AGV小车设计方案改

机电一体化课程设计 自动导引小车 AGV 设计方案 小组成员 褚亚鹏 柯健镪 孙登强 指导老师 徐海波 2014 6 19 Xi an Jiaotong University 1 目录 一 绪论 4 1 1 AGV 概述 4 1 2 AGV 国内外研究现状 6 1 3 AGV 的应用范围 9 1 4 AGV 的发展趋势分析 11 1 5 AGV 的市场前景分析 12 二 总体方案设计 14 2 1 设计方案概述 14 2 2 传感器部分初步设计 14 2 3 机械结构及驱动部分初步设计 14 2 4 控制部分初步设计 14 三 传感器部分设计 18 四 机械结构及驱动部分设计 20 4 1 车体的设计 20 4 2 车轮及转向装置选择 20 4 3 电机的选择 20 4 4 驱动部分校核计算 24 4 5 蓄电池的选择 25 Xi an Jiaotong University 2 4 6 总体机械结构设计及建模 27 五 控制部分设计 30 5 1 电源模块 30 5 2 驱动模块 30 5 3 循迹模块 32 5 4 避障模块 33 5 5 主控制模块 34 六 项目总结与感悟 37 七 参考文献 39 八 附录 40 8 1 车体结构 ANSYS 仿真报告 40 Project 40 Contents 41 Units 41 Model C4 41 Geometry 41 Coordinate Systems 53 Connections 53 Mesh 67 Xi an Jiaotong University 3 Static Structural C5 68 Solution C6 71 Material Data 73 Structural Steel 73 8 2 单片机控制程序 75 Xi an Jiaotong University 4 一 绪论 1 1 AGV 概述 1 AGV 的简介 根据美国物流协会定义 AGV Automated Guided Vehicle 是指装备有电磁或光学导引装置 能够按照规定 的导引路线行驶 具有小车运行和停车装置 安全保护装 置以及具有各种移载功能的运输小车 2 AGV 的特点 无人驾驶 AGV 上装有自动导向系统 可以保障系统 在不需要人工引航的情况下就能够沿预定路线自动行使 将货物或物料自动从起始点运送到目的地 柔性好 自动化程度高和智能化水平高 AGV 的行使 路径可以根据仓储货位的要求 生产工艺流程等改变而灵 活改变 并且路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传 送带相比非常低廉 AGV 一般配备有装卸机构 可以与其它物流设备自动 接口 实现货物或物料的装卸与搬运全过程自动化 可装备多种声光报警系统 能通过车载障碍探测系 统在碰撞到障碍物之前自动停车 当其列队行使或在某一 区域内交叉运行时 具有避免相互碰撞的自控能力 不存 在差错 因此 AGVS 比其它物料搬运系统更安全 AGV 具有清洁生产的特点 依靠自带蓄电池提供动力 运行过程中无噪声 无污染 可以应用在许多要求工作环 境清洁的场所 与其它物料输送方式相比 初期投资大 但可以大 幅度降低运行费用 特别是在产品类型和工位较多时 3 AGV 的分类 无人搬运车 Xi an Jiaotong University 5 主要用于完成搬运作业 采用人力或自动移载装置将 货物装载到小车上 小车行走到指定地点后 再由人力或 自动移载装置将货物卸下 从而完成搬运任务 具有自动移载装置的小车在控制系统的指挥下能够自 动地完成货物的取 放以及水平运行的全过程 而没有移 载装置的小车只能实现水平方向的自动运行 货物的取放 作业需要依靠人力或借助于其它装卸设备来完成 无人牵引小车 Xi an Jiaotong University 6 主要功能是自动牵引装载货物的平板车 仅提供牵引 动力 当牵引小车带动载货平板车到达目的地后 自动与 载货平板车脱开 无人叉车 其基本功能与机械式叉车类似 只是一切动作均由控 制系统自动控制 自动完成各种搬运任务 1 2 AGV 国内外研究现状 1 国外发展现状 近年来 AGV 和 AGVS 在日本 美国 德国 比利时 瑞典等国家发展很快 有的工厂已实现从材料管理到生产 成品全过程的自动引导车系统 特别是日本 AGV 的总台数 每年均以 20 的比率增长 世界上第一台 AGV 是由美国 Barrett 电子公司于 20 世 纪 50 年代初开发成功的 它是一种牵引式小车系统 可十 分方便地与其他物流系统自动连接 显著地提高劳动生产 率 极大地提高了装卸搬运的自动化程度 1954 年英国最 早研制了电磁感应导向的 AGVS 由于它的显著特点 迅速 得到了应用和推广 1960 年欧洲就安装了各种形式 不同水平的 AGVS 220 套 使用了 AGV 1300 多台 到了 70 年代中期 由于微处 Xi an Jiaotong University 7 理器及计算机技术的普及 伺服驱动技术的成熟促进了复 杂控制器的改进 并设计出更为灵活的 AGV 1973 年 瑞 典 VOLVO 公司在 KALMAR 轿车厂的装配线上大量采用了 AGV 进行计算机控制装配作业 扩大了 AGV 的使用范围 70 年 代末 欧洲约装备了 520 个 AGV 系统 共有 4800 台小车 1985 年发展到 10000 台左右 其应用领域分布为 汽车工 业 57 柔性制造系统 FMS 8 和柔性装配系统 FAS 44 20 世纪 80 年代末 国外的 AGV 达到发展的成熟阶段 此时美国的 AGV 生产厂商从 1983 年的 23 家剧增至 1985 年 的 74 家 1984 年 美国通用汽车公司完成了它的第一个柔 性装配系统 FAS 从此该公司就成为当时 AGV 的最大用户 1986 年已达 1407 台 包括牵引式小车 叉车和装卸小车 1987 年又新增加 1662 台 美国各公司在欧洲技术的基础上 将 AGV 发展到更为先进的水平 他们采用更先进的计算机 