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自動導引小車（AGV）系統(tǒng)的設計 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，設計了紅外導引AGV小車。其研究內容主要包括以下幾個方面: 1.論述了AGV系統(tǒng)的組成、路徑導引方式及原理，結合課題要求，選擇“紅外導引”作為該系統(tǒng)的導引方式。 2.介紹了AGV車體機械結構的設計，并根據(jù)小車的驅動方式和工作要求，對底盤、電機、蓄電池等進行了設計和選型。 3.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。 4.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:紅外導引；AGV；單片機；驅動控制電路；行走策略；控制策略；串口通信。 THE DESIGN OG AGV SYSTEM 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 rays guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: 1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. On the base of summarizing the dissertation, the development prospect of AGV research was put forward. Key words: Infrared rays guided; AGV; MCU; Drive and control circuit; Running strategy; Control strategy;Serial communication. 目 錄 摘 要……………………………………………………………………………… ABSTRACT………………………………………………………………………… 目 錄……………………………………………………………………………… 第1章 緒論……………………………………………………………………… 1．1 概述…………………………………………………………………… 1.1.1國外研究狀況…………………………………………………… 1.1.2國內發(fā)展情況…………………………………………………… 1.1.3 AGV系統(tǒng)技術研究方向………………………………………… 1．2 AGV系統(tǒng)的構成與AGV的結構………………………………………… 1.2.1 AGV系統(tǒng)的構成…………………………………………………… 1.2.2 AGV的結構………………………………………………………… 1．3 AGV導航系統(tǒng)…………………………………………………………… 1.3.1固定路線方式…………………………………………………… 1. 4研究課題的提出………………………………………………………… 1. 5本章小結………………………………………………………………… 第2章 AGV的總體設計…………………………………………………………… 2. 1總體設計………………………………………………………………… 2. 2小車運動分析…………………………………………………………… 2. 3 傳感器的選用…………………………………………………………… 2.3.1 紅外傳感器尋跡原理…………………………………………… 2.3.2紅外尋跡方案選擇……………………………………………… 2.3.3具體設計與實現(xiàn)………………………………………………… 2.3.4超聲波傳感器避障原理………………………………………… 2.3.5超聲波測距模塊實物圖片……………………………………… 2.3.6超聲波模塊具體功能簡介……………………………………… 2.3.7規(guī)格參數(shù)………………………………………………………… 2. 4 本章小結………………………………………………………………… 第3章 AGV機械結構和驅動轉向系統(tǒng)的設計…………………………………… 3. 1 AGV機械結構的設計……………………………………………… 3.1.1 車體尺寸結構設計……………………………………………… 3.1.2 驅動方式的選擇和車輪的選擇……………………………… 3.1.3 傳感器的布置………………………………………………… 3. 2驅動系統(tǒng)部件的選擇與校核……………………………………… 3.2.1電機的選擇……………………………………………………… 3.2.2行走系統(tǒng)的驅動裝置………………………………………… 3.2.3 AGV行駛阻力的計算………………………………………… 3.3 主減速比的選擇……………………………………………… 3.4 電源部分選擇……………………………………………………… 3.5 本章小節(jié)……………………………………………………………… 第4章控制系統(tǒng)與行走策略………………………………………………… 4.1控制系統(tǒng)………………………………………………………………… 4.1.1驅動芯片模塊……………………………………………………… 4.1.2電源模塊…………………………………………………………… 4.1.3光電耦合器………………………………………………………… 4.2電路的設計………………………………………………………………… 4.3行走策略…………………………………………………………………… 4. 4傳感器采樣……………………………………………………………… 4. 5控制策略………………………………………………………………… 4. 6動作類型……………………………………………………………… 4.6.1直線路徑行走…………………………………………………… 4.6.2特殊路徑的行走…………………………………………………… 4.6.3左轉彎……………………………………………………………… 4.6.4右轉彎……………………………………………………………… 4.6.5停車……………………………………………………………… 第5章 總結與展望…………………………………………………………… 5.2研究展望……………………………………………………………… 5.1全文總結……………………………………………………………… 第1章 緒 論 1．1 概述 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。 1.1.1國外研究狀況 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‘21。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‘31。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。 1.1.2國內發(fā)展情況 國內自主研發(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第一套AGVS。九十年代初，華寶空調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)的設計調試技術費的差額更大。 