自动导引小车（AGV）系统的设计

自动导引小车（AGV）系统的设计摘 要随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV(Automatic Guided Vehicle)即自动导引车作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。 AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。 本文介绍了AGV在国内外的发展现状和应用情况，在此基础上，结合毕业设计的课题要求，设计了红外导引AGV小车。其研究内容主要包括以下几个方面: 1.论述了AGV系统的组成、路径导引方式及原理，结合课题要求，选择“红外导引”作为该系统的导引方式。 2.介绍了AGV车体机械结构的设计，并根据小车的驱动方式和工作要求，对底盘、电机、蓄电池等进行了设计和选型。 3.根据AGV系统的控制和工艺要求，确定了控制系统的总体框架结构。硬件方面，选择合适的传感器、单片机以及电机驱动器，对传感检测电路和单片机控制系统硬件电路进行了设计:软件方面，采用模块化的编程方式来实现系统的各种功能，并实现了单片机与电机控制器之间的串口通信。 4.在总结全文的基础上，对AGV小车的设计和研究提出了展望。关键词:红外导引；AGV；单片机；驱动控制电路；行走策略；控制策略；串口通信。THE DESIGN OG AGV SYSTEMABSTRACTWith 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 录摘 要ABSTRACT目 录第1章 绪论11 概述1.1.1国外研究状况1.1.2国内发展情况1.1.3 AGV系统技术研究方向12 AGV系统的构成与AGV的结构1.2.1 AGV系统的构成1.2.2 AGV的结构13 AGV导航系统1.3.1固定路线方式1. 4研究课题的提出1. 5本章小结第2章 AGV的总体设计2. 1总体设计2. 2小车运动分析2. 3 传感器的选用2.3.1 红外传感器寻迹原理2.3.2红外寻迹方案选择2.3.3具体设计与实现2.3.4超声波传感器避障原理2.3.5超声波测距模块实物图片2.3.6超声波模块具体功能简介2.3.7规格参数2. 4 本章小结第3章 AGV机械结构和驱动转向系统的设计3. 1 AGV机械结构的设计3.1.1 车体尺寸结构设计3.1.2 驱动方式的选择和车轮的选择3.1.3 传感器的布置3. 2驱动系统部件的选择与校核3.2.1电机的选择3.2.2行走系统的驱动装置3.2.3 AGV行驶阻力的计算3.3 主减速比的选择3.4 电源部分选择3.5 本章小节第4章控制系统与行走策略4.1控制系统4.1.1驱动芯片模块 4.1.2电源模块4.1.3光电耦合器4.2电路的设计4.3行走策略 4. 4传感器采样4. 5控制策略4. 6动作类型4.6.1直线路径行走4.6.2特殊路径的行走4.6.3左转弯4.6.4右转弯4.6.5停车第5章 总结与展望5.2研究展望5.1全文总结第1章 绪 论11 概述AGV(Automatic Guided Vehicle)自动导引车是上世纪50年代发展起来的智能搬运型机器人。AGV是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，它是以电池为动力，装备有电磁或光学等自动导航装置，能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制，完成无人驾驶及作业的设备。自从1913年美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车，1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到九十年代全世界拥有AGV(Automated Guided Vehicles)10万台以上。近年来，自动化技术呈现加速发展的趋势，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，AGV起了无可替代的重要作用，与传统的传送辊道或传送带相比，AGV输送路线具有施工简单、路径灵活，不占用空间、较好的移动性、柔性等优点。1.1.1国外研究状况世界上第一台AGV是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车中有一个真空管组成的控制器，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶。 60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的AGV技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盆促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron, Wogner HJC, ACS, BT. CFC, FATA, Saxby, Denford和Blecbert等21。70年代中，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台小车，1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。在机械制造行业的应用为:汽车工业(57%)，柔性制造系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(4%)。 欧洲的AGV技术于80年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的Keebler分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGV 1981年John公司将AGV连接到AS/RS，以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车)，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(可联网于FMS或CIMS)，运输量更大，移载时问更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高31。