《自主式AGV小車設計和實現(xiàn)機械工程專業(yè)論文設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《自主式AGV小車設計和實現(xiàn)機械工程專業(yè)論文設計（32頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘 要 隨著柔性制造技術和物流技術的不斷發(fā)展和進步，自動導向車（AGV）逐漸成為了現(xiàn)代科學技術的新產(chǎn)物，逐漸擁有了廣闊的市場前景和發(fā)展空間。該AGV小車可以按照先前設定的模式在特定的環(huán)境下完成自動操作的功能，該動作模式不需要特定的人去管理就可以完成，從而達到預期設定的目標。因此，本文提出了基于單片機控制的自動導向車控制系統(tǒng)。 本設計采用STC89C52RC作為該系統(tǒng)的主控制器，控制AGV小車的各個工作模式。系統(tǒng)采用磁帶引導技術實現(xiàn)對小車的循跡操作，通過光電傳感器實現(xiàn)了避障功能，最后采用藍牙技術實現(xiàn)通信協(xié)議功能，實現(xiàn)對AGV小車的遠程控制。本文首先是通過對課題的研究背景和意義進行分析論述

2、，提出了本文的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)的安排；接著，通過對系統(tǒng)的總體控制方案的設計要求及設計思路進行研究分析，同時對比AGV的不同引導方式的優(yōu)、缺點，提出本文所采用的磁帶引導技術，并對核心控制器進行研究和設計；然后對AGV的研究設計進行分析介紹，對AGV車進行結(jié)構(gòu)設計和關鍵模塊設計；最后進行軟件設計，完成實物的設計、調(diào)試和運行。 本文主要采用磁帶導引技術，對AGV系統(tǒng)進行軟、硬件設計，通過仿真驗證和系統(tǒng)調(diào)試，所設計的AGV小車滿足設計要求，能實現(xiàn)較好的循跡效果。 關鍵詞：自動導向小車; 磁帶導引方式; 單片機 II Abstract With the continuous dev

3、elopment and progress of flexible manufacturing technology and logistics technology, automatic guided vehicles (AGV) have gradually become a new product of modern science and technology, and gradually have a broad market prospect and development space. The AGV car can complete the function of automa

4、tic operation in a specific environment according to the previously set mode, and the action mode can be completed without the need of specific people to manage, so as to achieve the desired target. Therefore, this paper proposes an automatic guided vehicle control system based on single chip contro

5、l. This design uses STC89C52RC as the main controller of the system to control each working mode of AGV car. The system uses the tape guidance technology to realize the tracking operation of the car, and the obstacle avoidance function is realized by the photoelectric sensor. Finally, the Bluetooth

6、 technology is used to implement the communication protocol function, and the remote control of the AGV car is realized. This article firstly analyzes and discusses the research background and significance of the subject, and puts forward the main research content and organizational structure of the

7、 article; then, through the research and analysis of the design requirements and design ideas of the overall control scheme of the system, and the comparison of AGV The advantages and disadvantages of different boot methods, the tape guidance technology used in this paper is proposed, and the core c

8、ontroller is researched and designed; then the research design of AGV is analyzed and introduced, and the structural design and key module design of AGV vehicles are finalized; finally Carry out software design, complete the physical design, debugging and operation. This paper mainly uses the tape

9、guidance technology to design the software and hardware of the AGV system. Through simulation verification and system debugging, the designed AGV car meets the design requirements and can achieve better tracking effects. Keywords: Automatic guided car; Tape guidance mode; Single chip microcomputer

10、 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)安排 1 2 基于磁帶引導的AGV控制系統(tǒng)總體方案設計 3 2.1 AGV控制系統(tǒng)的設計與研究 3 2.2 各模塊控制方案的確定 4 2.3 AGV引導方式的選擇 6 2.4 本章小結(jié) 10 3 AGV控制系統(tǒng)的硬件設計與研究 11 3.1 控制系統(tǒng)總體方案設計 11 3.2 車架結(jié)構(gòu)設計 12 3.3 系統(tǒng)控制流程圖 14 3.4 主控制器的研究和設計 15 3.5 其他關鍵模塊的設計 17 4 A

11、GV控制系統(tǒng)的軟件設計和驗證 20 4.1 程序設計流程 20 4.2 系統(tǒng)調(diào)試 20 4.3 實物結(jié)果 23 結(jié)論 26 致謝 27 參考文獻 28 附錄 29 1 緒論 1.1 課題研究背景及意義 隨著科研的進步，機器人領域發(fā)生了翻天覆地的變化，現(xiàn)在可移動型機器人已占據(jù)機器人領域的重要地位。世界上研究、制造出的第一臺可自主動作的移動型機器人是斯坦福研究院（Standford Research Institute ,SRI）的Charles Rosen和Nits Nilssen等人的6年不斷地研究與突破的成果[1-3]。 從世界上制造出工業(yè)機器

12、人到現(xiàn)在，機器人的使用現(xiàn)已涉及交通、制造、醫(yī)藥、電鍍、生產(chǎn)、軍事、自動導航等領域。最近幾年，機器人的發(fā)展方向越來越數(shù)字化、智能化，與此同時，人們的生活方式和生活水平也不斷改變。 伴隨著社會的發(fā)展，科技、科研的不斷進步，可對外部環(huán)境做出的判斷的感知元件成為機器人自行運作的重要組成部分，視覺傳感器可作為感知元件，視覺傳感器的主要器件是運用電荷進行耦合的器件CCD和攝像管。電荷耦合器件CCD的價格比較昂貴、體積較大，故當某系統(tǒng)只需要粗略感知事物時，使用模糊視覺傳感器，而不采用CCD[4]。 當機器人要完成運作及相關功能操作時，必須要有對外界的感知原件和大腦，大腦相當于機器人的中央處理器，感知原件

