（云南昆船智能装备有限公司650217）
摘要：针对AGV多轮驱动控制系统存在接线复杂、成本较高、可靠性差等方面的问题，提出了一种基于CANopen协议的AGV多轮驱动控制系统的设计方案。结合物流行业低压伺服系统CAN总线的普及应用，分析并采用CAN总线的高层CANopen协议，实现了AGV多轮驱动系统的控制，将其用于AGV四轮驱动系统实验平台。结果表明，该系统结构简单、性能稳定、可靠、适应性强。
关键词：AGV；多轮驱动；控制系统；CANopen
1引言
随着现代科学与技术的飞速发展，自动引导车（AGV）在机械加工、汽车制造、自动化立体仓库等许多行业中得到了广泛应用。AGV（AutomatedGuidedVehicle）即自动导引车，是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶的运输小车，并且还具有安全保护报警功能和相应移载功能。AGV的工作特点要求控制系统应具备电机多轴控制、多传感器数据实时采集与处理、与上位机数据交换等功能。本文设计了一种新型的基于CANopen协议的AGV多轮驱动控制系统，采用CANopen协议实现AGV多轮驱动系统的控制，在AGV行业将会有广泛的应用前景。
2CANopen控制协议的实现
CAL（CANApplicationLayer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，CANopen是在CAL基础上开发的，使用了CAL通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。这里选用的电机驱动器是标准支持该协议的上位机的CAN从站设备，严格遵循CANopen2.0A/B协议，任何支持该协议的上位机均可以与其进行通讯。CANopen通讯定义了四种通讯报文，分别是：服务数据对象SDO（ServiceDataObjects）、进程数据对象PDO（ProcessDataObjects）、管理报文NMT和预定义报文。
2.1对象字典（OD）
CANopen的核心概念是设备对象字典，所有的对象有明确的功能定义。这里说的对象类似似我们常说的内存地址，有些对象如速度和位置等可以由外部控制器修改，有些对象却只能由驱动器本身修改，如状态、错误信息。这些对象举例如表1所示，所有的参数、参数值和功能都是通过16位索引和8位子索引组成的地址来访问和存取。
表1对象辞典举例列表
2.2服务数据对象SDO
SDO主要用来在设备之间传输低优先级的对象，典型是用来对从设备进行配置、管理，比如用来修改电流环、速度环、位置环的PID参数，PDO配置参数等。SDO通过CAL中多元域的CMS对象实现，允许传送任何长度的数据。SDO的通讯方式分为上传和下载，上传（Upload）指对对象字典进行读操作；下载（Download）是指对对象字典进行写操作，读取参数时，使用启动域上传（InitiateDomainUpload）协议，见表2；设置参数时，使用启动域下载（InitiateDomainDownload）协议，见表3。
表2启动域上传
表3启动域下载
其中“-”表示不相关为0，n表示报文数据中无意义数据的字节数（从8至n字节到第7字节数据无意义，当e=1且s=1时n有效，否则n为0）；e=0时正常传送，e=1时加速传送；s表示是否指明数据长度，0为数据长度未指明，1为数据长度指明。e=0，s=0时由CiA保留；e=0，s=1时数据字节为字节计数器，byte4是数据低位部分（LSB），byte7是数据高位部分（MSB）。
SDO通讯类似于串口通讯中的自由口，报文采用问答方式，报文格式基本组成：ID+命令字+地址+数据。读取参数时发送和接收SDO报文格式如表4和5所示。其中，SDO报文发送时命令字均为0x40；如果接收数据为1个字节，则接收命令字为0x4F；如果接收数据为2个字节，则接收命令字为0x4B；如果接收数据为4个字节，则接收命令字为0x43；如果接收数据存在错误，则接收命令字为0x80。
表3读取参数时发送SDO报文
表4读取参数时接收SDO报文