控制系统 运输量更大 移载时间更短 小车和控制器的 可靠性更高 日本在 1963 年首次引进 AGV 其第一家 AGV 工厂于 1966 年由一家运输设备供应厂商与美国的 Webb 公司合资建 成 1976 年后 日本对 AGV 的发展给予了高度重视 每年 增加数十套 AGV 系统 有神钢电机 平田电机 住友重机 等 27 个主要生产厂商生产几十种不同类型的 AGV 1981 年 日本的 AGV 总产值为 60 亿日元 1985 年已上升到 200 亿日 元 平均每年以 20 的速度递增 1986 年 日本累计安装 了 2312 个 AGVS 拥有 5032 台 AGV 到 1990 年日本拥有 AGV 约一万台 到 1988 年 日本 AGV 制造厂已达 47 家 如大 福 Fanuc 公司 Murata 村田 公司等 广泛应用于汽车制 造 机械 电子 钢铁 化工 医药 印刷 仓储 运输 业和商业上 目前 全世界 AGVS 保有量在 16000 套以上 AGV 在 10 万台以上 2 国内发展现状 Xi an Jiaotong University 8 我国 AGV 发展历程较短 但一直以来不断加大在这一 领域的投入 以改变我国 AGV 长期依赖进口的局面 经过 不懈地努力终于取得了一定的成效 北京起重运输机械研 究所 清华大学 中国邮政科学院邮政科学研究规划院 中国科学院沈阳自动化所 大连组合机床研究所 国防科 技大学和华东工学院都在进行不同类型的 AGV 的研制并小 批投入生产 1976 年 北京起重机械研究所研制出第一台 AGV 建 成第一套 AGVS 滚珠加工演示系统 随后又研制出单向运行 载重 500 公斤的 AGV 双向运行载重 500kg 1000kg 2000kg 的 AGV 开发研制了几套较简单的 AGV 应用系统 1988 年 原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮 政枢纽 AGV 1991 年起 中科院沈阳自动化研究所 新松机器人自动 化股份研究公司为沈阳金杯汽车厂研制生产了客车 6 台 AGV 用于汽车装配线中 可以说是汽车工业中用得比较成功的 例子 并于 1996 年获国家科学技术进步三等奖 1992 年 天津理工学院研制了核电站用光学导引 AGV 1995 年 我国的 AGV 技术出口韩国 标志着我国自主 研发的机器人技术第一次走向了国际市场 1999 年 3 月 27 日 由昆明船舶设备集团有限公司研制 生产的激光导引无人车系统在红河卷烟厂投入试运行 这 是在我国投入使用的首套激光导引无人搬运车系统 目前国内的 AGV 保有量应该在 1000 台左右 大约有 60 是 国内的 AGV 厂家提供的 40 是国外厂家提供的 在国内 AGV 的技术来源有两种模式 一种是引进技术 一种是自有知识产权的技术 两种模式目前都涵盖 AGV 的 所有技术 技术水平并无多大差别 引进技术主要是瑞典 NDC 的 AGV 控制系统技术 据了解 NDC 目前在国内现有 3 家 合作伙伴 Xi an Jiaotong University 9 1 3 AGV 的应用范围 AGV 的应用场合很广泛 研究涉及到多种技术领域 是 一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统 随着电 子和控制技术的发展 AGV 的技术也在不断地进步 正在朝 着性能更优越 更廉价 自由度更高 超大型化和微型化 方向发展 其应用领域也在不断扩展 并且取得了很好的 效果 一般来说 AGV 的主要应用范围有如下几个方面 1 物料搬运 在现代物料搬运中 当使用的人及搬运工具的总成本 与使用 AGV 无人搬运车 的成本基本相当时 AGV 的市场接 受就会自然形成 欧美和日本等发达国家的人力成本很高 所以 AGV 的使用较为普及 应用遍及各行各业 目前世界 上约有 2 万台各种各样的 AGV 运行在 2100 座大大小小的仓 库中 海尔集团于 2000 年投产运行的开发区立体仓库中 9 台 AGV 组成了一个柔性的库内自动搬运系统 成功地完成 了每天 23400 吨的出入库货物和零部件的搬运任务 玉溪 红塔集团 红河卷烟厂在应用激光引导的 AGV 完成货物的 搬运工作 其他行业如化工的原料及成品 仪器仪表行业的元器 件 印刷出版业的纸张 电子工业的芯片 计算机 食品 工业的罐头 饮料 纺织工业的棉纱 布匹 服装业的里 料 面料 衣服 汽车工业的零部件 冶金工业中的钢锭 钢带 板材 金融系统的纸币 硬币 黄金 药品制造业 的原料 成药 国防如武器弹药 军需物资等的搬运 2 柔性装配线 加工线 Xi an Jiaotong University 10 传统生产线一般都是由一条连续的刚性传送设备组成 短则数米 长则数千米 如汽车装配线 缸体加工线等 存在的突出问题是 要求每一道工序的节拍统一 否则 就会因任何一道工序的停顿耽误而影响整条生产线的进程 如缺料 缺件 废品或出现意外问题 要求厂房很大很 长很高 对于较大较重的要用行车起吊 土建成本高 连续的生产线隔断了通道 造成供应线路长 人和车辆 过往不方便 连续的生产线需要大量设备 投资成本较 高 刚性生产线使得一些本可以同步 交叉进行的工作 失去机会 AGV 出现之后 不仅作为无人自动搬运车辆使用 也可 当作是一个个可移动的装配台 加工台使用 他们既能自 由独立地分开作业 又能准确有序地组合衔接 形成没有 物理隔断 但是能起动态调节作用 高度柔性的生产线 如轿车总装线 发动机装配线 试车线 机床加工线 家 电生产线等 1974 年瑞典的 Volvo Kalmar 轿车装配厂为了提高运输 系统的灵活性 采用基于 AGVS 为载运工具的自动轿车装配 线 该装配线由多台可装载轿车车体的 AGVS 组成 采用该 装配线后 装配时间减少了 20 装配故障减少 39 投资 回收时间减小 57 劳动了减少了 5 目前 AGV 在世界上 主要的汽车厂 如通用 丰田 克莱斯勒 大众等公司的 制造和装配线上得到了普遍应用 