13、相當于機器人的傳感器。自動導引小車（Auto Guide Vehicle，AVG）的控制系統(tǒng)為本課題研究的可移動型機器人控制系統(tǒng)(朱宏輝，2001)提供了重要的依據(jù)，此系統(tǒng)使用兩種紅外檢測傳感器來檢測障礙物和黑色軌道，然后通過中央處理器進行分析、判斷和處理，再控制執(zhí)行部件完成相應動作，來實現(xiàn)小車的自動躲避障礙和自動識別路線功能[5-9]。 1.2 主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)安排 1.2.1 主要研究內(nèi)容 本課題主要采用磁帶引導技術和單片機控制原理設計AGV控制系統(tǒng)。主要工作是：首先對原有的AGV產(chǎn)品進行優(yōu)缺點分析和制約因素分析；接著對AGV的路徑識別技術進行研究，并提出一個比較穩(wěn)

14、定的解決方案；接著然后分析研究單片機的控制原理，實現(xiàn)對AGV運行路徑的控制；最后對AGV系統(tǒng)進行軟、硬件設計，同時進行實物設計，使得產(chǎn)品滿足設計要求。 1.2.2 組織結(jié)構(gòu)安排 第一章為緒論。首先介紹本設計的背景和研究意義；接著，提出了本課題的主要研究內(nèi)容；最后闡述本論文的章節(jié)安排。 第二章為基于磁帶引導的AGV控制系統(tǒng)總體方案設計。本章主要介紹系統(tǒng)的設計要求及設計思路；接著進行各模塊的方案確定；最后對各引導方式進行選擇； 第三章為AGV控制系統(tǒng)的硬件設計與研究。首先介紹控制系統(tǒng)的總體方案設計，然后進行車架結(jié)構(gòu)設計，最后對主控器和關鍵模塊電路的設計。 第四章為AGV控制系統(tǒng)的軟

15、件設計與驗證。首先是進行程序設計流程，然后進行系統(tǒng)調(diào)試，最后是實物展示和測試結(jié)果分析。 第五章為總結(jié)。對本文所做的工作和實現(xiàn)的功能進行總結(jié)。 - 28 - 2 基于磁帶引導的AGV控制系統(tǒng)總體方案設計 2.1 AGV控制系統(tǒng)的設計與研究 2.1.1 AGV控制系統(tǒng)的設計要求 本文設計的AGV控制系統(tǒng)主要應用我們最熟悉的物流系統(tǒng)中，設計該系統(tǒng)主要是為了提高物流系統(tǒng)中的工作效率和可靠性的保障。本文的設計是在研究AGV系統(tǒng)工作原理的基礎上，完成硬件和軟件兩個方面設計。其中硬件平臺主要包括路徑識別裝置、無線通信模塊和磁帶引導模塊等。磁帶引導系統(tǒng)由磁敏元件和磁帶組成，

16、這個控制系統(tǒng)采用單片機控制，實現(xiàn)設計要求。在設計中，必須做以下幾方面的工作： （1）對AGV 系統(tǒng)設計相關文獻進行檢索、分析； （2）運用微控制器及數(shù)據(jù)通信等相關工程原理，與我們現(xiàn)在熟悉的經(jīng)濟還要市場的安全技術進行結(jié)合，然后設計出一個可靠性高的控制方案，來實現(xiàn)對AGV小車的控制。 （3）根據(jù)解決方案，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信、工作路徑識別等模塊設計以及路徑識別算法等軟件設計； （4）對所有的數(shù)據(jù)進行采集和處理，并進行編程操作，同時實現(xiàn)軟件設計和后續(xù)的系統(tǒng)的調(diào)試工作。 （5）對整個系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)進行整合、分析，然后得出對應的結(jié)論，并進行報告的撰寫。 （6）最終的整個系統(tǒng)仿人功能要實現(xiàn)，路

17、徑的識別和硬件系統(tǒng)的設計，同時能在物流運輸系統(tǒng)中得到一個準確的定位，也就是所研究的算法必須精度盡可能的高。 2.1.2 AGV控制系統(tǒng)的設計思路 首先，在完成本設計的時候先是進行總體方案的一個設計和評估，確定好要做一個通過單片機控制的基于磁帶導引技術的AGV，確定所要設計的模塊包括 ：電源模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通信模塊等。 然后，對所設計到的技術進行分析和選擇，通過查閱相關資料，對所有的導引技術進行優(yōu)缺點對比，選擇出自己所要采用的技術。 接著，對模塊采用的技術進行方案對比，選擇所要的實施方案； 其次，進行硬件電路設計，對主控電路和關鍵模塊電路進行設計。 最后，進行軟件

18、設計，并進行實物設計和測試分析。 2.2 各模塊控制方案的確定 2.2.1 控制系統(tǒng)模塊的選擇 根據(jù)課題設計要求，經(jīng)過分析，此控制系統(tǒng)是一個多變量輸入的復雜控制系統(tǒng)，其實現(xiàn)控制的方法有很多，下面介紹兩種方案并進行比較論證。 方案一：僅采用復雜可編程邏輯器件CPLD 此方案是使用CPLD來擔任小車系統(tǒng)的大腦（控制中心），來實現(xiàn)本設計所要求的簡單功能。CPLD是一種數(shù)字集成電路，人們可根據(jù)他們的不同需求而進行不同的邏輯功能構(gòu)造，其可使用HDL和VHDL等硬件描述語言來進行開發(fā)利用。雖然CPLD對信息的判斷、分析、處理的速度很快，但是智能小車系統(tǒng)對信息處理的要求并不高，采用MCU

