哈工大制造系統(tǒng)自動(dòng)化大作業(yè)自動(dòng)導(dǎo)引式物料搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

官就導(dǎo)引大物料撤運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課程名稱(chēng)：制造系統(tǒng)自動(dòng)化

學(xué)生姓名：XXXX

學(xué)號(hào)：10908104XX

班級(jí)：0908104

作業(yè)一自動(dòng)導(dǎo)引式物料搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

〈一）任務(wù)書(shū)

、自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)小車(chē)功能示意圖

圖1自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2小車(chē)運(yùn)行線路示意圖

二、基本要求與參數(shù)

本作業(yè)要求完成一種自動(dòng)導(dǎo)引式物料搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。小車(chē)

主要實(shí)現(xiàn)的功能是自動(dòng)尋跡并且完成物料的搬運(yùn)。如上圖所示，小

車(chē)首先在A區(qū)裝載物料，然后開(kāi)始沿著指定軌跡〈黑色導(dǎo)引線）自動(dòng)

運(yùn)行，導(dǎo)引線寬為20mm，小車(chē)上要求裝有相應(yīng)的傳感器用來(lái)完成尋

跡和小車(chē)運(yùn)行軌跡調(diào)節(jié)，保證小車(chē)始終沿著指定軌跡運(yùn)行不偏離。

運(yùn)行到C區(qū)以后停止，卸貨后沿原路徑返回A區(qū)再次裝載物料，如

此往復(fù)。A、C區(qū)各有一條與導(dǎo)引線垂直的黑色邊界線，線寬為

20mm,要求小車(chē)在A、C區(qū)停止時(shí)，不能超出邊界線限定范圍?！葱?/p>

車(chē)由蓄電池供電）

相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)：

<1）小車(chē)運(yùn)動(dòng)方式：全自動(dòng)導(dǎo)引式。

<2）小車(chē)載重能力：15Kg,自重不超過(guò)15Kg。

<3）小車(chē)運(yùn)動(dòng)距離:5000mm。

<4）小車(chē)運(yùn)行速度：不小于0.5m/s。

三、工作量

<1）小車(chē)輪系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析；

<2）自動(dòng)導(dǎo)引方案的設(shè)計(jì)及傳感器的選擇與分析；

<3）小車(chē)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)與分析；

<4）控制流程的設(shè)計(jì)以及控制程序的編寫(xiě)；

<5）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。

四、設(shè)計(jì)內(nèi)容及說(shuō)明

<1）根據(jù)要求選擇合適的傳感器，設(shè)計(jì)搬運(yùn)小車(chē)的自動(dòng)導(dǎo)引系

統(tǒng)，并進(jìn)行可行性分析，保證小車(chē)能夠沿著給定的路徑運(yùn)動(dòng)。

〈2）確定小車(chē)的輪系結(jié)構(gòu)，如主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的個(gè)數(shù)以及轉(zhuǎn)向方

式。設(shè)計(jì)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)方案，確定電機(jī)的個(gè)數(shù)與類(lèi)型，計(jì)算小車(chē)載

重、行駛速度等技術(shù)指標(biāo)，并分析論證輪系結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)方案的合理

性，滿足設(shè)計(jì)要求。

<3）小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括確定控制方案、控制核心器件的選

擇、自動(dòng)導(dǎo)引功能的實(shí)現(xiàn)原理、繪制控制流程框圖、編制控制程

序。

<-）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

一、小車(chē)輪系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析；

1、常用自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

AGV的輪系結(jié)構(gòu)是整個(gè)機(jī)械部分的核心，也是整個(gè)AGV非常關(guān)

鍵的部分。輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性不但會(huì)影響小車(chē)的循跡精度，而

且還決定了小車(chē)的最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大運(yùn)行速度等重要指標(biāo)。因此

在小車(chē)輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，我先對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾款同類(lèi)小車(chē)

的輪系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和比較，取長(zhǎng)補(bǔ)短，設(shè)計(jì)出一款適合本系統(tǒng)

的輪系結(jié)構(gòu)。

輪系結(jié)構(gòu)一般由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成，目前市場(chǎng)上

常見(jiàn)的同類(lèi)AGV的輪系結(jié)構(gòu)按照不同的性能要求主要有三種：三輪

結(jié)構(gòu)、四輪結(jié)構(gòu)和六輪結(jié)構(gòu)等，其中三輪結(jié)構(gòu)一般采用前輪轉(zhuǎn)向和

驅(qū)動(dòng)，而四輪和六輪一般采用雙輪驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向或獨(dú)立轉(zhuǎn)向方

式。

(1＞三輪結(jié)構(gòu)

三輪結(jié)構(gòu)常采用前輪驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向輪合成為一個(gè)組合輪、后輪為

兩個(gè)支撐定向輪的方式，其機(jī)械結(jié)構(gòu)視覺(jué)圖如圖所示。

圖1-1三輪結(jié)構(gòu)機(jī)械示意圖

圖中小車(chē)后端的兩個(gè)即為同軸定向的從動(dòng)輪，前端主動(dòng)輪為可

以轉(zhuǎn)180度的萬(wàn)向輪。主動(dòng)輪上需裝備兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)是用于控制

方向的，一般使用精度較高的步進(jìn)電機(jī)；另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)小車(chē)，一

般使用直流減速電機(jī)。

三輪結(jié)構(gòu)是一款非常靈活的輪系結(jié)構(gòu)，載荷行走為拖動(dòng)型，常

用于路面比較差的環(huán)境。它的機(jī)械構(gòu)造和控制非常簡(jiǎn)單，成本低，

但是它的缺點(diǎn)也較為明顯：首先由于兩個(gè)從動(dòng)輪無(wú)法定向，一般將

導(dǎo)向傳感器裝在車(chē)體后邊，因此三輪結(jié)構(gòu)主要用于前進(jìn)方向行走；

其次這種輪系結(jié)構(gòu)是3個(gè)輪子支撐車(chē)體，所以載重時(shí)應(yīng)把貨物放在

車(chē)體中心或后輪附件的位置，這樣才能更好的保證車(chē)體平衡性；尤

為值得注意的是在行走過(guò)程時(shí)，當(dāng)車(chē)體運(yùn)動(dòng)過(guò)快時(shí)，在轉(zhuǎn)彎時(shí)由于

