AGV小车的设计说明书

1 目录11绪论31.1 研究背景及意义31.2 AGV简介41.3 AGV的基本构成6（1）车体7（2）动力装置7（3）控制系统9（4）安全装置91.4 AGV的分类91.5 AGV的特点及发展趋势111.5.1 AGV的特点111.5.2 AGV小车的发展趋势122 AGV小车总体设计方案13AGV系统总体设计主要分为机械结构和控制结构两部分。机械结构设计包括减速器、行走装置、移载装置等。控制结构设计包括小车主控模块、导引方式、移载、安全避障、自动充电等模块功能的设计。13图2.1 小车系统的结构框图132.1 机械结构13控制结构主要由主控板、超声波避障模块、红外定位模块、磁检测传感器引导模块、步进电机驱动模块、电量检测模块、指示灯模块等部分组成。控制结构的每个模块都和机械部件有紧密的联系，它们必须结合机械部件进行设计和调试。以下简要介绍硬件个模块的功能。142.3 程序编写153 AGV机械结构设计15根据不同的用途，在AGV机械设计总体方案中，首先确定AGV的造型十分重要。好的车体造型能在枯燥而繁忙的工作环境中给人以亲切感和安全感。153.1 AGV小车总体构架的设计153.2 安全挡板16为了避免碰撞产生的负面影响，确保运行环境中人和物的安全，AGV自身的防护设施非常重要。除设有非接触式探测外，还装有急停挡板等机械安全防护措施。16在实际应用中，每台AGV都会设置有障碍物接触式缓冲器。一般地，障碍物接触式缓冲器设置在AGV车身运行方向的前后方，缓冲器的材料具有弹性和柔软性，这样，即使产生碰撞事故，也不会对与之碰撞的人和物及其自身造成大的伤害，故障解除后，能自动恢复其功能。缓冲器的宽度，在正常情况下，大于或等于车身宽度，当产生碰撞事故时，缓冲器能及时使自动搬运车停车。16障碍物接触式缓冲器是一种强制停车安全装置，它产生作用的前题是与其它物体相接触而发生一定的变形，从而触动有关限位装置，强行使其断电停车。显然，这种机构的作用将受到路面的光滑平整度、整车及载货重量、运行速度、限位装置的灵敏度等因素的影响，其安全保护措施是终端安全保护屏障。163.3 移动机构16AGV驱动的方式大致可分成两种，一种为两台电机各置于左、右两边，利用两台电机正、反转的运作与两轮差速的方式达到左右转，前进后退或停止，即差速型。另一种方式则类似汽车的转向及传动方式，即前轮为转向轮，后轮为驱动轮，称为舵轮型。前轮利用伺服电机控制连接前轮的连杆，带动前轮左、右转向，而后轮直接利用步进电机与减速机构带动承载车前进，停止或后退。17 图3.1 差速型转向流程图17 这两种传动方式有不同的控制流程，第一种利用两个左、右电机差速转弯，因此控制流程图如图3.1所示。经由传感器感应地面轨道回传转向讯号后，马上经由控制系统判断转向位置，当位置正确时承载车则继续前进，反之，电机即会继续转向直到传感器与地面轨道子系统回传直行讯号。而第二种则类似汽车转向及传动方式，如图3.2所示，经由传感器与地面轨道子系统回传转向讯号后即时判断，控制步进伺服电机旋转的角度后，输出讯号让承载车继续前进。17图3.2 舵轮型转向流程图173.6.2 移载电机的选择203.7 AGV小车驱动减速器的设计203.7.1 蜗杆蜗轮设计203.7.2 蜗轮轴的设计与校核223.7.3 蜗杆轴的设计与校核253.7.4 轴承和键的校核263.7.5 箱体的设计284 AGV控制结构设计294.1单片机控制系统294.1.1 单片机89C51简介29B.管脚说明30XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (可见图4.2 89C51引脚图)31 图4.2 AT89C51引脚图32C.振荡器特性32XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。32D.芯片擦除32整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。32此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。32E.结构特点328位CPU；32片内振荡器和时钟电路；3232根32I/O；32外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；322个16位的定时器/计数器；325个中断源，两个中断优先级；32全双工串行口；32布尔处理器；324.1.2 89C51主要外围电路334.2 电机驱动电路354.3 传感器检测电路394.3.1 磁制导模块39图4.9 磁场分布图404.3.2 超声波避障模块444.3.3 目的地定位停止模块464.3.4 AGV小车手动控制模块475 AGV小车控制系统的软件设计495.1 软件设计的概述495.2 89C51单片机的软件设计计算495.2.1 单片机定时器的计算设置495.2.2 单片机的中断设置535.3 单片机软件设计总体流程图545.4 单片机软件设计子程序流程图555.4.1 手动操作子程序555.4.2 障碍物检测子程序565.4.3 AGV小车偏离子程序565.4.4 定位停止子程序57小 结60参考文献：61翻译部分68中文译文68AGV小车的控制以及路径预测681.