1.1.3 AGV系統(tǒng)技術研究方向 （1）導引技術：八十、九十年代，正當國內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。 （2）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)。 （3）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。 （4）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。現(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。 1．2 AGV系統(tǒng)的構成與AGV的結構 1.2.1 AGV系統(tǒng)的構成 AGV一般采用輪式驅動，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。國內的應用相對少一些，但是在各方面的共同努力下，國內的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1-1所示。 地面移 栽設備 待命站 充電系統(tǒng) 路徑 AGV 圖1-1 AGV系統(tǒng)示意圖 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。 1.2.2 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。 （1）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。 （2）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。 （3）行走系統(tǒng) 它一般由驅動輪、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動，四輪或六輪一般采用雙輪驅動、差速轉向或獨立轉向方式。 （4）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。 （5）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。 （6）控制臺 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，因此用面向對象設計的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調度，編程中最好采用多線程的模式，使通訊和調度等各功能模塊互不影響，加快系統(tǒng)速度。 （7）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、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。控制臺和各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: ①無線電的調制問題 無線電通訊中，信號調制可以用調幅和調頻兩種方式。在系統(tǒng)的工作環(huán)境中，電磁干擾較嚴重，調幅方式的信號頻率范圍大，易受干擾，而調頻信號頻率范圍很窄，很難受干擾，所以應優(yōu)先考慮調頻方式。而且調幅方式的波特率比較低，一般都小于3200Kbit/s，調頻的波特率可以達到9600K bit/s以上。 ②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。 （8）導航系統(tǒng) 1．3 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。 1.3.1固定路線方式 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弱。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。 1. 4研究課題的提出 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。本研究課題以2007年機械專業(yè)畢業(yè)設計要求為藍本，設計出簡單易行的AGV系統(tǒng)。 1. 5本章小結 本章對AGV的國內外現(xiàn)狀作了敘述和分析，介紹了AGV系統(tǒng)的組成，對于其核心部分導引單元予以重點介紹，本章還提出了本課題的研究背景和研究目標。 第2章 AGV的總體設計 2. 1總體設計 AGV一般由車體、蓄電池、充電系統(tǒng)、驅動裝置、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1mm~3mm的鋼板或鋁合金板，車架空間安置與驅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，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驅動命令由計算機發(fā)出，驅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。速度調節(jié)可采用不同的方法，如用脈寬調速或變頻調速等。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/s~0. 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。 “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?？刂破骺赏瓿梢韵鹿ぷ?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，或對其它地面設備的保護。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θ(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。 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2-1所示。 圖2-1 控制邏輯圖 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2-1 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 2. 2小車運動分析 車輪機構的運動分析是指己知車輪的驅動速度條件下，確定車體的移動速度和旋轉角速度。AGV的驅動系統(tǒng)和導向系統(tǒng)是密不可分的，又都跟采用何種類型的小車底盤的結構形式有關。本AGV采用四輪底盤、后兩主動輪差速驅動/導向。兩主動輪分別由兩個直流伺服電動機驅動，通過控制電機電壓可以控制車輪的轉速。利用兩輪的速差可以實現(xiàn)轉向。該機構還包括一制動器，當需要緊急停車時，按制動器開關來制動車輪。導向系統(tǒng)采用紅外導引技術。下面對小車的轉彎運動作初步分析： 小車在轉彎時的狀態(tài)：小車以速度V勻速轉彎；小車兩主動輪間的距離為D；小車兩主動輪中心（假設小車質量分布均勻）與轉彎圓心的距離即轉彎半徑為R；車輪半徑為r；兩輪的轉速分別為N1、N2；車重為G；小車與行駛路面的摩擦系數(shù)為。