自動導引小車(AGV)的研究和應用【2013年最新整理畢業(yè)論文】

AGV 自動引導小車設計 摘 要 隨著工廠自動化、計算機集成制造系統(tǒng)技術的逐步發(fā)展以及柔性制造系統(tǒng)、自動化立體倉庫的廣泛應用， AGV(Automatic Guided Vehicle)即自動導引車作為聯(lián)系和調(diào)節(jié)離散型物流系統(tǒng)以使其作業(yè)連續(xù)化的必要的自動化搬運裝卸手段，其應用范圍和技術水平得到了迅猛的發(fā)展。 AGV 是以微控制器為控制核心、蓄電池為動力、裝有非接觸導引裝置的無人駕駛自動導引運載車，其自動作業(yè)的基本功能是導向行駛、認址停準和移交載荷。作為當代物流處理自動化的有效手段和柔性制造系統(tǒng)的關鍵設備， AGV 已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用，對AGV 的研究也具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 本文介紹了 AGV 在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，在此基礎上，結合畢業(yè)設計的課題要求。其研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：論述了 AGV 系統(tǒng)的組成、路徑導引方式及原理。 介紹了 AGV 車體機械結構的設計， 并根據(jù)小車的驅(qū)動方式和工作要求 ，對底盤、電機、蓄電池等進行了設計和選型。根據(jù) AGV 系統(tǒng)的控制和工藝要求，確定了控制系統(tǒng)的總體框架結構。硬件方面，選擇合適的傳感器、單片機以及電機驅(qū)動器，對傳感檢測電路和單片機控制系統(tǒng)硬件電路進行了設計 ：軟件方面，采用模塊化的編程方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，并實現(xiàn)了單片機與電機控制器之間的串口通信。在總結全文的基礎上，對 AGV 小車的設計和研究提出了展望。 關鍵詞： AGV； 激光導引 ；單片機 ；驅(qū)動控制電路；行走策略；控制策略；串口通信 Abstract With the growing of Factory Automation, Computer Integrated Manufacture System and extensive application of Flexible Manufacture System、 Automatic Warehouse, the application field and technical level of AGV which contact and adjust the discrete logistics system, make the mission continuous, has greatly enlarged and improved. AGV is the unmanned driver automatic guided vehicle which has its untouched guided equipment, its control center is the microcontroller and storage battery is driving power, its basic function of automatic action is guided driving, recognizing the address to stop precisely and remove the load. As the valid measure of contemporary logistics processing automation and the key equipment of flexible manufacture system, the AGV has already got more and more extensive application, so that the research on AGV has very important theory meaning and realistic meaning. The dissertation introduced the applications and developments of AGV at home and abroad. Combining with the request of this graduation project topic, we designed a whole infrared ray guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: the constitution of AGV system, the path guided means and their principles were discussed. According to the requests of the topic, infrared rays guided method was used in the AGV system. The design of AGV mechanical structure was introduced, in terms of driving manner and working requests, the type of the chassis, electrical motor and storage battery etc. was chosen and designed. According to the control and the craftwork requests of the AGVS, the total frame structure of control system was designed. About hardware, the right sensor, MCU and motor controller had been chosen, the sensing circuits and MCU controlling hard circuits was designed, about software, to achieve many system functions, and to realize serial communication between the MCU and motor controller, blocking programming method was employed. On the base of summarizing the dissertation, the development prospect of AGV research was put forward. Key words： AGV； Infrared rays guided； Drive and control circuit；Running strategy； Control strategy； Serial communication. 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 目 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 1.1 問題的提出及研究意義 . 1 1.1.1 問題的提出 . 1 1.1.2 研究意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 1.3 自動引導小車的定義及特點 . 3 2 AGV 的總體設計 . 4 2.1 AGV 系統(tǒng)的構成與結構 . 4 2.1.1 AGV 系統(tǒng)技術的研究方向 . 4 2.1.2 AGV 的結構 . 5 2.2 AGV 導航系統(tǒng) . 6 2.3 AGV 總體系統(tǒng) . 7 3 AGV 小車的動力學建模 . 10 3.1 AGV 小車動力學結構 . 10 3.2 車體運動建模 . 11 3.3 驅(qū)動后輪運動建模 . 12 3.4 車體整體的動力學建模 . 13 4 AGV 機械部分主 要零件的選取 . 14 4.1 伺服驅(qū)動電機的選取及參數(shù) . 14 4.1.1 電機的計算 . 17 4.1.2 電機的控制參數(shù) . 18 4.2 軸的設計和參數(shù)的計算 . 19 4.2.1 減速器的使用范圍及選取 . 20 4.2.2 驅(qū)動后輪軸的設計 . 20 4.3 軸的受力分析及校核 . 22 4.4 齒輪的設計與選取 . 24 4.5 傳感器的選用 . 25 4.5.1 紅外傳感器尋跡 . 25 4.5.2 超聲波傳感器避障原理 . 26 5 驅(qū)動轉向系統(tǒng)的設計 . 27 5.1 驅(qū)動方 式的選擇 . 27 5.2 傳感器的布置 . 28 5.3 電機與行走系統(tǒng)的驅(qū)動裝置 . 29 5.4 電源部分選擇 . 30 6 控制系統(tǒng) . 31 6.1 電源及驅(qū)動芯片模塊 . 31 6.2 電路的設計及行走策略 . 31 6.3 控制策略 . 33 7 結語 . 35 參考文獻 . 36 致 謝 . 37 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 1.1 問題的提出及研究意義 1.1.1 問題的提出 AGV(Automatic Guided Vehicle) 自動導引車是上世紀 50 年代發(fā)展起來的智能搬運型機器人。 AGV 是現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)中的關鍵設備之一，它是以電池為動力，裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠獨立自動尋址，并通過計算機系統(tǒng)控制，完成無人駕駛及作業(yè)的設備。自從 1913 年美國福特汽車公司使用有軌底盤裝配車， 1954 年英國采用地下埋線電磁感應導向車以來，到九十年代全世界擁有 AGV(Automated Guided Vehicles)10萬臺以上。近年來，自動化技術呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，國內(nèi)自動化立體倉庫和自動化柔性裝配線進入發(fā)展與普及階段。其中，在自動倉庫與生產(chǎn)車間之間，各工位之間，各段輸送線之間， AGV 起了無可替代的重要作用，與傳統(tǒng)的傳送輥道或傳送帶相比， AGV 輸送路線具有施工簡單、路徑靈活，不占用空間、較好的移動性、柔性等優(yōu)點。 1.1.2 研究意義 21 世紀制造業(yè)將進入一個新階段，敏捷制造將成為企業(yè)的主導模式。能否抓住市場機遇開發(fā)出新產(chǎn)品將是企業(yè)贏得競爭的主要手段。要減小生產(chǎn)成本對生 產(chǎn)批量的依賴，就要發(fā)展敏捷制造裝備。繁重制造裝各的可編程、可重組和快速響應能力使得在進行小批量生產(chǎn)時，可實現(xiàn)接近中、大批量生產(chǎn)的效率。由于機器人具有自主規(guī)劃、可編程、可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點，它將成為可重組的敏捷制造生產(chǎn)裝備及系統(tǒng)的重要組成部分，為傳統(tǒng)制造企業(yè)向敏捷制造企業(yè)跨越發(fā)展提供重要的技術支持。