3 特殊场合用 AGV 无人自动搬运优势 解决了一些不适宜人在其中生 产或工作的特殊环境问题 如核材料 危险品 农药 有 毒物品 腐蚀性物品 生物物品 易燃易爆物品 等 在 钢铁厂 AGV 用于炉料运送 减轻了工人的劳动强度 在核 电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所 AGV 用于物品的运 送 避免了危险的辐射 在胶卷和胶片仓库 AGV 可以在黑 暗的环境中 准确可靠地运送物料和半成品 Xi an Jiaotong University 11 国内使用 AGV 比较多的行业主要有烟草行业和汽车行 业 已有 20 多家采用了 AGV 烟草行业由于利润丰厚 是 AGV 应用最多的领域 约占 AGV 销售总量的一半左右 AGV 在汽车行业虽有应用但数量并不多 因为我国汽车企业规 模小 利润比较薄 其他行业虽然也有 AGV 应用的需求 但是总体来看 国内 AGV 的应用范围还比较窄 技术和需 求还不是很成熟 需要 AGV 的生产企业做进一步的引导 同时开发出适应不同行业的 AGV 系统以提高相应行业的生 产自动化程度和生产效率 1 4 AGV 的发展趋势分析 1 AGV 的技术水平将日益提高 现代 AGV 技术的最显著特征是具有智能化 车载计算 机的硬软件技术日益强大 使 AGV 具有从网络 无线或红 外线信号接受装置接收调度中心或客户指令 自动导引 自动行驶 优化路线 自动作业 运行管理 车辆调度 安全避碰 自动充电 自动诊断等功能 实现了 AGV 的智 能化 信息化 数字化 网络化 柔性化 敏捷化 节能 化 绿色化 现代 AGV 是 24 小时不知疲倦的聪明车辆 仅 在任务间隙时随机进行短时充电 能主动 自序 有节 拍按最安全 快捷的路线执行作业 2 AGV 的动力性能将更趋强劲 AGV 设计的难点之一是其动力源装置的设计 动力源的 功率大小直接影响 AGV 的功用 而动力源的体积大小直接 影响整车的体积及外观造型 传统的 AGV 采用铅酸电池 能量密度小 体积大 随 着电池技术的发展 今年来电池逐步由高能酸性电池发展 到开始采用高能碱性电池 以提高环保性能 大幅提高充 放电比 目前由充电时间 放电时间比为 1 1 提高到现在 的 1 12 大幅缩短了 AGV 的待机充电的时间 Xi an Jiaotong University 12 动力电池性能及充放电技术的进步 使得现代 AGV 的 动力性能普遍提高 运载能力与行驶特性进一步优化 3 AGV 的综合技术将逐步机器人化 AGV 本身就是一种移动机器人 是一个集环境感知 动 态决策与规划 行为控制与执行等多功能于一体的综合系 统 它集中了传感器技术 机械工程 电子工程 计算机 工程 自动化控制工程以及人工只能等多学科的研究成果 代表机电一体化的最高成就 是目前科学技术发展最活跃 的领域之一 AGV 的机器人化一直是 AGV 研究的热点技术 实际上 在机器人发展的整个过程中 其相关技术都先后在 AGV 中 得到了应用 如智能移动机器人技术涉及到的机器人导航 与定位 路径规划 运动控制等 均在 AGV 中得到了体现 使得现代 AGV 无论是专项技术还是综合性能 均得到了普 遍提高 并仍将继续提高 由于 AGV 的机器人化 现代 AGV 已不仅仅是一种沿固定路 径行驶的搬运工具 几乎可以适合于各种固定的或不固定 的运输场所 4 AGV 的应用将日益普遍 由于现代化生产观念日益受到重视 对生产线运行 物流系统的柔性要求越来越高 在产品换型 多种产品混 合生产线运行 调整产量 重新组合生产线等方面 AGV 必 将得到迅速发展和普及应用 这不仅是现代化工业迅速发 展的需要 更主要是由 AGV 本身所独具的优越性决定的 1 5 AGV 的市场前景分析 1 AGV 经济效益分析 AGV 作为一种成熟的技术和产品在发达国家已经广泛应 用 对企业提高生产效率 降低成本 提高产品质量 提 高企业的产品管理水平起到了显著的作用 Xi an Jiaotong University 13 随着工业自动化的发展 国内的应用和需求越来越强 烈 已经大约有千台 AGV 在使用 而且市场在逐步扩大 根据市场初步分析 今后 5 年内 国内各行业对 AGV 需求 量可达数千台 年产值接近 2 亿元 经济效益十分可观 2 AGV 市场前景分析 物流是 企业的第三利润源泉 是 经济领域尚未 被开发的黑大陆 它可以为企业带来巨大的效益 目前 航空领域 印刷行业 烟草行业 摩托车行业 汽车行业 家用电器行业等众多企业已经或者即将投入巨资建立自己 的自动化仓储物流体系 作为物流系统中的重要组成部分 AGV 已经在中国的印刷行业 羊城晚报 四川日报 汽车 行业 金杯汽车 上海通用 家电行业 海尔 烟草行 业 上海烟厂 云南红塔 得到广泛应用 未来更是有广 阔的市场前景 Xi an Jiaotong University 14 二 总体方案设计 2 1 设计方案概述 小车采用前轮驱动 两个直流电机分别驱动 通过转速 的差异来实现转弯 后轮采用两个随动自由轮 小车车身前 及两侧安置有 4 个红外线传感器用于循 迹 另有两个个红外线传感器用于避障 当发现前面有障 碍物时 AGV 小车能自动停止 并不停检测障碍 当没有障 碍时再前进 AGV 小车由传感器部分 机械结构 驱动部分和控制部 分组成 2 2 传感器部分初步设计 考虑到现实生产中大部分 AGV 小车的实际工作环境 以及成本因素 本方案采用光学控制带引导方式来实现对 AGV 小车的引导 2 3 机械结构及驱动部分初步设计 机械结构及驱动部分包括车体 传动部分 蓄电池 车轮及转向装置 电机 考虑到车体的承载能力 车体采 用钢构件焊接而成 其外壳为 1mm 3mm 的钢板或铝合金板 Xi an Jiaotong University 15 车架空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件 如 蓄电池 以利于机械结构设计和降低车体重心 重心越低 越有利于抗倾翻 