則有： 系統(tǒng)中，V取1m/s；小車質量G約為150kg；取摩擦系數(shù)=0.2；取R=1000mm 圖2-2 小車狀態(tài)示意圖 2.3 傳感器的選用 2.3.1 紅外傳感器尋跡原理 　　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，將計算結果傳至驅動回路，由驅動回路控制驅動系統(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2-3 光學導引原理圖 2.3.2紅外尋跡方案選擇 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。 2.3.3具體設計與實現(xiàn) 　　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40ｍA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，在這里為了安裝調試方便，我們采用了下圖的電路形式。 2.3.4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2-4 超聲波測距原理框圖 2.3.5超聲波測距模塊實物圖片 2.3.6超聲波模塊具體功能簡介 （1）三種測距模式選擇跳線J1（短距、中距、可調距）： 短距：10cm~80cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 中距：80cm~400cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 可調：范圍由可調節(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。 2.3.7規(guī)格參數(shù) 超聲波傳感器諧振頻率：40KHz 模組傳感器工作電壓：4.5V~9V 模組接口電壓：4.5V~5.5V 尺寸：6.48cm*4.07cm 2．4 本章小結 本章主要介紹了總體設計思路和小車的運動分析，同時選擇紅外傳感器和超聲波傳感器并確定其型號參數(shù)。 第3章 AGV機械結構和驅動轉向系統(tǒng)的設計 3. 1 AGV機械結構的設計 根據(jù)不同的用途，在AGV機械設計總體方案中，首先確定AGV的造型十分重要。好的車體造型能在枯燥而繁忙的工作環(huán)境中給人以親切感和安全感。 3. 1.1 車體尺寸結構設計 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。副框架則安裝輪子、各種傳感器和驅動電機，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0.50.40.4 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動和轉向。AGV車體重心越低，越有利于抗傾翻。如圖3-1為車體實物外型。 　　　　　　　 圖3-1　小車車體實物外型 3.1.2 驅動方式的選擇和車輪的選擇 AGV驅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。 圖3-2差速型轉間流程圖 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，因此控制流程圖如圖3-2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3-3所示。本課題中我們所選的驅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 圖3-3舵輪型轉向流程圖 3.1.3 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的航向導引。 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，將計算結果傳至驅動回路，由驅動回路控制驅動系統(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3-4。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，如圖3-5所示。 圖3-4制導系統(tǒng)安裝位置示意圖圖 圖3-5制導系統(tǒng)局部放大示意圖 3. 2驅動系統(tǒng)部件的選擇與校核 　AGV的驅動系統(tǒng)主要由驅動電源、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動力直接決定整車的動力性，即車輛的運動速度和驅動力。 3.2.1電機的選擇 自動引導車是電動車的一種，而電機是電動車的驅動源，提供給整車提供動力。目前常用的電動車輛驅動系統(tǒng)有三種: 第一種是直流電機驅動系統(tǒng)，20世紀90年代前的電動汽車幾乎全是直流電機驅動的。直流電機木身效率低，體積和質量大，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動系統(tǒng)。 第二種是感應電機交流驅動系統(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速方式。其具有效率高、體積小、質量小、結構簡單，免維護、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點，該系統(tǒng)調速范圍寬，而且‘能實現(xiàn)低速恒轉矩，高速恒功率運轉，但交流電機控制器成本較高。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動系統(tǒng)。 第三種是永磁同步電機交流驅動系統(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動系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質量最小，也無直流電機的換向器和電刷等缺點。但該類驅動系統(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動系統(tǒng)的動力源 。 我們設計的AGV原理樣車載重總質量為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 。 初步選擇電機的種類為直流伺服電機，型號為130SZD，相關的參數(shù)如表3-1所示。 在實際應用中，電機的輸入電壓為48V，該電機為恒轉矩直流電機，根據(jù)其功率特性圖，電機的轉速大約為600r/min，以下計算就按照上述參數(shù)進行計算。 表3-1電機相關參數(shù)表 參數(shù)名稱 相關數(shù)據(jù) 額定轉矩 11N?m 額定轉速 1000r/min 額定功率 l.lkw 額定電壓 90v 額定電流 15A 峰值轉矩 88N?m 機電時間常數(shù) 2.13ms 重量 14kg 3.2.2行走系統(tǒng)的驅動裝置 小車采用差速轉向控制，故每個驅動輪都有獨立的驅動電機。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動裝置和伺服系統(tǒng)中，主要優(yōu)點是調速和啟動特性好，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，它的原理框圖如圖3-6。