自動導向小車(Automated Guided Vehicle 簡稱 AGV)是移動機器人的一種，是現(xiàn)代制造企業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設備，主要用來儲運各類物料，為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運行提供了重要保證。AGV 主要有兩類形式，一種是固定路徑 AGV，它的運行路徑是固定的，且有軌道，故導引技術相對簡單 ；另一種是自由路徑 AGV，由于沒有軌道，它為 AGV 自由運行提供了最大可能，但由于技術限制， AGV 沿任意路徑自由運行仍是一個有待解決的技術難題。 在以往的生產(chǎn)線上，導向式 AGV 是人們經(jīng)常采用的方式，有導軌式、磁導引式等方法。這些方法都需要預先規(guī)劃好 AGV 的運行路線，而且生產(chǎn)車間的裝置不能隨意移動。隨著生產(chǎn)車間智能化的提高，導向式 AGV 明顯降低了 AGV 的柔性。因此，非導向式 AGV 將成為敏捷制造物流系統(tǒng)中的主要選擇。在非導 向式 AGV 系統(tǒng)中， AGV 的運行路徑不需要由附加設備決定，而且當車間的布局變化后，只要及時改變規(guī)劃系統(tǒng)的軟件參數(shù)即可滿足路徑規(guī)劃要求。 資料顯示：在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個過程中，僅僅有 5%的時間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲存、裝卸、等待加工和輸送 :在美國，直接勞動成本所占比例不足生產(chǎn)成本的10%，且這一比例還在不斷下降，而儲存、運輸所占的費用卻占生產(chǎn)成本的 40%。因此，AGV自動引導小車的設計 2 目前世界各工業(yè)強國普遍把改造物流結構、降低物流成本作為企業(yè)在競爭中取勝的重要措施，為適應現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，物流正在向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展。自動導 引小車 AGV 適應性好、柔性程度高、可靠性好、可實現(xiàn)生產(chǎn)和搬運功能的集成化和自動化，在各國的許多行業(yè)都得到廣泛的應用。 目前，在我國某些汽車、煙草行業(yè)， AGV 已投入使用，并取得了良好的經(jīng)濟效益。但從使用形式來看，大都采用屬于固定路徑導向范疇的電磁導引 AGV，無固定路徑自主導向的 AGV 由于諸多問題未能完全解決，還沒有達到實用。因此 進行自山路徑導向式 AGV 的研究，不僅對敏捷物流設備的研制和應用有現(xiàn)實的工程意義，而且對移動機器人路徑規(guī)劃有重要的理論意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 世界上第一臺 AGV 是美國 Basrrett 電子公司于 20 世紀 50 年代開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統(tǒng)。小車中有一個真空管組成的控制器，小車跟隨一條鋼絲索導引的路徑行駛。 60 年代和 70 年代初，除 Basrrett 公司以外， Webb 和 Clark 公司在 AGV 市場中也占有相當?shù)姆蓊~。在這個時期，歐洲的 AGV 技術發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經(jīng)對托盤的尺寸與結構進行了標準化，統(tǒng)一尺寸的托盆促進了 AGV 的發(fā)展。歐洲的主要制造廠家有Schindler-Digitron， Wogner HJC， ACS， BT. CFC， FATA， Saxby， Denford 和 Blecbert 等。70 年代中，歐洲約裝備了 520 個 AGV 系統(tǒng)，共有 4800 臺小車， 1985 年發(fā)展到一萬臺左右，為美、歐、日之首。在機械制造行業(yè)的應用為：汽車工業(yè) (57%)，柔性制造系統(tǒng) FMS(8%)和柔性裝配系統(tǒng) FAS(4%)。 歐洲的 AGV 技術于 80 年代初，通過在美國的歐洲公司以許可證與合資經(jīng)營的方式轉移到美國。芝加哥的 Keebler 分發(fā)中心從歐洲引進直接由計算機控制的 AGV 1981 年 John公司將 AGV 連接到 AS/RS，以提供在制造過程中物料自動輸送和跟蹤。 1984 年，通用汽車公司便成為 AGV 的最大用戶 ， 1986 年已達 1407 臺 (包括牽引式小車、叉式小車和單元裝載小車 )， 1987 年又新增加 1662 臺。美國各公司在歐洲技術的基礎上將 AGV 發(fā)展到更為先進的水平。他們采用更先進的計算機控制系統(tǒng) (可聯(lián)網(wǎng)于 FMS 或 CIMS)，運輸量更大，移載時問更短，具有在線充電功能，以便 24 小時運行，小車和控制器可靠性更高。此時美國的 AGV 生產(chǎn)廠商從 23 家 (1983 年 )驟增至 74 家 (1985 年 )。日本的第一家 AGV 工廠于1966 年由一家運輸設備供應廠與美國的 Webb 公司合資開設。到 1988 年，日本 AGV 制造廠已達 20 多家，如大福 、 Fanuc 公司、 Murata(村田 )公司等。到 1986 年，日本己累計安裝了 2312 個 AGV 系統(tǒng)，擁有 5032 臺 AGV。 國內(nèi)自主研發(fā)方面：六十年代開始研究。 1976 年，北京起重運輸機械研究所研制的ZDB-1 型自動搬運車是最早的實用型 AGV。 1988 年，原郵電部北京郵政科學技術研究所等單位研制了郵政樞紐 AGV。 1991 年，中科院沈陽自動化所與新松機器人自動化股份有限公司為沈陽金杯汽車公司總裝線上設計的九臺自動裝配系統(tǒng)，并于 1996 年獲得國家科學技術進步三等獎，是當時國內(nèi)較先進的使用型 AGV。 1992 年，天津 理工學院研制了核電站用光學導引 AGV。 1998 年昆明船舶設備公司在紅河卷煙廠研究多模式激光導引無人自動車中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 3 22 輛，紅河項目于 2002 年獲國家科學技術進步二等獎。同期天津師范大學、吉林大學、吉大易飛、北京軍區(qū)后勤部、北京機科發(fā)展公司、北京易亨集團等也進行了試驗研究。 在引進國外技術與產(chǎn)品方面： 1980 年，上海石化總廠為滌綸長絲作業(yè)從日本大福公司引進國內(nèi)第一套 AGVS。九十年代初，華寶空調(diào)裝配線上使用了日本進口的電磁導引 AGV。1996 年，玉溪卷煙廠首家在煙草行業(yè)引進三星的 52 臺 AGV，這是國內(nèi)企業(yè)中使用數(shù)量最多 的 AGV 系統(tǒng)。河北承德輸送機械廠合資引進美國 WEBB 公司 AGV 技術。天津理工學院研制的 TIT-1 全方位視覺引導自動車，屬國家 863 高科技項目，已通過鑒定，達到八十年代末國際先進水平。九十年代中期，昆船公司在引進國外最先進 AGV 技術的基礎上，先后承擔了數(shù)十個 AGV 系統(tǒng)的設計、安裝，其水平代表了目前國內(nèi)的最高水平。昆明船舶設備公司研制的各種導引形式的 AGV 系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于煙草行業(yè)，汽車行業(yè)，造幣行業(yè)等。 目前全國 AGVS 不超過 60 套， AGV 不超過 400 臺。其中煙草行業(yè)應用最多，已有 20家采用了 AGV，絕大部分 采用激光導引技術。 以中科院沈陽自動化所為金杯汽車公司設計的 AGV 系統(tǒng)為例進行說明，中國科學院沈陽分院成功開發(fā)的自動導引車 (AGV)和自動導引車系統(tǒng) (AGVS)主要用于汽車等生產(chǎn)線，實現(xiàn)動態(tài)裝配，可提高裝配線的自動化水平。在中國汽車生產(chǎn)總裝線上首次使用具有自主版權的 AGV 產(chǎn)品和系統(tǒng)。沈陽金杯客車制造有限公司總裝車間有 9 臺 AGV 構成的發(fā)動機、后橋、油箱裝配副環(huán)線，已經(jīng)投入生產(chǎn)運行兩年。該 AGV 具有自動動態(tài)跟蹤、提升、定位、裝配功能，已達國際先進水平。且獲得多項專利，如雙舉升載人自動裝配導引車、雙倍行程舉升裝置 等。運用該產(chǎn)品及系統(tǒng)技術可大大提高總裝生產(chǎn)線動態(tài)裝配的自動化程度，減少設備投資及提高生產(chǎn)效率。以金杯客車制造有限公司的 9 臺 AGV 應用工程為例，據(jù)估算，一臺 AGV 國產(chǎn)價格要比進口的便宜 20 萬元人民幣，應用工程系統(tǒng)的設計調(diào)試技術費的差額更大。 1.3 自動引導小車的定義及特點 根據(jù)美國物流協(xié)會定義， AGV 是指裝備有電磁或光學自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能的運輸小車。 AGV是以電池為動力、裝有非接觸導向裝置，獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動運輸車。 AGV 是自動 導引車系統(tǒng)，它由若干輛沿導引路徑行駛，獨立運行的 AGV 組成。 AGV 在計算機的交通管制下有條不紊地運行，并通過物流系統(tǒng)軟件而集成于整個工廠的生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)中。 應用 AGV 具有很多特點 : (1)AGV 十分方便地與其它物流系統(tǒng)實現(xiàn)自動連接，如各種緩沖站、自動積放鏈、升降機和機器人等；實現(xiàn)在工作站之間對物料進行跟蹤；對輸送進行確認；按計劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄：與生產(chǎn)線和庫存管理系統(tǒng)進行在線連接以向工廠管理系統(tǒng)提供實時信息。 (2)采用 AGV 由于人工檢取與堆置物料的勞動力減少，操作人員無需為跟蹤物料而進行大量 的報表土作，因而顯著提高勞動生產(chǎn)率。另外，非直接勞動力如物料倉庫會計員、AGV自動引導小車的設計 4 發(fā)料員以及運貨車調(diào)度員的工作的減少甚至完全取消又進一步減低了成本。 (3)AGV 運輸物料時，很少有產(chǎn)品或生產(chǎn)設各的損壞，這是因為 AGV 按固定路徑行駛，不易與加工設備和其他障礙物碰撞。 (4)絕大多數(shù) AGV 的使用者均證明， 2 到 3 年從經(jīng)濟上均能收回 AGV 的投資成本。 (5)AGV 通過安裝在地面之下的電纜或其他不構成障礙的地面導引物，其通道必要時可作其他用處。 (6)系統(tǒng)具有極高的可靠性。 AGV 由若干臺小車組成，當一臺小車需要維修時，其它小車 的生產(chǎn)率不受影響并保持高度的系統(tǒng)可利用性。 (7)節(jié)約能源與保護環(huán)境。 AGV 的充電和驅(qū)動系統(tǒng)耗能少，能量利用率高，噪音極低對制造和倉儲環(huán)境沒有不良影響。 