合肥壹恒智能AMR/AGV车载控制系统

                                   部分 系统介绍

1.1 系统简介

  AGV是Automated Guided Vehicle英文版本的缩写，中译全称为自动导引运输车。AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿着规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。

  壹恒智能机器人自主研发的AGV车载系统V2.0是用于壹恒智能自主研发AGV的应用软件，功能主要包括地图系统、底盘系统、执行器系统、导航系统、信号采集系统、能源系统、安全系统、调度接口、任务测试、手自动模式等，各子系统有机结合实现AGV自动完成各种运载任务，实现真正意义上的无人智能化“搬运-仓储”现代工厂。

1.2 系统功能

  合肥壹恒智能AGV车载系统V2.0软件集监视与控制功能于一身，实时地监测AGV的运行状态与车体信息，精确地控制AGV进行各种的移载任务。AGV车载系统V2.0通过配置网络参数，AGV车体参数，运动控制参数和地图，与相应的AGV车型匹配，软件默认AGV自动控制工作模式。主界面实时显示AGV工作状态下车体信息、位置状态和任务状态，地图导航中实时监测AGV在仓储地图中的可视化位置，还可以切换到手动控制工作状，应对测试和故障等特殊情况。

1.3 运行环境

  合肥壹恒智能AGV车载系统V2.0采用C、C++混合编码，开发平台QT，支持Windows和Linux操作系统，安装时至少需要有500MB的磁盘空间。系统硬件可以配合壹恒智能开发的ARM/AGV专用控制器，AMR/AGV专用智能控制器采用ARM+STM32双物理CPU架构，ARM CPU负责提供算力，STM32作为协处理器，负责信号采集与控制。ARM CPU采用RK3399六核64位( A72x2+A53x4 )处理器，主频1.8GHz，标配2GB DDR3内存和16GB闪存；信号采集与控制协处理器CPU采用STM32F429，具有 256KB SRAM、1024KB FLASH。双物理CPU之间采用SPI通信，预留一路串口通信线路。控制器内置无人车载控制系统，支持二维码导航、激光反射板导航、激光SLAM导航、激光与视觉复合导航等多种导航方式；运动底盘控制支持差速驱动、单舵机驱动、双舵机驱动全向等各类底盘结构，能够满足各种AMR/AGV车型对智能控制器的要求。

      AMR/AGV专用控制器集成常用的机器人系统所需的接口资源和通讯方式，包括HDMI、USB2.0、千兆以太网、CAN、RS485、TTL串口、AD转换及I/O。其中，HDMI、USB2.0和千兆网口均采用标准接口，CAN通信、RS485通信、TTL串口通信、AD转换和I/O通过两个集成连接器引出标准线束。

  合肥壹恒智能机器人自主研发的控制器接受客户单一硬件订单，客户选择自行开发应用系统，控制器支持Android及Linux操作系统。公司也可根据客户的需求开发相应的专用板级支持程序包，专用控制器可以帮客户快速开发定制各类AGV、AMR及协作机器人与集成控制等应用系统提供硬件及系统级支持。

                                                                                           第二部分 系统配置

2.1 界面简介

2.1.1 AGV车载系统登录界面

  AGV车载系统程序运行时首入系统登录界面，如下图所示，在用户名和密码对应的编辑框中填入正确的登录信息后即可进入AGV控制系统主界面。

2.1.2 AGV车载系统主界面

  AGV车载系统主界面如下图所示，主要分为设备状态显示（载货平台、车体位姿、站点相对位置、控制模式状态）、任务状态、任务统计、系统诊断、系统监控以及故障监测。此外，AGV控制系统主界面左上方有标签页点击按钮，分别有系统管理、地图管理、控制模式、系统信息和系统关闭。

  其中设备状态中，包括了载货平台位姿、车体运动、站点相对位置、控制模式状态等。载货平台为AMR/AGV的载货平台实时位姿，用于判断AMR是否到达工位站点。车体运动代表了车身在运动过程中的实时速度、横摆角速度、方向、车轮转角等。站点相对位置代表了AMR在跟踪目标站点时的误差实时大小，包括地面工位纵向偏差、横向偏差 、角度偏差值。控制模式代表当前AMR处于手动还是自动模式。