離心力的作用，很容易使重心移向轉(zhuǎn)向輪的兩側(cè)，而使車(chē)體發(fā)生側(cè)

翻，因此這種結(jié)構(gòu)更適合于低速的場(chǎng)合。

(2＞四輪結(jié)構(gòu)

四輪結(jié)構(gòu)是目前最為常見(jiàn)的一種AGV輪系結(jié)構(gòu)之一，它一般采

用轉(zhuǎn)向輪為主動(dòng)輪式和轉(zhuǎn)向輪為從動(dòng)輪，定向輪為主動(dòng)輪式兩種方

式。

①轉(zhuǎn)向輪為從動(dòng)輪，定向輪為驅(qū)動(dòng)輪式。

這種方式是目前最常見(jiàn)的一種四輪結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)視覺(jué)圖如

圖1-2所示。

圖-2轉(zhuǎn)向輪為從動(dòng)輪，定向輪為主動(dòng)輪式機(jī)械效果圖

這種車(chē)型結(jié)構(gòu)同普通汽車(chē)一樣，前面兩個(gè)萬(wàn)向輪為轉(zhuǎn)向輪，使

用步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確控制轉(zhuǎn)向角度，可以用連桿或同步帶來(lái)做轉(zhuǎn)向傳

動(dòng)；后端兩個(gè)定向輪為驅(qū)動(dòng)輪，可以用一個(gè)電機(jī)通過(guò)安裝差速器驅(qū)

動(dòng)兩個(gè)輪子，也可以用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，這樣可以避免出現(xiàn)一個(gè)

主動(dòng)輪懸空空轉(zhuǎn)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力下降的問(wèn)題，而且還可以省去安裝差速

器。因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪在小車(chē)后端，所以前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就不能太大，但

是如果轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求不高，則可以采用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種四輪結(jié)

構(gòu)雖然控制簡(jiǎn)單，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)也不是很復(fù)雜，但是它只適合與單

向行駛，而且由于驅(qū)動(dòng)輪在后端，所以最小轉(zhuǎn)彎半徑較大。

②轉(zhuǎn)向輪為驅(qū)動(dòng)輪式。

這種方式的四輪結(jié)構(gòu)也是目前市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的一種輪系結(jié)

構(gòu)，工業(yè)生產(chǎn)中使用的叉車(chē)就類(lèi)似于這種結(jié)構(gòu)，其機(jī)械視覺(jué)圖如圖

1-3所示。

圖「3轉(zhuǎn)向輪為驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)械效果圖

在這種結(jié)構(gòu)中，前面兩個(gè)為用直流步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)向角度的轉(zhuǎn)

向輪，同時(shí)在每個(gè)轉(zhuǎn)向輪上安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)輪子，后面兩

個(gè)輪子為從動(dòng)輪。為了保證兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的一致，可以使用

和汽車(chē)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的連桿傳動(dòng)方式，如果要求轉(zhuǎn)彎半徑較小，也可采

用圖中所示的同步帶傳動(dòng)方式。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)中從動(dòng)輪部分機(jī)械結(jié)

構(gòu)較簡(jiǎn)單，因此可以方便的安裝減震系統(tǒng)，而且在小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，為

了使從動(dòng)輪的內(nèi)外側(cè)輪子產(chǎn)生速度差，兩個(gè)從動(dòng)輪必須獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)而

不可以使用同軸聯(lián)接。這種結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制上都非常靈活和

簡(jiǎn)單，而且能滿足較小的轉(zhuǎn)彎半徑，但是正如上面所述，由于它的

輪系結(jié)構(gòu)需要增加很多機(jī)械部件的支持，否則會(huì)造成致命的缺陷，

這樣就增加了機(jī)械部分的復(fù)雜性，從而也增加了小車(chē)的自重和成

本。

(3＞其它結(jié)構(gòu)

以上敘述的三輪結(jié)構(gòu)和四輪結(jié)構(gòu)其實(shí)是最簡(jiǎn)單，也是最常見(jiàn)的

兩種輪系結(jié)構(gòu)，在它們的基礎(chǔ)上可以演變出其它的輪系結(jié)構(gòu)：如三

輪結(jié)構(gòu)往往會(huì)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中側(cè)翻，因此可以在轉(zhuǎn)向輪兩側(cè)安置兩個(gè)

貼近地面的輪子，這種輪系結(jié)構(gòu)也是目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的改進(jìn)性三輪

結(jié)構(gòu)。其它的輪系結(jié)構(gòu)其基本原理都和上述輪系結(jié)構(gòu)相似，因此不

再詳述。

2、自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)輪系結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)

在確定本設(shè)計(jì)AGV的輪系結(jié)構(gòu)前，有一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)必須

確定：小車(chē)是單向行駛還是雙向行駛，因?yàn)檫@將直接關(guān)系到小車(chē)輪

系結(jié)構(gòu)的選擇。鑒于本設(shè)計(jì)小車(chē)要求雙向行駛，我們選定了六輪結(jié)

構(gòu)，中間兩輪驅(qū)動(dòng)，其它為萬(wàn)向輪型的輪系結(jié)構(gòu)，其機(jī)械視覺(jué)圖如

圖1-4所示。

主動(dòng)輪及電機(jī)

圖1-4六輪結(jié)構(gòu)機(jī)械效果圖

從圖中我們可以看出，這款小車(chē)的輪系結(jié)構(gòu)和上面提到的幾種

結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。首先它采用了六輪的底盤(pán)，中間兩個(gè)定向輪為

驅(qū)動(dòng)輪，前后四個(gè)萬(wàn)向輪為從動(dòng)輪，這和目前美國(guó)研制的火星探測(cè)

車(chē)的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類(lèi)似。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，小車(chē)可以前進(jìn)或后退；

通過(guò)內(nèi)外側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度差實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)彎；而當(dāng)一個(gè)電機(jī)正

轉(zhuǎn)，一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)原地轉(zhuǎn)彎。這種輪系結(jié)構(gòu)不但控

制簡(jiǎn)單，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)也沒(méi)有上述輪系結(jié)構(gòu)那么復(fù)雜，同時(shí)它不需