蓄电池采用 24v 直流工业蓄电池 车轮 及转向装置采用差速型驱动 即两台电机各置于左 右两 边 利用两台电机的动作与两轮差速的方式达到左右转 前进或停止 差速型电机选用直流减速电机 结构简单 2 4 控制部分初步设计 采用 52 单片机控制 1 STC89C52 简介 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很多的改进使得 芯片具有传统 51 单片机不具备的功能 在单芯片上 拥有 Xi an Jiaotong University 16 灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复 位电路 3 个 16 位定时器 计数器 4 个外部中断 一个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 全双工串行口 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工 作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉 电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一 切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 最高运作 频率 35MHz 6T 12T 可选 2 STC89C52 单片机特性 STC89C52RC 单片机 8K 字节程序存储空间 512 字节数据存储空间 内带 2K 字节 EEPROM 存储空间 可直接使用串口下载 AT89S52 单片机 8K 字节程序存储空间 256 字节数据存储空间 自带 2KB 的 EEPROM 存储空间 3 参数 1 增强型 8051 单片机 6 时钟 机器周期和 12 时钟 机器周期可以任意 选择 指令代码完全兼容传统 8051 2 2 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 3 工作频率范围 0 40MHz 相当于普通 8051 的 0 80MHz 实际工作 频率可达 48MHz 4 用户应用程序空间为 8K 字节 Xi an Jiaotong University 17 5 片上集成 512 字节 RAM 6 通用 I O 口 32 个 复位后为 P0 P1 P2 P3 是准双向口 弱上拉 P0 口是漏极开路输出 作为总线扩 展用时 不用加上拉电阻 作为 I O 口用时 需加上拉电 阻 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无 需专用编程器 无 需专用仿真器 可通过串口 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下载用户程 序 数秒即可完 成一片 8 具有 EEPROM 功能 9 共 3 个 16 位定时器 计数器 即定时器 T0 T1 T2 10 外部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发电路 Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 11 通用异步串行口 UART 还可用定时器软件实 现多个 UART 12 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 13 PDIP 封装 Xi an Jiaotong University 18 三 传感器部分设计 TCRT5000 光电传感器模块是基于 TCRT5000 红外光电传 感器设计的一款红外反射式光电开关 传感器采用高发射 功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成 输出信 号经施密特电路整形 稳定可靠 应用场合 1 电度表脉冲数据采样 2 传真机碎纸机纸张检测 3 障碍检测 4 黑白线检测 基本参数 1 外形尺寸 长 32mm 37 mm 宽 7 5mm 厚 2mm 2 工作电压 DC 3V 5 5V 推荐工作电压为 5V 3 检测距离 1mm 8mm 适用 焦点距离为 2 5mm 模块原理和应用 传感器的红外发射二极管不断发射红外线 当发射出 的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时 Xi an Jiaotong University 19 光敏三极管一直处于关断状态 此时模块的输出端为低电 平 指示二极管一直处于熄灭状态 被检测物体出现在检 测范围内时 红外线被反射回来且强度足够大 光敏三极 管饱和 此时模块的输出端为高电平 指示二极管被点亮 我们采用的光电传感器为 TCRT5000 它的是采用高发 射功率红外光电二极管和高度灵敏光电晶体管组成 其检 测距离在 6mm 14mm TCRT50000 传感器原理图 Xi an Jiaotong University 20 TRRT5000 电路连接图 四 机械结构及驱动部分设计 4 1 车体的设计 车体框架是装配 AGV 其他零部件的主要支撑装置 是 运动中的主要部件之一 主要分为主框架和副框架两个部 分 主框架为立体型框架结构 用于安装各种控制和通讯 设备 副框架则安装轮子 各种传感器和驱动电机 主框 架和副框架用可拆卸联接 便于安装和拆卸 总的来说 AGV 车架相当于汽车底盘 是 AGV 机械部分的关键 车架设计 及工艺的合理性直接影响 AGV 的定位精度 应满足的主要 条件如下 Xi an Jiaotong University 21 车体的强度和刚度必须满足小车承载及运行加速时 的要求 在保证车体有足够刚度的条件下 尽量减轻车体的 重量 以提高有效承载重量 尽量降低车体重心 提高整车的抗倾翻能力 车体的外廓不应有突出部分 以防止碰撞其他物 体 