2 AGV 的總體設計 2.1 AGV 系統(tǒng)的構成與結構 2.1.1 AGV 系統(tǒng)技術的研究方向 導引技術：八十、九十年代，正當國內(nèi)的一些院校廠所致力基于埋線電磁導引技術并剛開始應用，基于 CCD 的光學磁帶識別、周邊圖像識別導引技術停滯不前之時，美國則以汽車行業(yè)為代表，應用推廣了基于陀螺導航的定位技術，瑞典的 NDC 公司則推出了基于激光反射測角定位技術。近年來，出現(xiàn) 了激光測角與測距相結合的導引技術，其導引頭已經(jīng)商品化。導引技術的進步，提高了行程路徑的柔性化，同時提高了停位精度，由 10毫米，縮小至 5 毫米，乃致 3 毫米。 GPS 定位導航技術則在大型（最大可達 40t） AGV上得到應用。 移載技術：針對不同應用需求，出現(xiàn)了背輥式，背鏈式，推挽式，牽引式，龍門式，側叉式、前叉式、后叉式、三向叉式、升降伸縮叉式等。由于移載技術，驅(qū)動技術、電池技術的進步，促進了載重 /自重比的大幅提高，由 1:4 提高到 1:1.2，即同樣載重量，先進車型自重下降為落后車型的 1/4。使車輛移動的能耗成倍 降低，因而可以少裝電池，使 AGV的自重、功耗形成良性循環(huán)。 電池技術：由采用酸性電池，進步到高能酸性電池，近年來，又開始采用高能堿性電池，提高環(huán)保性能，大幅提高了充、放電比，由充電時間 /放電時間為 1:1 提高到 1:12，大幅縮短了待機充電的時間。 智能化：在企業(yè)物流自動化技術中，現(xiàn)代 AGV 技術最具有智能化的特征，車載計算機的硬軟件功能日益強大不斷升級，使 AGV 及 AGV 系統(tǒng)具有從網(wǎng)絡、無線或紅外接收上位及客戶指令，自動導引，自動行駛，優(yōu)化路線，自動作業(yè)，交通管理，車輛調(diào)度，安全避碰，自動充電，自動診斷，實現(xiàn)了 AGV 的智能化，信息化，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、柔性化、敏捷化、節(jié)能化、綠色化?，F(xiàn)代 AGV 是 24 小時不知疲倦的聰明小車（僅在任務間隙時隨機進行短時充電），能主動、自序、有節(jié)拍按最安全、快捷的路線執(zhí)行作業(yè)。智能化的結果加上動力強勁，行駛速度可達 160 米 /分，反映在選用車輛臺數(shù)上成倍減少。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 5 2.1.2 AGV 的結構 AGV 由車載控制系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、移載系統(tǒng)和安全與輔助系統(tǒng)組成。 車載控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)是 AGV 的核心部分，一般由計算機控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、操作面板及電機驅(qū)動器構成 .計算機控制 系統(tǒng)可采用 PLC、單片機及工控機等。導航系統(tǒng)根據(jù)導航方式不同可分為電磁導航、磁條導航、激光導航和慣性導航等不同形式 .通過導航系統(tǒng)能使 AGV 確定其自身位置，并能沿正確的路徑行走。通訊系統(tǒng)是 AGV 和控制臺之間交換信息和命令的橋梁，由于無線電通訊具有不受障礙物阻擋的特點，一般在控制臺和 AGV 之間采用無線電通訊，而在 AGV 和移載設備之間為了定位精確采用光通訊 .操作面板的功能主要是在 AGV 調(diào)試時輸入指令，并顯示有關信息，通過 RS232 接口和計算機相連接。 AGV 上的能源為蓄電池，所以 AGV 的動作執(zhí)行元件一般采用直流電動 機、步進電動機和直流伺服電機等。 車體系統(tǒng)：它包括底盤、車架、殼體和控制器、蓄電池安裝架等，是 AGV 的軀體，具有電動車輛的結構特征。行走系統(tǒng)：它一般由驅(qū)動輪、從動輪和轉向機構組成 .形式有三輪、四輪、六輪及多輪等，三輪結構一般采用前輪轉向和驅(qū)動，四輪或六輪一般采用雙輪驅(qū)動、差速轉向或獨立轉向方式。移載系統(tǒng)：它是用來完成作業(yè)任務的執(zhí)行機構，在不同的任務和場地環(huán)境下，可以選用不同的移載系統(tǒng)，常用的有滾道式、叉車式、機械手式等。安全與輔助系統(tǒng)：為了避免 AGV 在系統(tǒng)出故障或有人員經(jīng)過 AGV 工作路線時出現(xiàn)碰撞，AGV 一 般都帶有障礙物探測及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。另外，還有自動充電等輔助裝置?？刂婆_：控制臺可以采用普通的 IBM-PC 機，如條件惡劣時，也可采用工業(yè)控制計算機，控制臺通過計算機網(wǎng)絡接受主控計算機下達的 AGV 輸送任務，通過無線通訊系統(tǒng)實時采集各 AGV 的狀態(tài)信息。根據(jù)需求情況和當前各 AGV 運行情況，將調(diào)度命令傳遞給選定的 AGV。 AGV 完成一次運輸任務后在待命站等待下次任務。如何高效地、快速地進行多任務和多 AGV 的調(diào)度，以及復雜地形的避碰等一系列問題都需要軟件來完成。由于整個系統(tǒng)中各種智能設備都有各自的屬性 ，因此用面向?qū)ο笤O計的 C+語言來編程是一個很好的選擇。在編程時要注意的是 AGV 系統(tǒng)的實時性較強，為了加快控制臺和 AGV 之間的無線通訊以及在此基礎上的 AGV 調(diào)度，編程中最好采用多線程的模式，使通訊和調(diào)度等各功能模塊互不影響，加快系統(tǒng)速度。通訊系統(tǒng)：通訊系統(tǒng)一方面接受監(jiān)控系統(tǒng)的命令，及時、準確地傳送給其它各相應的子系統(tǒng)，完成監(jiān)控系統(tǒng)所指定的動作：另一方面又接收各子系統(tǒng)的反饋信息，回送給監(jiān)控系統(tǒng)，作為監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)、管理、控制的依據(jù)。 由于 AGV 位置不固定，且整個系統(tǒng)中設備較多，控制臺和 AGV 間的通訊最適宜用無線 通訊的方式?？刂婆_和各 AGV 就組成了一點對多點的無線局域網(wǎng)，在設計過程中要注意兩個問題 :無線電的調(diào)制問題，無線電通訊中，信號調(diào)制可以用調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式。在系統(tǒng)的工作環(huán)境中，電磁干擾較嚴重，調(diào)幅方式的信號頻率范圍大，易受干擾，而調(diào)頻信號頻率范圍很窄，很難受干擾，所以應優(yōu)先考慮調(diào)頻方式。而且調(diào)幅方式的波特率比較低，一般都小于 3200Kbit/s，調(diào)頻的波特率可以達到 9600K bit/s 以上。通訊協(xié)議問題：在通訊中，通訊的協(xié)議是一個重要問題。協(xié)議的制定要遵從既簡潔又可靠的原則。簡潔有效的AGV自動引導小車的設計 6 協(xié)議可以減少控制器處理 信號的時間，提高系統(tǒng)運行速度。 AGV 一般采用輪式驅(qū)動，具有電動車的特征。 AGV 小車能在地面控制系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，自動搬運貨物，實現(xiàn)自動化的物料傳送。因其具有靈活性、智能化等特點，能夠方便地重組系統(tǒng)，達到生產(chǎn)過程中的柔性化運輸之目的。較之傳統(tǒng)的人工或半人工的物料輸送方式， AGV 系統(tǒng)大大減輕了勞動強度和危險性，提高了工作效率，在機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)都可以發(fā)揮作用。國外的 AGV 系統(tǒng)設計，應用水平都比較高，應用范圍也很廣泛。國內(nèi)的應用相對少一些，但是在各方面的共同努力下，國內(nèi)的 AGV系統(tǒng) 的設計水平和應用水平正在接近或趕超國際先進水平。 AGV 系統(tǒng)由控制臺、通訊系統(tǒng)、地面導航系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、 AGV 和地面移載設備組成，如圖 2-1所示。 圖 2-1 AGV 系統(tǒng)示意圖 (AGV system diagram) 其中主控計算機負責 AGV 系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的聯(lián)系與管理，它根據(jù)現(xiàn)場的物料需求狀況向控制臺下達 AGV 的輸送任務。在 AGV 電池容量降到預定值后，充電系統(tǒng)給 AGV 自動充電。地面移載設備一般采用滾道輸送機、鏈式輸送機等將物料從自動化倉庫或工作現(xiàn)場自動移載到 AGV 上，反之也可以將物 料從 AGV 上移載下來并輸送到目的地。 AGV、充電系統(tǒng)、地面移載設備等都可以根據(jù)實際需要及工作場地任意布置，這也體現(xiàn)了 AGV 在自動化物流中的柔性特點。 2.2 AGV 導航系統(tǒng) AGV 導航系統(tǒng)的功能是保證 AGV 小車沿正確路徑行走，并保證一定行走精度。 AGV的制導方式按有無導引路線分為三種：一是有固定路線的方式：二是半固定路線的方式，包括標記跟蹤方式和磁力制導方式：三是無路線方式，包括地面幫助制導方式、用地圖上的路線指令制導方式和在地圖上搜索最短路徑制導方式。 固定路線的導引方式有電磁制導方式、光學控制帶制導方式 、激光制導方式和超聲波制導方式。 (1)電磁制導方式 該方法需在 AGV 行走的路線下埋設專用的電纜線，通以低頻正弦波電流，從而在電纜周圍產(chǎn)生磁場。 AGV 上的電磁感應傳感器檢測到磁場強度，在小車沿線路行走時，輸出磁待命站 充電系統(tǒng) 地面設備 AGV 路徑 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 7 場強度差動信號，車上控制器根據(jù)該信號進行糾偏控制。該方法可靠性高，經(jīng)濟實用，是目前最為成熟且應用最廣的導引方式。它的主要缺點是： AGV 路徑改變很困難，而且埋線對地面要求較高。 (2)光學控制帶導引方式 利用地面顏色與漆帶顏色的反差，漆帶在明亮的地面上涂為黑色，或在黑暗的地面上涂為白色。小車上裝備有發(fā)射 和接收功能的紅外光源，用以照射漆帶。小車上裝有光學檢測器，均勻分布在漆帶及兩側位置上，檢測不同的組合信號，以控制小車的方向，使其跟蹤路軌?？梢圆捎媚：刂扑惴▽π≤囘M行控制。該方法的缺點是：漆帶顏色需保持鮮明，否則光學傳感器檢測到的信號變?nèi)?。因此，則需要經(jīng)常對漆帶顏色進行加深工作。 (3)激光制導方式 該方法是在 AGV 行走路徑的特定位置處，安裝一批激光 /紅外光束的反射鏡。在 AGV行駛過程中，車上的激光掃描頭不斷地掃描周圍環(huán)境，當掃描到行駛路徑周圍預先垂直安好的反射板時，即“看見”了“路標”。只要掃描到三個或 三個以上的反射板，即可根據(jù)它們的坐標值以及各塊反光板相對于車體縱向軸的方位角，計算出 AGV 當前在全局坐標系中的 X, Y 坐標和當前行駛方向與該坐標系 X 軸的夾角，實現(xiàn)準確定位和定向。該導引方法的特點是，當提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后， AGV 導引與定位精度十分高。該方法的缺點是成本昂貴，傳感器、反射裝置等設備安裝復雜，且計算也很復雜。 (4)超聲波制導方式 該方法類似于激光 /紅外測量方法，不同之處在于不需要設置專門的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類似物體就能進行引導，因而在特定環(huán)境下提供了更大的柔性和低 成本的方案。但由于反射面大，在制造車間環(huán)境下應用常常有困難。 AGV 是智能化的移動機器人，是現(xiàn)代工業(yè)自動化物流系統(tǒng)的主要設備，也是機器人比賽的主要項目之一，是許多大學、科研機構重點研究的項目之一。設計出簡單易行的 AGV系統(tǒng)。 2.3 AGV 總體系統(tǒng) AGV 一般由車體、蓄電池、充電系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉向裝置、精確停車裝置、車上控制器、通信裝置、信息采樣子系統(tǒng)、移載裝置和車體方位計算子系統(tǒng)等組成。車體由車架和相應的機械電氣部件如減速箱、電機、車輪等組成，它是 AGV 的基礎部分。車架要從強度和剛度上滿足車體運行和加 速時的要求，常用鋼構件焊接而成，其外殼為 1mm3mm 的鋼板或鋁合金板，車架空間安置與驅(qū)動和轉向直接有關或重量較大的部件 (如蓄電池 )，以利于機械結構設計和降低車體重心，重心越低越有利于抗傾翻。板上常安置移載裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、按鍵、顯示屏等。車體的前后部分還安裝安全擋圈和超聲波傳感器。 AGV 常采用 24V 或 48V 直流工業(yè)蓄電池為動力。蓄電池供電應達到額定的安培小時值，一般應保證 8h 以上的工作需要，對二班制工作環(huán)境則要求 17h 以上的供電能力 .蓄電池充電可采用隨機充電和全周期充電兩種方式。隨機充電采用可任 意充電的汽車免修蓄電池，在 AGV 的備用停泊站，無時間限制地隨時充電。全周期充電則要求 AGV 退出服務，AGV自動引導小車的設計 8 并進入指定的充電區(qū)且當蓄電池電荷降至指定范圍時方可充電。此類電池一般執(zhí)行 4h 連續(xù)充電， 2h 冷卻的規(guī)范。也有的 AGV 采用上述兩種充電方式相結合的方式。充電操作有自動、人工和快速更換的可抽拉式三種。 驅(qū)動裝置由車輪、減速器、制動器、電動機及速度控制器等部分組成。 AGV 驅(qū)動命令由計算機發(fā)出，驅(qū)動的速度與方向是兩個獨立的變量，它們分別由計算機控制。速度調(diào)節(jié)可采用不同的方法，如用脈寬調(diào)速或變頻調(diào)速等。 AGV 在直線行走、 拐彎和接近停位點時要求不同的車速，直線行走高速度常達 lm/s，拐彎時為 0. 2m/s0. 6m/s，接近停位點時為0. lm/s。 AGV 的方向控制是由導引系統(tǒng)的方向信息通過轉向裝置來實現(xiàn)的。 AGV 通常被設計成三種運動方式 :(1)只能向前； (2)能向前與向后； (3)能縱向、橫向、斜向及回轉四個方向的運動?！爸悄堋陛^高的 AGV 都有車上控制器，它類似于機器人控制器，用以對 AGV 進行監(jiān)控。控制器計算機通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報告自己的狀態(tài)。通常控制器可完成以下工作：手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態(tài)、轉向 極限、制動器解脫、行走燈光、驅(qū)動和轉向電機控制和充電接觸器等。某些 AGV 具有編程能力，允許小車離開導引路徑，駛向某個示教地點，完成任務后循原道返回到導引路徑上來。 AGV 的控制指令一般是由地面控制器 (車外 )發(fā)出， AGV 的狀態(tài)也通過通信系統(tǒng)送回地面控制器。通信系統(tǒng)有兩種 :連續(xù)方式和分散方式。連續(xù)通信系統(tǒng)允許 AGV 在任何時候和相對地面控制器的任何位置使用射頻方法或使用在導引路徑內(nèi)的通信電纜收發(fā)信息。如采用無線電、紅外激光的通信方法。分散式系統(tǒng)只是在預定的地點 (通信點 )如 AGV 停泊站等，在特定的 AGV 與地面控制器 之間提供通信。一般來說，這種通信是通過感應或光學的方法來實現(xiàn)的。分散通信的一個明顯缺點是：如果 AGV 在兩通信點之間發(fā)生故障， AGV 將無法與地面控制站取得聯(lián)系。目前大多數(shù) AGV 系統(tǒng)都是采用分散式通信方式，因為其價格較便宜。 AGV 的安全系統(tǒng)既要實現(xiàn)對 AGV 的保護，又要實現(xiàn)對人，或?qū)ζ渌孛嬖O備的保護。其安全保護方法可歸納為兩類：接觸式和非接觸式兩種保護系統(tǒng)。對自由路徑 (無固定導引路徑 )型的 AGV，還要進行車體方位的計算，它由車體方位計算子系統(tǒng)來完成。 AGV 的方位，即在總體坐標系中的位置與方向，與車體左右輪的運 動有一確定的關系，由此可計算出 AGV 的方位。該子系統(tǒng)的功能是根據(jù)采樣信息，通過積分運算，實時計算出車體方位x(t)， y(t)和 (t) 。根據(jù)需要，將計算的方位信息通過串行通信傳送給車上控制器，然后再通過無線電通信傳送給地面監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對 AGV 的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)也可通過這一通信信路，對車體方位計算子系統(tǒng)進行操作，如初始化、重置車體方位以消除累積誤差等。完成車體方位計算的基本輸入數(shù)據(jù)是車輪前進或后退的距離，即通過對驅(qū)動車輪的電動機轉動角度的周期性采樣來獲取。 AGV 的導引方式可分為兩大類： (1)車外 固定路徑導引方式，在行駛的路徑上設置導引用的信息媒介物， AGV 通過檢測出它的信息來得到導引，如電磁導引、光學導引、磁帶導引 (又稱磁性導引 )等。 (2)自由路徑 (無固定路徑 )導引方式， AGV 上儲存著系統(tǒng)布局上的尺寸坐標，通過識別車體當前方位，自主地決定行駛路徑，這類導引方式也稱為車上軟件 編程路徑方式。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 9 綜合 AGV 的上述特點，再結合本次設計的具體要求，確定本次 AGV 的研制原則：即以最簡單形式、最少的成本、盡可能可靠的動作完成課題要求。 據(jù)此，形成機器人的基本控制思路：紅外傳感器取得反射信號送給單片機，通過 單片機對有無反射信號進行處理，同樣超聲波傳感器也將信號傳給單片機，通過單片機對感應時間進行處理，結合路徑圖進行綜合分析后輸出控制信號，控制信號通過控制電路放大、輸出到電機對小車動作進行控制。整個控制流程中不用光電編碼器，即沒有電機運動狀態(tài)的信息反饋，所有信息都由傳感器輸入，屬開環(huán)控制。邏輯圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 控制邏輯圖 (control logic diagram) 開環(huán)控制的優(yōu)點是信息源少，需要單片機分析的數(shù)據(jù)比較少，比較適合使用單片機作為控 制器，而缺點就是由于信息源單一，對輸入信息沒有糾錯能力，只要信息源出現(xiàn)錯誤就會出現(xiàn)狀態(tài)誤判。使用開環(huán)控制的前提就是要確保信息源的可靠性。 據(jù)此確定機器人的設計總體思路：通過紅外傳感器作為導航，單片機為控制器，電機差動式實現(xiàn)轉向，根據(jù)預設路線，實現(xiàn) AGV 導航定位策略的方式及用最簡單的設置、最少的器械部件完成比賽的任務。需要部件如下表所列。 表 2-3 部件的數(shù)量 (The number of components) 名稱 數(shù)量 超聲波傳感器 1 紅外傳感器 4 車體 1 直流電動機 2 蓄電池 2 電源穩(wěn)壓模塊 1 控制電路 1 單片機 1 AGV自動引導小車的設計 10 3 AGV 小車的動力學建模 3.1 AGV 小車動力學結構 自從 AGV 問世以來，人們在自動導引車的控制過程中一般滿足于基于運動學的控制模型，而很少有人進行基于動力學的控制設計等方面的內(nèi)容。事實表明，根據(jù) AGV 車體動力學模型，可以得到直接的電機輸入與行走、導向車輪轉速的非線性的耦合關系，將對指導車體機械結構設計、路徑規(guī)劃以及合理的路徑跟蹤控制規(guī)律設計有重要而且深遠的意義。 由于 AGV 在實際問題中有較嚴格地面要求的環(huán)境中運動，車速較低，限定了加速度的問題，而不會 發(fā)生明顯的車體“上跳”運動的現(xiàn)象出現(xiàn)，故可以在二維空間來研究其動力學模型。現(xiàn)以我以后輪為電機帶動齒輪來實現(xiàn)動力驅(qū)動的方式傳達力矩，前輪則為由電機直接帶動軸的轉動從而達到轉動的方式來實現(xiàn)轉向的 AGV 為例建立動力學模型。 AGV 由車體、蓄電池和充電系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉向裝置、精確停車裝置、車上控制器、通信裝置、信息采樣子系統(tǒng)、超聲探障保護子系統(tǒng)、移載裝置和車體方位計算子系統(tǒng)等等組成。 “智能”較高的 AGV 都有車上控制器，它類似于機器人控制器，用以對 AGV 進行監(jiān)控?？刂破饔嬎銠C通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報告自己 的狀態(tài)。通常監(jiān)控器可完成以下監(jiān)控：手動控制、安全裝置啟動、蓄電池狀態(tài)、轉向極限、制動器解脫、行走燈光、驅(qū)動和轉向電機控制和充電接觸器等。某些 AGV 具有編程能力，允許小車離開導引路徑，駛向某個示教地點，完成任務后路原道返問到導引路徑上來。 根據(jù)上述的介紹，我們可以不難看出同步行進的四輪 AGV 機械結構分為以下幾個部分。 車體部分：包括車架、蓄電池、驅(qū)動電機、轉向電機和齒輪減速機構等，車體受到由后輪傳動來的驅(qū)動力和前輪的反作用力的作用。 驅(qū)動后輪：所受的外力可能有兩部分組成。一部分是地面的作用力：另一部分是來自車體給于的外力。其中這部分力包括自身的支撐反力和電機產(chǎn)生的等效驅(qū)動力矩等。通過齒輪改變轉速來調(diào)節(jié)速率可以得到不用的轉速，從而改變 AGV 的的運動行進方向，已經(jīng)更好的做到預定的線路跟蹤。 前軸和連軸：起到支撐作用，同時車輪和豎軸是同軸的，前輪的轉動有地面給于的摩擦力也有電機傳遞的力矩。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3.2 車體運動建模 圖 3-1 車體受力圖 (Body force) 我們可以得到車體動力學方程如下： c x A X B X L X R Xm v F F F F (3.1) c y A Y B Y L Y R Ym v F F F F (3.2) 11c A Z B Z R Z A X A Yj w M M M F b F c 1 2 2 1 2 2B X B Y L X L Y R X R YF b F c F b F a F b F a (3.3) 上面式子中ccmj和分別為車體質(zhì)心的質(zhì)量和轉動慣量。