摘  要： 介紹了電磁制導(dǎo)方式，包括電磁信號的產(chǎn)生和檢測，信號的選頻放大以及TTL電平的轉(zhuǎn)換。小車控制核心綜合以上TTL電平信號，控制小車的行走狀態(tài)以實現(xiàn)多點自動運輸功能。根據(jù)其原理已做出了實物，并實現(xiàn)了基本功能，證明了該設(shè)計方案是可行的。
關(guān)鍵詞： 電磁制導(dǎo)；選頻放大；單片機

　自動導(dǎo)向車(AGV)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。
　AGV的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通信、機械設(shè)計和電子技術(shù)等多個學科，成為物流自動化研究的熱點之一。目前，AGV仍有多項關(guān)鍵技術(shù)有待提高和突破，以進一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費用。本文介紹的AGV主要解決導(dǎo)向及定位問題。
　綜合成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性能考慮，本設(shè)計采用電磁單頻導(dǎo)向技術(shù)結(jié)合非接觸式ID卡識別定位。電磁引導(dǎo)介質(zhì)采用柔性較好的漆包線，可不用專門開敷線槽，在試用階段可隨機根據(jù)實際情況設(shè)置線路走向(可用膠帶固定引導(dǎo)線)。非接觸式ID卡識別定位，采用PS/2接口及其傳輸協(xié)議(市面上有很多成熟產(chǎn)品)，在小車上安裝一個ID讀卡器，該讀卡器的有效距離可達15 cm，在各個站安裝一張ID卡，小車經(jīng)過時讀卡器在MCU的控制下讀出ID卡信息，即可實現(xiàn)定位。
　采用單頻電磁制導(dǎo)方式及非接觸式ID卡讀卡定位方式的優(yōu)點：系統(tǒng)比較簡單，易于維護；制造成本比較低；安裝簡單，引導(dǎo)線理論上可以只用一根完整的線。
1 基本原理
　電磁探測方法如圖1所示。1、2、3都是電磁探測頭，其中1、2是導(dǎo)向探頭，3是計數(shù)探頭，用來記錄小車的位置。A、B為兩個驅(qū)動輪，小車方向的改變由兩個驅(qū)動輪的配合完成。前導(dǎo)向輪是沒有動力的。
　小車的驅(qū)動方式：如圖1所示，小車的動力輪是后面的A、B兩個驅(qū)動輪，其轉(zhuǎn)向也是由這兩個動力輪協(xié)調(diào)工作完成。尋線走時，當1號和2號兩個探頭都有信號時，小車的兩個驅(qū)動輪都動，即為直走；當1號探頭有信號而2號沒有信號時，說明小車偏離了軌道，此時是A輪不動，B輪動，直到1、2兩個探頭都有信號為止；當1號沒有信號而2號有信號時，A輪動，B輪不動，直到1、2兩個探頭都有信號為止；當兩個探頭都沒有信號時，小車停止行走，停在原地。探頭信號有無與驅(qū)動輪停與走的關(guān)系如表1所示。

　3號探頭用于定位計數(shù)，每到一個站點就通過ID卡進行識別計數(shù)定位(即每測到一次信號就計一次數(shù))，直到所計的數(shù)與MCU中計算的值相等，說明小車到達了既定位置。3號探頭的關(guān)鍵就是計數(shù)要準確，不能誤計，否則就會使整個系統(tǒng)不能使用(小車只能一直沿著信號線走，不能定位)。
2 硬件設(shè)計
　AGV小車硬件設(shè)計部分由信號發(fā)生器、制導(dǎo)線路、電磁信號檢測、小車控制核心(MCU)、讀卡器、電機驅(qū)動組成，基本的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 制導(dǎo)線路
　制導(dǎo)線路的設(shè)置是本設(shè)計的關(guān)鍵部分，如果線路沒有設(shè)置好，后續(xù)的所有工作將不能完成。制導(dǎo)線路如圖3所示，其中虛線部分是屏蔽部分。由于電磁場是矢量，當電流方向大小相同且是平行的兩條線時，周圍的電磁都會相互抵消，故需要將虛線部分屏蔽。該布線的關(guān)鍵就是要將虛線部分的屏蔽工作做好，只有這樣，小車才能很好地完成尋線工作。