根据以上所述要求 并能更好地满足实际任务的需要 AGV 整体尺寸设计为 1 0 4 0 4 m 长 宽 高 除 AGV 车体 以外的其他辅助系统的安装直接影响着小车的驱动和转向 AGV 车体重心越低 越有利于抗倾翻 4 2 车轮及转向装置选择 小车采用差速转向控制 因此每个驱动轮都有独立的 驱动电机 为了使系统运行可靠并且维护方便 本系统采 用两个减速直流电机作为驱动电机 4 3 电机的选择 假设设计的 AGV 原理样车总载重为 250kg 最高时速设 定为 1m s 正常运行时速设定为 0 8m s 4 3 1 AGV 行驶阻力的计算 AGV 在水平道路上等速行驶时必须克服来自地而的滚动 阻力和来自空气的空气阻力 滚动阻力以符号表示 空气 阻力以符号表示 当 AGV 在坡道上行驶时 还必须克服重 力沿坡道的分力 称为坡度阻力 以符号表示 AGV 加速行 驶需要克服的阻力称为加速阻力 以符号表示 因此车辆 行驶的总阻力为 4 1 1 AGV 的滚动阻力的计算 4 2 Xi an Jiaotong University 22 式中 滚动阻力系数 即车轮在一定条件下滚动 时所需的推力与车轮负荷之比 即单位车辆重力所需的推 力 滚动阻力系数由实验确定 它与路面的种类 行驶车 速以及车轮的构造 材料等有关 考虑到 AGV 在工厂运行 路而一般为沥青或混凝土路 面 参考有关数据可知 0 018 0 020 实际取 0 0196 设计其总质量为 m 250kg 代入公式 4 2 得滚 动阻力为 2 加速阻力的计算 AGV 在加速行驶的过程中 需要克服其质量加速运动时 的惯性力 即加速阻力 Fj 设 AGV 从原地起步经过的位移 S lm 时 其车速达到 1 Om s 则 AGV 的加速度为 故加速阻力为 3 坡度阻力的计算 AGV 工作场合的道路状况一般较好 坡度较小 坡度阻 力忽略不计 AGV 小车不同于道路行驶的高速车辆 AGV 的最高时速 一般为 1m s 因此空气阻力对 AGV 行驶的影响可忽略不计 因此根据 4 1 式 AGV 总的运动阻力为 由于最高速度为 1m s 故需要电机的功率为 P F V 173W 故电机参数为 P 173w 车轮半径 R 0 125m 额定转 速 n 62rpm 峰值转速 77rpm 峰值转矩 21N m 故选用 57BLF 1830NBB RV3030 型电机 搭配涡轮减速器 参数及 Xi an Jiaotong University 23 外形尺寸如下 电机选型表 电机外形尺寸图 驱动轮 前轮 选用孔径 25mm 外径 125mm 的 AGV 小 车专用轮 Xi an Jiaotong University 24 AGV 专用轮尺寸图 AGV 专用轮外形图 后轮选用两个直径 125mm 的万向轮 Xi an Jiaotong University 25 万向轮外形图 4 4 驱动部分校核计算 1 运动速度的校核 确保车辆有足够驱动力的同时也要有较高的工作速度 如前所述车轮半径 R 0 125m 电机转速 n 62r min 则 虽然 0 81m s 大于预期设定的速度值 但我们可以控制 小车低速行驶 故可以选用该电机 2 驱动能力的校核 车轮半径 R 0 125m 功率为 P 310W 则车轮的驱动力矩为 310 1 310N 由于 310 301 所以能保证车辆的正常起动 并有一定的驱 动力储备 3 启动时加速度的校核 启动时的驱动阻力为 Fn 48N 电机到车轮所发出的 驱动力为 310N Xi an Jiaotong University 26 则加速度为 高于最初预计的加速度 这说明设计完全能够达到预期的 加速能力 经过上述计算 确定 57BLF 1830NBB RV3030 型电机符 合要求 4 5 蓄电池的选择 目前 AGV 大多使用镍镉蓄电池 镍氢蓄电池 锂电池 和铅酸蓄电池 下面就对以上几种类型的电池进行简单比 较 1 镍镉蓄电池 内阻小 可供大电流放电 放电时电压变化小与其他 种类电池相比之下 镍镉电池可耐过充电或放过电 操作 简单方便放电电压依据其放电电流多少有些差异 大体上 是 1 2V 左右镍镉电池的放电终止电压为 1 OV cell 实 际使用温度范围在 20 60 在此范围内可进行放电 可重复 500 次以上的充放电 2 镍氢蓄电池 镍氢电池能量比镍镉电池大二倍 用专门的充电器充电 可在一小时内快速充电 自放电特性比镍镉电池好 充电后 可保留更长时间 可重复 500 次以上的充放 3 锂电池 拥有高能量密度 与高容量镍镉电池相比 体积能量 是其 1 5 倍 能量密度是其 2 倍 高电压 平均使用电压 为 3 6V 是镍镉电池 镍氢电池的 3 倍 使用电压平坦并 且高容量 广泛的使用温度 200C 600C 充放电寿命长 经过 500 次放电后其容量至少还有 70 以上由于锂电池具备 了能量密度高电压高 工作稳定等特点 4 铅酸蓄电池 铅酸电池是一种使用最广泛的电池 它以海绵状的铅作 为负极 二氧化铅作为正极 我们把这二种物质称为活性 Xi an Jiaotong University 27 物质 用硫酸水溶液作为电解液 它们共同参与电池的电 化学反应 铅酸蓄电池具有良好的可逆性 电压特性平稳 使用寿命长 适用范围广 原材料丰富 且可再生使用 及造价低廉等优点 主要应用在交通运输 矿山 港口 国防 计算机 科研等国民经济各个领域 是社会生产经 营活动和人类生活中不可缺少的产品 经过以上对蓄电池优缺点的对比 我们选择用 1 块 20Ah 的锂电池构成电源 其输出电压为 24V 蓄电池布置 在承载车身内 总重量为 3 6kg 所选锂电池参数 4 6 总体机械结构设计及建模 Xi an Jiaotong University 28 AGV 小车三维模型图 控制模块 直径 125mm 的万向轮 2 载物台 工字钢主体框架 循迹光电传感器为 TCRT5000 4 避障传感器 2 57BLF 1830NBB RV3030 型电机及涡轮减速器 2 外径 125mm 的 AGV 专用轮 2 20Ah 的锂电池 