19、（微控制單元）就可以，若使用復雜可編程邏輯器件CPLD作為該系統(tǒng)的主要控制器，一定會給之后的控制電路搭建和軟件程序編寫添加不必要的麻煩，故不采用該種方案，且提出方案二。 方案二：僅采用基于微控制單元MCU的單片機作 如圖1，使用基于微控制單元MCU的單片機來擔任該小車系統(tǒng)的控制中心，來實現(xiàn)本設計所要求的的簡易功能。該小車的主要控制包括遙控控制和自動控制，而單片機有控制快捷、方便、簡單、穩(wěn)定性好、可位尋址等優(yōu)勢，故可采用單片機進行控制。 圖2.1 以單片機為控制中心的原理框圖 經(jīng)過反復分析、推敲可知：該系統(tǒng)是一個多變量輸入的復雜控制系統(tǒng)，故所選單片機必須是能進行

20、多變量分析、決策、處理的單片機，而不能用簡單輸入輸出口、存儲空間比較小的單片機?；谝陨戏治觯驗?1單片機有多位的位操作指令能進行多變量分析、決策與處理，其所有I/O口全部能按照位來進行尋址，并且51單片機價格低廉。所以，通過對比分析，本文將會選擇STC89C52RC單片機作為本次的課題的核心控制器。 通過兩種方案的對比可以知道：在小車的控制問題上，基于微控制單元MCU的單片機比復雜可編程邏輯器件CPLD更方便、有效，所以選用方案二，即采用一片STC89C52RC單片機進行小車控制。 2.2.2 供電模塊 要使小車能夠行駛，則需要給本課題所設計的智能小車進行電力提供。下面介紹兩種常用

21、方案并進行比較： 方案一：運用12V的可充電蓄電池進行電力提供 雖然蓄電池有著供電穩(wěn)定、可重復性使用的特點，但考慮到小車要輕便、高效行駛，其車體在進行設計的時候不能過大，而蓄電池的體積相對較大，其使用在該小車上非常不合適，因此放棄此方案，并提出方案二。 方案二：運用鋰電池形成的電池組進行電力提供 當利用多個鋰電池形成的鋰電池組進行電力提供時，電路電壓、電流比較穩(wěn)定，主控制器和感知元件能夠正常、穩(wěn)定運行；電池組體積相對于蓄電池來說，體積較小，可滿足小車的車體要求。 綜上所述，在使小車輕便、高效行駛前提下，選擇方案二，即運用鋰電池形成的電池組進行電力提供。 2.2.3 電機選擇 要

22、使小車行駛，則本課題所設計的智能小車就必須有機械執(zhí)行部件，本設計的機械執(zhí)行部件是電機，下面介紹兩類部件并進行比較論證： 方案一：把步進電機當做小車的機械執(zhí)行部件。 此方案中的執(zhí)行部件是一種能把脈沖形的電信號變成角位移的開環(huán)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在正常情況下，輸入脈沖不受負載的影響，執(zhí)行部件的位移數(shù)、位移速度只由輸入脈沖信號的脈沖個數(shù)和頻率決定，而每一步電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一個角度，這個角度為“拍距角”（ 也叫步距角，計算公式為齒距角/步數(shù)）。步進電機的輸出力矩與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)負相關，當輸出力矩較小時，步進電機轉(zhuǎn)速較大，而該設計對速度有相關要求，故提出方案二。 方案二：把直流電機當做小車的機械執(zhí)行部件。 據(jù)我

23、們查閱相關資料，我們了解到直流電機的控制對我們來說是非常容易的，轉(zhuǎn)矩比較大，調(diào)速的范圍也是比較寬的。所以只需要給直流電機的控制線加上一個合適的電壓，這時候電機就會轉(zhuǎn)動。根據(jù)學習到的有關電機方面的知識了解到，我們所加的電壓越大的話，電機的轉(zhuǎn)速也就會非常大的快。直流電機的轉(zhuǎn)子速度調(diào)節(jié)有：改變電樞回路電壓、改變勵磁電流和PWM調(diào)速等。 綜合以上分析，采用直流電機作為小車的機械執(zhí)行部件。 2.2.4 電機驅(qū)動模塊 以上有了控制器、供電裝置和電機以外，小車還是不能行駛，而電機驅(qū)動模塊能把控制器輸出的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C的控制信號，其是控制器與電機之間的橋梁，其可以驅(qū)動小車輪子轉(zhuǎn)動，是小車行進，下面介

24、紹兩類驅(qū)動方法并進行比較論證： 方案一：使用繼電器開關的切換對電動機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進行控制驅(qū)動。 采用繼電器開關的切換對電動機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進行控制時，此驅(qū)動方法所需要的電路搭建起來相對簡單，其控制方式比較靈活，但是繼電器的開關切換需要花費一定的時間，從而使得其控制電機的效率相對低下，又繼電器的使用場合較多造成機械結(jié)構(gòu)特別容易損壞，故提出方案二。 方案二：使用達林頓管構(gòu)成的H橋式電路對電動機進行控制驅(qū)動。 達林頓管工作時，其占空比可以進行調(diào)節(jié)，因此，電機轉(zhuǎn)速可以進行人為改變。如下圖2所示，H橋式電路是工作在三極管的飽和、截至狀態(tài)下的，其能夠?qū)﹄姍C的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。H橋式電路組成的電子開

25、關比繼電器的開關速度快，其控制效率比繼電器強，故可采用H橋式電路進行驅(qū)動。 經(jīng)過研究和深入分析后，我們發(fā)現(xiàn)L298N這個器件采用的是兩個H橋來實現(xiàn)所說的驅(qū)動功能的，并且這個可以接收邏輯信號，也就是所說的TTL級別的信號，并且這個驅(qū)動在工作的時候，可以使得電機的額定電壓固定下來，也可以使得電流滿足整個系統(tǒng)的設計要求，并且這個驅(qū)動也可以實現(xiàn)對功率的放大。因此，本課題的設計中所以采用L298N作為一個主要的驅(qū)動器件。  圖2.2 H橋式電路 綜上所述，方案二控制簡單、高效，性能優(yōu)越，故本設計選擇基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動集成芯片L298N作為電機的