  在任务状态栏，任务名通常会显示移动任务、取货任务、放货任务、充电任务，任务状态一般显示空闲等待中、任务执行中和任务失败，取货任务执行中时取货工位会显示取货地点工位信息，放货任务执行时放货工位会显示放货地点工位信息，充电任务执行时充电工位会显示充电地点工位信息。任务统计拦显示AMR/AGV当前已经执行完的任务、正在执行中的任务、待执行的任务等信息。

  在故障监测栏和系统诊断栏，实时显示了AMR/AGV各子系统在运行过程中的实时状态信息，若某个子系统出现故障则用红色字体显示具体子系统产生故障的原因，同时包含相关的故障代码以便查阅详细原因。

  在系统监控栏目，实时显示了各子系统心跳相关的信息，若某个子系统出现心跳过快或者过慢则表明子系统出现异常需要排查。 

  地图显示栏目实时显示了当前工厂的地图，同时包括车间内设备的实时位置、各类设备的运行路径等信息。

                                    第三部分 系统管理

  如下图所示，在主界面中点击系统配置按钮会显示如下图所示的下拉框，包括网络配置、执行系统、底盘系统、导航系统、安全系统、能源系统、系统配置以及用户管理。所有的配置参数文件均放在安装目录下fileHMI文件夹中所对应的各子系统配置文件夹中。

3.1 网络配置

  点击网络配置选项后出现调度接口子系统的网络配置下拉框，包括服务器网络配置、本地网络配置。如下图所示的服务器网络配置AGV需要连接的AGVS系统网络参数（IP地址、端口号）进行配置。实际运行时会显示已保存在配置文件中的值，在编辑框中输入需要设置的IP地址和端口号，点击确认按钮即可在对应的DispatchSystem文件夹中的IpandPort.ini文件中对Server的ip地址和端口号port进行修改，当AGV需要连接上位机服务器时只需要读取IpandPort.ini配置文件中的Server的ip地址和端口号port即可连接上服务器。

  如下图所示的本地网络配置对AGV需要连接的AGVS系统中具体的AGV设备名进行配置，它与上位机调度系统通信的IP是绑定的。实际运行时会显示已保存在配置文件中的值，在编辑框中输入需要设置设备名称，点击确认按钮即可在fileHMIDispatchSystemIpandPort文件夹中的IpandPort.ini文件中对AMR的dev_name进行修改，当AGV需要连接上位机服务器时，调度会通过IP和设备名精准地发送指令。