Xi an Jiaotong University 29 AGV 小车三维模型仰视图 AGV 小车三维模型侧视图 Xi an Jiaotong University 30 AGV 小车主体部分三维图 AGV 小车二维工程图 Xi an Jiaotong University 31 五 控制部分设计 5 1 电源模块 电源模块是根据需要将电池供给的电压转换成我们实 际需要的电压为电路供电 我们小组设计的电源模块可以 将锂电池提供的 24V 电压进行转换 同时输出 24V 和 5V 电 压 分别向驱动电路和单片机进行供电 电源电路模拟仿真图 5 2 驱动模块 驱动模块主要为驱动电路 位于主电路和控制电路之 间 用来对控制电路的信号进行放大的中间电路 即放大 控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管 驱动电路的 基本任务 就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目 标的要求 转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间 可以使其开通或关断的信号 我们的驱动电路主要是驱动 直流减速电机进行工作 Xi an Jiaotong University 32 电源电路模拟仿真图 电机驱动电路的芯片选用的是 L298N 产品 其内部含 有 4 通道逻辑驱动电路 是一种二相和四相电机的专用驱 动器 即内含二个 H 桥的高电压大电流双桥式驱动器 接 收标准的 TTL 逻辑电平信号 可驱动 46V 2A 以下的电机 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 之间分别接小车的两个驱动 电机 IN1 IN2 IN3 IN4 引脚从单片机接输入控制电平 控制两个电机的正反转 ENA ENB 的输入信号控制电机的转速 单片机的输入情况不同所对应的小车运动状态不同 其情况如下 左电机 右电机 IN1 IN2 IN3 IN4 左电机 右电机 小车运动状 态 1 0 1 0 正转 正转 前行 1 0 0 0 正转 停 左转 0 0 1 0 停 正转 右转 0 0 0 0 停 停 停止 Xi an Jiaotong University 33 以下为 AGV 小车的行走策略 直线行走策略 走直线的时候 位于地面的磁条导航线应该全部位于 磁导航传感器的正下方 如果出现某一部分磁条不在传感 器正下方 则传感器会根据磁场的方向发出控制信号来控 制左边或者右边的电机加速来使 AGV 小车向右或者向左转 从而使词条导航线重新回到传感器的下方 岔路口行走策略 在分叉的地方设置地标 当行驶到岔路口处 地标传 感器就能识别地标并发出转弯的指令 控制电机转速来实 现向某一个方向转弯 控制策略 小车从起点或终点出发后 每隔 50ms 读取一次 P1 口 若前方有障碍物 即 P1 4 脚或 P1 5 脚检测到反射信 号 则机器人原地待命 若到达终点或起点 则机器人 开始装料或卸料工作 否则 机器人进行正常的寻线行 驶 对于电机的调速 我们采用 PWM 调速的方法 其原理 就是控制开关管在一个周期内的导通时间 导通时间的不 同即占空比的不同 就会导致电机两端的平均电压不同 电机的转速是与电机两端的电压成正比的 因此电机的转 速就与占空比成正比 占空比越大 电机转的越快 小车 的速度就不同 PWM 实现调速简单 而且范围大 5 3 循迹模块 我们是通过红外探测法来实现小车的自动循迹功能的 红外探测法 即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不 同的反射性质的特点 在小车行驶过程中不断地向地面发 射红外光 当红外光遇到白色地面时发生漫发射 反射光 被装在小车上的接收管接收 经过循迹电路的转换 OUT 输 出端为低电平也就是 0 如果遇到黑线则红外光被吸收 则 小车上的接收管接收不到信号 OUT 就输出端为高电平也就 Xi an Jiaotong University 34 是 1 从而实现信号的检测 循迹模块电路模拟仿真图 我们采用的光电传感器为 TCRT5000 它的是采用高发 射功率红外光电二极管和高度灵敏光电晶体管组成 其检 测距离在 6mm 14mm 5 4 避障模块 实际的环境中 虽然 AGV 小车的轨迹已经完全限定 但不可避免的会在小车路线上出现障碍物 这就要求我们 的小车必须有避障功能 避障模块的选择如下图 该传感器模块对环境光线适应能力强 其具有一对红 外线发射与接收管 发射管发射出一定频率的红外线 当 检测方向遇到障碍物 反射面 时 红外线反射回来被接 收管接收 经过比较器电路处理之后 信号输出接口输出 数字信号 一个低电平信号 有效距离范围 2 80cm 工 作电压为 3 3V 5V 该传感器的探测距离可以通过电位器调 节 具有干扰小 便于装配 使用方便等特点 可以广泛 应用于机器人避障 避障小车 流水线计数及黑白线循迹 等众多场合 避障传感器基本原理 和循迹传感器工作原理基本相 同 利用物体的反射性质 在小车的正前方安上避障用的传感器 在一定范围内 如果没有障碍物 发射出去的红外线 因为传播距离越远 Xi an Jiaotong University 35 而逐渐减弱 最后消失 如果有障碍物 红外线遇到障碍 物 被反射到达传感器接收头 传感器检测到这一信号 就可以确认正前方有障碍物 并送给单片机 单片机进行 一系列的处理分析 有障碍物和没障碍物时 此电路的输出只有两种输出 状态 当没有障碍物时 直接前行 当有障碍物时 因为 超市里边一般障碍物都是人 人都是在活动的 而且小车 也不可能离开轨迹 所以小车只需停止在原地等待 再次 进行避障检测 进行判断执行 一般几秒钟人就会离开 小车就会继续前行 原理流程图如下 避障原理图 5 5 主控制模块 控制模块是小车的大脑 主要是通过 STC89C52RC 单片 机作为控制中枢 对采集信号进行分析 控制协调检测避 碍 