26、驅(qū)動器件。 2.2.5 無線通信模塊 要是小車能夠工作在遙控模式下，就必須有無線通信模塊，現(xiàn)有以下兩種無線通信方式，進行比較論證如下： 方案一：使用紅外協(xié)議進行無線通信 紅外協(xié)議的無線通信的信息傳遞通道是信道，其是一種波段為950nm的紅外線。通信過程中，首先發(fā)送端把二進制的數(shù)字信號變換為一連串的光脈沖信號，再通過紅外發(fā)射管發(fā)射。然后接收端把光脈沖信號變換成電信號，再經(jīng)過放大、整流、濾波等操作處理后，最后通過解調(diào)電路來解調(diào)，從而把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制數(shù)字信號輸出。因為紅外通訊在通訊程過中，其不能移動，通訊距離比較短，且遇障礙物通訊會中斷，所以紅外通訊不適合用于智能小車的遙控，故提出方案

27、二。 方案二：使用藍牙協(xié)議進行無線通信 藍牙通信是語音傳輸和無線數(shù)據(jù)的開放式標準，其運用2.4GHz 的ISM頻段完成跳頻、調(diào)頻，并使用權(quán)向糾錯編碼、自動重傳請求（Automatic Repeat Request，ARQ）、時分雙工TDD和基帶協(xié)議。藍提能夠供持每秒64kb的數(shù)據(jù)、語音傳輸，語音編碼是間連不斷的可改變斜率增量調(diào)制(Continuous Variable Slope Delta Modulation, CVSD)。 智能小車的遙控要求通訊距離遠，穩(wěn)定可靠，使用藍牙協(xié)議就可滿足要求，并可以通過智能手機的應用程序向智能小車發(fā)送指令，實現(xiàn)智能小車的遠程控制，體現(xiàn)出智能科技的便利

28、。 綜上所述，無線通信模塊采用方案二，即用插針式HC-05藍牙協(xié)議進行通信。 2.3 AGV引導方式的選擇 本文所提到的AGV實現(xiàn)自主運行的關鍵就是對引導信息的識別和處理。由于現(xiàn)在所設計的AGV控制系統(tǒng)必須考慮很多因素，考慮現(xiàn)在所設計的導引技術必須具備柔性設計，同時成本還要低，所以我們在確定導引技術方案的時候，必須充分考慮各種導引技術的優(yōu)缺點，通過對比分析，然后結(jié)合本課題選擇出最后的方案。而目前，據(jù)我們查閱先關資料了解到，AGV的引導方式主要有：視覺引導、磁帶引導、光學引導、激光引導、慣性引導、電磁感應引導和磁帶引導等。接著，詳細分析每種引導方式的優(yōu)、缺點[10-12]。 2

29、.3.1 視覺引導技術 現(xiàn)現(xiàn)在所了解到的AGV的視覺牽引小車說白了就叫圖像-識別-導引，這種引導分位無線式和有線式兩種。所謂的有線的視覺的導引的技術其實就是憑借路面上畫的路標線，通過車上的攝像頭收集圖像采集然后處理，拍攝的硬件產(chǎn)品配置也和采集系統(tǒng)的精度有關[13]。 視覺引導優(yōu)點：有豐富的引導信息和柔性，鋪設軌跡使用色帶完成，以后的維護和在改造很便宜；相應的缺點就是圖像的處理技術算法不夠事實準確。 2.3.2 慣性引導技術 慣性引導是使用一些特別的磁性物質(zhì)，地面上的小磁鐵，再利用陀螺儀技術來把控操作小車的行駛軌跡[13]。 慣性導引優(yōu)點：技術相對來說較為先進、靈活性強、便于擴充、

30、柔性較高；但是它的缺點是：陀螺儀有累計誤差沒法進行累計，得使用其他傳感器幫助定位，成本高。 2.3.3 電磁感應引導技術 電磁感應引導是使用低頻率的電纜產(chǎn)生的磁場和特定的傳感器裝置來控制無人小車完成特定運動[15]。 電磁感應引導優(yōu)點:原理非常簡單、操作技術成熟、引導準確性高、價格成本低；相應的它的缺點是：安裝時要破壞地面，以后的修理和維護代成本高，不適合一些交通復雜的地方。 2.3.4 激光引導技術 我們也比較熟悉這個激光引導技術，這個技術的主要就是利用激光進行掃描和識別的，采用這種方式進行定位，在一個固定的范圍內(nèi)進行識別和工作，從而去引導AGV小車的運動軌跡。 每一

31、個引導技術都有自己獨特的優(yōu)點和缺點，那么這個激光引導技術主要是定位的精度和其他的引導技術相比較，比較的高，適應性相對來說比較強，這個技術可以適應比較復雜的路面和通道。但是，任何一個再好的技術也存在不足，這個技術的不足就是激光技術的使用比較的貴，成本比較高，一般不在低成本的設計中不被采納。 2.3.5 磁帶引導技術 帶導航技術，其實在我們學習和實驗室中是比較常見的一種引導技術。這個技術主要用的就是采用我們熟悉的磁感應原理進行設計和控制AGV小車的運動軌跡的。 磁帶引導技術就是當我們確定好了AGV小車的運動軌跡之后，我們在地面上貼一些特定的磁條，使得我們設計好的小車按照這個磁條的位置進行運

32、動。對于小車來說，它自己肯定也會存在一個和地面上相同的此條，該磁條一般我們會貼在小車的車身下面，這樣的的近距離感應才會比較靠譜。設計中，根據(jù)查閱資料和閱讀文獻，了解到，小車的磁條位置一般我們會設置在距離地面30mm左右的位置，磁條的寬度也應該取得合適，不能過寬，同時也不能過窄，一般會選擇50mm左右。內(nèi)部的傳感器的監(jiān)測點之間的位置大概就是10mm左右，這樣就能對磁條進行監(jiān)測，并把對應的信息反應給控制系統(tǒng)進行處理和判斷。 系統(tǒng)采用的傳感器其實就是具有一些特定功能的傳感器，我們這個傳感器就是可以進行故障的一個自動監(jiān)測功能。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，這個時候傳感器就會做出對應的判斷，然后反饋給控制器，防止