2.2 信號發(fā)生器
　為了產(chǎn)生電磁信號，由信號發(fā)生器來產(chǎn)生交變的電信號。為了產(chǎn)生足夠強的磁場，該信號發(fā)生器的輸入輸出電流不能太小，在使用專業(yè)的信號發(fā)生器來產(chǎn)生交變信號時，要將其設(shè)置成功率輸出模式，輸出電壓約為3 V。
　市面上的專用信號發(fā)生器的價格都比較貴，且其功能很多，而本設(shè)計因不能發(fā)揮其所有的性能，不需要那么多的功能，所以自制了一個簡單的信號發(fā)生器，只能產(chǎn)生頻率可調(diào)的且占空比不定的方波，其信號產(chǎn)生的基本流程如圖4所示。

　振蕩信號由如圖5所示的555產(chǎn)生。555頻率可調(diào)但是占空比不可調(diào)節(jié)(會隨頻率變化而變化)，查閱相關(guān)手冊可知，555工作電壓為5 V時輸出的電流為100 mA。為了得到很好的尋線效果，實際的電流要大于200 mA，故需要進行功率放大，其基本電原理圖如圖5所示。由555及其外圍電路組成的多諧振蕩器，其產(chǎn)生方波信號頻率為：
　f=1/0.7×(R1+2×R2)×C0
　R2是可變電阻，由該公式可以計算出信號發(fā)生器的頻率范圍是1.3 kHz~14.3 kHz。

2.3 非接觸式讀卡器
　該讀卡器的接口協(xié)議和電氣特性與PS/2鍵盤是一致的，所以完全可以將該讀卡器當作一個PS/2鍵盤來處理。
　具有5腳連接器的鍵盤稱為ＡＴ鍵盤，而具有6腳mini-DIN連接器的鍵盤則稱為PS/2鍵盤。但實際上這兩種連接器都只有4個腳有意義，分別是時鐘腳(Clock)、數(shù)據(jù)腳(Data)、電源腳(+5 V)和電源地(Ground)。在PS/2鍵盤與PC機的物理連接上只要保證這4根線一一對應(yīng)就可以了。PS/2鍵盤由PC機的PS/2端口提供+5 V電源，時鐘腳Clock和數(shù)據(jù)腳Data都是集電極開路的，所以必須接大阻值的上拉電阻，平時這兩個腳均保持高電平，有輸出時才被拉到低電平，之后自動上浮到高電平。圖6的單片機是帶有上接電阻的，所以PS/2可以與MCU直接連接。

2.4 小車控制核心MCU
　MCU用一片AT89S51單片機來實現(xiàn)，51系列單片機其價格便宜、功能強大、且易學易用，唯一不足的是容易受到外界脈沖信號的干擾。但可以采用如下方式來消除脈沖信號的干擾：(1) 硬件處理。首先要注重電源設(shè)計，電源要穩(wěn)定可靠；其次是在單片機的電源引腳與地引腳之間加去耦電容，兩個不同的電源電路連接用光電耦合隔開等。(2)軟件處理。可采用指令冗余技術(shù)、攔截技術(shù)、軟件看門狗等處理技術(shù)，使程序能夠自動回到正常位置執(zhí)行程序。
　MCU引腳鏈接如圖7所示，因為計算定時器初始值比較容易，MCU的時鐘信號是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是電機控制信號輸出端，single1~single3是電磁信號經(jīng)過處理后的輸入端，P0中即D0~D7是LED數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)端，K0、K1是鍵盤接口。IO口可用作以后系統(tǒng)擴展時用。這樣MCU既滿足了當前系統(tǒng)的要求，也為以后的擴展升級留有空間。