要很多的機(jī)械部件的支持，這樣不但節(jié)省了成本，也減少了控制難

度。

但是這種六輪結(jié)構(gòu)有一個(gè)缺點(diǎn)，如圖中所示，兩對(duì)從動(dòng)輪分別

安裝在主動(dòng)輪軸的兩側(cè)，當(dāng)小車(chē)行駛到不平的路面時(shí)，主動(dòng)輪很容

易被兩側(cè)的從動(dòng)輪抬離地面，而使驅(qū)動(dòng)輪不能驅(qū)動(dòng)小車(chē)行駛，因此

需要在從動(dòng)輪上安裝減振彈簧等機(jī)械部件，使得六個(gè)輪子能與地面

充分接觸，保持和地面的摩擦力。

3、自導(dǎo)引小車(chē)的性能要求

在確定了小車(chē)的輪系結(jié)構(gòu)以后，我們還必須確定小車(chē)載重、轉(zhuǎn)

彎半徑、行駛速度等技術(shù)指標(biāo)。

首先我們要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)殡姍C(jī)的性能參數(shù)直接決

定著整輛小車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力。在選型過(guò)程中，主要考慮電機(jī)

的額定電壓和額定功率這兩個(gè)參數(shù)。電機(jī)的輸出功率和小車(chē)的重量

之間存在以下關(guān)系：

式中P為電機(jī)功率，u為摩擦系數(shù)，m為小車(chē)重量，g為重力

加速度〈9.8m/s2),v為

小車(chē)的最大速度。按照小車(chē)的最大重量〈承重加自重)為30kg,摩

擦系數(shù)按照0.15,最大行駛速度為0.5m/s計(jì)算，電機(jī)總的最大輸

出功率為22.05W,因?yàn)樾≤?chē)使用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此每個(gè)電機(jī)的

額定功率必須要大于HWo考慮到為了便于其它控制電路的取電，

電機(jī)的額定電壓取24V,這樣兩個(gè)12V10Ah的蓄電池串聯(lián)即可作為

整個(gè)系統(tǒng)的電源。在滿足上面要求的條件下，為了節(jié)省成本，我們

采用一款額定電壓為24V,功率為15W,轉(zhuǎn)速為128圈每分鐘的直流

減速電機(jī)。

在確定了電機(jī)型號(hào)和小車(chē)的行駛速度后，小車(chē)輪子的直徑也可

以確定，小車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的直徑和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的公式如下：

3

式中v為小車(chē)的最大行駛速度，n為電機(jī)每分鐘的最大轉(zhuǎn)速，d

為驅(qū)動(dòng)輪的直徑，而我們選定的電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速是128r/m,v為

0.5m/s,因此可以得到驅(qū)動(dòng)輪直徑d約為0.075m。

在確定了小車(chē)的幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)后，根據(jù)小車(chē)的設(shè)計(jì)要求

我們得出一張如表1T所示的小車(chē)機(jī)械指標(biāo)表。

表1T小車(chē)各項(xiàng)機(jī)械技術(shù)指標(biāo)

小車(chē)控制方

自動(dòng)/手動(dòng)最大行駛速度Im/s

式

導(dǎo)航方式紅外循跡輪系結(jié)構(gòu)六輪結(jié)構(gòu)

車(chē)輪直徑75mm驅(qū)動(dòng)方式雙輪差速驅(qū)動(dòng)

工作時(shí)間連續(xù)接受負(fù)載方式可選自動(dòng)/手動(dòng)

電池組天能24V/10Ah〈免維修）負(fù)載能力最大15kg

蔽障方式超聲波自重15kg

卸貨方式自動(dòng)卸貨行駛方向雙向〈前、后）

、自動(dòng)導(dǎo)引方案的設(shè)計(jì)及傳感器的選擇與分析

1、國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的幾款A(yù)GV特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方案的分析

在設(shè)計(jì)前期我們對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾款A(yù)GV進(jìn)行了調(diào)

研，對(duì)它們的性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案作了詳細(xì)的分析和比較。這些

AGV按照其自動(dòng)行駛過(guò)程中的導(dǎo)引方式，主要分為以下三款：電磁

感應(yīng)引導(dǎo)式AGV,激光引導(dǎo)式AGV,視覺(jué)引導(dǎo)式AGV,現(xiàn)對(duì)這三款

AGV的設(shè)計(jì)思路和方案及特性進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

①電磁感應(yīng)引導(dǎo)式AGV

電磁感應(yīng)式引導(dǎo)是最早成功應(yīng)用于無(wú)軌AGV的導(dǎo)引方法，也是

目前無(wú)軌AGV主要采用的導(dǎo)引方式。該方式需要在預(yù)先設(shè)定的行駛

路徑上埋設(shè)專(zhuān)門(mén)的電纜線，當(dāng)高頻電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生

電磁場(chǎng)，此時(shí)安裝在AGV車(chē)體兩端的電磁傳感器通過(guò)電磁感應(yīng)原理

產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。由于根據(jù)傳感器偏離軌跡的遠(yuǎn)近程度可產(chǎn)生強(qiáng)度不

同的電磁信號(hào)，因此系統(tǒng)可以通過(guò)采樣傳感器的電磁信號(hào)，從而軟

件調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。該方法可靠性高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，主要問(wèn)

題是：AGV的行駛路徑改變非常困難，而且埋線對(duì)地面要求較高，

一旦電纜出現(xiàn)問(wèn)題，維護(hù)非常困難。同時(shí)，該方式實(shí)現(xiàn)的成本也很

高。

②激光引導(dǎo)式AGV

這種方法是在AGV上安裝有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器，在運(yùn)行路徑

沿途的特定位置處安裝高反光性的反射鏡面，AGV在運(yùn)行途中，不

斷用激光掃描器發(fā)射的激光束照射這些鏡面，利用入射光束與反射

光束提供的夾角信息、入射光束與反射光束的時(shí)間差信息等，根據(jù)

數(shù)學(xué)模型計(jì)算出AGV當(dāng)前的位置以及運(yùn)動(dòng)的方向，通過(guò)和內(nèi)置的數(shù)

字地圖進(jìn)行對(duì)比來(lái)校正方位，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。

這種導(dǎo)引方式的特點(diǎn)是當(dāng)提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描

空間后，AGV導(dǎo)引與定位精度十分高，且提供了任意路徑行走和規(guī)