此时美国的AGV生产厂商从23家(1983年)骤增至74家(1985年)。日本的第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本己累计安装了2312个AGV系统，拥有5032台AGV。1.1.2国内发展情况国内自主研发方面：六十年代开始研究。1976年，北京起重运输机械研究所研制的ZDB-1型自动搬运车是最早的实用型AGV。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所等单位研制了邮政枢纽AGV。1991年，中科院沈阳自动化所与新松机器人自动化股份有限公司为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台自动装配系统，并于1996年获得国家科学技术进步三等奖，是当时国内较先进的使用型AGV。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1998年昆明船舶设备公司在红河卷烟厂研究多模式激光导引无人自动车22辆，红河项目于2002年获国家科学技术进步二等奖。同期天津师范大学、吉林大学、吉大易飞、北京军区后勤部、北京机科发展公司、北京易亨集团等也进行了试验研究。在引进国外技术与产品方面：1980年，上海石化总厂为涤纶长丝作业从日本大福公司引进国内第一套AGVS。九十年代初，华宝空调装配线上使用了日本进口的电磁导引AGV。1996年，玉溪卷烟厂首家在烟草行业引进三星的52台AGV，这是国内企业中使用数量最多的AGV系统。河北承德输送机械厂合资引进美国WEBB公司AGV技术。天津理工学院研制的TIT-1全方位视觉引导自动车，属国家863高科技项目，已通过鉴定，达到八十年代末国际先进水平。九十年代中期，昆船公司在引进国外最先进AGV技术的基础上，先后承担了数十个AGV系统的设计、安装；其水平代表了目前国内的最高水平。昆明船舶设备公司研制的各种导引形式的AGV系统已经广泛应用于烟草行业，汽车行业，造币行业等。目前全国AGVS不超过60套，AGV不超过400台。其中烟草行业应用最多，已有20家采用了AGV，绝大部分采用激光导引技术。 以中科院沈阳自动化所为金杯汽车公司设计的AGV系统为例进行说明，中国科学院沈阳分院成功开发的自动导引车(AGV)和自动导引车系统(AGVS)主要用于汽车等生产线，实现动态装配，可提高装配线的自动化水平。在中国汽车生产总装线上首次使用具有自主版权的AGV产品和系统。沈阳金杯客车制造有限公司总装车间有9台AGV构成的发动机、后桥、油箱装配副环线，已经投入生产运行两年。该AGV具有自动动态跟踪、提升、定位、装配功能，已达国际先进水平。且获得多项专利，如双举升载人自动装配导引车、双倍行程举升装置等。运用该产品及系统技术可大大提高总装生产线动态装配的自动化程度，减少设备投资及提高生产效率。以金杯客车制造有限公司的9台AGV应用工程为例，据估算，一台AGV国产价格要比进口的便宜20万元人民币，应用工程系统的设计调试技术费的差额更大。1.1.3 AGV系统技术研究方向 （1）导引技术：八十、九十年代，正当国内的一些院校厂所致力基于埋线电磁导引技术并刚开始应用，基于CCD的光学磁带识别、周边图像识别导引技术停滞不前之时，美国则以汽车行业为代表，应用推广了基于陀螺导航的定位技术；瑞典的NDC公司则推出了基于激光反射测角定位技术。近年来，出现了激光测角与测距相结合的导引技术，其导引头已经商品化。导引技术的进步，提高了行程路径的柔性化，同时提高了停位精度，由10毫米，缩小至5毫米，乃致3毫米。GPS定位导航技术则在大型（最大可达40t）AGV上得到应用。（2）移载技术：针对不同应用需求，出现了背辊式，背链式，推挽式，牵引式，龙门式，侧叉式、前叉式、后叉式、三向叉式、升降伸缩叉式等。由于移载技术，驱动技术、电池技术的进步，促进了载重/自重比的大幅提高，由1:4提高到1:1.2，即同样载重量，先进车型自重下降为落后车型的1/4。使车辆移动的能耗成倍降低，因而可以少装电池，使AGV的自重、功耗形成良性循环。（3）电池技术：由采用酸性电池，进步到高能酸性电池，近年来，又开始采用高能碱性电池，提高环保性能，大幅提高了充、放电比，由充电时间/放电时间为1:1提高到1;12，大幅缩短了待机充电的时间。（4）智能化：在企业物流自动化技术中，现代AGV技术最具有智能化的特征，车载计算机的硬软件功能日益强大不断升级，使AGV及AGV系统具有从网络、无线或红外接收上位及客户指令，自动导引，自动行驶，优化路线，自动作业，交通管理，车辆调度，安全避碰，自动充电，自动诊断，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小车（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。智能化的结果加上动力强劲，行驶速度可达160米/分，反映在选用车辆台数上成倍减少。12 AGV系统的构成与AGV的结构1.2.1 AGV系统的构成AGV一般采用轮式驱动，具有电动车的特征。AGV小车能在地面控制系统的统一调度下，自动搬运货物，实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点，能够方便地重组系统，达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统的人工或半人工的物料输送方式，AGV系统大大减轻了劳动强度和危险性，提高了工作效率，在机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业都可以发挥作用。国外的AGV系统设计，应用水平都比较高，应用范围也很广泛。国内的应用相对少一些，但是在各方面的共同努力下，国内的AGV系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。