3 軟件設(shè)計
　軟件設(shè)計分為初始化模塊、讀卡器讀卡模塊、位置計算模塊、小車行走模塊(內(nèi)含故障處理機制)。其程序流程如圖8所示。

　各模塊基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想，為了保證得到結(jié)構(gòu)化的程序，可采用以下方法：自頂向下、逐步細化、模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編程。在軟件設(shè)計中選用了通用性比較強的C語言作為系統(tǒng)驅(qū)動程序的編寫語言。
　當從設(shè)備(PS/2)向主設(shè)備(MCU)發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查時鐘線，以確認時鐘線是否為高電平，如果是高電平，從設(shè)備就可以開始傳輸數(shù)據(jù)；反之，從設(shè)備要等待獲得總線的控制權(quán)，才能開始傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)拿恳粠?1 bit組成，發(fā)送時序及每一位的含義如圖9所示。

　在PS/2通信過程中，MCU在時鐘信號為低時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號。因為MCU向鍵盤發(fā)送的是指令，需要鍵盤回應(yīng)，所以這部分程序采用查詢方式I。而MCU接收鍵盤數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線上的信號在時鐘為低時已經(jīng)穩(wěn)定，所以這部分程序采用中斷方式，且不需要在程序中加入延時程序。
4 測試結(jié)果
　雖然電磁信號接收處理部分能夠接收并處理信號發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場信號，但是頻率調(diào)節(jié)的效果并不理想。因此將信號發(fā)生器做成頻率可調(diào)的，以便于信號發(fā)生器與電磁信號接收處理部分握手，以及達到在演示時能體現(xiàn)出電路的選頻特性。
　用示波器觀察信號發(fā)生器的其輸出波形發(fā)現(xiàn)，輸出波形并不是很完好，有很多諧波在里面，如圖10所示。由于這些諧波存在，使得該波形的帶寬BW比較寬，不能很好地體現(xiàn)出電路的選頻作用。這是因為三極管開關(guān)速度及電路焊接的問題。

　電磁信號接收轉(zhuǎn)換電路存在的問題：(1)不能很好地轉(zhuǎn)過所有彎道。其主要原因是探頭安裝不能完全避免所有死角。實驗時發(fā)現(xiàn)，小于等于90°的角很難轉(zhuǎn)過去，而大于90°的角特別是圓弧卻很容易轉(zhuǎn)過去。而在實際應(yīng)用時，可以人為地將引導(dǎo)線布成銳角來解決這一問題。(2)BW比較寬，，由式可知，帶寬BW與3個變量有關(guān)，其中fo、C2是固定的，而Vi卻是一個時大、時小的不定的量。理想的BW要求不超過1 kHz，而本設(shè)計電路波形的帶寬卻達到了約7 kHz。但可以采取加大C2和f0的值解決這一問題。
　本文設(shè)計的系統(tǒng)軟硬件都已通過各種測試，與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點是安裝方便、使用成本低、引導(dǎo)路徑的更改比較隨意，這也是使用成本低的關(guān)鍵因素。
參考文獻
[1] OGATA K.現(xiàn)代控制工程[M].美國：普倫蒂斯-霍爾公司，1997.
[2] KASHIWABARA K， FUKUSHIMA Y， OSHINOYA Y， et al.非接觸式的指導(dǎo)行鋼板[M].電氣學會研究會， 2003：49-54.
[3] NONAMI K， TIAN H.滑?？刂频娜嵝赞D(zhuǎn)子-磁軸承系統(tǒng)使用的魯棒降階的VSS監(jiān)控[M].日本：機械C工程師學會60(571)，(1994)：897-905.
[4] KASHIWABARA K， FUKUSHIMA Y， OSHINOYA Y， et al.垂直振動的磁力邊緣鋼板有應(yīng)用[J].東海大學學校運動工程，2004，44(1)：75-81.
[5] UTKIN V I.滑模的控制和優(yōu)化[M].德國：施普林格出版社，1992.