劃的可能性。但是該方式成本昂貴，傳感器電路、反射裝置的安裝

都十分復(fù)雜，且算法也很復(fù)雜。

③視覺(jué)引導(dǎo)式AGV

視覺(jué)引導(dǎo)方式是一種正在快速發(fā)展和成熟的AGV導(dǎo)引方式，這

種方法在AGV上裝備CCD攝像機(jī)和傳感器，在AGV運(yùn)行線路上建立

色標(biāo)，在主控芯片中存儲(chǔ)有AGV欲行駛路徑周?chē)h(huán)境的圖像數(shù)據(jù)

庫(kù)。在AGV行駛過(guò)程中，攝像機(jī)動(dòng)態(tài)的獲取車(chē)輛周?chē)h(huán)境圖像信

息，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行特征識(shí)別，并與圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，

從而確定當(dāng)前位置，并對(duì)下一步行駛做出決策。

這種AGV由于不要求人為設(shè)置任何物理路徑，因此具有最佳的

引導(dǎo)柔性，適應(yīng)性非常強(qiáng)。但是該方法對(duì)照明和色標(biāo)清潔度有一定

要求，而且這類(lèi)AGV造價(jià)非常昂貴，同時(shí)由于CCD傳感器開(kāi)發(fā)非常

困難，算法復(fù)雜度高，一般的8位，16位MCU都無(wú)法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

由此可見(jiàn)，目前市場(chǎng)上存在的幾款A(yù)GV雖然各有特點(diǎn)，但是由

于他們?cè)靸r(jià)高昂、維護(hù)困難、柔性較低、工藝復(fù)雜，導(dǎo)致它們不能

在國(guó)內(nèi)企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的小車(chē)，這里采用紅外導(dǎo)引的方式，應(yīng)用紅外模

塊完成小車(chē)的循跡。

該模塊主要由一對(duì)紅外收發(fā)傳感器組成。紅外信號(hào)在碰到深色＜

如黑色）的物體時(shí)將被大部分吸收，而碰到淺色〈如白色）的物體時(shí)

將被大部分反射，利用這一特點(diǎn)，將小車(chē)行駛地面設(shè)置成淺色調(diào)，

而軌跡設(shè)置成深色調(diào)。紅外發(fā)射傳感器發(fā)射的紅外信號(hào)在深色軌跡

上產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)，而在淺色地面上產(chǎn)生很強(qiáng)的反射信號(hào)；紅

外接收傳感器根據(jù)接收到的反射信號(hào)強(qiáng)度的不同，產(chǎn)生不同的輸出

電壓；主控芯片采樣該電壓值，從而調(diào)節(jié)小車(chē)左右電機(jī)的速度差，

使小車(chē)能夠沿著軌跡行駛。

2、控制硬件及傳感器的選擇

硬件部分主要由主控板，超聲波模塊，紅外模塊，重力加速度

模塊，測(cè)速模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電量檢測(cè)模塊，指示燈模塊等部

分組成。硬件部分的每個(gè)模塊都和機(jī)械部件有緊密的聯(lián)系，它們必

須結(jié)合機(jī)械部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。以下簡(jiǎn)要介紹硬件部分各個(gè)模塊

的功能。

①主控板

主控板主要是由Freesclae半導(dǎo)體公司推出的一款基于CPU08

核心的8位嵌入式MCUMC68HC908MR32構(gòu)成的最小系統(tǒng)。該芯片具

有功耗低，功能多，體積小等優(yōu)勢(shì)，主要用于汽車(chē)電子，工業(yè)控制

等領(lǐng)域，比較適合開(kāi)發(fā)帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。主控板上

還留出和其它功能模塊的接口，便于系統(tǒng)的改進(jìn)。

②超聲波模塊

超聲波模塊是用來(lái)檢測(cè)小車(chē)行駛途中是否有障礙物，該模塊主

要由一對(duì)超聲波收發(fā)傳感器和控制芯片MC68HC908QT4組成。當(dāng)超聲

波發(fā)射傳感器發(fā)射的聲波在傳播途中碰到障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射，而

被反射的聲波信號(hào)將被超聲波接收傳感器接收，同時(shí)控制芯片利用

聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物與小車(chē)的距離，從而決定小

車(chē)的運(yùn)行狀況。該模塊保證小車(chē)在行駛途中避免和障礙物碰撞影響

小車(chē)的正常行駛。

③紅外模塊

上面已提及，這里不再贅述。

④重力加速度模塊

重力加速度模塊利用重力加速度芯片MMA1260D來(lái)檢測(cè)小車(chē)行駛

途中是否碰到太過(guò)陡峭的坡度。因?yàn)槿绻露冗^(guò)大不但會(huì)使小車(chē)上

的貨物掉落，而且如果貨物過(guò)重，會(huì)使得爬坡能力下降，這樣就會(huì)

無(wú)法正常行駛。

⑤測(cè)速模塊

測(cè)速模塊是由一個(gè)光電編碼盤(pán)和一對(duì)紅外對(duì)管組成，碼盤(pán)固定

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，而其邊緣位于對(duì)管中間。當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接

收傳感器輸出一定頻率的方波，而根據(jù)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周輸出方波所需

要的時(shí)間，即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。該模塊主要完成對(duì)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的檢

測(cè)，這樣就能保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪能夠達(dá)到完全的同速行駛，使小車(chē)在

直道上盡量保持直線行駛，而且在設(shè)計(jì)前期也需要通過(guò)該模塊來(lái)測(cè)

試電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，從而確定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

⑥電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定向輪上的直流減速電機(jī)和

載物臺(tái)上的渦輪減速電機(jī)，該模塊主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298、電流

檢測(cè)電路和主控芯片保護(hù)電路組成。

⑦電量測(cè)試模塊

電量檢測(cè)模塊主要是用來(lái)檢測(cè)蓄電池是否需要充電，該模塊利

用簡(jiǎn)單的電壓檢測(cè)法來(lái)測(cè)試電量。由于蓄電池提供的工作電壓為

24v,因此在主控芯片MR32進(jìn)行A/D采樣之前，需要先經(jīng)過(guò)分壓電

阻分壓。采樣到的AD值通過(guò)內(nèi)部換算與電壓閥值比較，從而得到蓄

電池電量狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，提醒用戶立即給蓄電池充

電。

⑧指示燈模塊

指示燈模塊主要用來(lái)指示小車(chē)各個(gè)功能模塊的運(yùn)行狀況，同時(shí)