简介682.系统架构702.1AGV设计702.2控制结构702.3路径选取713.路径预测和控制734.实验745.总结75致 谢77绪论1.1 研究背景及意义 自动引导车（AGV，Automated Guided Vehicle）是一种无人操纵的自动化运输设备，它装备有电磁或光学导向设备，可以按照监控系统下达的指令，根据预先设定的程序，依靠车载传感器获得外界环境信息和自身位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶。 AGV是现代物流系统的关键装备，在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送。在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%。因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取得胜利的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正向着现代化的方向发展。 AGV适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到了广泛的应用。1.2 AGV简介1.2.1 AGV的定义 智能引导车(Automated Guided Vehicle)通常称作AGV。它是一种无人操纵的自动化运输设备，属于工业机器人的一种，“它能承载一定的重量，按照监控系统下达的指令，根据预先设计的程序依照车载传感器确定的位置信号，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动行驶，”是自动化物流运输系统、柔性生产组织系统的核心装置。 AGV是现代自动仓储技术发展的趋势，它能实现柔性运输、使用灵活、运输效率高、节能、系统工作可靠、无公害，并且可以改善工作环境，大大节约人工成本，在发达国家已经得到了广泛的应用，对提高生产自动化程度和生产效率有着重要意义。 经过多年的拼搏和实践，我国在AGV基础研究、关键原器件开发、引导车整体设计及应用等方面取得了不少令人鼓舞的成绩，但是与国外著名机器人厂家相比，国内企业在整体实力、品牌知名度、产品结构、产品造型、产品性能等方面还存在不少差距，对核心技术的掌握程度还不够，适用的行业范围仍然不够广泛国外已经在深层次的挖掘AGV的应用领域。 同时国内AGV存在价格过高的问题，只能在少数大企业推行，我们在注重产品技术开发的同时，也应该把目标放在如何降低成本上，这样才有利于AGV在国内的广泛推行。1.2.2 AGV在行业中的应用 AGV最初应用于汽车和工程机械行业，随着经济的发展，自动化程度的提高，AGV的应用也日益广泛，主要用于汽车业、烟草业、印刷业、家电业等等。AGV属于技术含量较高、成本较高的物流搬运设备，因此现阶段的主要用户是外资企业、中外合资企业和国有大型企业，民营企业对AGV的采用量也在增加。AGV主要适用于以下几个领域：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。例如化工原料及成品搬运；仪器仪表行业的元器件搬运；印刷出版业的纸张搬运，如图1.1；汽车工业的零部件搬运；医院用品的搬运，如图1.2；国防如武器弹药、军需物资等的搬运等。图1.1 AGV应用于报业纸卷的搬运 图1.2 医院用搬运AGV2、柔性装配线、加工线 AGV不仅可以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，而且行程没有物理隔断，能起到动态调节的作用。这种高度柔性的生产线解决了传统生产线的很多不足，应用于很多领域，如轿车总装线，发动机装配线（如图1.3图1.4）、试车线，机床加工线，家电生产线等。图1.3 用于汽车发动机装配的AGV图1.4 上海通用集团使用的装配型AGV3、特殊场合 AGV的无人自动搬运优势，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、生化物品、易燃易爆物品）等。1.3 AGV的基本构成 如图1.5所示，AGV的基本构成包括：车体、能源储存装置、转向和驱动系统、安全系统、控制与通信系统、导引系统。图1.5 AGV的基本组成（1）车体 AGV的车体主要包括车架、驱动装置和转向机构。 车架通常为钢结构件,要求具有一定的强度和刚度。 驱动装置由驱动轮（如图1.6）、减速器、制动器、电机及调速器等组成,是一个伺服驱动的速度控制系统,驱动系统可由计算机或人工控制,可驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力。图1.6 AGV驱动轮 根据AGV运行方式的不同,常见的AGV转向机构有铰轴转向式、差速转向式和全轮转向式等形式。通过转向机构,AGV可以实现向前、向后或纵向、横向、斜向及回转的全方位运动。