3.2 执行系统参数配置

  执行器系统参数配置包括了执行机构公共运动参数配置、执行机构专用控制参数配置、执行机构系统信息以及执行器系统信号模拟。

  执行器公共运动控制参数包含各类执行机构（如堆高货叉、前移货叉、三向货叉、背负顶升托盘等）的公共运动控制参数。下图中的参数界面主要包含以下内容：

  （1）上升加速度：代表执行机构上升的速度变化，越大代表上升越快。

  （2）下降加速度：代表执行机构下降的速度变化，越大代表下降越快。

  （3）下降速度：代表执行机构的下降过程中的中间过程均匀运动速度。

  （4）上升速度：代表执行机构的上升过程中的中间过程均匀运动速度。

  （5）末端速度：代表执行机构在即将到达目标位置时的末端运行速度，防止执行机构在末端到达时发生严重冲击影响运动平稳性。

  （6）高度控制值：代表执行机构的运行高度，确保执行机构不超过机械位置保障安全。

  （7）高度控制最小值：代表执行机构的运行高度，确保执行机构运动不低于机械限位。

  （8）高度控制末端距离：代表执行机构在末端位置运动的持续位移，过大则末端运行时间长，过短则末端减速度较大产生冲击。

  （9）底盘行驶执行器高度值：代表底盘在运行时执行器的允许高度，过高整车质心偏高影响AMR整体允许平稳性，当低于此高度时底盘和执行机构同时运动以实现联动。

  （10）底盘行驶执行器高度最小值：代表底盘在运行时执行器的最小允许高度，保障底盘运行时执行器不影响安全导航仪的障碍扫描。

  （11）取放货高度偏移：代表取放货时执行器相对货物层高的高度偏移，保障抬货和放货到货架时执行器不与货架发生碰撞保障安全。

  （13）任务准备偏离站点值：代表执行机构在到达站点前进行执行取放货高度等位置移动时，开始进行此动作的最远位置，实现了底盘和执行器的联动。

  （14）任务准备偏离站点最小值：代表执行机构在到达站点前进行执行取放货高度等位置移动时，开始进行此动作的最近位置，当小于此值时若执行机构位置还未准备好则底盘移动须停止以等待执行机构运动至任务准备相应的位置，保障执行机构在准备的位置进行相应的任务。 

  （15）行走高度：代表底盘开始运动时执行器的稳定高度，既要保障不影响安全导航仪的障碍扫描也要保障质心不过高影响行驶稳定性。

  （16）垂直容差：代表执行器到达目标位置时的误差判断标准，保障执行器准备到达目标高度位置。

  执行器运动控制参数配置实际运行时会显示已保存在配置文件中的值，根据AGV的具体情况在对应的配置项进行相应的配置，点击保存配置即可完成参数配置，分别将其保存到fileHMIActuatorSystem文件夹中的ActuatorGeneralControlParameter.ini配置文件中。

  执行机构专用控制参数配置包含各类不同的执行器参数配置，如对高叉车执行器、三向叉车执行器、托盘顶升机构执行器等具体的执行器运动控制参数配置。此处内容后续详细展开。下图中的执行器信息包含了执行器的类型以及序列号，用于向用户说明当前的执行器类型信息。

3.3 底盘系统配置

  底盘系统参数配置包含了底盘公共运动参数配置、底盘专用控制参数配置、底盘结构参数以及底盘信息。依据项目实际应用的车型以及项目现场的实际工作要求，需要对AGV软件进行相应的运动控制参数配置，其配置页面如图3-7和3-8所示。