還指示各個(gè)硬件電路的運(yùn)行狀況。

三、小車(chē)驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)與分析

1、驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部件是機(jī)械部分的核心部分，它主要完成小車(chē)的行走，導(dǎo)

向等任務(wù)。本設(shè)計(jì)中的小車(chē)使用的是六輪二驅(qū)，即中間兩個(gè)為電機(jī)

驅(qū)動(dòng)的定向輪，前后四個(gè)萬(wàn)向輪。載物臺(tái)是由十多根矩形空心鋼管

組成，將這些鐵棍間隔的固定在鏈條上，然后通過(guò)一個(gè)渦輪減速電

機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)帶動(dòng)它們平動(dòng)，這樣就可以將貨物自動(dòng)的卸載。

2、運(yùn)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

在嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，硬件選型的合理性、可行性以及可靠性

將直接影響著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也決定了產(chǎn)品的性能，還可能會(huì)

影響到產(chǎn)品成形后的生產(chǎn)。因而硬件選型是嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)

重要環(huán)節(jié)。在硬件選型時(shí)應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，成本問(wèn)

題，開(kāi)發(fā)的難易程度問(wèn)題，元件購(gòu)買(mǎi)途徑問(wèn)題，用戶需求問(wèn)題等

等。而硬件選型主要是主控芯片的選型，選擇一種功能強(qiáng)大但又不

浪費(fèi)資源的主控芯片是十分重要的。以下將以主控芯片選型為例從

技術(shù)角度來(lái)闡述一下對(duì)硬件選型時(shí)所需要綜合考慮的幾個(gè)因素：

<1）是否有合理的RAM和Flash大??；

<2）是否有足夠的I/O引腳數(shù)目；

<3）內(nèi)部是否包含所需的功能模塊；

<4）芯片的封裝形式是否適合設(shè)計(jì)的需要；

<5）與芯片相關(guān)的寫(xiě)入器，編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是否具有可

開(kāi)發(fā)性，或者是否能從第三方得到；

<6）是否能夠購(gòu)買(mǎi)到，或者能夠申請(qǐng)到樣片；

<7）語(yǔ)言體系與熟悉程度。

在選型時(shí)，應(yīng)盡量避免芯片資源的浪費(fèi)造成產(chǎn)品成本增加，所

以RAM和Flash大小以及I/O引腳數(shù)目應(yīng)該能足夠滿足設(shè)計(jì)的需

要，同時(shí)芯片內(nèi)部功能模塊也應(yīng)該盡量包含設(shè)計(jì)時(shí)的大部分需要。

芯片的封裝形式主要是出于對(duì)設(shè)計(jì)的前期實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品的后期生產(chǎn)的

考慮。通常我們采用的封裝形式有雙列直插和貼片形式，其中雙列

直插封裝體積相對(duì)龐大，但是其易于插拔，在實(shí)驗(yàn)時(shí)較方便；而貼

片封裝雖然焊接麻煩，但是其體積小，節(jié)約空間，因此比較適合產(chǎn)

品體積較小的設(shè)計(jì)。在芯片選型過(guò)程中必須要考慮與之緊密相關(guān)的

寫(xiě)入器，編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的問(wèn)題，通常一個(gè)通用寫(xiě)入器少則

幾千，多則幾萬(wàn)，對(duì)于開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)性工程明顯不適合，所以就

需要自主開(kāi)發(fā)，降低成本。而且同一類(lèi)芯片往往其其寫(xiě)入器開(kāi)發(fā)流

程相似，所以易于移植，這樣也為將來(lái)同類(lèi)芯片開(kāi)發(fā)工程奠定了基

礎(chǔ)。

在對(duì)本設(shè)計(jì)需求分析后，發(fā)現(xiàn)16位單片機(jī)不適合用戶需求，

主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

<1）本設(shè)計(jì)中使用到的I/O引腳數(shù)目不多于30個(gè)，而一般16

位單片機(jī)其I/O引腳數(shù)目往往多達(dá)50個(gè)，如選用將會(huì)造成大量引腳

閑置；

<2）本設(shè)計(jì)中芯片片內(nèi)Flash的要求為不超過(guò)20K,而一般16

位單片機(jī)的片內(nèi)Flash容量往往都很大，這樣易造成資源的浪費(fèi)；

<3）16位單片機(jī)中有很多功能模塊在本設(shè)計(jì)中是用不到的。

針對(duì)以上出現(xiàn)的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中選用了Freescale半導(dǎo)體公司

08系列中資源較豐富的MC68HC908MR32MCU（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MR32》作為本

設(shè)計(jì)的主控芯片。該款芯片的I/O引腳、片內(nèi)Flash和功能模塊全

部符合設(shè)計(jì)要求，而且本設(shè)計(jì)中所需驅(qū)動(dòng)的電機(jī)達(dá)四個(gè)之多，而該

芯片正是Freescale公司推出的專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的新型MCU,因此選

用這款芯片還是比較合適的。

本設(shè)計(jì)中要選擇的另一款芯片是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)

電流較大，因而不能簡(jiǎn)單地利用芯片引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，必須用專(zhuān)門(mén)的

驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)電機(jī)特性的分析決定采用ST半導(dǎo)體公司推

出的L298芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它的驅(qū)動(dòng)電壓最高可達(dá)46V,瞬間

峰值電流可達(dá)3A,持續(xù)工作電流為2A,是一款理想的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

芯片。

①M(fèi)R32微控制器

MR32MCU是Freescale半導(dǎo)體公司于2001年上半年推出的一

款低功耗、高性能的，專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的08系列芯片。該款芯片

的主要特征如下：

<1)最高可達(dá)8MHz的內(nèi)部總線頻率

<2)32K片內(nèi)FLASH,可以進(jìn)行在線編程，768B片內(nèi)RAM,240B

監(jiān)控ROM

<3)FLASH數(shù)據(jù)保密功能

<4)12位，6通道的PWM〈脈寬調(diào)制)輸出模塊

<5)16位，4通道的定時(shí)器接口模塊"1加9

<6)16位，2通道的定時(shí)器接口模塊<TIMB)

<7)10位，10通道的A/D〈模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換模塊〈ADC)