車體的前輪 A、 B 處的運動方程為 1A X xv v b w （ 3.4） 1AY yv v c w （ 3.5） 1B X xv v c w （ 3.6） 2BY yv v c w （ 3.7） 211A X xv v b w c w （ 3.8） 211A Y yv v c w b w （ 3.9） AGV自動引導小車的設計 12 212B X xv v b w c w （ 3.10） 221B Y yv v c w b w （ 3.11） 車體 L 和 R 處運動的方程為： 2L X xv v b w （ 3.12） 1LY yv v a w （ 3.13） 221L X xv v b w a w （ 3.14） 212L Y yv v a w b w （ 3.15） 2R Y xv v b w （ 3.16） 2R Y xv v a w （ 3.17） 222R X xv v b w a w （ 3.18） 222R Y yv v a w b w (3.19) 3.3 驅(qū)動后輪運動建模 慣性坐標系 L- LLL ZYX 與圖 3.1 的方向是一致的，可以認為是由 O 平移到 L 點從而形成的坐標系，相對應，他們是車體與左輪之間大小相等方向相反的作用力（力矩）和反作用 力（力矩）。 LM 是驅(qū)動電機經(jīng)過齒輪減速后傳遞給左輪的驅(qū)動力矩，SLM是軸承對左輪的摩擦阻力矩，LVM是滾動阻力矩， LXF 是地面對左輪的側滑動摩擦力， SLF 是軸承對左輪的滾動摩擦力， LZM 是地面對車輪的扭矩摩擦力矩， Lw 是左后輪的 轉動角速度（ LX 為轉動軸）。 L L X L X L XM v F F (3.20) L L Y L Y L YM v F F (3.21) L X L L S L L Y L L FJ w M M F R M (3.22) L Z L Z L Z L ZJ w M M (3.23) 上式中， LLZLXL RJJM 、 分別是左后輪的質(zhì)量以及其沿著旋轉軸 LX 的轉動慣量、沿著 LZ 軸的轉動慣量和半徑。 LYLX VV 、 為其在 L-XYZ 坐標下的速度，與車體對應點的速度是同一值 。 LZW 是左后軸沿 LZ 軸的扭轉角速度。 對于右后輪來說，傳動齒輪嚙合是在軸中心處，故左右受的力是相同的，因此建立類中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 13 似的動力學方程為： R R Y R X R XM v F F (3.24) R R Y R Y R YM v F F (3.25) R X R R S R R Y R R FJ w M M F R M (3.26) R Z R Z R Z R ZJ w M M (3.27) 3.4 車體整體的動力學建模 為了能夠更好的取得車體整體的動力學模型，根據(jù) AGV 的實際情況作出如下的簡化： (1) 左右前輪和軸是一體的 ，再前行或后退的同時不打滑，只看做是純滾動，則有： L Y L L L Y L Lv R w v R w R Y R R R Y L Lv R w v R w (2) 車體設計左右是對稱的，則有： 1 2 1 2a a a c c c ， (3) 左輪的直徑及其質(zhì)量和右輪： RRR RL MMM RL (4) 前輪左右也是一致的和后輪的大小重量以及有些不受力或比較想的部分我們可以忽略不計其的轉動慣量，即： FEGD MMMM 0FZFXEZEXGD JJJJJJ 在上述簡化后的基礎上，聯(lián)立前述車體、左右驅(qū)動后輪的動力方程可以得到車體整體的動力學方程。該動力學方程中可以表示為左、右輪所受的動力 BL MM 、 和左、右輪轉 動的角速度 RL w、w 之間的關系。 任何一種導引方法的實現(xiàn)最終都歸結為路徑跟蹤控制的問題上。對于固定路徑型的AGV 由于具有體現(xiàn)路徑的導引媒介物，通過傳感器就可直接獲得車體對路徑的橫向偏差和車體方向偏差，以這種偏差作為誤差信號通過車體動力學直接對車體進行跟蹤控制。但是對于自由路徑型 AGV，車體對路徑之偏差量的獲取就要困難得多，以車體方位推算導向的自由路徑 AGV 為例，其方位和對于路徑的偏差是通過對車輪轉動角度積分計算而獲得，其要實現(xiàn)需較大的計算量和通信量。作為一種較好的解決辦法 是差速驅(qū)動的自由路徑控制。其路徑可簡化為一系列直線段和圓弧段的組合。只要保證左右輪的轉動角速度滿足給定的AGV自動引導小車的設計 14 比例關系 (即同步誤差為零 )， AGV 就能跟蹤這種具有恒定半徑 (直線和圓弧 )的路徑。車體動力學方程是實現(xiàn)差速驅(qū)動的理論基礎之一，結合模糊控制方法，可以實現(xiàn)差速驅(qū)動路徑跟蹤過程。 動力學方程能夠幫助 AGV 的建模、車體結構、剛度設計和路徑跟蹤控制提供理論依據(jù)的基礎。本章主要介紹了所設計及其制作的一輛有電機帶動齒輪差動驅(qū)動后輪，前輪有電機直接控制實現(xiàn)轉向的的四輪 AGV 小車，并建立了所需要的運動學方程。 4 AGV 機 械部分主要零件的選取 4.1 伺服驅(qū)動電機的選取及參數(shù) 伺服驅(qū)動電動機是用來控制后輪驅(qū)動行進的原動力機構，是支持和為整個車體提供動力的元件。它的選取關系到車體的運動快慢及其能夠產(chǎn)生多大的扭矩，多大的驅(qū)動力。 在這次電機部分的選取中，結合老師的指導及其研究找個了下面這個較為合適的私服電動機作為后輪的驅(qū)動電機。其外觀如圖 4.1。 圖 4.1 伺服電機外觀圖 (Servo motor appearance figure) 由于這次車體不是很大，外形尺寸：長 *寬 *高： 800mm*590mm*350mm，能夠承受的重 物也不是很大，大概再 10 斤到 50 斤左右的工件，所以為了節(jié)省原材料和不必要的能源浪費，所以電動機的選取尤為重要，此次我選取了額定功率為 1.5KW 的電機足以保證給車體提供驅(qū)動動力及其達到不必要的浪費。選取的驅(qū)動電機為 ACH-13150A（ 1500W） ；而轉向需要的動力不必這么大，所以轉向電機選擇的功率相對較小些，選取的轉向電機為 60-40-30-DF-1000，所以選取的兩個電機則均為方形；驅(qū)動電機：邊長為 260MM，圓柱形；外徑為 130 ，電壓等級： L-220VA，額定功率： 1500W，位置傳感器： M-光學編碼器，電機額定轉速： 1500rpm，冷卻方式： N-自然空冷，外形：方形。轉向電機：邊長為 142MM，圓柱形，外徑為 61，電壓等級： L-72VA，額定功率： 400W，電機額定轉速： 3000rpm，冷卻方式： N-自然空冷，外形：方形。 選取的 ACH-13150A（ 1500W） 交流私服電動機的結構示意圖如圖 4.2。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 15 圖 4.2 伺服電機結構示意圖 (Schematic diagram of servo motor) 圖 4.3 伺服電機示意圖 (Schematic diagram of servo motor) 伺服電機是一種將電脈沖信號轉換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構，由環(huán)形分配器、功率驅(qū)動裝置、步進電機構成一個開環(huán)的定位運動系統(tǒng)，當系統(tǒng)接受一個電脈沖信號時，伺服電機的轉軸將轉過一定的角度或移動一定的直線距離，電脈沖輸入越多，電機轉軸轉過的角度或直線位移就越多，同時，輸入電脈沖的頻率越高，電機轉軸的轉速或位移速度就越快。步進電機控制的最大特點是沒有積累誤差，常用于開環(huán)控制。步進電機系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器及步進電機構成，它們?nèi)咧g是相互配套的。 伺服電機轉軸輸出的 角位移量與輸入的脈沖數(shù)成正比，通過控制脈沖個數(shù)來控制步進電機的角位移量，而通過改變輸入脈沖頻率可實現(xiàn)調(diào)速。 伺服電機主要由定子和轉子構成。定子的主要結構是繞組，三相、四相、五相步進電機分別有 3 個、 4 個、 5 個繞組，其它依此類推。繞組按一定的通電順序工作，這個通電順序稱為步進電機的“相序”。轉子的主要結構是磁性轉軸，當定子中的繞組在相序信號作用卜有規(guī)律地通電、斷電工作時，轉子周圍就會有一個按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個按規(guī)律變化的電磁力就會作用在轉子上，轉子總是力圖轉動到磁阻最小的位置，正是這樣，使得轉子按一定 的步距角轉動，使轉子發(fā)生轉動。 AGV自動引導小車的設計 16 表 4-4 伺服電機參數(shù)表 (Servo motor parameters table) 型號 ACH-13150A（ 1500W） 額定功率（ KW） 0.6 1 1.5 2 相數(shù)、線電壓（ V） 3 相 220V 額定轉速（ rpm) 1500rpm 最高轉速（ rpm） 1750rpm 最高機械轉速（ rpm） 2000rpm 額定轉矩（ N.m） 5.8 9.6 14 19 最大轉矩（ N.m） 17 29 42 57 額定線電流（ A） 3 4.8 7.2 9.3 轉子慣性（ Kg.c 2m ） 12 23 34 45 電 機 外 型 尺 寸 （ mm） L 160 210 274 310 L1 55 55 55 55 H2 5 5 5 5 H3 12 12 12 12 D2 110 110 110 110 D3 22 22 22 22 D4 165 165 165 165 D5 9 9 9 9 D6 145 145 145 145 光軸或鍵連 結，如采用 鍵連接，則 鍵尺寸為（ mm） L3 45 45 45 45 L4 41 41 41 41 T 8 8 8 8 H1 8 8 8 8 H4 18 18 18 18 轉子位置反饋： 2500 線、 5000 線光學編碼器、旋轉變壓器可選制動器：帶制動電機總長加 25mm， 制動器電壓：直流 24V。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 17 4.1.1 電機的計算 選擇電機的容量 電動機所需要的功率 Pd = awP kW （ 4-1） 由式 Pw = 1000Fv kW （ 4-2） Pd = aFv1000 kW (4-3） 由電動機至車輪的傳動總效率為 a = 4232241 (4-4) 式中： 1 、 2 、3、 4 分別為軸承、齒輪傳動、聯(lián)軸器和輪軸的傳動效率 。取 1 =0.98 （滾動軸承）， 2 =0.97（不包括軸承效率），3=0.99（聯(lián)軸器）， 4 =0.96， 則 a =0.98 97.04 96.099.0 22 =0.82 所以 2 0 0 0 0 . 5 1 . 2 11 0 0 0 1 0 0 0 0 . 8 2FvP d k w 確定電動機的轉速 輪軸工作轉速為： 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 0 . 5 7 3 . 4 9 / m i n130vnrD 二級圓柱齒輪減速器傳動比 i = 12.520，則總的傳動比合理范圍為ai=12.520，故電動機轉速的可選范圍為： ( 1 2 . 5 2 0 ) 7 3 . 4 9 9 1 8 1 4 6 9 . 8 / m i ndn i n r (4-5) wP 搬運車所需工作功率，指搬運車輪前進所需功率， kW； a 由電動機至搬運車輪軸的總效率； F 搬運車的運行阻力， N； v 搬運車輪的線速度 m/s。（已經(jīng)確定搬運小車運行速度大約為 30m/min，通過運算轉換的 0.5m/s） AGV自動引導小車的設計 18 綜合考慮上述得出的結論：選擇 130 L _ M 10 N S 中額定功率為 1.5KW的交流伺服電機為此次設計的驅(qū)動電機。 