33、小車不按照軌跡進行亂動作，防止小車進行脫軌工作，造成比較嚴重的后果。 該制技術是應用最為廣泛的引導技術，這個技術的優(yōu)點就是，原理比較簡單，容易掌握和控制，結(jié)構(gòu)也簡單，成本非常低，在進行引導的時候，可靠性較高，這個也比較容易擴充；缺點和不足就是獲得的信息比較單一，抗干擾的能力稍微差一點。 因此，綜上所述，根據(jù)不同導引方式的優(yōu)缺點和適用范圍，同時也考慮到成本的一些問題和穩(wěn)定性的問題，所以本文采用磁帶引導技術設計小車的路徑識別信息。 2.4 本章小結(jié) 本章是基礎章節(jié)，本章首先介紹了AGV控制系統(tǒng)的設計要求和設計思路；接著，對各模塊的控制方案進行分析和確定；最后介紹本文采用的導引

34、技術。本章的介紹主要是為第三章的系統(tǒng)硬件設計和實現(xiàn)奠定基礎。 3 AGV控制系統(tǒng)的硬件設計與研究 3.1 控制系統(tǒng)總體方案設計 在進行整體方案的設計時，我們必須考慮到驅(qū)動控制和整個系統(tǒng)的控制。在驅(qū)動和它的控制系統(tǒng)中，控制模塊就是該系統(tǒng)最重要的部分，不僅需要提供電機運動所需的操作的信號，還需要整個操作系統(tǒng)的邏輯部件。安全的模塊、人機交互的模塊、安全的模塊與通訊定位的模塊都和控制的模塊相互連接，使模塊間相互協(xié)調(diào)相互配合達到小車各項運動功能。圖3.1所示便是磁帶引導的 AGV 車載系統(tǒng)模塊圖。 圖3.1 基于磁帶引導的AGV 模塊關系

35、圖 3.2 車架結(jié)構(gòu)設計 (Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)，也叫AGV小車，說的是給AGV裝備了CCD導航、磁導航、激光導航等其中一種導航，讓AGV在使用中能按照我們規(guī)劃的特定路線來進行運動，在運行的整個過程中減少了人力的損耗，整個操作運行過程中沒有駕駛員，能夠全天不停地工作，提高生產(chǎn)效率，安全性也會提高很多，也可以根據(jù)現(xiàn)場特定的情況，來進行特定的設置操作，更好的提高現(xiàn)場的工作效率。 本文的水就是采用磁帶導航的傳感器進行設計的，這個就是把磁條貼在我們想要設計的路徑的對應位置，這個就是AGV小車的循跡線路，然后我們同時也在上位機上對小車的路線進行規(guī)劃，讓

36、其對我們設計的小車在循跡的過程中進行實時的監(jiān)測和控制，防止小車在循跡的過程中出現(xiàn)意外情況，發(fā)生不按照固定標好的路線行駛而發(fā)生碰撞等問題發(fā)生，從而造成了一些不必要的損失。AGV小車的在循跡的過程中，肯定不能缺少供電系統(tǒng)，我們將電池安裝在車的兩個端子，并且將我們的磁帶引導傳感器也安裝在AGV小車的兩個端子上，使得這個控制環(huán)路形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，從而對小車實現(xiàn)一個穩(wěn)定的控制。我們在進行設計的時候，必須考慮非常多的因素，要想使得我們的AGV控制系統(tǒng)非常的穩(wěn)定和可靠，精度較高，我們必須費功夫進行設計，例如考慮怎樣可以很好的實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎等問題。 3.2.1模型框架

37、 圖3.2 AGV零件圖 如圖3.2所示為AGV小車的零件圖，在該圖中明顯有9個點，不同的點我們會設置不同的東西。1號點位置為：啟動、停止和復位按鈕；2號點和3號點的位置為12V電池；4號點的位置為小車的輪子；5號點的位置為傳感器；6號點的位置為傳送帶；7號點的位置為觸摸屏；8號點的位置為避障傳感器；9號點為位置為對射傳感器；10號點的位置為三色燈。 3.2.2內(nèi)部構(gòu)造 圖3.3 AGV伺服安裝圖 如圖3.3所示為AGV小車的伺服安裝的圖，我們在設計的時候，對該車設計了4個點位，1號點為位置為前邊的磁導航傳感器，2號點的位置為后邊的磁導

38、航傳感器，3號點的位置為伺服電機，4號點的位置為伺服驅(qū)動器。 圖3.4 AGV內(nèi)部圖 如圖3.4所示的為AGV小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，在對小車的內(nèi)部進行設計的時候，我們設計了三個點，1號點的位置為逆變器，2號點的位置為伺服驅(qū)動器，3號點的位置為12V的直流電池。 3.3 系統(tǒng)控制流程圖 該系統(tǒng)圖流程圖如圖3.5所示，通過啟動按鈕實現(xiàn)對AGV的控制，在運行的過程中，不斷進行反復的檢測和識別，識別周圍的環(huán)境信息，并進行判斷，不斷的進行循跡工作。 圖3.5 計算機控制系統(tǒng)

39、軟件流程圖 3.4 主控制器的研究和設計 在本課題的AGV小車的設計中，我們主要采用的是STC89C52RC單片機作為本次設計的核心控制器，該控制器其實就相當于我們的大腦，在我們的整個系統(tǒng)的設計中擔任重要的角色。這個主控制的芯片主要的作用就是負責各個模塊的一個協(xié)調(diào)工作，使得各個模塊之間配合工作，然后去完成對應的功能，整個系統(tǒng)主要完成的功能如下所述： （1）負責接收磁帶傳感器的檢測到的信號，然后主控制器對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行判斷，從而去調(diào)整小車的循跡軌跡； （2）也可以接收外部人為所給系統(tǒng)的一些指令，使得系統(tǒng)的控制器去按照所給的指令去執(zhí)行相應的動作； （3）使得各功能模塊能夠正常