（2）动力装置 AGV的动力装置一般为蓄电池（如图1.7）及其充放电控制装置,电池为24V或48V的工业电池,有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍锌蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池等可供选用,需要考虑的因素除了功率、容量(Ah数)、功率重量比、体积等外,最关键的因素是需要考虑充电时间的长短和维护的容易性。图1.7 AGV充电电池 快速充电为大电流充电,一般采用专业的充电装备,AGV本身必须有充电限制装置和安全保护装置。 充电装置在AGV上的布置方式有多种,一般有地面电靴式、壁挂式等,并需要结合AGV的运行状况,综合考虑其在运行状态下,可能产生的短路等因素,从而考虑配置AGV的安全保护装置。 在AGV运行路线的充电位置上安装有自动充电机（如图1.8），在AGV车底部装有与之配套的充电连接器（如图1.9），AGV运行到充电位置后，AGV充电连接器与地面充电接器的充电滑触板(如图1.10)连接，最大充电电流可达到200安以上。图1.8 自动充电机 图1.9 车载充电连接器 图1.10 地面充电划触板（3）控制系统 AGV控制系统通常包括车上控制器（如图1.11）和地面(车外)控制器两部分，目前均采用微型计算机,由通信系统联系。通常,由地面(车外)控制器发出控制指令,经通信系统输入车上控制器控制AGV运行。图1.11 AGV车载控制器 车上控制器完成AGV的手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制与充电接触器的监控及行车安全监控等。 地面控制器完成AGV调度、控制指令发出和AGV运行状态信息接收。控制系统是AGV的核心，AGV的运行、监测及各种智能化控制的实现,均需通过控制系统实现。（4）安全装置 AGV的安全措施至关重要,必须确保AGV在运行过程中的自身安全,以及现场人员与各类设备的安全。 一般情况下,AGV都采取多级硬件和软件的安全监控措施。如在AGV前端设有非接触式防碰传感器和接触式防碰传感器,AGV顶部安装有醒目的信号灯和声音报警装置,以提醒周围的操作人员。对需要前后双向运行或有侧向移动需要的AGV,则防碰传感器需要在AGV的四面安装。一旦发生故障,AGV自动进行声光报警,同时采用无线通讯方式通知AGV监控系统。 此外,AGV根据需要还可配置移载装置,用于货物的装卸。1.4 AGV的分类AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域的扩展，其种类和形式变得多种多样。自动导引小车按其分类方法不同，可有多种形式的自动导引小车。1. 导引方式是AGV单机控制系统的核心技术，根据AGV小车的导引方式不同，可以将AGV分成以下几种类型。 电磁导引AGV。电磁导引是传统的导引方式之一，它是在AGV的行驶路径埋设金属导线，并加载低频、低压导引电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导引磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。其主要优点就是引线隐蔽、不易污染和破损、导引原理简单可靠、制造成本比较低。其主要的缺点是路径的复杂性有限、扩充或更改很麻烦、容易受到干扰。 惯性导引AGV。惯性导引是在AGV上安装惯性陀螺仪，在行驶地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向，从而实现导引。其主要优点是技术先进、定位准确性较高、灵活性强、便于组合和兼容。缺点是陀螺仪对振动较敏感，地面条件对AGV的可靠性影响很大，后期维护成本较高。 激光导引AGV。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，并采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向，实现AGV的导引。其主要优点是定位精度高、地面无需其它定位设施、能够适应复杂的路径条件及工作环境、可快速变更行驶路径和修改运行参数。缺点是车型构造需首先保证激光扫描器的视场要求、AGV抗光干扰的纠错能力有一定的局限性。 视觉导引AGV。视觉导引控制室利用图像传感器采集路面上条带状路径标线的图像信息，通过计算机处理、识别，计算出车辆与路径标线之间的相对位置偏差从而控制运行方向，保证AGV沿着路径标线运行。优点是引导路径的设置和变更简单方便，成本低，易维护。缺点是容易受到光线的干扰。 磁力感应导引AGV。磁力感应导引是指在地面上贴上磁带，通过磁感应信号实现导引。这种方法是目前使用最多的导引方式，其优点是改变、扩充路径比较容易。缺点是易受环路周围金属物质的干扰，对磁带的机械损伤极为敏感。 红外导引AGV。红外导引是利用反射式光电红外收发管作为AGV(Automated Guided Vehicle)寻航检测装置,通过在路面上铺设颜色分明的颜色带对光线的反射差异不同来实现导航，一般是在黑色地面上铺设白带。这种导引方法的优点就是不受电，磁等外界事物影响，实现方法简单。其缺点是易受外界光照和路面清洁度干扰。 2.按照自主程度划分，AGV可分为智能型和普通型两类。 