根據(jù)電動機和減速器的結構尺寸選擇出聯(lián)軸器和鍵。 取載荷系數(shù)AK=1.3，則聯(lián)軸器的計算轉矩為： 1 1 . 3 1 4 3 2 5 1 8 6 2 2 . 5cAT K T (4-6) 根據(jù)計算轉矩、最小軸徑、軸的轉速，查標準 GB5014-85或手冊，選用彈性柱銷聯(lián)軸器，其型號為： 電動機和減速器之間的聯(lián)軸器： YL1 2232； 減速器和輪軸之間的聯(lián)軸器： YL9 48 80；執(zhí)行標準： GB5843 86。 電動機上的鍵： 8368 hLb ； 減速器輸入端的鍵： 6338 hLb ； 減速器輸出端的鍵： 9328 hLb ； b 鍵的寬度， mm； L 鍵的長度， mm； h 鍵的厚度， mm； 4.1.2 電機的控制參數(shù) 通過設置伺服電機驅(qū)動器的工作方式和細分數(shù)，由單片機控制 8253 輸出的脈沖頻率可以推算出伺服電機的轉速，再結合驅(qū)動輪的幾何參數(shù)，就可以得到脈沖頻率與車輛行走距離、速度之間的關系，推導過程如下： 設驅(qū)動器細分為 d， 脈沖數(shù)為 c， 伺服電機固有步距角為 a， 8253 輸出脈沖頻率為 f，減速器傳動比為 i，驅(qū)動輪半徑為 R。 通過伺服電機驅(qū)動器細分后，伺服電 機的步距角： d （ 4-7) 電機所轉的角度 r 可以由以下式子表示： ()1 8 0 1 8 0cr c r a dd （ 4-8） 輸入 C 個脈沖所需要的時間為： 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 19 ()ctsf （ 4-9） 可得到電機的轉速為： ( / )180fw r a d sd （ 4-10） 則小車的速度為： ( / )180fRv m sdi （ 4-11） 伺服電機的脈沖頻率 f 為： 180 ()v d if H zR （ 4-12） 由車輛速度表達式可以看出，車輛行駛速度由脈沖頻率 f、步距角 a、細分數(shù) d，傳動比 I 和驅(qū)動輪半徑 R 決定。其中步距角為電機固定參數(shù)，傳動比為減速器固定參數(shù)，因此驅(qū)動輪尺寸定好以后，小車的運動控制最終是通過可編程計數(shù)器 8253 發(fā)出的脈沖頻率 f和伺服電機驅(qū)動器的設定細分數(shù) d 來實現(xiàn)控制。細分值越大，伺服電機越平穩(wěn)、噪 音越小、振動越小，但同時電機轉速也越慢。所以，要綜合考慮各方面因素，在滿足平穩(wěn)性和運行速度之間做好權衡，才能較好的控制好電機。 4.2 軸的設計和參數(shù)的計算 軸的設計是根據(jù)給定的軸的功能要求 (傳遞功率或轉矩，所支持零件的要求等 )和滿足物理、幾何約束的前提下，確定軸的最佳形狀和尺寸，盡管軸設計中所受的物理約束很多，但設計時，其物理約束的選擇仍是有區(qū)別的，對一般的用途的軸，滿足強度約束條件 , 具有合理的結構和良好的工藝性即可。對于靜剛度要求高的軸，如機床主軸，工作時不允許有過大的變形，則應按剛度約束條件來設計軸 的尺寸。對于高速或載荷作周期變化的軸，為避免發(fā)生共振，則應需按臨界轉速約束條件進行軸的穩(wěn)定性計算。 軸的設計并無固定不變的步驟，要根據(jù)具體情況來定，一般方法是： (1) 按扭轉強度約束條件或與同類機器類比，初步確定軸的最小直徑 。 (2) 考慮軸上零件的定位和裝配及軸的加工等幾何約束，進行軸的結構設計，確定軸的幾何尺寸；值得指出的是：軸結構設計的結果具有多樣性。不同的工作要求、不同的軸上零件的裝配方案以及軸的不同加工工藝等，都將得出不同的軸的結構型式。因此，設計時，必須對其結果進行綜合評價，確定較優(yōu)的方案 。 (3) 根據(jù)軸的結構尺寸和工作要求，選擇相應的物理約束， 確定合適的參照物體， 檢驗是否滿足相應的物理約束。若不滿足，則需對軸的結構尺寸作必要修改， 應該實施再設計，直至滿足要求。 AGV自動引導小車的設計 20 4.2.1 減速器的使用范圍及選取 （ 1）適用范圍 ZDY、 ZLY、 ZSY外嚙合漸開線斜齒圓柱齒輪減速器，可用于冶金、礦山、起重運輸、水泥、建筑、化工、紡織、輕工等行業(yè)。減速器高速軸轉速不大于 1500r/min；減速器齒輪傳動圓周速度不大于 20m/s；減速器工作環(huán)境溫度為 -4045，低于 0時，起動前潤滑油應預熱。（ ZDL為單級 ， ZLY為兩級， ZSY為三級， Y代表硬齒面） （ 2）減速器的選取 輪軸的轉速 7 3 .4 9 / m innr ； 電機的額定轉速 1 0 0 0 / m i ndnr； 減速器的傳動比 1000 1 3 .67 3 .4 9i ； 取減速器的傳動比為 15i ； 實際輪軸的轉速 1000 6 6 . 7 / m i n15nr； 車 輪的實際線速度 6 6 . 7 1 3 0 0 . 4 56 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0nDv /ms； 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量和減速器的傳動比，選擇的減速器型號 ZLY 112 20 ZBJ19004 888。 4.2.2 驅(qū)動后輪軸的設計 由于是驅(qū)動電機驅(qū)動后輪使小車前進，在此一切相關數(shù)據(jù)與計算都是以后車輪為依據(jù) 車輪軸轉速 n=67 r/min 驅(qū)動電機的額定功率 5.1P kW 輪軸傳遞功率為 2 2 4 2 2 41 1 2 3 1 . 5 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 8 1 . 2 7 5p p k w 受轉矩 T （ N mm） 的實心圓軸，其切應力： 2.0 /1055.9 36 TTT dnPWT （ 4-13） 軸的最小直徑： 3362.01055.9nPCnPdT （ 4-14） 軸的材料取 45鋼， 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 21 上兩式中 TW 軸的抗扭截面系數(shù) ， mm3； P 軸傳遞的功率， kW； n 軸的轉速， r/min； T 許用切應力 ； C 與軸的材料有關的系數(shù)，可由表 4-3查得 。 表 4-3 軸材料的選取一覽表 (Shaft material selection list) 軸的材料 Q235,20 Q255,Q275,35 45 40Cr,38SiMnMo T /M Pa C 12 160 15 148 20 135 25 125 30 118 35 112 40 106 45 102 52 98 軸最小直徑取 35mm。軸上鍵的規(guī)格 hLb 為 6368 和 6338 。 圖 4.4為后輪車軸尺寸圖 (The axle of the rear wheel size map) 由于轉向前輪的結構比較簡單，故不重復說明選取過程，根據(jù)最短軸也為直徑為35mm， 所以可以選擇出軸上的鍵為 hLb 為 6368 。 圖 4.5為前車輪車軸尺寸圖 (Front wheel axle dimension diagram) AGV自動引導小車的設計 22 4.3 軸的受力分析及校核 假設前后軸受力均勻，以后車輪軸為例。 軸的材料選用 45 鋼調(diào)質(zhì)， B = 650 M Pa, S = 360 M Pa 計算支撐反力： 垂直面反力： NF R 90 45.11 17 5.57 717 491 NF R 9041 NF R 84 55.11 17 54 017 492 NF R 8452 合成彎矩 : 22 xzxy MMM 許用應力值 : MPab 60 1 軸徑 mmMdb21601.0 488001.0 331 21mm25mm 表 4-6 轉軸和心軸的許用彎曲應力 （ M Pa） (Rotating shaft and the mandrel bending stress) 材料 B 1b 0b 1b 碳素鋼 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 合金鋼 800 270 130 75 1000 330 150 90 鑄 鋼 400 100 50 30 500 120 70 40 大部分滾動軸承是由于疲勞點飾而失效的。軸承中任一原件 出現(xiàn)疲勞剝落擴展跡象前運轉的總轉數(shù)或一定轉速下的工作小時稱為軸承壽命。 實際選擇軸承時常以基本額定壽命為標準。軸承的基本額定壽命是指 90%可靠度、常用材料和加工質(zhì)量、常規(guī)運轉條件下的壽命，以符號 10(r)或 L10h(h)表示。 基本額定壽命就是軸承所能承受的恒定載荷取為基本額定動載荷 C。也就是說，在基本額定動載荷作用下，軸承可以工作一百萬轉而不發(fā)生點飾失效，其可靠度為 90%。 當量動載荷 ar YFXFP （ 4-15） 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 23 式中 rF 徑向載荷， N； aF 軸向載荷， N； X、 Y 徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，可查。 由于機械工作時常具有振動和沖擊。為此，軸承的當量動載荷應按下式計算： )( ard YFXFfP （ 4-16） 由于不受軸向力，所以 rd FfP = 8758751 式中 df 沖擊載荷系數(shù)，由表 5-2可查； rF 徑向力，取 875N。 表 4-7 沖擊載荷系數(shù) (Impact load coefficient) 載荷性質(zhì) 機器舉例 df 平穩(wěn)運轉或輕微沖擊 電機、水泵、通風機、汽輪機 1.01.2 中等沖擊 車輛、機床、起重機、內(nèi)燃機、冶金設備 1.21.8 強大沖 擊 破碎機、軋鋼機、振動篩、工程機械、石油鉆機 1.83.0 當軸承的當量動載荷為 P 時以轉速為的基本額定壽命 10L 為： 101 LPC （ 4-17） )(10 PCL 106r 式中 P 當量動載荷， N； 10L 基本額定壽命，常以 106r 為單位（當壽命為一百萬轉時， 10L =1）； 壽命指數(shù)，球軸承 =3； C 基本額定動載荷，查表取 43.2 310 N。 若軸承工作轉速為 n r/min，可求出以小時數(shù)為單位的基本額定壽命。 hPCnPCnL h 733610 1065.5)8 7 5 102.43(5.351 6 6 7 0)(1 6 6 7 0)(6010 AGV自動引導小車的設計 24 4.4 齒輪的設計與選取 在本設計中，所采用傳動方式為齒輪傳動，并選用錐齒輪。 和其他機械傳動比較，齒輪傳動的主要優(yōu)點是：工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度適用范圍廣等。同時齒輪傳動應滿足下列兩項基本要求： 傳動平穩(wěn) 要求瞬時傳動比不變，盡量減小沖擊、振動和噪聲；這樣可以更好的傳動動力加大平衡穩(wěn)定的行進。 承載能力高 要求在尺寸小，重量輕的前提下，齒輪的強度高、耐磨性好， 在預定的使用期限內(nèi)不出現(xiàn)斷齒等實效現(xiàn)象。 在齒輪設計、生產(chǎn)和科研中，有關齒廓曲線、齒輪強度、制造精度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞著兩個基本要求進行的。也是處理和達到精度要求的最為重要的環(huán)節(jié)。 