<8)6個(gè)并行輸入輸出端口，共有37個(gè)輸入輸出引腳和7個(gè)輸

入引腳。

<9)串行同步接口模塊(SPI>

<10)串行異步接口模塊(SCD

<11）系統(tǒng)保護(hù)措施包括：看門(mén)狗復(fù)位模塊，低電壓檢測(cè)復(fù)位模

塊，PWM故障檢測(cè)

MC68HC908MR32MCU采用64腳QFP封裝，體積小,可靠性高，

適合高頻低功耗應(yīng)用，各引腳功能分布如下：

<1）電源類(lèi)引腳

VDD、VSSC40腳、41腳）：電源供給端；VDDA、VREFH、VSSA、

VREFIX9腳、10腳、11腳、12腳）：內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的電源供給及

參考電壓輸入端；

VDDA、VSSA<50腳、54腳）：時(shí)鐘發(fā)生器模塊<CGM）的電源供

給端。

<2）控制類(lèi)引腳

RST<49腳）：外部低有效復(fù)位輸入或輸出腳，有內(nèi)部上拉電

阻；

IRQ<48M）：外部中斷輸入腳，有內(nèi)部上拉電阻。

<3）I/O類(lèi)引腳

PTA7?PTA0V62?55腳）：8位通用I/O口;

PTB7/AD7-PTB0/AD0<5-0腳，63腳）：8位通用雙向I/O

口，也可作為8路8位A/D轉(zhuǎn)換輸入腳；

PTC6?PTCCK7?8腳,13?17腳）：有兩路可以作為A/D轉(zhuǎn)換引

腳，同時(shí)同RTC可以作為7位I/O口;

PTD6/IS3?PTD4/IS1,PTD3/FAUL4?PTD0/FAULK24?18

腳）：為7為通用輸入口，同時(shí)有4路可以用做PWM模塊的FAULT

輸入引腳；

PTE7/TCH3A?PTE0/TCLKBV39?32腳）：為8位通用I/O口，

同時(shí)包含定時(shí)器模塊5個(gè)引腳；

PTF5/TXD?PTF1/SS<47~42腳）：有6路輸入輸出，4路可以用

于SPI模塊，2路用于SCI模塊。

<4）PWM引腳

PWM6?PWM1<25~31腳）：6路PWM通道，用于控制占空比的變

化。

<5）其它

CGMXFCX51腳）：CGM的外部濾波電容連接腳；

OSCK0SC2V53?52腳）：片內(nèi)振蕩器引腳。

②電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298

L298是ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流、小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)

芯片。該芯片內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用

來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等電感性負(fù)載；采

用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入

信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，

使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化

量反饋幺合控制電路。其具有以下電氣特性：

<1)電源驅(qū)動(dòng)電壓Vs可達(dá)5V?46V,邏輯支持電壓Vss為

4.5V?7V；

<2)輸入高電壓Vih為2.3?Vss,輸入低電壓為0V?1.5V；

<3)峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A,正常工作電流為2A,總驅(qū)動(dòng)電流可

達(dá)4A；

<4)響應(yīng)速度快，提供納秒級(jí)的響應(yīng)速度；

<5)提供過(guò)溫保護(hù)，工作溫度范圍可達(dá)-25℃?130℃,正常工

作溫度為13℃~35℃o溫度過(guò)高或溫度過(guò)低時(shí)，芯片均會(huì)停止工

作，防止其損壞。

L298采用的是15腳的Multiwatt封裝，各引腳功能分布如表

3-1所示：

表3TL298引腳功能定義

引腳符號(hào)功能

1CURRENTSENSINGA在這兩個(gè)引腳與地(GND)之間連接電流檢測(cè)電阻，用來(lái)反饋負(fù)我電流，實(shí)現(xiàn)

15CURRENTSENSINGB恒流控制。

2OUTPUT1

此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器A的輸出端，用來(lái)連接負(fù)技。

3OUTPUT2

4SUPPLYVOLTAGE電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端，此腳和地(GND)之間需要連接100nF的無(wú)感電容.

5INPUT1

輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),用來(lái)控制全橋式卵動(dòng)牌A的開(kāi)關(guān)。

*INPUT2

6ENABLEA使能控制端，輸入標(biāo)準(zhǔn)1TL邏輯電平信號(hào):分別控制全橋式驅(qū)動(dòng)器A和&

11ENABLEB低電平時(shí)全橋式驅(qū)動(dòng)器A(B)禁止1：作，輸出端1與2(3與4)無(wú)輸出.

8GND接地端.

9LOGICSUPPLY邏輯控制部分的電源輸入端.

VOLTAGE

10INPUT3

輸入標(biāo)準(zhǔn)TIL邏輯電平信號(hào),用來(lái)控制全橋式驅(qū)動(dòng)器B的開(kāi)關(guān)。

12INPUT4

13OUTPUT3

此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器B的輸出端，用來(lái)連接負(fù)我。

14OUTPUT4

3、主控芯片最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

<1)MC68HC908MR32支撐電路

單片機(jī)的運(yùn)行需要一個(gè)支撐電路的支持產(chǎn)EfZ---------------1

GND1章名］

才能工作起來(lái)，一般支撐電路包括電源、時(shí)勺―

—產(chǎn)

鐘電路等。圖3-1所示為即為主控芯片MR32GND*-T!丁卜s

IMC68HC908MR32)

的支撐電路。在圖3-1中,引腳0SC1和圖3-1MC68HC908MR32支撐

電路

0SC2分別為芯片內(nèi)振蕩器輸入引腳和輸出引腳，該電路所需要的元

件有：4.92Mhz的石英晶振，20P的晶體固定電容〈與0SC1相連)，

20P晶體微調(diào)電容〈與0SC2相連)及10M的反饋電阻。因?yàn)榫д耠?/p>

路是非常敏感的模擬電路，是整個(gè)硬件電路的核心，它的穩(wěn)定性將

直接影響到整個(gè)電路的穩(wěn)定運(yùn)行，因此要格外注意該電路的布線方

式。一般晶振與單片機(jī)引腳應(yīng)盡量靠近，且將晶振電路的外接器件

都用地線圍繞起來(lái)，如果電路板空間允許，晶振應(yīng)該采用臥式安

裝，將外殼焊接在地線上，最大限度地減小對(duì)外的電磁干擾。VDD

和VSS為芯片的電源引腳，其中VDD接+5V,VSS接電源地，為了提

高電源電壓的穩(wěn)定性，在VDD與VSS間并聯(lián)兩個(gè)濾波電容。

完成支撐電路的搭建以后，應(yīng)該使用萬(wàn)用表和示波器等工具檢

測(cè)一下電源是否正常供電、晶振是否起振，而對(duì)芯片工作狀況的檢

測(cè)，則應(yīng)該通過(guò)軟件的方式。通過(guò)第三方提供的寫(xiě)入器，將芯片的

初始化和簡(jiǎn)單的I/O控制程序燒寫(xiě)到芯片內(nèi)，通過(guò)I/O口驅(qū)動(dòng)的指

示燈的變化情況來(lái)確定芯片是否正常工作。

<2)MC68HC908MR32最小系統(tǒng)

