制算法之一, 具有控制结构简单、稳定性较好、方便调节等特点, 因此PID算法在车速和转向控制方面应用十分普遍。本设计系统的方向控制和速度控制是在基本PID控制算法的基础上进行改进, 最终采用位置式PD算法控制舵机, 采用增量式PID算法控制电机。

PID算法的输入为预设的参考值, 将参考值与系统的实际输出反馈回来的值构成控制偏差。 (潘大夫, 电动舵机系统建模及控制算法:四川兵工学报, 2013) 将所得偏差的比例、积分和微分通过一定的线性组合作为最终的控制量, 加入到执行机构中达到对具体对象的实际控制。实际应用中经常使用的数字PID算法有多种改进形式, 主要有位置式和增量式等, PID控制原理框图如图5所示。

图5 PID控制原理框图  下载原图

舵机控制就是实时快速的控制车体的方向, 本设计系统中只需控制车子前轮转向, 始终使智能车的中心线跟随引导线的变化。本系统选用的舵机控制算法是根据对称的两个电感与引导线位置的偏差值进行控制。当引导线刚好处于对称电感的中心线上时, 所测得的两个对称电感的值应该是相等的, 差值为零。当车体向一侧发生偏离时, 偏向的一侧电感所测得的值比远离一侧的要大, 偏离的越远两侧电感差值的绝对值就越大, 可以根据采集的电压大小判断偏离的方向, 两个电压差值绝对值的大小判断偏离的程度。本设计舵机转向控制采用PD控制, 其中P和D为变化的量, 根据不同的情况需要进行实时的调整。具体的控制公式如下:

其中:PWMCON为舵机控制量, 是车体直行时的参考基准;piancha为偏离量, 即两侧电感的差值;P为比例系数;为微分项, 是最近两次所得偏差值的变化量;D为微分系数。比例系数和微分系数可以根据实际动态变化, 到检测到车子逐渐偏离道路中心时应使P参数增大;到检测到车子逐渐靠近道路中心时应使P参数变小。若发现偏离量在0附近微小变化时, 应减小比例系数, 减小震荡。

本系统的电机控制采用的是增量式PID算法控制, 该算法能够控制车体按照预设速度平稳的运行。具体的算法公式如下:

其中::直流电机输入参数, 体现为PWM信号脉冲宽度的变化; (王立涛, 直流电机PID控制系统仿真研究:电子设计工程, 2012) REFPWM:预先设定的车速值;:比例调节参数;:积分调节参数;:微分调节参数;error:误差量, 为设定速度-反馈速度, 误差量可以是正数, 也可以是负数, 其中反馈速度通过编码器采集获得;Error1:误差量的变化量;Error2:Error1的变化量。

系统程序是根据所控制的硬件模块和系统所需的功能设计的。程序结构基本流程如下:首先, 进行系统内部资源和各个应用模块的初始化设置, 包含系统时钟设置、显示器初始化、PID控制参数的设置和系统中断设置等。其次, 实时的对两个电感信号进行采集, 对采集的信号进行滤波取平均后得出当前电感值并计算车身与道路之间相对位置, 利用上述算法不断调节舵机转向。此外, 通过两个1024线编码器和微处理器内部的定时器实时的获取车子当前的车速信息, 进而使用上述算法对车子在行驶过程中的速度进行不断的调整, 使车子可以沿引导线匀速行驶。整个过程中不断接受上位机通过蓝牙传输的指令, 并将车子运行的当前状态和位置实时的发送至上位机。具体软件流程如图6所示。

图6 系统软件流程图  下载原图

本文针对无人仓库自动道路识别的现实要求完成了自动循迹智能车系统的设计, 该系统使用K60微处理器作为系统总体的控制器, 使用普通电感并设计相应的信号处理电路完成了对通电引导线的实时探测。本文重点讨论了系统相关的硬件电路设计、控制算法等内容。经过实际测试, 设计出的智能车能够在规定的道路上平稳的行驶, 同时可以接受蓝牙发出的控制信号, 控制车子的启动、停止以及车速, 定位车子在仓库中的位置等功能, 该研究对无人仓库的智能化改造具有一定的参考价值。