检测循迹 检测制动等功能 同时控制电机速度和起 停 其原理图如下 Xi an Jiaotong University 36 主控模块原理图 电路图如下 主控制模块电路模拟仿真图 Xi an Jiaotong University 37 Xi an Jiaotong University 38 六 项目总结与感悟 都说机械这个专业是个万金油的专业 什么好像都会 什么好像都不精 确实 自从学了专业课以后我就有这个 感受 感觉我们正在做的事情都是别的专业深入研究的内 容 比如编程序 开发软件 设计电路 分析受力 一度我非常担心我们专业会在以后毫无竞争力 因为你编 程序肯定比不过学软件的 设计电路肯定比不过学电子的 分析受力肯定比不过学力学的 但是 这学期学了这门机 电一体化的课 加上做了这个 AGV 小车的设计方案以后 我渐渐发现其实机械专业是有它的独一无二的地方的 就 像老师讲的那样 我们不需要自己完完全全的研究透彻单 片机到底是个什么原理 因为那是学电的学生要研究的 我们注重实际的工程问题 只要能够在工程实际中运用单 片机来为我们服务就行了 学机械这个专业就是要将一切能够利用的资源利用起 来 然后用自己的专业知识来解决实际的工程问题 我在 做 AGV 小车的设计的时候就发现这个东西不是学电的学生 不是学软件的学生能够做得出来的 我们就像一个指挥者 将所有的军队排兵布阵 然后让每个士兵都能够发挥出它 的作用 这样才能够获得胜利 所以这个课程设计让我明 白了机械专业绝对不是万金油的专业 也绝对不是任何专 业能够代替的 我们将来就是其他所有人的 指挥官 作为机电一体化设计的项目 我们在过程中分别经历 了市场调研 目标规划 整体设计 机械结构设计和电路 控制设计 再加上最后的文档编辑 但是由于我们缺乏各 个方面的经验 所以我们针对的目标比较现实 希望用最 基本的器件 实现一个 AGV 自动引导小车的基本功能 过 程中 我们学习了老师推荐的个人软件 比如 PROE 做三 维结构建模 ANSYS 做结构受力分析 PROTUES 做电路设计 C 做控制程序编写等 对我们的专业能力有很大的提升 同时 也为毕设打下一定的基础 总体说来 本门课程给我们最大的收获还是一个产品 Xi an Jiaotong University 39 设计的流程 我们从做的过程中明白了调研 目标 分工 整合 总结的重要性 同时 我们明白了创新的基础是专 业技能的熟悉 像我们现在还处于初学的水平 想要创新 的话难度非常大 就算有想法 也不容易实现 还有一个 强烈的感受就是机械产品的设计要遵守很多的标准 不能 瞎创新 应该在同一的标准和基本的体系下去创新 而且 很多时候选用标准件能够很大程度上减少产品设计的工作 量 增加产品的实用性 最后就是对团队协作的感想 一个整体的项目 有些 事可以分工合作 而有些事必须大家都有所参与 利于产 品调研和目标制定 如果组员都不了解这项产品 他肯定 做不好自己的一些工作或者不能与组员同步 同时 一个 项目的完善性必须靠所有人员的努力 每个人都会疏忽一 些事 协作才能完善一个项目 Xi an Jiaotong University 40 七 参考文献 1 赵卫军 机械设计基础课程设计 北京 科学出版社 2010 年 11 月 2 张辰贝西 自动导航车 AGV 发展综述 南京 南京航 空航天大学 信息科学与技术学院 2010 年 3 常健 吴成东 李斌 移动机器人避障方法综述 仪器 仪表学报第 31 卷第八期增刊 2010 年 8 月 4 STC89C52RC 单片机用户手册 百度文库 5 宁慧慧 智能小车运动轨迹的控制方法研究 山西 中北大学硕士学位论文 2010 年 6 张自红 付伟 罗瑞 C51 单片机基础及编程应用 北 京 中国电力出版社 2012 年 10 月第一版 7 曹卫芳 基于 MCS51 系列单片机的通用控制模块的研究 山东 山东科技大学硕士论文 2005 年 5 月 8 刘建清 轻松玩转 51 单片机 北京 北京航天航空大 学 2011 年 3 月第一版 9 刘建清 轻松玩转 51 单片机 C 语言 北京 北京航天 航空大学 2011 年 3 月第一版 10 贺哲荣 黄金波 AT89S51 单片机硬件设计与编程实例 北京 中国电力出版社 2012 年 7 月第一版 11 protues 使用教程 百度文库 Xi an Jiaotong University 41 八 附录 8 1 车体结构 ANSYS 仿真报告 Project First Saved Tuesday June 10 2014 Last Saved Tuesday June 10 2014 Product Version 14 5 7 Release Save Project Before Solution No Save Project After Solution No Xi an Jiaotong University 42 Contents Units Model C4 o Geometry Parts o Coordinate Systems o Connections Contacts Contact Regions o Mesh o Static Structural C5 Analysis Settings Loads Solution C6 Solution Information Results Material Data o Structural Steel Units TABLE 1 Unit System Metric m kg N s V A Degrees rad s Celsius Angle Degrees Rotational Velocity rad s Temperature Celsius Model C4 Geometry TABLE 2 Model C4 Geometry Object Name Geometry State Fully Defined Definition Xi an Jiaotong University 43 