摘  要： 介紹了電磁制導(dǎo)方式，包括電磁信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)，信號(hào)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(hào)，控制小車的行走狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)輸功能。根據(jù)其原理已做出了實(shí)物，并實(shí)現(xiàn)了基本功能，證明了該設(shè)計(jì)方案是可行的。
關(guān)鍵詞： 電磁制導(dǎo)；選頻放大；單片機(jī)

　自動(dòng)導(dǎo)向車(AGV)是采用自動(dòng)或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動(dòng)行駛或牽引著載貨臺(tái)車至指定地點(diǎn)，再用自動(dòng)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通信、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，成為物流自動(dòng)化研究的熱點(diǎn)之一。目前，AGV仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待提高和突破，以進(jìn)一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費(fèi)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(jì)采用電磁單頻導(dǎo)向技術(shù)結(jié)合非接觸式ID卡識(shí)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(jī)根據(jù)實(shí)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(shí)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(gè)ID讀卡器，該讀卡器的有效距離可達(dá)15 cm，在各個(gè)站安裝一張ID卡，小車經(jīng)過時(shí)讀卡器在MCU的控制下讀出ID卡信息，即可實(shí)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(diǎn)：系統(tǒng)比較簡單，易于維護(hù)；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(cè)方法如圖1所示。1、2、3都是電磁探測(cè)頭，其中1、2是導(dǎo)向探頭，3是計(jì)數(shù)探頭，用來記錄小車的位置。A、B為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，小車方向的改變由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的配合完成。前導(dǎo)向輪是沒有動(dòng)力的。
　小車的驅(qū)動(dòng)方式：如圖1所示，小車的動(dòng)力輪是后面的A、B兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，其轉(zhuǎn)向也是由這兩個(gè)動(dòng)力輪協(xié)調(diào)工作完成。尋線走時(shí)，當(dāng)1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)探頭都有信號(hào)時(shí)，小車的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都動(dòng)，即為直走；當(dāng)1號(hào)探頭有信號(hào)而2號(hào)沒有信號(hào)時(shí)，說明小車偏離了軌道，此時(shí)是A輪不動(dòng)，B輪動(dòng)，直到1、2兩個(gè)探頭都有信號(hào)為止；當(dāng)1號(hào)沒有信號(hào)而2號(hào)有信號(hào)時(shí)，A輪動(dòng)，B輪不動(dòng)，直到1、2兩個(gè)探頭都有信號(hào)為止；當(dāng)兩個(gè)探頭都沒有信號(hào)時(shí)，小車停止行走，停在原地。探頭信號(hào)有無與驅(qū)動(dòng)輪停與走的關(guān)系如表1所示。

　3號(hào)探頭用于定位計(jì)數(shù)，每到一個(gè)站點(diǎn)就通過ID卡進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)定位(即每測(cè)到一次信號(hào)就計(jì)一次數(shù))，直到所計(jì)的數(shù)與MCU中計(jì)算的值相等，說明小車到達(dá)了既定位置。3號(hào)探頭的關(guān)鍵就是計(jì)數(shù)要準(zhǔn)確，不能誤計(jì)，否則就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)不能使用(小車只能一直沿著信號(hào)線走，不能定位)。
2 硬件設(shè)計(jì)
　AGV小車硬件設(shè)計(jì)部分由信號(hào)發(fā)生器、制導(dǎo)線路、電磁信號(hào)檢測(cè)、小車控制核心(MCU)、讀卡器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(chǎng)是矢量，當(dāng)電流方向大小相同且是平行的兩條線時(shí)，周圍的電磁都會(huì)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(hào)發(fā)生器
　為了產(chǎn)生電磁信號(hào)，由信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生交變的電信號(hào)。為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，該信號(hào)發(fā)生器的輸入輸出電流不能太小，在使用專業(yè)的信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生交變信號(hào)時(shí)，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(hào)發(fā)生器的價(jià)格都比較貴，且其功能很多，而本設(shè)計(jì)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(gè)簡單的信號(hào)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(hào)產(chǎn)生的基本流程如圖4所示。