智能型AGV。每台AGV的控制系统中通过编程都存在有全部运行路线和线路区段控制信息，AGV只需知道目的地就可以自动选择最佳路线完成规定的任务。AGV系统的主控机与各台AGV之间通过无线连续通讯，控制系统可以实时监视所有AGV的工作和运行位置。即使通讯中断，AGV仍能以多种降格方式运行工作。 普通型AGV。这种类型的AGV控制系统比较简单，其本身的所有功能、路线规划和区段控制都由主控机进行控制。因此主控机必须有很强的处理能力。当主控机出现故障时，AGV只能停止工作。 3.根据功能用途可以分成搬运型AGV和装配型AGV。 搬运型AGV主要是完成货物的搬运功能，类似于叉车的功能。 装配型AGV是在完成货物搬运的同时具有辅助装配的功能，它更像一台智能的机器人。4.按照驱动模式分类AGV可分为3种驱动类型：单轮驱动模式（SD-SteerDriving），差速驱动模式（Differential Driving）和全方向驱动模式QUAD（QuadMotion）。 单轮驱动是指用一个驱动轮兼有行走和转向功能，两个从动轮为固定脚轮，在稳定性不够时，可增加活动脚轮为辅助支撑。单轮驱动方式的AGV运动性能稍差，转弯半径较大，但导引的可靠行高。 差速驱动是指AGV左右对称安装两个不带转向的驱动轮，以一个或多个活动脚轮为从动轮，依靠左右轮的差速来实现转向，差速驱动模式的AGV能够实现单轮驱动的一切功能，转弯半径小，灵活性较好，但由于差速模式的限制，驱动轮的磨损较为严重。 全方向驱动是指以两个驱动轮，均兼有行走和转向功能，以两个或多个活动脚轮为从动轮，一般2个驱动轮安装于AGV的前后两段。全方向驱动在不同的情况下可以实现单轮驱动和差速驱动，全方向驱动的AGV是目前最灵活的，但由于机构复杂，控制硬件成本和控制难度都会相应增加。1.5 AGV的特点及发展趋势1.5.1 AGV的特点 作为一种物流输送设备与传统的输送设备相比，AGV具有以下主要特点： 1. 运行路线设定灵活。AGV的运行路线可以由地面管理站来设定，即可以沿某一环路运行，也可以再两个或多个站点之间往复行驶。 2. 柔性高。小车的发送和调度一改以往的其他输送设备的固定运行模式，完全由地面站灵活调配。 3. 线路容易变更。更改路线只需改变导引线即可，在无路径导引方式中，只改变软件程序即可完成，增减线路和车辆也很方面。 4. 具有避开障碍物报警的功能。AGV车体装有红外或超声探测装置，遇障碍或两车相近时自动报警并停车。 5. 可与计算机控制的全自动化生产装配系统有机地相连。由于地面站采用计算机管理，所以很方便地提供自动存取、数控设备、自动装配等系统的接口。 6. AGV还具有清洁生产地特点。AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中低噪音、无污染、改善作业环境。1.5.2 AGV小车的发展趋势 随着电子和控制技术的发展，AGV的技术也在不断进步，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。这种十几年前只是用作工厂内的物流输送设备，现在己经不仅仅局限于工厂之内，己成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。2 AGV小车总体设计方案 AGV系统总体设计主要分为机械结构和控制结构两部分。机械结构设计包括减速器、行走装置、移载装置等。控制结构设计包括小车主控模块、导引方式、移载、安全避障、自动充电等模块功能的设计。 整个系统的结构框图如图2.1所示，其中方框中所包含的主控制模块、步进电机的驱动模块、行走装置构成步进电机的整个行走系统。 图2.1 小车系统的结构框图2.1 机械结构AGV 的机械结构主要由车架，移载装置，驱动部件三大部分组成。其中驱动部件是机械部分的核心部分，它主要完成小车的行走，导向等任务。本设计中的小车使用的是三轮二驱，即后面两个为电机驱动的定向轮，前面为万向轮。移载装置是由几根滚筒组成，将这些滚筒间隔的固定在小车，然后通过一个步进电机带动它们转动，这样就可以将货物自动的卸载。在进行小车的机械设计时需要在小车上面预留一些位置用来放置红外模块，超声波模块，磁检测传感器，主控板和蓄电池等设备。2.2 控制结构 控制结构主要由主控板、超声波避障模块、红外定位模块、磁检测传感器引导模块、步进电机驱动模块、电量检测模块、指示灯模块等部分组成。控制结构的每个模块都和机械部件有紧密的联系，它们必须结合机械部件进行设计和调试。以下简要介绍硬件个模块的功能。 （1） 主控板主控板采用AT89C51单片机控制，该芯片具有功耗低、功能多、体积小等特点，使用方便。 （2）超声波避障模块超声波模块是用来检测小车行驶途中是否有障碍物，当超声波发射传感器发射的声波在传播途中碰到障碍物时会发生反射，而被反射的声波信号将被超声波接受传感器接受，主控芯片接到信号后，立即发出停车信号。该模块保证小车在行驶途中避免和障碍物碰撞影响小车的正常行驶。 （3）红外定位模块 AGV小车的停车是利用红外模块来实现的，该模块有一对红外传感器组成。红外信号碰到深色的物体时将被大部分吸收，而碰到浅色物体时将被大部分反射，利用这一特点，在小车停车位置铺上白带，当小车检测到很强的发射信号时，就表示小车需要停车定位。 （4）磁检测传感器引导模块AGV小车的运行路线是通过铺设在地面上的磁条来制导的，霍尔传感器通过对称的装的小车的两侧，通过检测磁通量大小来转换成电压的大小，当两个传感器有偏差时说明小车运行有偏差，需调整。 （5）步进电机驱动模块AGV小车步进电机驱动模块选用产品RORZE步进电机驱动器。 （6）电量检测模块 电量检测模块主要是用来检测蓄电池是否需要充电，该模块利用简单的电压检测法来测试电量。由于蓄电池提供的电压是12V，当蓄电池的电压低于11V时，就需要充电或者更换电池。 （7）指示灯模块 指示灯模块主要用来指示小车各个功能模块的运行状况，同时还指示各个硬件电路的运行状况。2.3 程序编写 AGV小车的程序编写主要包括对主控芯片的程序的编写，以及各个功能模块和通用子程序的编程。具体的实现方法在第5章有介绍，在这里就不在具体阐述了。3 AGV机械结构设计 根据不同的用途，在AGV机械设计总体方案中，首先确定AGV的造型十分重要。好的车体造型能在枯燥而繁忙的工作环境中给人以亲切感和安全感。3.1 AGV小车总体构架的设计 AGV小车一般由车体、能源储存装置、转向和驱动系统、精确停车装置、车上控制器、安全系统、导引系统等组成。 整个过程小车能够完成自动装卸，自动运行，实现前进、转弯和停止。本课题路线设计为一正方形路线，AGV小车在正方形一侧路线装货点装货（货物为轻质的正方体箱体），运行到另一侧路线卸货点进行卸货，转弯半径大约1m。 本设计的AGV小车，按照磁导航的方式进行导引，采用AT89C51单片机作为控制系统来控制小车的运行。 AGV小车大小确定为： 自动导引车的长度：800mm 自动导引车的宽度：600mm 自动导引车的高度：600mm 整个系统采用上车体和下车体通过转轴联结而成，上车体是移载系统，主要包括移载驱动电机和传送滚筒；下车体是整个AGV小车的核心，它包括车体系统、行走系统、车上控制系统。 底盘支架是自动导引小车的支撑平台，无论是电路控制部件还是动力部件都要通过底盘支撑，因此底盘的性能在很大程度上决定了自动导引车的性能。小车底盘的性能主要由稳定性、刚性、重量、体积、离地高度和灵活性等几个参数决定。根据小车的重量以及传感器对离地高度要求，本小车采用铝合金板作为小车底盘，铝合金具有重量轻，硬度高的特点，极大地减轻了小车底盘的重量，厚度为10mm,其上加工用于方便调整传感器的槽和孔，并在上面安装驱动轮座、万向轮、蓄电池和集成芯片等。小车底盘距离地面为22mm,大大增加了小车的抗倾翻性能。 AGV小车外壳采用厚度为5mm的铝合金板，板上装有电控系统、按键、传感器和指示灯等。外壳要求应没有突出的部分，以防止碰撞其他物体。3.2 安全挡板 为了避免碰撞产生的负面影响，确保运行环境中人和物的安全，AGV自身的防护设施非常重要。除设有非接触式探测外，还装有急停挡板等机械安全防护措施。 在实际应用中，每台AGV都会设置有障碍物接触式缓冲器。一般地，障碍物接触式缓冲器设置在AGV车身运行方向的前后方，缓冲器的材料具有弹性和柔软性，这样，即使产生碰撞事故，也不会对与之碰撞的人和物及其自身造成大的伤害，故障解除后，能自动恢复其功能。缓冲器的宽度，在正常情况下，大于或等于车身宽度，当产生碰撞事故时，缓冲器能及时使自动搬运车停车。 障碍物接触式缓冲器是一种强制停车安全装置，它产生作用的前题是与其它物体相接触而发生一定的变形，从而触动有关限位装置，强行使其断电停车。显然，这种机构的作用将受到路面的光滑平整度、整车及载货重量、运行速度、限位装置的灵敏度等因素的影响，其安全保护措施是终端安全保护屏障。3.3 移动机构 AGV驱动的方式大致可分成两种，一种为两台电机各置于左、右两边，利用两台电机正、反转的运作与两轮差速的方式达到左右转，前进后退或停止，即差速型。另一种方式则类似汽车的转向及传动方式，即前轮为转向轮，后轮为驱动轮，称为舵轮型。前轮利用伺服电机控制连接前轮的连杆，带动前轮左、右转向，而后轮直接利用步进电机与减速机构带动承载车前进，停止或后退。 图3.1 差速型转向流程图 这两种传动方式有不同的控制流程，第一种利用两个左、右电机差速转弯，因此控制流程图如图3.1所示。经由传感器感应地面轨道回传转向讯号后，马上经由控制系统判断转向位置，当位置正确时承载车则继续前进，反之，电机即会继续转向直到传感器与地面轨道子系统回传直行讯号。而第二种则类似汽车转向及传动方式，如图3.2所示，经由传感器与地面轨道子系统回传转向讯号后即时判断，控制步进伺服电机旋转的角度后，输出讯号让承载车继续前进。 图3.2 舵轮型转向流程图 在本次设计中，估计小车的重量（包含货物）为50Kg,采用三轮差速驱动的方式，其中后面两轮为驱动轮，前轮为万向轮，用于平衡车体。结构如图3.3所示。 小车万向轮轮径为75mm，轮宽27mm，全高93mm，轮质材料为尼龙，具有灵活、轻松和耐用等特点，其转动部位（脚架转动、轮子滚动）用的是摩擦系数小的材料经特殊工艺处理后组装而成的，轮子直径为75mm，适合本小车的总体设计比例，不易发生热变形，更耐用。小车的驱动轮直径为160mm，采用铸铁橡胶面驱动轮，其优点在于不仅承载能力大，而且橡胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力。