（1）底盘系统公共控制参数设置

  （1）安全横摆：防止车体旋转过快影响行车安全性。

  （2）末端横摆：AMR在旋转末端减速时的匀速横摆，保障AMR在旋转末端稳定停止转动。

  （3）安全横摆加速度：AMR在旋转过程中的旋转加速度，较大时AMR能快速旋转至目标横摆从未快速到达目标旋转位置。

  （4）安全向心加速度：AMR在进行曲线运动时防止车速和横摆均过大以使得车体发生侧向滑移，保障安全行车。

  （5）安全车体加速度：即AGV加速度的值，过大车体会发生冲击，过小则加速太慢影响效率。

  （6）安全控制车体前进速度：即AGV前进速度值。

  （7）安全控制车体倒退速度：即AGV倒退速度值。

  （8）安全控制车体末端速度：即AGV在目标站点校准位置的速度。

  （9）安全控制车体转弯速度：即AGV转弯速度值。

  （10）末端安全停止速度：即AGV到达停止站点时的末端运行速度。

  （11）橙色区域行驶速度：安全雷达在橙色区域检测到障碍物的底盘行驶速度，防止车体运动过快碰撞到障碍物。

  （12）黄色区域行驶速度：安全雷达在黄色区域检测到障碍物的底盘行驶速度，防止车体运动过快碰撞到障碍物，若AMR在红色区域检测到障碍物需立刻停止以免发生碰撞。

  （13）减速度相对加速度系数：AMR停车时的减速度和起步加速时的加速度比例关系，实现加速迅速、减速平缓的目标。

  （14）纵向控制末端距离：AMR在运行至目标站点过程中末端低速运动进行纵向位置调整的保持距离，确保AMR准备到达目标站点而不超出目标站点位置。

  （15）旋转末端横摆角：AMR在旋转至目标方向过程中末端低速旋转进行方向位置调整的保持方向角度，确保AMR准备到达目标方向而不超出目标方向。

  （16）末端纵向超程距离：代表AMR末端运行行驶进行位姿调整时的纵向超调距离，超过目标位置超程时未检测到站点到达标志，AMR报故障。

  （17）偏离路径阈值：代表AMR行驶时偏离目标路径的阈值，超过此阈值代表AMR脱离目标路径报故障。

  （18）起始位姿方向调整阈值：代表AMR原地起步时方向调整偏差的阈值，小于此阈值时AMR才开始进行路径跟踪，否则一直处于方向调整状态。

  （19）采样时间：即数据中心与硬件交互过程中的数据交互频率。

  （20）遇到障碍等待时间：指AGV遇到障碍物停下来等待发出障碍警告的时间。

  （21）末端反向调整最远距离：代表AMR远离目标站点进行二次末端位姿调整时的远离目标站点距离。

  （22）到达目标站点（位姿调整）距离：到达目标站点进行位姿调整的偏移。

  （23）站点定位偏离站点距离：代表到达了目标站点范围内的距离，小于此距离将AMR定位到当目标站点。

  （24）到达站点减速距离阈值：到达目标站点减速阶段的判定距离阈值。

  （25）安全距离减速系数：为1时为标准的上述减速距离，小于1时相当于增加减速距离减小了减速度。

  （26）站点到达纵向阈值：判断到达站点后读取下一站点任务的纵向距离阈值。

  （27）站点到达侧向阈值：判断到达站点后读取下一站点任务的侧向距离阈值。

  （28）站点到达方向阈值：判断到达站点后读取下一站点任务的方向距离阈值。

  （29）任务站点纵向偏差阈值：即车体在纵向上与任务执行站点的前后允许偏移量。

  （30）任务站点侧向偏差阈值：即车体在侧向上与任务执行站点的左右允许偏移量。

  （31）任务站点方向偏差阈值：即车体的几何中心线与任务执行站点的方向偏差允许偏移量。

  （32）预备目标点到目标站点距离：指AGV与目标终点之间的连线上，重新找一个预备目标点做目标，AGV先到达预备目标点后，在方向上更平缓地到达目标终点，预备目标点与目标终点的距离就是预备目标点距离。

  （33）直线预瞄点距离：表示AGV在运动过程中，需要一个参考点判断是否在路径上，以导航仪为圆心，预瞄点距离为半径与路径相交的点即为预瞄点。

  （34）转弯预瞄点距离：即AGV即将转弯时，需要增大预瞄点距离，以保证预瞄点的精确性。在AGV行走运动参数里，一般不建议修改。

  除公共控制参数外，不同类型底盘的控制参数也不尽相同。如图3-9为具体的差速转向底盘类型的控制参数配置。参数配置实际运行时会显示已保存在配置文件中的值，根据AGV的实际机械尺寸在相应的配置项中填入设置信息，然后点击确认按钮即可完成车身结构参数配置，配置参数会写入到fileHMIChassisSystemChassisGeneralMoveControlPara.ini和fileHMIChassisSystemMoveControlParameterSingleSteerWheelMoveControlParameter配置文件中保存，将配置的信息赋值给相应的程序变量参数，用于AGV的运动控制。

  不同类型的AGV的车身结构参数差异较大，故需要对AGV的车身具体结构参数进行配置。如下图所示为差速转向驱动一体的车身结构参数配置界面和相应的配置参数文件。AGV有两个非驱动轮和一个驱动轮，驱动轮在前方，两个从动轮在后方，导航仪的正方向也就是驱动轮的方向。其中后轮轮距即两个非驱动轮间的距离；前后轴距为前轮和后轮连线中心的垂直距离；车身长度 、车身宽度 、货叉长度、货叉间距和AGV结构类型即字面意思；前轮偏移，后轮偏移，货叉中心偏移均是用来弥补硬件的误差，类似与补偿校零；驱动轮直径即前轮直径；行走电机减速比即舵机减速箱减速比；转向电机减速比指的是转角分辨率。