40、、有序工作。 3.4.1 主控芯片的主要特點 ⑴它集成度相對來說還是比較高，功能也非常強。因為，在一個小小芯片上就集成了定時/計數(shù)器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O端口、中斷等信息；實現(xiàn)的功能非常強大，甚至有些功能，我們都無法想到； ⑵性能價格比相對來說比較高，根據(jù)我的了解來說，還是比較穩(wěn)定的； ⑶抗干擾能力比較強，當它被應用在工業(yè)控制領域時，可以抗外部大量的噪聲，使用起來相當?shù)姆奖悖o人們的生活和工作都帶來了大量的好處。 3.4.2 主控電路的組成 本文設計的這個AGV小車的控制系統(tǒng)，采用的單片機是我們所熟悉的單片機，通過在本科階段的學習，我們也明白任何一個單片機在使用的時

41、候，必須和對應的時鐘電路和復位電路，這幾個電路配合使用，然后連接在一起，組成單片機的最小系統(tǒng)的設計。 該小車的主控制器是STC公司的具有MCS-51內(nèi)核的STC89C52RC單片機，其有8K bite 只讀程序存儲空間、8位高性能微處理器、低電壓的工作特性。STC89C52RC單片機要正常工作必須要組成最小運行環(huán)境，一個典型的單片機系統(tǒng)，大多都是由單片機、晶振電路和復位電路、輸入控制電路、輸出顯示電路以及外圍設備等五部分構(gòu)成。 （1）振蕩電路  圖3.6 振蕩電路原理圖 如圖3.6所示的為振蕩器的原理圖，該原理圖主要是對我們所熟悉的諧振電容進

42、行充、放電，從而去確定基準電壓的值，這里的電容我們選擇的是30pf的電容法。在這個電路中，我們同時還加入了兩個瓷片電容，C1和C2 ，瓷片店讓C1與單片機的19號端子XTAL1連接，瓷片電容C2與單片機的18號端子XTAL2連接。 （2）復位電路 復位電路，是任何一個系統(tǒng)在運行過程中，不可缺少的一部分電路了。對于我們平時所學的復位電路有兩種，一個是我們熟悉的上電自動復位，另外一個是我們也了解的手動按鍵復位。本課題我們設計的復位電路的具體的原理圖如圖3.7所示。 首先，介紹我本次設計的上電復位電路，這個復位電路，就是單片機的9號端子與對應的復位電路進行連接，一般的情況下，我們?nèi)绻胍獙φ麄€

43、系統(tǒng)實現(xiàn)復位操作，我們就使得這個9號端子為邏輯“1”，也就是我們經(jīng)常說的高電平，這樣就可以實現(xiàn)復位的功能。從圖3.7我們可以得出，在設計的時候，單片機的9號復位端子，通過R9電阻連接到地GND上，同時VCC通過電容C3和9號端子連接。通過這樣的連接方式，其實就是在復位端子設計了一個RC濾波電路，這樣可以保證單片機的自進行復位的時候，能夠穩(wěn)定的工作。不需要復位時，這個端子是低電平，保證單片機正常工作。  圖3.7 復位電路原理圖 按鍵手動復位：這個手動復位電路與自動復位電路的原理基本應該是相同的。其實按鍵復位電路就是在我們設計的復位電路中

44、加入一個電容C，使得其并聯(lián)在開關上，這樣如果我們想要電路進入一個初始狀態(tài)的話，我們這時候只需要按下對應的按鍵之后，就可以對加入的電容進行放電，使得邏輯電平變?yōu)椤?”，也就是變?yōu)橐粋€高電平。并且，根據(jù)電容的具有充放電的功能，當電容在進行充電的時候，單片機將會保持一段時間的高電平，使得單片機完成復位的功能操作。 3.5 其他關鍵模塊的設計 3.5.1 電源模塊的設計 電源是每個系統(tǒng)在設計時必不可少的設計環(huán)節(jié)，只有該電源電路的存在，才能使得整個系統(tǒng)正常工作，如圖3.8所示為電源電路的原理圖，該圖主要是將電池的電壓作為供電系統(tǒng)，為整個小車提供電量。當電池開關按下之后，此時回路導通，通

45、過C5電容形成一個濾波回路，來穩(wěn)定整個系統(tǒng)的電壓，當電路導通后，這時發(fā)光二極管D9導通，然后點亮，表示AGV控制系統(tǒng)電路已經(jīng)正常上電，系統(tǒng)可以正常工作。  圖3.8 電源電路的原理圖 3.5.1 電機驅(qū)動模塊的設計 本設計采用基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動集成芯片L298N作為電機的驅(qū)動器件，此芯片是ST公司生產(chǎn)的一種有兩個H橋的雙橋式驅(qū)動器，其采用15腳封裝，引腳功能如表3.1所示。L298N主要特點如下：輸出電流大、工作電壓高，額定功率大；可以用來驅(qū)動感性負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；同時也不需要邏輯電路就可以實現(xiàn)對電機的控制；有一個邏輯電源輸入端

46、（9引腳），可以讓芯片的內(nèi)部電路中的一部分在低電壓情況下正常工作；有兩個使能控制端（6引腳、11引腳），可以讓芯片不受外部輸入信號的影響而允許或禁止工作；有兩個與地連接電流檢測電阻端（1引腳、15引腳），可向該驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號。 通過圖3.9所示的關于L298N的外圍電路圖，這里主要是把兩個直流電機與芯片L298N的13號端子、14號端子、3號端子、4號端子，也就是所說的OUT3引腳和OUT4引腳連接，和OUT1和OUT2引腳進行連接。左邊的電機，是和OUT1引腳和OUT2引腳進行連接，右邊的電機與OUT3引腳和OUT4引腳連接。在原理圖中，采用的是網(wǎng)絡標號進行連接的，該L+、L-和