錐齒輪標準模數(shù) m和基本齒廓的確定如表 4-8和表 4-9； 表 4-8 標準模數(shù) (St andard module) 錐齒輪 GB 12368-90 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 11 12 14 16 18 20 表 4-9 直齒錐齒輪基本齒廓 (Basic t oot h p rofile of st raight t oot h bevel gear) 基本參數(shù) 齒形角 a 齒頂高ah 工作齒高 h 頂隙 c 齒根圓角半徑 fp 錐齒輪 GB 12369-90 20 m 2m 0.2m 0.3m 根據(jù)結構設計，由表 4-5初取標準模數(shù) m 2.5，再由表 4-4確定錐齒輪基本齒廓尺寸數(shù)據(jù)：齒頂高ah 2.5，工作齒高 h =5，頂隙 c=0.5，齒根圓角半徑fp=0.75，大端分度圓直徑d=mm，可得齒數(shù) z=30，齒寬 b=0.3 R ， 為錐距得 b=13.317，取 b=14，錐距 和大端分度圓直徑已知，可得分錐角 57.65。 根據(jù)嚙合公式即可算出 2個齒輪傳遞功率的大小，達到所 要求的部分。 小車的基本零件和速度、承重都要合適，通過不同的要求有不同的選擇，經(jīng)過合理的計算，選擇了合適的驅(qū)動電機、轉向電機、前后輪軸、錐齒輪的尺寸型號，使得小車的各個零件不僅節(jié)省了不必要的浪費，還能保證平穩(wěn)的運行。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 25 4.5 傳感器的選用 4.5.1 紅外傳感器尋跡 利用地面顏色與色帶顏色的反差，在明亮的地面上用黑色色帶，在黑暗的地面上用白色色帶。導引車的下面裝有光源，用以照射色帶。由色帶反射回來的光線由光學檢測器（傳感器）接受，經(jīng)過檢測和運算回路進行計算，將計算結果傳至驅(qū)動回路，由驅(qū)動回路控制驅(qū)動系統(tǒng)工作 。當 AGV 偏離導引路徑時，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運算回路計算出相應的偏差值，然后由控制回路對 AGV 的運行狀態(tài)進行及時修正，使其回到導引路徑上來。因此， AGV 能夠始終沿著色帶的導引軌跡運行。 紅外反射式光電傳感器，包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 圖 4-10 光學導引原理圖 (Optical guiding principle diagram) 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收 。 當 發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測到信號，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測到，其阻抗迅速降低，此時輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。 方案二：采用光敏電阻接受可見光檢測。該電路采用 T性網(wǎng)絡，可避免使用太大的反饋電阻，并且便于提高輸入阻抗。六組光敏電阻用于檢測可見光信號。但光敏電阻檢測到黑帶時，輸出端為低電平，但用光是電路輸出端顯示為高電平，信號返回給單片機，通過單片機控制前輪的轉向。但由于需要正負電源，同時光敏電阻易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性也很差。 方案三：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進行接收。采用六組紅外光敏耦合三極管發(fā)射和接受紅外信號，外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。接收的紅外信號轉換為電壓信號經(jīng) LM339進行比較，產(chǎn)生高電平或低電平返回給 51單片機 。 AGV自動引導小車的設計 26 根據(jù) 方案經(jīng)濟實惠，易于實現(xiàn)，可靠性好 等原則 ，因此采用方案三。穩(wěn)定性能得到提升。當小車 底 部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為低電平，反之為 高 電平。結合中斷查詢方式，通過程 序控制小車往哪個方向行走 。 根據(jù) 傳感器應用場合不同選擇不同，感覺的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。選用FS-359F反射紅外傳感器， 048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。激光傳感器雖然性能不錯，但價格較貴。從需要 5 10cm垂直探測距離的要求來看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對 6個型號的傳感器測試后，選用了價格、性能基本適合的 043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約 40 A的發(fā)射電流，沒有強烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測距離能達 8cm，完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這 里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了下圖的電路形式。 4.5.2 超聲波傳感器避障原理 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t,然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理。其系統(tǒng)框圖如下圖所示 。 圖 4-11 超聲波測距 原理框圖 (The ultrasonic ranging principle block diagram) 圖 4-12 超聲波測距模塊實物圖片 (Ultrasonic ranging module) 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 27 （ 1） 三種測距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距： 10cm80cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 中距： 80cm400cm左右 （根據(jù)被測物表面材料決定）。 可調(diào)：范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定。 （ 2） 單 /多模組的兩種使用方法（單傳感器、陣列式傳感器）：單模組使用：單模組就可完成測距實驗，一般只用來做測距 /障礙物方面的應用。多模組配合使用：模組上提供接口 J5、 J6，可將幾個模組串聯(lián)起來，組成陣列式的傳感器組。 （ 3） 應用領域 :為方便進行單片機接口方面的學習專門設計的模塊，超聲波測距模組可以方便的和 61板連接，可應用在小距離測距、機器人檢測、障礙物檢測等方面，可用于驗證方車輛倒車雷達以及家居安防系統(tǒng)等應用方案驗證。 5 驅(qū)動轉向系統(tǒng)的設計 5.1 驅(qū)動方式的選擇 AGV 驅(qū)動的方式大致可分成兩種，一種為兩臺電機各置于左、右兩邊，利用兩臺電機的動作與兩輪差速的方式達到左右轉，前進或停止，即差速型。另一種方式則類似汽車的轉向及傳動方式，即前輪為轉向輪，后輪為驅(qū)動輪，稱為舵輪型。前輪利用電機控制連接前輪的連桿，帶動前輪左、右轉向，而后輪直接利用步進電機與減速機構帶動承載車前進或停止。這里主要用到的是第一種方式。 圖 5-1 差速型轉間流程圖 (Differential type to flow chart) 這兩 種傳動方式有不同的控制流程，第一種利用兩個左、右電機差速轉彎，因此控制流程圖所示。經(jīng)由傳感器感應地面軌道回傳轉向訊號后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉向位置，當位置正確時承載車則繼續(xù)前進，反之，電機即會繼續(xù)轉向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號。此種傳動方式當承載重量過大時，可能會因電機扭力不足無法動作。而第二種則類似汽車轉向及傳動方式，如圖所示。本課題中我們所選的驅(qū)動移載機構就為差速型，即小車的前面兩輪為萬向輪，而后面兩輪分別由兩個直流電機驅(qū)動和控制小車的四個車輪采用實心樹脂輪胎。且四個車輪的直徑都為： D=250mm。 車體框架是裝配 AGV 其他零部件的主要支撐裝置，是運動中的主要部件之一，主要分為主框架和副框架兩個部分。主框架為立體型框架結構，用于安裝各種控制和通訊設備。傳感器接受信號 判斷位置 利用獨立電機以差速方式驅(qū)動轉向 達到要求位置 No Yes AGV自動引導小車的設計 28 副框架則安裝輪子、各種傳感器和驅(qū)動電機，主框架和副框架用可拆卸聯(lián)接，便于安裝和拆卸，總的來說 AGV 車架相當于汽車底盤，是 AGV 機械部分的關鍵。車架設計及工藝的合理性直接影響 AGV 的定位精度，應滿足的主要條件如下： (1) 車體的強度和剛度必須滿足小車承載及運行加速時的要求 .(2) 在保證車體有足夠剛度的條件下，盡量減輕車體的重量，以提高有效承載 重量。 (3) 盡量降低車體重心，提高整車的抗傾翻能力。 (4) 車體的外廓不應有突出部分，以防止碰撞其他物體。 根據(jù)以上所述要求，并能更好地滿足實際任務的需要， AGV 整體尺寸設計為 0.5 0.4 0.4 m(長寬高 )。除 AGV 車體以外的其他輔助系統(tǒng)的安裝直接影響著小車的驅(qū)動和轉向。 AGV 車體重心越低，越有利于抗傾翻。 5.2 傳感器的布置 傳感器導航系統(tǒng)的功能是使 AGV 沿固定的路線行駛。根據(jù)本系統(tǒng)的設計要求，采用寬為 l .5cm的白色導引帶作為 AGV的航向標志。本導航系統(tǒng)采用紅外傳感器作為導航傳感器，通過 多個傳感器組合使用進行對 AGV 的航向?qū)б?利用地面顏色與色帶顏色的反差，在明亮的地面上用黑色色帶，在黑暗的地面上用白色色帶。導引車的下面裝有光源，用以照射色帶。由色帶反射回來的光線由光學檢測器（傳感器）接受，經(jīng)過檢測和運算回路進行計算，將計算結果傳至驅(qū)動回路，由驅(qū)動回路控制驅(qū)動系統(tǒng)工作。當 AGV 偏離導引路徑時，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運算回路計算出相應的偏差值，然后由控制回路對 AGV 的運行狀態(tài)進行及時修正，使其回到導引路徑上來。因此， AGV 能夠始終沿著色帶的導引軌跡運行。 紅外反射式光電傳感器，包 括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 本設計采用五個紅外傳感器 (1 號 5 號 )按“ U”字型排開，整個“ U”型支架寬，如圖 5-2。其中中間的 2 號、 3 號和 5 號紅外傳感器用于跟蹤白色導引線之用，考慮到導引線寬為 100mm，取 2 號、 3 號和 5 號灰度傳感位置相互距離為 100mm。 1 號和 4 號紅外傳感器用于判斷是否為垂直交叉或直角拐角路口。 