   参数配置实际运行时会显示已保存在配置文件中的值，根据AGV的实际机械尺寸在相应的配置项中填入设置信息，然后点击确认按钮即可完成车身结构参数配置，配置参数会写入到fileHMIChassisSystemSingleSteerDriverWheel StructParameterSingleSteerWheelStructParameter.ini配置文件中保存，将配置的信息赋值给相应的程序变量参数，用于AGV的运动控制。

3.4 导航传感器配置

  如下图所示，导航仪网络配置对AGV控制器和具体类型导航仪模块网络通信的网络参数（IP地址、端口号）进行配置。以sick的slam导航雷达为例，下图中实时会显示已保存在配置文件中的网络和安装参数配置值，在编辑框中输入需要设置的IP地址和端口号，点击确认按钮即可在fileHMINavigattemLaserSLAMSickNanoScanCommunicationPara文件夹中的LaserSLAMSickNanoScan_Commun.ini文件中。对导航传感器ip地址和端口号port进行修改，当车载软件工作时只需要读取配置文件中修改完毕的ip地址和端口号port即可实现与导航传感器的通信。

  下图所示导航仪方向补偿和侧向安装补偿值也是弥补安装误差而计算的到的配置值。

3.5 能源系统参数配置 

   上图中能源系统中的充电时间设置可防止电池过充。电池电量阈值表示当电池电量达到该阈值时，AGV在完成当前任务后，立即完成自动充电任务；电池充电电量值表示当电池电量到达该阈值时，应及时停止充电防止过充带来的危险。

3.6 安全系统参数设置

   如下图为安全子系统参数配置。为方便调试AGV在危险发生时的响应，通过设置各种安全工况测试AGV的处理机制。设置的内容包括是否打开安全防撞模式、设置各种障碍检测传感器测量值以及各设备工作是否发生故障等。

3.7 系统配置

  前面的网络配置、各类型底盘配置、各类型执行器配置、各类型导航系统传感器配置，都会改变相对应各子系统的配置文件值。为方便启动具体类型的AGV子系统实现不同子系统组合成相应类型的AGV系统，设计了下图所示的系统配置菜单功能。通过在系统配置保持菜单中选择不同的底盘系统、执行器系统、导航系统、车轮本体品牌等，点击确定即软件重新启动，生成相应类型的AGV系统。在系统配置增加栏目中新增底盘类型、执行器类型、导航系统类型以及车辆品牌类型，可实现对车型的扩展。

3.8 用户管理

  在进入AGV控制系统主界面之前时，首先需要登录。登录信息的修改需要进入系统管理部分。点击主界面中的系统管理按钮时，弹出如下所示确认对话框，如下图所示。点击弹出对话框中的确认按钮，进入用户信息管理界面，进行登录信息修改。

  点击确认按钮后，将修改后的用户名和密码信息写入到用户信息配置文件中，用于下次登录时进行校验。

                                                                                                      第四部分 地图维护

  地图维护界面主要是完成地图的配置（生成地图）、加载、修改、删除。

4.1 地图生成

  根据工厂车间的实际布局，构建高宽的栅格地图。在地图高宽对应编辑框中输入需要创建的地图尺寸，并给生成的地图取一个名称，任一输入框为空而点击创建地图都会弹出警告，最后点击创建地图按钮。如下图所示。

4.2 地图配置

  创建一个新的地图后需要手动配置栅格点，默认新地图的栅格点全是障碍站点，地图中的栅格点可进行配置，即单点配置（双击）弹出相应的参数框。如下图4-2所示为单点配置时的配置操作截图，在地图区域内双击任一站点，显示配置单元格的信息，按确定完成配置。弹出框中包括：

  （1）站点的索引坐标：站点的编号由X轴和Y轴两个索引组成。

  （2）站点物理坐标：站点在工厂中的全局坐标。

  （3）载货平台实时坐标：AGV的载货平台在工厂中的实时位置。

  （4）栅格站点类型：站点的类型包括充电站点、入库站点、出库站点、待命站点、货架站点、AGV路径站点等。关联站点设置主要设置每个站点和其它站点间的联系。层高为当前站点在垂直于地面的Z方向上不同货位的高度。