47、R+、R-都是通過一個二極管連接到電源，再通過一個二極管連接到地。1號引腳、8號引腳和15號引腳都是接地。5號引腳、7號引腳、10號引腳、12引腳接輸入控制信號(控制信號從單片機P0.0，P0.1，P0.3，P0.4發(fā)出，經(jīng)光耦TLP521-4后接L298N的5，7，10，12引腳)，控制電機的轉(zhuǎn)向。單片機的P0.2，P0.5端口接給出的PWM信號后再與控制使能端ENA（6引腳）、ENB（11引腳）相連，從而實現(xiàn)控制電機直行、加減速、倒退等功能。  圖3.9 電機驅(qū)動電路原理圖 3.5.2 藍牙通信模塊的設計 藍牙通信模塊的設計在本文中主

48、要作用就是實現(xiàn)通信的功能，主要是由PC和我們熟悉的無線通信模塊組成，通過對應的調(diào)度系統(tǒng)進行控制。 據(jù)我們查閱資料了解到，目前的無線通信系統(tǒng)主要有幾種，例如ZigBee、無線局域網(wǎng)、無線數(shù)傳模塊等方式。那么本文為了設計簡單，實現(xiàn)容易且好控制，所以采用的是無線通信技術進行設計的。 4 AGV控制系統(tǒng)的軟件設計和驗證 4.1 程序設計流程 我們要想使自己設計的AGV小車可以穩(wěn)定可靠的進行循跡的話，除了要進行硬件設計之外，還需要進行軟件設計，使兩者之間更好的配合，才可以設計一個穩(wěn)定性高的系統(tǒng)。具體的實現(xiàn)流程如如圖4.1所示。

49、 圖4.1 程序流程圖 4.2 系統(tǒng)調(diào)試 經(jīng)過前面的硬件電路設計和系統(tǒng)軟件設計，已經(jīng)確定出各模塊器件類型、電路搭建、軟件程序編程的思路，現(xiàn)主要對此系統(tǒng)進行調(diào)試。 在對系統(tǒng)進行調(diào)試的時候，本文采用的是模塊化的調(diào)試方法，主要是通過先進行各個模塊的硬件電路的搭建，然后對應的就可以進行該模塊的相關調(diào)試工作，然后根據(jù)具體的問題，進行具體的分析。這樣的做法就是不會出現(xiàn)累積問題的情況，我們需要一個問題一個問題解決，等到了整體的話，就不會積累太多的問題。，從而節(jié)省了大量的時間。 上述是我們熟悉的硬件電路的調(diào)試方法，接著借助設計過程中的軟件調(diào)試方法，軟件調(diào)試其實就是對程序和算

50、法的調(diào)試，我們也是先完成每一個小模塊的程序設計和調(diào)試，接著再將設計好的小模塊進行拼接，得到整體的程。最后才是整機的一個組合過程。 4.2.1 避障模塊調(diào)試 避障模塊的檢測大體上和循跡模塊的檢測相同，而避障模塊同時有三個感知元件進行感知、檢測。當感知元件沒有感知到障礙物時，三個傳感器的狀態(tài)分別為0、0、0，用二進制數(shù)表示為000，此時，主控器與感知元件相連的輸入、輸出口（P2.5、P2.6、P2.7）接收到的電平為低，其輸入電壓為0.36V左右；當感知到障礙物時，三個傳感器的狀態(tài)會隨之發(fā)生變化，此時，主控器與感知元件相連的相應輸入、輸出口輸入電壓會變?yōu)?.6V左右；主控器會根據(jù)輸入電壓

51、變化來控制電機轉(zhuǎn)動、調(diào)整小車位置。經(jīng)過測試，選取其中八次避障數(shù)據(jù)測試結(jié)果記錄如下表4.1： 表4.1 避障數(shù)據(jù)測試記錄 測試組號 1 2 3 4 5 6 7 8 對管與障礙物距離（cm） 0 0．1 1 5 10 15 17 19 指示燈狀態(tài) 亮 滅 滅 滅 滅 滅 滅 亮 由選取的這八次測試結(jié)果可以看出：小車的避障最大有效范圍可以達到18CM，同時，如果想要增加或減小有效距離，可調(diào)節(jié)滑變電阻的阻值。 4.2.2 藍牙通信模塊調(diào)試 首先，將藍牙模塊的RXD接單片機的TXD(P3.1)，TXD接單片機的RXD（P3

52、.0）,VSS接電，GND接地，，其次，向主控芯片單片機燒入無線通信程序，然后，通過手機APK應用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，若藍牙模塊能正確接受數(shù)據(jù)，則程序中指定的I/O口電平會發(fā)生變化，小車行走狀態(tài)對應發(fā)生改變。 如圖4.2所示，上位機有8個控制按鍵，其中【循跡】按鍵可開啟循跡模式，【遙控開】按鍵可開啟遙控模式，【遙控關】按鍵退出遙控模式，在遙控模式下【前進】、【后退】、【左轉(zhuǎn)】、【右轉(zhuǎn)】和【停止】按鍵分別控制小車的行進路徑。經(jīng)過多次的測試，將結(jié)果記錄如下表4.2所示： 圖4.2 上位機界面按鍵布局 表4.2 遙控測試記錄 測試組號 1

53、 2 3 4 5 6 7 8 9 距離（m） 0．1 1 2 4 6 8 10 12 14 測試次數(shù) 16 16 16 16 16 16 16 16 16 成功次數(shù) 16 16 16 16 16 16 16 12 6 成功率 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 75% 37.5% 遙控測試記錄結(jié)果表明：在10m范圍內(nèi)，遙控的成功率達到100%，遙控范圍超過10m后，成功率明顯下降，但總體能夠滿足設計要求。 4.2.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試 為測試該智能小車系統(tǒng)的運行