Source C Users Administrator Desktop AGV 模型2 222 sldasm Type SolidWorks Length Unit Meters Element Control Program Controlled Display Style Body Color Bounding Box Length X 0 562 m Length Y 0 22284 m Length Z 1 003 m Properties Volume 1 2244e 002 m Mass 96 114 kg Scale Factor Value 1 Statistics Bodies 45 Active Bodies 45 Nodes 150761 Elements 77590 Mesh Metric None Basic Geometry Options Solid Bodies Yes Surface Bodies Yes Line Bodies No Parameters Yes Parameter Key DS Attributes No Named Selections No Material Properties No Advanced Geometry Options Use Associativity Yes Coordinate Systems No Reader Mode Saves Updated File No Use Instances Yes Smart CAD Update No Attach File Via Temp File Yes Temporary Directory C Users Administrator AppData Local Temp Analysis Type 3 D Mixed Import Resolution None Decompose Disjoint Geometry Yes Xi an Jiaotong University 44 Enclosure and Symmetry Processing Yes TABLE 3 Model C4 Geometry Parts Object Name qudonglunzhou 1 dianji 2 caogang 2 caogang1 1 caogang 1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency 1 Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Coordinate System Default Coordinate System Reference Temperature By Environment Material Assignment Structural Steel Nonlinear Effects Yes Thermal Strain Effects Yes Bounding Box Length X 0 146 m 6 968e 002 m 5 2079e 002 m 0 3 m 5 2079e 002 m Length Y 1 5e 002 m 0 1015 m 3 7858e 002 m 3 2e 002 m 3 7858e 002 m Length Z 1 6903e 002 m 0 18 m 1 m 5 e 002 m 1 m Properties Volume 2 6761e 005 m 7 4737e 004 m 6 2231e 004 m 1 4968e 004 m 6 2231e 004 m Mass 0 21007 kg 5 8669 kg 4 8851 kg 1 175 kg 4 8851 kg Centroid X 0 46424 m 9 6014e 002 m 0 43538 m 0 26036 m 8 538e 002 m Centroid Y 9 6983e 002 m 5 8904e 002 m 4 5492e 002 m 5 0406e 002 m 4 5492e 002 m Centroid Z 0 13969 m 0 18711 m 0 51434 m 0 99061 m 0 51434 m Moment of Inertia Ip1 3 7307e 004 kg m 1 8451e 002 kg m 0 41859 kg m 8 9401e 003 kg m 0 41859 kg m Xi an Jiaotong University 45 Moment of Inertia Ip2 3 7256e 004 kg m 1 6671e 002 kg m 0 41944 kg m 9 273e 003 kg m 0 41944 kg m Moment of Inertia Ip3 6 1044e 006 kg m 5 2496e 003 kg m 2 4832e 003 kg m 5 3527e 004 kg m 2 4832e 003 kg m Statistics Nodes 820 52223 3222 1606 3222 Elements 402 30512 1721 264 1721 Mesh Metric None TABLE 4 Model C4 Geometry Parts Object Name chelunjia 4 chelunjia 3 dianji 1 chelunjia 2 chelunjia 1 State Meshed Graphics Properties Visible Yes Transparency 1 Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Coordinate System Default Coordinate System Reference Temperature By Environment Material Assignment