右前輪左前輪號灰度傳感器黑色引導帶 圖 5-2 制導系統(tǒng)安裝位置示意圖 (Guidance system installation diagram) 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 29 5.3 電機與行走系統(tǒng)的驅(qū)動裝置 AGV 的驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電源、直流電動機和減速器組成。電動機的性能參數(shù)及咸速器的規(guī)格型號的確定直接決定整車的動力性，即車輛的運動速度和驅(qū)動力直接決定整車的動力性，即車輛的運動速度和驅(qū)動力。 自動引導車是電動車的一種，而電機是電動車的驅(qū)動源，提供給整車提供動力。目前常用的電動車輛驅(qū)動系統(tǒng)有三種： 第一種是直流電機驅(qū)動系統(tǒng) ， 20 世紀 90 年代前的電動汽車幾乎全是直流電機驅(qū)動的。直流電機本身效率低，體積和質(zhì)量大 ，換向器和電刷限制了它轉速的提高，其最高轉速為6000-8000r/min。但出于其缺點目前除了小型車外，電動車很少采用直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。 第二種是感應電機交流驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)是 20 世紀 90 年代發(fā)展起來的新技術，目前尚處于發(fā)展完善階段。電機一般采用轉子鼠籠結構的三相交流感應電動機。電機控制器采用矢量控制的變頻調(diào)速方式。其具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結構簡單，免維護、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點，該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬。目前，世界上眾多著名的電動汽車中，多數(shù)采用感應電機交流驅(qū)動系統(tǒng)。 第三種是永磁同步電機交流驅(qū)動系統(tǒng)，其 中永磁同步電機包括無刷直流電機和三相永磁同步電機，而永磁同步電機和無刷直流電機相比，永磁同步電機交流驅(qū)動系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質(zhì)量最小，也無直流電機的換向器和電刷等缺點。但該類驅(qū)動系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動汽車中得到一定的應用。但永磁同步電機是最有希望的高性能電機，是電動汽車電機的發(fā)展方向。 出于直流電機本身具有控制系統(tǒng)簡單，調(diào)速方便，不需逆變裝置等優(yōu)點，并且本課題設計的 AGV 不需要工作在高速大功率之上，因此，在本文仍采用直流電機作為驅(qū)動系統(tǒng)的動力源 。 我們設計的 AGV 原理樣車載重總質(zhì)量為 250kg，最高時速設定為 1.11m/s，正常運行時速設定為 0.28 0.83m/s 。 小車采用差速轉向控制，故每個驅(qū)動輪都有獨立的驅(qū)動電機。為了使系統(tǒng)運行可靠且維護方便，本系統(tǒng)采用兩個無刷直流電機作為驅(qū)動電機。同時，為了安裝、操作方便，選用了低速性能較好的外轉子無刷電機，將其外轉子直接作為車輪，且無需配備減速機構。 根據(jù) AGV 所要承載的負荷、系統(tǒng)的自重以及車速要求，本系統(tǒng)選用了直流電機，直流電動機被廣泛應用于各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中，主要優(yōu)點是調(diào)速和啟動特性好，轉矩大。但是有刷直流電動機有電刷和換向器 ，其間形成的滑動機械接觸嚴重地影響了電機的精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花會引起無線電干擾，縮短電機壽命，換向器電刷裝置又使直流電機結構復雜、噪音大、維護困難，因此長期以來人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機 無刷直流電動機。這種電機既具有直流電動機的特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點 ,它的轉速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達每分鐘幾十萬轉的轉速中運行。因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電機、伺服電動機和力矩電動機等使用，尤其適用于高級電子設備、機器人、航空航天技術、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術領域。 無刷直流電動機是由電動機、轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成，它的原理AGV自動引導小車的設計 30 框圖如圖 5-4。 圖 5-4 無刷直流電機原理圖 (Brushless DC motor principle diagram) 采用霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機通常稱為“霍爾無刷直流電動機”。由于無刷直流電動機的轉子是永磁的，就可以很方便地利用霍爾元件的“霍爾效應”檢測轉子的位置。 5.4 電源部分選擇 目前 AGV大多使用鎳鎘蓄電池，鎳氫蓄電池、鋰電池和 鉛酸蓄電池 。下面就對以上幾種類型的電池進行簡單比較： 鎳鎘蓄電池內(nèi)阻小，可供大電流放電，放電時電壓變化小與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，操作簡單方便放電電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是 1. 2V 左右鎳鎘電池的放電終止電壓為 1V/cell，實使用溫范圍在 200600 度 ， 在此范圍內(nèi)可進行放電?？芍貜?500 次以上的充放電。 鎳氫蓄電池鎳氫電池能量比鎳鎘電池大二倍，用專門的充電器充電可在一小時內(nèi)快速充電 ,自放電特性比鎳鎘電池好，充電后可保留更長時 間，可重復 500 次以上的充放。 鋰電池擁有高能量密度。與高容量鎳鎘電池相比，體積能量是其 1. 5 倍，能量密度是其 2 倍。高電壓，平均使用電壓為 3. 6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的 3 倍，使用電壓平坦并且高容量，廣泛的使用溫度 200600 度。充放電壽命長，經(jīng)過 500 次放電后其容量至少還有 70%以上由于鋰電池具備了能量密度高電壓高，工作穩(wěn)定等特點。 鉛酸蓄電池鉛酸電池是一種使用最廣泛的電池，它以海綿狀的鉛作為負極，二氧化鉛作為正極，我們把這二種物質(zhì)稱為活性物質(zhì)，用硫酸水溶液作為電解液，它們共同參與電池的電化學反應。 鉛酸蓄電池 具有良好的可逆性、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富（且可再生使用）及造價低廉等優(yōu)點。主要應用在交通運輸、礦山、港口、國防、計算機、科研等國民經(jīng)濟各個領域，是社會生產(chǎn)經(jīng)營活動和人類生活中不可缺少的產(chǎn)品。 經(jīng)過以上對 蓄電池 優(yōu)缺點的對比，本課題我們選擇用 2 塊 40Ah 的鉛酸蓄電池串聯(lián)方式構成電源，其輸出電壓為 12 2=24V，蓄電池布置在承載車身內(nèi)，總重量為 24 2=48kg 本章中主要是電機以及驅(qū)動電源的設計過程，其中對小車驅(qū)動功率、電機扭矩和蓄電池容量的計算等作了詳細的論述。根據(jù)計算、 分析選擇直流電動機和蓄電池，選擇輪胎，設計傳感的安放位置。 直流電源 開關電路 電動機 位置感應器 負載 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 31 6 控制系統(tǒng) 6.1 電源及驅(qū)動芯片模塊 本 AGV 選用的驅(qū)動芯片為 L293D, L293 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。其后綴有 B， D， E 等，除 L293E 為 20 腳外，其它均為 16 引腳 Vss 電壓最小 4. 5V，最大可達 36V， Vs 電壓最大值也是 36V。經(jīng)過實驗， Vs 電壓應該比 Vss 電壓高，否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。能通過的峰值電流是 1. 2A， 由于是采用橋式電路驅(qū)動一個電機，它允許的輸出電流是 686. 6mA，據(jù)此可確定電機的選擇范圍 。 小車由電池組提供電壓，控制系統(tǒng)所需的 5 伏穩(wěn)定電壓由電池組經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后提供。電機所需的電壓由電池組直接提供。 一個線性三端穩(wěn)壓器擴流電路，此電路是極為常見的一個線性三端穩(wěn)壓器擴流電路 。 電源的缺點 是 電源是線性穩(wěn)壓電路 ， 內(nèi)部功率損耗大 ,全部壓降均轉換為熱量損失了 ，效率低 。 所以散熱問題要特別注意 ， 由于核心的元件 7805 的工作速度不太高 ， 所以對于輸入電壓或者負載電流的急劇變化的響應慢 ， 此電路沒有加電源保護電路 7805 本身有過流和溫度保護 ， 但是擴流三極管 TIP32C 沒有加保護 ， 所以存在一個很大的缺點 ， 如果 7805在保護狀態(tài)以后 ， 電路輸出超過預期值 ， 這點要特別注意 。 電源的優(yōu)點 是 電路簡單 ， 穩(wěn)定 。 調(diào)試方便 (幾乎不用調(diào)試 ) 價格便宜 ， 適合于對成本要求苛刻的產(chǎn)品電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號的元件 ， 工作頻率低 ， EMI 等方面易于控制 。 電阻 R 的大小 R 的大小對調(diào)整通過 7805 的電流有很大的關系 ， 取不同的值帶入上式即可看出 。 R 越大 ， 則輸出同樣的電流的情況下流過 7805 的電流要小些 ， 反之亦然 。 通常這樣的電路中 ， 對于擴流三極管 TIP32 加散熱片 ， 而對于 7805 則無需要 ， 但是 R 的值不能過大 ， 其條件是 ： R VBE /( IREG IB)。 它的額定輸入輸出都是 5 伏特，其作用是隔離干擾，消除信號源端的熱噪聲。 圖 6-1 光電耦合器（ TLP521-4） 6.2 電路的設計及行走策略 電路設計的主要思想就是由于電機驅(qū)動部分對前面的數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，數(shù)字系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)是不共地的，它們之間使用光電隔離器，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個電路由兩個不共地的 12V 電源供電。一路 12V 供顏色傳感器和經(jīng) 7805 轉換成 5V 供單片機系統(tǒng)，如圖所示，另一路 12