54、情況，現(xiàn)設計場景如下：循跡軌道如下圖4.3所示，循跡軌道采用不規(guī)則圖形，其中包含多個不同的角度，來增加測試數(shù)據(jù)的全面性，對智能小車系統(tǒng)進行模擬測試。 圖 4.3 循跡軌道輪廓示意圖 4.3 實物結(jié)果 4.3.1 實物結(jié)果顯示 圖4.4 AGV的俯視圖 圖4.5 AGV的背面視圖 圖4.6 AGV的前方視圖 4.3.2 實際的測試結(jié)果分析 在對我們設計的AGV小車的控制系統(tǒng)進行測試的時候，我們會分成幾個不同的步驟，例如有障礙物和無障礙物。首先，先設計一個正常的環(huán)境，不存

55、在任何的障礙物，這時候?qū)π≤囘M行順時針和逆時針的測試，來檢測小車的轉(zhuǎn)向功能是否滿足設計的要求。我們對設計的AGV小車經(jīng)過逆時針、順時針各4次，每次2圈的實際測試，將測試數(shù)據(jù)結(jié)果記錄如下表4.3所示： 表4.3 智能小車循跡測試結(jié)果 測試編號 1 2 3 4 5 6 7 8 運動方向 順時針 逆時針 順時針 逆時針 順時針 逆時針 順時針 逆時針 運行時間(s) 29 33 28 34 29 31 30 33 起點位置 A A B B C C D D 接著，進行第二章種的測，這時候就需要設計一個帶有障礙物的環(huán)境，同

56、樣的道理和方法，使得小車也進行順時針和逆時針的測試，來檢測小車的轉(zhuǎn)向功能是否滿足設計的要求，同時檢測小車能否實現(xiàn)避障的功能。我們對設計的AGV小車經(jīng)過逆時針、順時針各4次，每次2圈的實際測試，將測試數(shù)據(jù)結(jié)果記錄如下表4.4所示： 表4.4 智能小車避障測試結(jié)果 測試編號 1 2 3 4 5 6 7 8 運動方向 順時針 逆時針 順時針 逆時針 順時針 逆時針 順時針 逆時針 運行時間(s) 31 34 32 37 31 33 31 33 起點位置 A A B B C C D D 4.3.3 測試結(jié)果分析 根

57、據(jù)表4.3和表4.4的測試數(shù)據(jù)，在通過分析、總結(jié)，可以得出以下結(jié)論： 1）在循跡模式下，小車逆時針運動，控制器主要執(zhí)行直行、左轉(zhuǎn)的運動控制；小車順時針運動，控制器主要執(zhí)行直行、右轉(zhuǎn)的運動控制。 2）在每次順時針、逆時針測試過程中，順時針的運動時間相對逆時針的運動時間較短，由此可以看出：小車的右轉(zhuǎn)控制快于左轉(zhuǎn)控制。 3）小車在遇到障礙物時能快速調(diào)整行進路線，避開障礙物并回到循跡軌道。 結(jié) 論 本課題設計的基于單片機控制的AGV小車的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的核心控制器我們選擇的是STC公司設計的89C52RC單片機。同時，我們采用磁帶導引技術對AGV小車進行循跡控制，為

58、了完成AGV小車的自動循跡功能，本文設計了電機的驅(qū)動模塊和無線通信模塊，將這些模塊一起配合工作，完成系統(tǒng)得軟硬件設計。在本文的設計中，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能： （1）AGV小車在循跡的過程中，可以根據(jù)在地面上貼的磁帶進行循跡，小車可以按照設定好的路線進行循跡。一旦小車遇到障礙物，小車可以成功避障，然后回到自己的線路。 （2）經(jīng)過方案確定、硬件電路搭建、系統(tǒng)軟件設計、軟硬件調(diào)試，現(xiàn)從小車運行情況和電路可以看出：小車的循跡效果、避障效果和遙控操作效果都很好；所設計的系統(tǒng)的硬件電路搭建比較簡單，能夠可靠、穩(wěn)定工作，但是本設計還可以進行再一步延伸、擴展，其仍然有較大的提升空間，如果時間能夠

59、允許，我肯定能對其再進行進一步改善，從而達到更好的智能化控制效果。 參考文獻 [1] 林新英.磁導航AGV結(jié)構(gòu)設計與控制策略[J].吉林化工學院學報,2019,36(07):30-35. [2] 尹姝,周海海,仇翔.磁帶導引AGV的自抗擾循跡控制方法[J].高技術通訊,2018,28(06):547-552. [3] X. Zhou, T. Chen and Y. Zhang, Research on Intelligent AGV Control System[C]. 2018 Chinese Automation Congress (CAC), 2018: 58-61.

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63、車間AGV物料搬運系統(tǒng)小車數(shù)量配置規(guī)劃.工業(yè)工程與管理. 2015(04)：156-162. 致 謝 時光荏苒，轉(zhuǎn)眼間四年的大學生活即將結(jié)束，在學校的這段生活中，我成長了許多，成熟了許多同時也收獲了很多，當然，正是因為老師、同學在身后默默的關心和幫助，我才取得一點小小成績。 在這論文完成之時，首先，我要感謝指導老師XX老師。感謝X老師默默地付出，X老師能在百忙之中抽出寶貴的時間對我的論文進行指導并提出修改意見，使我的論文更加規(guī)范、深刻。在此，我向X老師道一聲：老師，謝謝您，您辛苦了！ 然后，我要感謝所有幫助過我的老師、同學和朋友，正是他們的幫助、寬容、理解和指導，讓我在這個集體中感到很榮幸，很幸福，使得我論文更加充實。 其次，我要感謝我的家人，是他們一直在為我默默付出，多年來，他們給予我精神上和物質(zhì)上的鼓勵和支持，使我能夠?qū)Ｗ⒂谖业膶W習，得以順利完成學業(yè)。 最后，衷心感謝在論文評審和答辯過程中的各位專家，謝謝你們，你們辛苦了。 -29- 附 錄 整體原理圖