两驱动轮相互独立对称，通过2个驱动电机分别进行控制，小车通过差速进行方向控制。 图3.3 AGV车体结构图3.4 小车的驱动减速器 小车的减速器采用单级蜗杆减速器，蜗杆减速器的尺寸不大，同时可以获得较大的传动比，工作平稳，噪声小，输出轴和输入轴可以不在同一个轴线上，也可以不在同一平面上，但效率比较低，选用蜗杆减速器的另一个重要特点就是在控制蜗杆螺旋角大小的情况下，能够实现蜗轮蜗杆减速器的反向自锁功能，利用这个特点可以使AGV小车能够方便的实现制动，不用再单独的安装制动器，简化小车结构。 蜗杆类型选择阿基米德圆柱蜗杆，材料为45号钢，蜗轮材料采用锡青铜，这样有利于抗磨损。3.5 小车的移载装置AGV移载机构采用联轴滚筒结构进行移送货物，通过与电机相连的滚筒转动继而带动其他滚筒转动移送货物，滚筒结构如图3.4所示（滚筒选用SC2240双槽“O”型带滚筒，滚筒直径为50mm,轴径为12mm,长度为450mm）。 图3.4 AGV滚筒结构图考虑步进电机步步距精度高、输出转矩大，无需测量部件，结构紧凑，且在电脉冲控制下可以快速启动、正反转，便于控制，因此本系统的移载结构采用步进电机来带动滚筒转动。步进电动机也称为脉冲电动机，它将脉冲电信号变换为相应的角位移或者直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。随着新技术、新器件的发展，逐渐出现了细分驱动的步进电机，即将原来步进电机的步距角逐步细化，使原来的一步分为几步走完。这种方式不仅可以减小步距角，而且减小频率较低时的振荡，大大增加了控制精度。根据移载系统的负载重量和移载速度的要求，本系统采用RORZE两相混合式步进电机M26473S,为两相步进电机，力矩可达1.2Nm，完全可以移载货物。3.6 AGV电机的选择3.6.1 驱动电机的选择1. 运行阻力分析当小车匀速行驶时，驱动功率仅需克服摩擦阻力f摩和风的阻力f风，由于小车在室内运行，因而f风非常小，可以忽略不计。当小车加速运行时，还要克服自身的惯性力f惯。因此，小车总的推力为：F=f摩+f惯 摩擦阻力f摩摩擦阻力f摩由车轮轴承间的阻力f1和车轮与道路之间的滚动摩擦力f2两部分构成。即:f摩=f1+f2。(1)车轮轴承阻力式中：P-车轮轮压，整车重量约为50Kg,3轮承载，故P=50/39.8=163.3N；D-车轮直径，D=160mm；d-车轮轴枢直径， d=20mm-车轮轴承摩擦系数，滚动轴承(2)车轮与道路之间的滚动摩擦阻力式中:N-车轮载荷。因为车轮为硬材质，取N=P=163.3N； -路面阻力系数.参照水泥混凝土路面，取；所以f2=0.015163.3=2.4495N即摩擦阻力f摩=f1+f2=2.4495+0.306=2.7555N 惯性力f惯 f惯=ma式中:-车辆加速度度（) ，设小车在0.4秒内达到0.2m/s,m-AGV小车的总重量。m=50kg所以f惯=ma=500.5=25N因此小车总的推力为 F=f摩+f惯=2.7555+25=27.7555N2. 电机驱动功率的计算式中:v-小车移动速度(m/s) v=0.2m/sF-总推力(N)。F=27.7555N-从电动机到车轮传动的总传动效率，取=0.75m-驱动电机的总数。m=2所以功率N=27.75550.2/2/0.75=3.7007W3.电机扭矩的计算电机扭矩M是电机功率和转速的函数。式中:n-电机的转速(r/min) n=700r /min所以扭矩M=303.7007/3.14159/700=0.0505Nm本系统用两个步进电机作为驱动电机，步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，其功用是将脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移，本小车选择步进电机M26A33S作为驱动电机,其参数如表3.1所示。表3.1 M26A33S步进电机参数相数2步距角（）1.8相电流（A）3.0最大静止转矩（Nm）1.3转动惯量（）360尺寸（mm）直径/长度56/76驱动电压（V）18-403.6.2 移载电机的选择设货物的重量为10Kg，货物与滚筒之间的最大静摩擦系数，则，货物对滚筒的最大静止转矩为：根据移载系统的负载重量和移载速度的要求，本系统采用RORZE两相混合式步进电机M26473S，为两相步进电机，力矩可达1.2Nm，完全可以移载货物。3.7 AGV小车驱动减速器的设计3.7.1 蜗杆蜗轮设计 AGV小车驱动减速器选择单级蜗杆减速器，蜗杆传动类型为阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)。预计每天工作8小时，每年工作300天，预期寿命5年。1. 选择材料考虑的蜗杆的传动功率不大，速度只是中等，故选择45钢，蜗杆螺旋部分要求淬火，硬度为45-55HRC，蜗轮用铸造锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5，金属模铸造，为了节约贵重金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。