修改参数时发送和接收SDO报文格式如表6和7所示。其中，SDO报文发送成功，接收命令字为0x60；SDO报文发送失败，接收命令字为0x80。如果待发数据为1个字节，则发送命令字为0x2F；如果待发数据为2个字节，则发送命令字为0x2B；如果待发数据为4个字节，则发送命令字为0x23。
表5修改参数时发送SDO报文
表6修改参数时接收SDO报文
2.3进程数据对象PDO
PDO可以实现实时数据的传输，数据从一个生产者传到一个或多个消费者。1个PDO每次最多传输8个字节的数据，没有其它协议预设定，数据内容只由它的CAN_ID定义。PDO通讯参数包含COB_ID、传输类型、禁止时间、定时器周期。PDO映射参数包含对象字典中对象列表，这些对象映射到PDO里，包含数据长度。PDO消息内容是预定义的或者在网络启动时由主站配置，PDO可以在从站中配置好也可以由主站上电通过SDO报文来配置。
2.4管理报文NMT
所有CANopen设备都可以通过network管理器方式控制（如初始化、启动和停止节点，侦测失效节点），这种服务主要采用主从通讯模式来实现。COB-ID为00H、80H、100H、701H-77FH、081H-0FFH均为系统管理格式。可以通过NMT管理报文来实现在各种模式之间切换，只有NMT-Master节点能够传送NMTModuleControl报文，所有从设备都必须支持NMT模块控制服务，同时NMTModuleControl消息不需要应答。NMT消息格式如下：NMT-Master→NMTSlave（s）
当Node-ID=0时，所有的NMT从设备被寻址。CS是命令字，其取值如表7所示。
表7CS取值表
3基于CANopen协议的AGV多轮驱动系统的应用
3.1AGV四轮驱动系统结构
AGV驱动系统由四个舵轮组成，布置方式如图1所示，每个舵轮都既装有行走电机又装有转向电机及其动力传动装置，它兼有方位驱动和回转驱动。四轮与车架通过承重回转支承，基于CANopen协议，采用相应的运动控制模型，实时控制四个舵轮的速度和转角以保证AGV行走的姿态，可实现自旋、平移、多方向SD等多种运动方式。
图1AGV驱动系统结构图
3.2AGV运动控制单元
运动控制单元负责AGV的驱动行驶，PLC通过CAN总线与各电机驱动器通信，发送驱动指令报文，控制电机行走。运动控制单元结构如图2所示，嵌入式PLC通过工业以太网EtherCAT总线与CAN总线模块进行数据交换，再通过CAN总线网络与各行走电机驱动器、转向电机驱动器和编码器进行通信，各电机驱动器通过CAN总线接收PLC发送的驱动指令报文，同时反馈各电机的运动状态信息。编码器反馈各个舵轮的转向角度，进而反馈AGV行走的姿态。
图2AGV运动控制单元结构
3.3CAN总线网络拓扑结构
在CAN总线网络中，必须保证每一个设备的节点ID不同，即设备的节点ID不与其他设备的节点ID冲突，同时必须保证各设备的通讯速率保持一致，才能保证CAN总线网络上各设备之间通讯不出现故障，实现CAN总线网络的正常通讯。运动控制系统CAN总线网络拓扑结构及各CANopen设备节点ID（Node_ID）分配如图3所示。CAN总线网络由两条信号线CAN_H和CAN_L、两个120?的终端电阻、PLC（Node_ID=60）、各个行走电机驱动器（Node_ID=5至8）、转向电机驱动器（Node_ID=9至12）和转向编码器（Node_ID=1至4）。
图3CAN总线网络拓扑结构及节点ID分配
4结论
CANopen协议精炼、透明、便于理解，降低了驱动程序的开发难度。基于CANopen协议设计AGV的多轮驱动控制系统更具有智能化、信息化、数字化等特点，实现了高可靠性、低成本的目标，其应用前景一片光明。
参考文献：
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[2]刘剑，沙微，姜凡.CAN总线及SAEJ1939通讯协议在汽车上的应用[J].机电工程技术，2006，35（10）.
[3]何光宇，胡正．针对工业控制的CANopen系统[J].微计算机信息.2003，12（4）：5-6.
作者简介：
杨保龙，男，汉族，1986年7月生，河北人，硕士研究生，工程师，研究领域：AGV单机控制系统设计与开发