　振蕩信號(hào)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(huì)隨頻率變化而變化)，查閱相關(guān)手冊(cè)可知，555工作電壓為5 V時(shí)輸出的電流為100 mA。為了得到很好的尋線效果，實(shí)際的電流要大于200 mA，故需要進(jìn)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(hào)頻率為：
　f=1/0.7×(R1+2×R2)×C0
　R2是可變電阻，由該公式可以計(jì)算出信號(hào)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(dāng)作一個(gè)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(shí)際上這兩種連接器都只有4個(gè)腳有意義，分別是時(shí)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(jī)的物理連接上只要保證這4根線一一對(duì)應(yīng)就可以了。PS/2鍵盤由PC機(jī)的PS/2端口提供+5 V電源，時(shí)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(shí)這兩個(gè)腳均保持高電平，有輸出時(shí)才被拉到低電平，之后自動(dòng)上浮到高電平。圖6的單片機(jī)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(jī)來實(shí)現(xiàn)，51系列單片機(jī)其價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大、且易學(xué)易用，唯一不足的是容易受到外界脈沖信號(hào)的干擾。但可以采用如下方式來消除脈沖信號(hào)的干擾：(1) 硬件處理。首先要注重電源設(shè)計(jì)，電源要穩(wěn)定可靠；其次是在單片機(jī)的電源引腳與地引腳之間加去耦電容，兩個(gè)不同的電源電路連接用光電耦合隔開等。(2)軟件處理?？刹捎弥噶钊哂嗉夹g(shù)、攔截技術(shù)、軟件看門狗等處理技術(shù)，使程序能夠自動(dòng)回到正常位置執(zhí)行程序。
　MCU引腳鏈接如圖7所示，因?yàn)橛?jì)算定時(shí)器初始值比較容易，MCU的時(shí)鐘信號(hào)是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是電機(jī)控制信號(hào)輸出端，single1~single3是電磁信號(hào)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(kuò)展時(shí)用。這樣MCU既滿足了當(dāng)前系統(tǒng)的要求，也為以后的擴(kuò)展升級(jí)留有空間。

3 軟件設(shè)計(jì)
　軟件設(shè)計(jì)分為初始化模塊、讀卡器讀卡模塊、位置計(jì)算模塊、小車行走模塊(內(nèi)含故障處理機(jī)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(jì)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(xì)化、模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化編程。在軟件設(shè)計(jì)中選用了通用性比較強(qiáng)的C語言作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的編寫語言。
　當(dāng)從設(shè)備(PS/2)向主設(shè)備(MCU)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查時(shí)鐘線，以確認(rèn)時(shí)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(shí)序及每一位的含義如圖9所示。

　在PS/2通信過程中，MCU在時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號(hào)。因?yàn)镸CU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(shí)，數(shù)據(jù)線上的信號(hào)在時(shí)鐘為低時(shí)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(shí)程序。
4 測(cè)試結(jié)果
　雖然電磁信號(hào)接收處理部分能夠接收并處理信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，但是頻率調(diào)節(jié)的效果并不理想。因此將信號(hào)發(fā)生器做成頻率可調(diào)的，以便于信號(hào)發(fā)生器與電磁信號(hào)接收處理部分握手，以及達(dá)到在演示時(shí)能體現(xiàn)出電路的選頻特性。
　用示波器觀察信號(hào)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?yàn)槿龢O管開關(guān)速度及電路焊接的問題。

　電磁信號(hào)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(gè)變量有關(guān)，其中fo、C2是固定的，而Vi卻是一個(gè)時(shí)大、時(shí)小的不定的量。理想的BW要求不超過1 kHz，而本設(shè)計(jì)電路波形的帶寬卻達(dá)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(jì)的系統(tǒng)軟硬件都已通過各種測(cè)試，與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)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。
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