2. 按齿面接触强度进行设计 根据闭式蜗杆蜗轮的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行计算，再校核齿根弯曲疲劳强度。则传动中心距为： (1) 确定作用在蜗轮上的转矩=9.551000P/n=1.15Nm(2) 确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布系数,由于转速不高，冲击不大，可选取动荷系数,则 (3)确定弹性影响系数和因选用的是铸青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=155，先假设蜗杆分度圆d1和传动中心矩a的比值d1/a=0.5，可查得 (4)确定许用接触应力根据蜗轮材料为ZCuSn5Pb5Zn51，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从机械设计手册中查得蜗轮的基本许用应力应力循环次数： 寿命系数=（5）计算中心矩取中心矩a=47.5mm 因i=30取m=1.25mm 蜗杆分度圆直径d1=20mm这时， =2.85查得，因为，因此以上计算结果可用 3.蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸（1） 蜗杆分度圆直径模数 直径系数q=16，齿顶圆 齿根圆分度圆导程角，蜗杆轴向齿厚（2） 蜗轮蜗轮齿数变位系数为传动比蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根直径蜗轮厚度 ，取4.校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数根据 查得齿形系数=2.5 螺旋角系数许用弯曲应力从机械手册中查得：ZCuSn5Pb5Zn5制造的蜗轮的基本许用应力所以 ： 满足要求3.7.2 蜗轮轴的设计与校核1.轴的材料的选择和初步估计轴的直径考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。 选取轴的材料为45号钢，调质处理，根据机械设计手册，取A0=115，并且P3=3.6145w,n3=700/30=23.33r/min,于是得：2.轴的结构设计（1） 确定轴的结构方案 左轴承从轴的左端装入，靠轴肩定位。蜗轮也是从轴的左端装入，右轴承从轴的右端装入，蜗轮左侧端面靠轴肩定位，蜗轮和左轴承之间用定位套筒使左轴承右端面得以定位，右轴承和中间轴肩之间用定位套筒使右轴承左端面得以定位，左轴承左端采用挡圈固定，轴的2个轴承采用深沟球轴承。轴的结构如图3.6所示。 A段 根据，d要符合标准轴承内径，查GB/T276-94,选滚动轴承型号6004，为深沟球轴承，其宽度T=12mm。轴承润滑方式选择：，选择脂润滑。考虑轴承脂润滑，取轴承距箱体内壁距离f=3mm,该段宽度。 B段 该段为蜗轮的轴段，蜗轮轴段的直径的右端为定位轴肩，与传动零件相配合的轴段，根据传动零件的轮毂宽。蜗轮的轮毂宽度为B=35mm，所以该段宽度=35mm。 C段 取蜗轮右端定位轴肩高度h=4mm，则轴环直径。轴段长度。 D段 该段也是轴承支撑段，为了符合标准轴承内径，查 GB/T276-94，选择滚动轴承型号为16005，同样为深沟球轴承，,其宽度T=12mm。轴承的润滑轴承润滑方式选择：。选择脂图3.6 涡轮轴的示意图润滑。考虑轴承脂润滑，取轴承距箱体内壁距离f=3mm,。E段 该段为轴输出端，为了使车轮定位，在右轴承和车轮之间使用定位套筒，为了在轴向固定住车轮，轴的最右端加工成螺纹形式，使用螺母和垫圈拧紧。 到此，已经初步确定了轴端各段直径和长度，轴的总长：L=5+20+35+5+20+52.5+24=161.5mm。3.轴的强度的校核（1）轴向零件的同向定位 涡轮，车轮与轴的同向定位采用平键。按d2由GB/T10952003,GB/T1096-2003查得平键截面 bh=8mm7mm，键槽用键槽铣刀加工，长为28mm，同时为了保证蜗轮与轴配合有良好的对中性，故选择蜗轮轮毂与轴端配合为，键型选择B型；同样，车轮与轴的连接，选用B型普通平键bh l=6mm6mm18mm，车轮与轴的配合为，滚动轴承与轴的同向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。 （2）确定轴上的圆角和倒角尺寸参考机械设计手册，取倒角245，各轴肩处的圆角半径为A段B段之间为1mm，B段C段之间为2mm，C段D段之间为1mm，D段E段之间为1mm。（3）确定各向应力和反力蜗轮分度圆直径d=75 mm 转矩T=1.15 Nm蜗轮的切向力为：Ft=2T/d=21150/75=30.667 N蜗轮的径向力为： =30.667tan20/cos111835 =10.827 N蜗轮的轴向力为： =30.667tan111835 =6.134 N垂直面上的支撑反力： = =9.193 N其中68为两轴承中心的跨度，36.5为蜗轮中心到右边轴承中心的距离。 