摘  要： 介紹了電磁制導方式，包括電磁信號的產生和檢測，信號的選頻放大以及TTL電平的轉換。小車控制核心綜合以上TTL電平信號，控制小車的行走狀態以實現多點自動運輸功能。根據其原理已做出了實物，并實現了基本功能，證明了該設計方案是可行的。
關鍵詞： 電磁制導；選頻放大；單片機

　自動導向車(AGV)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設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車輛。
　AGV的研究與開發集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通信、機械設計和電子技術等多個學科，成為物流自動化研究的熱點之一。目前，AGV仍有多項關鍵技術有待提高和突破，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主要解決導向及定位問題。
　綜合成本和系統穩定性能考慮，本設計采用電磁單頻導向技術結合非接觸式ID卡識別定位。電磁引導介質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實際情況設置線路走向(可用膠帶固定引導線)。非接觸式ID卡識別定位，采用PS/2接口及其傳輸協議(市面上有很多成熟產品)，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，小車經過時讀卡器在MCU的控制下讀出ID卡信息，即可實現定位。
　采用單頻電磁制導方式及非接觸式ID卡讀卡定位方式的優點：系統比較簡單，易于維護；制造成本比較低；安裝簡單，引導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是導向探頭，3是計數探頭，用來記錄小車的位置。A、B為兩個驅動輪，小車方向的改變由兩個驅動輪的配合完成。前導向輪是沒有動力的。
　小車的驅動方式：如圖1所示，小車的動力輪是后面的A、B兩個驅動輪，其轉向也是由這兩個動力輪協調工作完成。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。探頭信號有無與驅動輪停與走的關系如表1所示。

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

2.1 制導線路
　制導線路的設置是本設計的關鍵部分，如果線路沒有設置好，后續的所有工作將不能完成。制導線路如圖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 信號發生器
　為了產生電磁信號，由信號發生器來產生交變的電信號。為了產生足夠強的磁場，該信號發生器的輸入輸出電流不能太小，在使用專業的信號發生器來產生交變信號時，要將其設置成功率輸出模式，輸出電壓約為3 V。
　市面上的專用信號發生器的價格都比較貴，且其功能很多，而本設計因不能發揮其所有的性能，不需要那么多的功能，所以自制了一個簡單的信號發生器，只能產生頻率可調的且占空比不定的方波，其信號產生的基本流程如圖4所示。

　振蕩信號由如圖5所示的555產生。555頻率可調但是占空比不可調節(會隨頻率變化而變化)，查閱相關手冊可知，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)、數據腳(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和數據腳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，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。首先要注重電源設計，電源要穩定可靠；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?？刹捎弥噶钊哂嗉夹g、攔截技術、軟件看門狗等處理技術，使程序能夠自動回到正常位置執行程序。
　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是電磁信號經過處理后的輸入端，P0中即D0~D7是LED數碼管顯示的數據端，K0、K1是鍵盤接口。IO口可用作以后系統擴展時用。這樣MCU既滿足了當前系統的要求，也為以后的擴展升級留有空間。

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

　各模塊基于結構化程序設計的思想，為了保證得到結構化的程序，可采用以下方法：自頂向下、逐步細化、模塊化設計、結構化編程。在軟件設計中選用了通用性比較強的C語言作為系統驅動程序的編寫語言。
　當從設備(PS/2)向主設備(MCU)發送數據時，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，從設備就可以開始傳輸數據；反之，從設備要等待獲得總線的控制權，才能開始傳輸數據。傳輸的每一幀由11 bit組成，發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送和接收數據信號。因為MCU向鍵盤發送的是指令，需要鍵盤回應，所以這部分程序采用查詢方式I。而MCU接收鍵盤數據時，數據線上的信號在時鐘為低時已經穩定，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 測試結果
　雖然電磁信號接收處理部分能夠接收并處理信號發生器所產生的磁場信號，但是頻率調節的效果并不理想。因此將信號發生器做成頻率可調的，以便于信號發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出電路的選頻特性。
　用示波器觀察信號發生器的其輸出波形發現，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，不能很好地體現出電路的選頻作用。這是因為三極管開關速度及電路焊接的問題。

　電磁信號接收轉換電路存在的問題：(1)不能很好地轉過所有彎道。其主要原因是探頭安裝不能完全避免所有死角。實驗時發現，小于等于90°的角很難轉過去，而大于90°的角特別是圓弧卻很容易轉過去。而在實際應用時，可以人為地將引導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，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。
　本文設計的系統軟硬件都已通過各種測試，與同類產品相比，該系統的突出優點是安裝方便、使用成本低、引導路徑的更改比較隨意，這也是使用成本低的關鍵因素。
參考文獻
[1] OGATA K.現代控制工程[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子-磁軸承系統使用的魯棒降階的VSS監控[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.滑模的控制和優化[M].德國：施普林格出版社，1992.