主控芯片的支撐電路設(shè)計(jì)好后，接下來(lái)需要解決用戶程序的寫(xiě)

入問(wèn)題。Freescale半導(dǎo)體公司為08系列的MCU提供了監(jiān)控ROM。

監(jiān)控ROM是指MCU出廠前固化在芯片內(nèi)部ROM中的一段程序，其中

包含了有關(guān)系統(tǒng)檢測(cè)、Flash編程以及串行監(jiān)控方式。用戶可以通

過(guò)監(jiān)控ROM提供的讀、寫(xiě)等操作命令實(shí)現(xiàn)程序的寫(xiě)入，即監(jiān)控方式

下的在線編程。然后這種方式下的程序下載存在兩大缺陷：一是需

要一個(gè)Flash編程高電壓，且其它引腳還需要滿足特定的設(shè)置才能

進(jìn)入監(jiān)控方式，操作非常不方便；二是程序的下載是半雙工的，且

是單線通信方式，下載速度較慢。

為了解決監(jiān)控方式下寫(xiě)入程序的不足，我們常采用的方法是利

用MCU的片內(nèi)Flash空間較大且一般都帶有串行通信模塊的特點(diǎn)，

在片內(nèi)Flash中劃出部分存儲(chǔ)空間，用于駐留用戶自定義的監(jiān)控程

序。監(jiān)控程序的主要功能是單片機(jī)通過(guò)串口與PC機(jī)通信，與PC方

的在線編程系統(tǒng)共同完成程序的下載和調(diào)試。帶有串口通信和支撐

電路的系統(tǒng)就是一個(gè)能完成程序下載、調(diào)試和運(yùn)行的最小系統(tǒng)。

MC68HC908MR32最小系統(tǒng)的硬件連線如圖3-2所示。

中口電路

116

品振電路M

工3

CM

。/A

GND*10M62

工X

8526

H13

CD2214

Rx1

9D113

+5V，0TX

電源8

???朋?麻\%SM

......二…?幽”R

3

黑二nn"SET2

0luF*k：

復(fù)位電路I—J：l---

圖3-2MC68HC908MR32最小系統(tǒng)

從圖3-2中可以看出，最小系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1）晶振電路：該電路主要產(chǎn)生芯片內(nèi)部各個(gè)模塊的時(shí)鐘源;

2）電源電路：該電路主要給芯片提供穩(wěn)定的+5V直流電壓;

3）復(fù)位電路：該電路為芯片提供一個(gè)下降沿跳變，使芯片復(fù)

位。MR32的RESET引腳平時(shí)被10K的電阻上拉到+5V,為高電平，

當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，該引腳通過(guò)51的電阻接地，變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)

生下降沿跳變，芯片復(fù)位。

4）串口電路：該電路主要目的是將MCU的發(fā)送引腳TxD與接收

引腳RxD,通過(guò)RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232轉(zhuǎn)換為RS-232電平。

MR32的串行通信引腳47<TxD）、46<RxD）分別接MAX232的

1KT1IN）、12<R10UT）,MAX232的13<R1IN）、14<T10UT）分別為

RS-232電平的接收與發(fā)送引腳。當(dāng)MCU需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU的

TxD<TTL電平）經(jīng)過(guò)MAX232的T1IN送到MAX232內(nèi)部，在內(nèi)部TTL

電平被“提升”為RS-232電平，通過(guò)T10UT發(fā)送出去；當(dāng)外部有數(shù)

據(jù)傳送到MCU時(shí)，外部RS-232電平經(jīng)過(guò)MAX232的RUN進(jìn)入到

MAX232的內(nèi)部，在內(nèi)部RS-232電平被“降低”為T(mén)TL電平，經(jīng)過(guò)

R10UT送到MCU的RxD,進(jìn)入MCU內(nèi)部。

4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要完成對(duì)小車(chē)輪子的驅(qū)動(dòng)和載物臺(tái)卸貨裝置的

驅(qū)動(dòng)，該模塊的硬件電路圖如圖3-3所示。

圖3-3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路

雖然L298總驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4A,但是每一路的最大驅(qū)動(dòng)電流只

有2A,為了使得L298能達(dá)到其最大的驅(qū)動(dòng)電流，設(shè)計(jì)中將L298內(nèi)

含的兩路驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)。如圖所示，芯片的6腳〈EnableA）和11腳

<EnableA）連接，生成Enable腳用于控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止；芯

片的5腳〈INPUT1）和12腳（INPUT4）連接，生成IN1腳，7腳

<INPUT2）和10腳〈INPUT3）連接，生成IN2腳，用于控制電機(jī)的

轉(zhuǎn)向；芯片的2腳〈OUTPUT1）和14腳〈OUTPUT4）連接，生成

0UT1腳，3腳〈OUTPUT2）和13腳〈OUTPUT3）連接，生成0UT2

腳，此兩腳是驅(qū)動(dòng)器的輸出端，用來(lái)連接負(fù)載。由于電機(jī)是感性負(fù)

載，所以需要在L298的輸出端接四個(gè)快速二極管IN5822組成續(xù)流

電路，將電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電流消耗，防止對(duì)電路產(chǎn)生影響。L298還

提供了兩個(gè)負(fù)載電流的反饋引腳：1腳和15腳，將它們同時(shí)接一個(gè)

0.1歐姆，1?2W的電流檢測(cè)電阻，再接地，此時(shí)就可以通過(guò)對(duì)1腳

或者15腳進(jìn)行A/D采樣，來(lái)得到電路中負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)恒流控制。