N水平平面： N N（4）确定弯距 Nmm 垂直弯矩： Nmm Nmm 合成弯矩： = 593.89Nmm =521.9 Nmm扭矩T=1150 Nmm（5）按弯矩合成应力校核该轴端强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。轴单向旋转扭转切应力为脉动循环变应力。取=0.6 轴端计算应力：故是安全的。3.7.3 蜗杆轴的设计与校核 1.轴的材料的选择，确定许用应力 考虑到减速装置为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗杆的转矩。材料选取45号钢，淬火处理，b=600MPa b-1 =55MPa。 2按扭转强度初步估计轴的最小直径 由于该轴输入端需要与步进电机相连，需使用到联轴器，为了使用方面简单，根据步进电机输出轴的直径，选用泊头市天硕联轴器厂生产的LK6-16微型波纹管联轴器，该种波纹管联轴器采用高柔性不锈钢，具有高扭矩刚性，零回转间隙，顺时针与逆时针回转特性完全相同，使用地位螺丝固定，轴向、径向和角度错位在平稳均匀中得到补偿，使用张紧方式，安装空间小，装卸方面。 根据联轴器的尺寸要求，。 3 轴的结构的设计 (1)确定轴的结构方案 左轴承从轴的左端装入，靠轴套定位，右轴承从轴的右端装入，也是靠轴套定位。轴的结构示意图如图3.7所示。 图3.7 蜗杆轴的结构示意图 （2）确定各轴段直径和长度A段 根据选择的联轴器尺寸要求，。B段 为了便于装拆轴承内圈，且符合标准轴承内径，查GB/T27694,选滚动轴承型号为6201，轴承为深沟球轴承，其宽度T=10mm。轴承润滑方式选择：。选择脂润滑。考虑轴承脂润滑，去轴承距箱体内壁距离f=2mm,。C段 该段主要是轴从轴承端到蜗杆端的过渡段，取。D段 该段为轴的蜗杆部分，其分度圆直径，长度。E段 同C段。F段 根据标准轴承内径，查GB/T27694,选滚动轴承型号为6201，轴承为深沟球轴承，其宽度T=10mm。轴承润滑方式选择：。选择脂润滑。轴承的右端定位使用轴承端盖，取端盖的宽度6mm，端盖的左端深入箱体2mm，则。3.7.4 轴承和键的校核1.轴承的校核 查表GB/T27694,6004深沟球轴承的额定动载荷Cr=9.38103 N，基本静载荷Cor=5.02103 N；16005型号深沟球轴承的额定动载荷Cr=10.0103 N，基本静载荷Cor=5.85103 N，6201深沟球轴承的额定动载荷Cr=6.82103 N，基本静载荷Cor=3.05103 N，因此只需校核6201深沟球轴承即可。 （1）轴承受到的径向载荷Fr1和Fr2由前面设计蜗轮时求得的： N N N NNN（1） 求两轴承计算轴向力Fa1和Fa2查表GB/T297-1994 可知e=0.35 N N轴向力 N因为 N（3）求当量动载荷P1和P2e 分别计算P1、P2，取fp=1.5,则P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=1.5 （0.418.85+1.711.14）=39.72 NP2=fp（1Fr2）=21.45 N（4）验算轴承寿命因为P1P2，故应按P1计算，所以轴承的受力大小计算： =1821728.7 h 12000h 所以轴承满足寿命要求。2键的强度校核键1选择的是：Bh=8mm7mm L=28mml=L-b=28-8=20mmk=0.5h=0.57=3.5mm键2选择的是：Bh=6mm6mm L=18mml=L-b=18-6=12mmk=0.5h=0.56=3mm故是安全的，2个键都合格。3.7.5 箱体的设计 由于AGV小车的结构比较简单，减速器箱体采用敞开式，箱体采用铸造工艺，材料选用HT200，因其属于中小型铸件，铸件的最小壁厚为5毫米，取箱体底部厚度为5 mm，蜗轮轴的箱体支撑面厚度为15mm，因其不仅受蜗轮影响，更重要的是其输出之间连车轮支撑整个小车的重量，故其壁厚应该选的厚些。其蜗杆轴支撑面为12mm。整个箱体是根据2个轴的交错角度，空间，进行设计的，其外形尺寸为112mm80mm123mm。箱体的底部与小车底盘之间采用焊接的方式相连。4 AGV控制结构设计 AGV自动导引车的控制系统是自动导引车的核心，本章主要介绍控制系统的硬件平台。在本小车的设计中，控制系统主要安装在小车的底盘上面，在设计小车的车身构造时，在小车的下层已经留有足够的空间来布置小车控制系统的硬件电路，控制系统主要包括AT89C51单片机系统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路等。4.1单片机控制系统4.1.1 单片机89C51简介 AGV小车的控制系统采用ATMEL公司的AT89C51单片机，如图4.1。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。A. 主要特性： 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 图4.15个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 B.管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入）