  上图的站点关联信息设置主要包括关联站点的索引、站点间AGV运行模式、路径段起始方向和到达方向、车体方向等。点击生成站点可生成一个新的关联站点，点击是否保存即确定可保存信息。同时还可在上述表格栏中对已有的关联站点相关信息进行修改。

4.3  地图保存

   如下图所示，地图配置结束后点击保存配置按钮，如果该地图名对应的地图文件已经存在时会弹出对话框询问，地图已存在并确认是否覆盖。地图保存后点击完成按钮。站点修改和保存修改会随着点击交替出现以实现修改地图和保存修改地图的双重功能。点击清空地图按钮会删除已有地图中配置的参数，点击地图按钮会清除地图中冗余的信息减少地图的容量大小。手动定位功能为方便AGV系统自测时使用，方便给AGV下发不同的站点任务。

4.4 地图加载

  将配置好的地图显示在界面中，以便确认地图配置是否正确。通过下拉框选取需要加载的地图名，然后点击下图4-7所示右侧地图加载按钮降地图信息加载到界面上，其中地图加载成功后加载地图按钮就变成了恢复地图按钮。

4.5 地图放缩与修改

   拖动地图放缩的滑杆，通过移动滑杆改变地图大小，或者通过鼠标中间滑轮也可达到同样的效果，滑杆的最左端是最小比例，往右端移动使地图增大。

4.6 地图删除

  如果需要删除某一个地图时，在图4-7下拉框中选取需要修改的地图后，无论需不需要加载，点击删除按钮，此时会弹出确认窗口，再点击确认后即可完成地图文件删除。

                                   第五部分 系统监测

   在主界面左上方点击状态监测后，弹出系统监测框，如下图所示。左侧显示系统状态，打印出系统初始化、系统关闭已经出现故障的信息，目的在于保证系统正常运行，及时排查故障；右侧监视系统中各线程的帧速率，若程序卡死可以准确定位哪个线程故障。如下图所示。

                                                                                                                   第六部分 系统测试

6.1 手动控制

  AGV的控制模式分为手动控制和自动控制两种，初始化默认为自动控制。如下图所示。

  当在界面中点击手动控制按钮时，进入手动控制模式，弹出手动控制界面。如上图所示，手动控制功能简单明了，如上图手动控制界面框所示，除了左侧个文本框需要手动输入AGV行驶速度，其余的文本框会实时显示车辆的动作参数变化。右侧按钮分为前进后退控制，左转右转回正控制，货叉上升下降控制，货叉左移右移控制，货叉左转右转控制，充电通断控制。除了车辆转弯和电池充电通断单点有效，其他动作都需要持续性点击按钮，直到动作完成松开按钮。

6.2 自动控制

  车载软件的自动控制，将操作指令按顺序结合成具体任务，下发给AGV。任务测试模块的功能包括任务生成、任务预览以及任务下发。如下图所示，点击任务类型下拉框，选择需要生成的任务类型（移动任务、取货任务、放货任务、充电任务），根据任务类型的不同设置不同任务的配置参数，然后点击生成任务按钮完成任务生成。任务编号就是任务ID，用户自己定义，其中路径类型有1和0两种，1代表由AGV自主规划路径，0代表上位机发送的已经规划完成的路径。移动任务指命令行驶到位置，取货任务指AGV到达目标工位的开始执行点，然后执行取货动作。放货任务指AGV将已经叉取得货物运载到目标工位的开始执行点，然后执行放货动作。充电任务即AGV移动到充电工位的开始执行点，然后执行充电动作。

  生成任务前，需要对目标工位置信息进行配置，首先是开始执行点的X0、YO坐标值填写，其次是目标工位的X1、Y1坐标以及在取货、放货任务中需要取放货物的层数。移动任务只需要将开始执行点坐标和目标工位坐标填写一致即可。如果所配置任务的任务ID编号已存在，会弹出提示对话框提示任务已存在，任务生成失败，如下图所示。如果任务顺利生成，直接显示在列表中。

  当点击任务列表中的任意行时，对应在任务测试下方的编辑框中显示对应的任务细节信息。选择需要下发的任务后点击任务下发按钮，如下图所示。