L298有4腳〈VS）和9腳〈VSS）兩個(gè)電源引腳，4腳為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源

輸入端，該電壓需要比9腳輸入電壓大，否則將會(huì)影響芯片的正常

工作，而9腳為芯片工作電壓輸入端。L298的Enable、INI和IN2

引腳分別接主控芯片MR32的PTD4、PTAO和PTA1引腳，通過(guò)這三個(gè)

I/O口的信號(hào)輸出來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。但是由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電

路工作時(shí)電流非常大，為了避免燒毀主控電路，需要在這兩個(gè)電路

之間加一個(gè)如圖3-4所示的主控芯片保護(hù)電路。

圖3-4主控芯片保護(hù)電路

如圖所示，只需在MR32的I/O引腳與L298的控制引腳之間加

上肖特極二極管1N4148,即可起到保護(hù)控制端電路的目的，肖特極

二極管1N4148用于嵌壓，使MR32的I/O引腳電壓保持在5.7V,當(dāng)

L298三個(gè)控制引腳產(chǎn)生24V的反向電壓時(shí)，二極管1N4148正向?qū)?/p>

通，由于4.7K電阻的存在，使得反向電流非常小，因此保護(hù)了后端

電路。

四、控制流程的設(shè)計(jì)以及控制程序

的編寫(xiě)

1、控制流程

圖4-1所示為自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)的

工作流程框圖

在小車(chē)啟動(dòng)之前，首先進(jìn)行電

量檢測(cè)模塊的測(cè)試。為了測(cè)試該模

塊工作情況，這里將電量狀態(tài)值置

為充電狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)值寫(xiě)入MR32的FLASH存儲(chǔ)器0x8000處。

當(dāng)小車(chē)上電后獲取蓄電池電量狀態(tài)為充電狀態(tài)，同時(shí)蓄電池電量采

樣值小于充電滿標(biāo)志電壓時(shí)，指示燈提示用戶需要對(duì)蓄電池充電，

同時(shí)小車(chē)停止啟動(dòng)；如果蓄電池電量采樣值大于充電滿標(biāo)志電壓

時(shí)，指示燈標(biāo)識(shí)小車(chē)正常啟動(dòng)，同時(shí)寫(xiě)FLASH存儲(chǔ)器0x8000處為工

作狀態(tài)。在完成電量檢測(cè)以后，如果小車(chē)可以正常啟動(dòng)，系統(tǒng)將等

待按鍵輸入，同時(shí)對(duì)按鍵值進(jìn)行A/D采樣，以確定小車(chē)初始行駛方

向。在按鍵輸入完成，小車(chē)指示燈顯示小車(chē)的行駛方向，同時(shí)啟動(dòng)

定時(shí)器，小車(chē)各個(gè)功能模塊開(kāi)始工作，小車(chē)開(kāi)始加速啟動(dòng)。為了避

免小車(chē)在探測(cè)到障礙物減速時(shí)偏離軌道，將循跡子程序和對(duì)超聲波

測(cè)障模塊的AD采樣子程序都放在定時(shí)器溢出中斷子程序中運(yùn)行。測(cè)

試結(jié)果表明這樣的程序設(shè)計(jì)使得小車(chē)在碰到障礙物減速到停止時(shí)，

能夠平穩(wěn)的停在軌跡上。

圖4-1自動(dòng)

導(dǎo)引小車(chē)系統(tǒng)工作流程圖

2、軟件設(shè)計(jì)

小車(chē)軟件設(shè)計(jì)的總體思想是：通過(guò)主控芯片對(duì)超聲波模塊、紅

外模塊和重力加速度等功能模塊的信號(hào)采樣處理，配合對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

模塊的編程實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)避障循跡，并將各模塊的編程以函數(shù)形式

合理封裝，供二次開(kāi)發(fā)的用戶調(diào)用。

<1）軟件功能概述

AGV的軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能：一是實(shí)現(xiàn)在線編程，可

將用戶自己的應(yīng)用程序在線寫(xiě)入到MR32片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)區(qū)的用戶程

序空間，支持用戶的二次開(kāi)發(fā)。這部分是由MR32用戶監(jiān)控程序完

成；二是實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)避障循跡，通過(guò)主控芯片MR32對(duì)超聲波模

塊、紅外模塊和重力加速度等功能模塊的信號(hào)采樣，并根據(jù)這些信

號(hào)選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。

<2）軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是確定編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具。由于用

C語(yǔ)言編制的程序易于移植、便于調(diào)試、可讀性好，而且有豐富的

庫(kù)函數(shù)，因此C語(yǔ)言已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言。但

不同于其他形式的軟件編程，嵌入式系統(tǒng)的編程是建立在特定的硬

件平臺(tái)上，勢(shì)必要求其編程語(yǔ)言具備較強(qiáng)的硬件直接操作能力，無(wú)

疑，匯編語(yǔ)言具備這樣的特質(zhì)，而且其執(zhí)行效率高、占用資源少。

但是匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)過(guò)程非常復(fù)雜，而且可讀性較差。因此可以采用

Motorola匯編和ImageCraftC共同編寫(xiě)系統(tǒng)的軟件部分，與硬件

有關(guān)的部分如初始化堆棧指針還是必須用匯編編寫(xiě)，另外，時(shí)序要

求嚴(yán)格的場(chǎng)合也采用了匯編編寫(xiě)；而與硬件無(wú)關(guān)的通用程序采用C

語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。

<3）MC68HC908MR32用戶監(jiān)控程序

監(jiān)控程序是為了實(shí)現(xiàn)用戶程序的在線寫(xiě)入，同時(shí)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)硬

件及底層軟件進(jìn)行調(diào)試而設(shè)計(jì)的一段短小精干的小程序，它是用專(zhuān)

門(mén)的寫(xiě)入設(shè)備〈寫(xiě)入器）固化到主控芯片的FLASH中。由于監(jiān)控程序

的存在使得用戶可以方便的向硬件平臺(tái)主控芯片中下載編譯好的用

戶程序代碼，這樣就不用像傳統(tǒng)的芯片下載程序方式那樣，每次向

芯片中下載程序時(shí)都要把芯片從硬件板上拔下來(lái)，下載完成后再插

回去，這點(diǎn)對(duì)于本系統(tǒng)尤為重要，因?yàn)橹骺匦酒琈R32是貼片