摘 要

随着经济的不断发展，货物的产量越来越多，物流运输压力变得越来越大。AGV作为一种灵活可靠的运输工具，在物流运输的自动化中扮演着越来越重要的角色。因此对AGV的运动控制和调度算法的研究具有重要的意义。本文在对国内外研究现状分析的基础上，建立以磁导航为导引方式的AGV实验平台，对AGV的运动控制和调度算法进行研究。

首先，本文介绍了AGV所涉及到的关键技术，包括导航定位技术、路径规划技术和任务调度技术，对各种关键技术的研究现状和现有算法进行了分析和比较。

其次，本文建立了一套基于磁导航的AGV系统总体结构，并分别对硬件结构和软件结构进行了介绍。其中硬件结构采用模块化设计，分为电源板、IO板、主控板和底板。根据系统总体结构，对系统中的模块进行了方案的比较和选择，设计了主控电路、电机驱动电路、磁传感器信号处理电路、人机交互电路和网络通讯电路，并对电路进行了分析和说明；软件结构分为三部分，分别为主处理器软件结构、协处理器软件结构和调度软件结构。在对嵌入式进行编程之前，设计了一个基于时间触发的任务调度系统，在该系统的基础上对主处理器和协处理器的软件进行设计。主要完成了主处理器的方向控制程序设计、双机通信程序设计和协处理器的触摸屏通信程序设计、网络通信程序设计，对各个程序给出软件流程图，并对各个软件流程图进行了分析和说明。

最后，本文介绍了AGV任务调度的问题，分别对单AGV的任务调度和多AGV的任务调度进行算法的比较和分析，在总结国内外学者研究的基础上，对单AGV的任务调度采用Dijkstra算法，对多AGV的任务调度采用基于时间窗的改进两阶段控制算法，并设计相应的上位机软件对算法进行模拟。

关键词：AGV小车；模块化设计；运动控制；调度算法

Abstract

With the continuous development of the economy, the quantity of goods is increasing, the pressure of logistics transportation becomes more and more. As a flexible and reliable means of transportation, AGV plays an increasingly important role in the automation of logistics transportation. Therefore, it is of great significance to study the motion control and scheduling algorithm of AGV. Based on the analysis of the present research situation of domestic and foreign, this paper establishes the AGV experimental platform with magnetic navigation guidance method, and studies the motion control and scheduling algorithm of AGV.

Firstly, this paper introduces the key technologies involved in AGV, including navigation and positioning technology, path planning technology and task scheduling technology. The research status and existing algorithms of various key technologies are analyzed and compared.

Secondly, this paper establishes a general structure of AGV system based on magnetic navigation, and introduces the hardware structure and software structure respectively. The hardware structure is modularized design, including power board, IO board, main control board and back board. According to the overall structure of the system, the modules in the system are compared and selected. The main control circuit, the motor drive circuit, Magnetic sensor signal processing circuit, human-computer interaction circuit and network communication circuit are designed, analyzed and explained; The software structure is divided into three parts, namely the main processor software structure, coprocessor software structure and scheduling software structure. Before programming the embedded chip, a time-triggered task scheduling system is designed, and the software of the main processor and coprocessor is designed on the basis of the system. This paper completed direction control program design, dual communication program design of main processor and touch screen communication program design, network communication program design of coprocessor, the various software flow chart are given, and the software flow chart are analyzed and description.

Finally, this paper introduces the problem of AGV task scheduling, compares and analyzes the single AGV path planning and multi-AGV path planning respectively. On the basis of summarizing the domestic and foreign scholars, the Dijkstra algorithm is proposed for single AGV path planning, A two-stage control algorithm based on time window is proposed for multi-AGV path planning, and the corresponding upper computer software is designed to simulate the algorithm.

Key Words：AGV; Modular Design; Motion Control; Scheduling Algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外AGV研究概况 2

1.2.1 国外AGV发展历程 2

1.2.2 国内AGV发展历程 2

1.3 AGV的关键技术 3

1.3.1 导引定位技术 3

1.3.2 路径规划技术 4

1.3.3 任务调度 5

1.4 研究的基本内容及论文设计安排 6

1.4.1 研究的基本内容 6

1.4.2 论文的设计安排 6

第2章 AGV的结构设计 7

2.1 AGV系统总体结构 7

2.2 AGV系统硬件结构 8

2.3 AGV系统软件结构 9

2.3.1 AGV主处理器软件结构 9

2.3.2 AGV协处理器软件结构 9

2.3.3 AGV调度与状态监控软件结构 10

2.4 本章小结 11

第3章 AGV的硬件系统设计 12

3.1 AGV车体介绍 12

3.2 主控选择与电路设计 12

3.3 电机的选择与驱动电路设计 15

3.3.1 电机的选择 15

3.3.2 驱动电路设计 16

3.4 处理器IO电路设计 17

3.5 磁传感器电路设计 17

3.6 人机交互电路设计 17

3.7 网络通信选择与电路设计 18

3.7.1 网络通信方案的选择 18

3.7.2 网络通信电路设计 19

3.8 本章小结 21

第4章 AGV小车的软件系统设计 22

4.1 集成开发环境的选择 22

4.2 软件框架的设计 22

4.3 STM32F103程序设计 24

4.3.1 方向控制程序设计 24

4.3.2 双机通讯程序设计 26

4.4 STM32F107程序设计 28

4.4.1 触摸屏通信程序设计 28

4.4.2 网络通讯程序设计 30

4.5 本章小结 32

第5章 AGV调度算法的研究与实现 33

5.1 AGV调度问题概述 33

5.2 单AGV的路径规划算法 33

5.3 多AGV的路径规划算法 34

5.4 AGV调度算法的实现 35

5.4.1 单AGV路径规划算法的实现 35

5.4.2 多AGV路径规划算法的实现 36

5.5 本章小结 37

第6章 总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 38

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

研究背景

随着经济的不断发展，制造业进入了一个新阶段，世界各大制造厂商的货物仓储量不断增加，传统的仓库生产和物流输运方式越来越满足不了当前的物流需求。作为生产制造中的一个中心环节，物流输运效率对产品的生产、货物的流通速度及物流成本有很大的影响。进一步深入研究货物运输技术，对仓库的资源进行合理的优化配置，提高货物运输的运行效率，可以大大降低物流成本，很大程度提升企业的生产效率，从而提升供应链竞争力^[1]。目前已经出现了柔性制造系统(Flexible Manufacture System)和立体化智能仓库(Stereoscopic Warehouse)等仓库储存技术^[2]，而自动导航小车(Automated Guided Vehicle, 以下简称AGV)作为仓库储存技术中的一个重要环节，其稳定可靠性对整个系统的运行有很大影响，AGV系统的好坏将直接影响物流的运输效率。

AGV指的是装有自动导引传感器的轮式运输小车，其自动导引传感器通常采用电磁传感器或光学传感器，通过自动导航使得该小车可以沿着铺设的导引路径稳定可靠的行驶。主要用于工厂的生产车间、仓库等空旷空间的货物的搬运，广泛应用在汽车零部件制造、电子产品装配、港口货物运输、机械部件加工、发电厂等诸多行业^[3-5]。AGV小车的运输能力强，可以运输几千克到几十吨的货物，其运行速度可以动态调整，最大速度可以达到百米/分钟，是一种非常有发展前途的物流运输设备。