AGV系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、AGV和地面移载设备组成，如图1-1所示。地面移栽设备待命站充电系统路径AGV图1-1 AGV系统示意图其中主控计算机负责AGV系统与外部系统的联系与管理，它根据现场的物料需求状况向控制台下达AGV的输送任务。在AGV电池容量降到预定值后，充电系统给AGV自动充电。地面移载设备一般采用滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现场自动移载到AGV上，反之也可以将物料从AGV上移载下来并输送到目的地。AGV、充电系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了AGV在自动化物流中的柔性特点。1.2.2 AGV的结构 AGV由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统组成。 （1）车载控制系统 车载控制系统是AGV的核心部分，一般由计算机控制系统、导航系统、通讯系统、操作面板及电机驱动器构成.计算机控制系统可采用PLC、单片机及工控机等。导航系统根据导航方式不同可分为电磁导航、磁条导航、激光导航和惯性导航等不同形式.通过导航系统能使AGV确定其自身位置，并能沿正确的路径行走。通讯系统是AGV和控制台之间交换信息和命令的桥梁，由于无线电通讯具有不受障碍物阻挡的特点，一般在控制台和AGV之间采用无线电通讯，而在AGV和移载设备之间为了定位精确采用光通讯.操作面板的功能主要是在AGV调试时输入指令，并显示有关信息，通过RS232接口和计算机相连接。AGV上的能源为蓄电池，所以AGV的动作执行元件一般采用直流电动机、步进电动机和直流伺服电机等。 （2）车体系统 它包括底盘、车架、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是AGV的躯体，具有电动车辆的结构特征。 （3）行走系统 它一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成.形式有三轮、四轮、六轮及多轮等，三轮结构一般采用前轮转向和驱动，四轮或六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式。 （4）移载系统 它是用来完成作业任务的执行机构，在不同的任务和场地环境下，可以选用不同的移载系统，常用的有滚道式、叉车式、机械手式等。（5）安全与辅助系统 为了避免AGV在系统出故障或有人员经过AGV工作路线时出现碰撞，AGV一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。另外，还有自动充电等辅助装置。 （6）控制台 控制台可以采用普通的IBM-PC机，如条件恶劣时，也可采用工业控制计算机，控制台通过计算机网络接受主控计算机下达的AGV输送任务，通过无线通讯系统实时采集各AGV的状态信息。根据需求情况和当前各AGV运行情况，将调度命令传递给选定的AGV。AGV完成一次运输任务后在待命站等待下次任务。如何高效地、快速地进行多任务和多AGV的调度，以及复杂地形的避碰等一系列问题都需要软件来完成。由于整个系统中各种智能设备都有各自的属性，因此用面向对象设计的C+语言来编程是一个很好的选择。在编程时要注意的是AGV系统的实时性较强，为了加快控制台和AGV之间的无线通讯以及在此基础上的AGV调度，编程中最好采用多线程的模式，使通讯和调度等各功能模块互不影响，加快系统速度。 （7）通讯系统 通讯系统一方面接受监控系统的命令，及时、准确地传送给其它各相应的子系统，完成监控系统所指定的动作:另一方面又接收各子系统的反馈信息，回送给监控系统，作为监控系统协调、管理、控制的依据。 由于AGV位置不固定，且整个系统中设备较多，控制台和AGV间的通讯最适宜用无线通讯的方式。控制台和各AGV就组成了一点对多点的无线局域网，在设计过程中要注意两个问题: 无线电的调制问题 无线电通讯中，信号调制可以用调幅和调频两种方式。在系统的工作环境中，电磁干扰较严重，调幅方式的信号频率范围大，易受干扰，而调频信号频率范围很窄，很难受干扰，所以应优先考虑调频方式。而且调幅方式的波特率比较低，一般都小于3200Kbit/s，调频的波特率可以达到9600K bit/s以上。通讯协议问题 在通讯中，通讯的协议是一个重要问题。协议的制定要遵从既简洁又可靠的原则。简洁有效的协议可以减少控制器处理信号的时间，提高系统运行速度。 （8）导航系统13 AGV导航系统 AGV导航系统的功能是保证AGV小车沿正确路径行走，并保证一定行走精度。AGV的制导方式按有无导引路线分为三种:一是有固定路线的方式:二是半固定路线的方式，包括标记跟踪方式和磁力制导方式;三是无路线方式，包括地面帮助制导方式、用地图上的路线指令制导方式和在地图上搜索最短路径制导方式。1.3.1固定路线方式 固定路线的导引方式有电磁制导方式、光学控制带制导方式、激光制导方式和超声波制导方式。 (1)电磁制导方式 该方法需在AGV行走的路线下埋设专用的电缆线，通以低频正弦波电流，从而在电缆周围产生磁场。AGV上的电磁感应传感器检测到磁场强度，在小车沿线路行走时，输出磁场强度差动信号，车上控制器根据该信号进行纠偏控制。该方法可靠性高，经济实用，是目前最为成熟且应用最广的导引方式。它的主要缺点是:AGV路径改变很困难，而且埋线对地面要求较高。 (2)光学控制带导引方式 利用地面颜色与漆带颜色的反差，漆带在明亮的地面上涂为黑色，或在黑暗的地面上涂为白色。小车上装备有发射和接收功能的红外光源，用以照射漆带。小车上装有光学检测器，均匀分布在漆带及两侧位置上，检测不同的组合信号，以控制小车的方向，使其跟踪路轨。可以采用模糊控制算法对小车进行控制。该方法的缺点是:漆带颜色需保持鲜明，否则光学传感器检测到的信号变弱。因此，则需要经常对漆带颜色进行加深工作。 (3)激光制导方式 该方法是在AGV行走路径的特定位置处，安装一批激光/红外光束的反射镜。在AGV行驶过程中，车上的激光扫描头不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先垂直安好的反射板时，即“看见”了“路标”。只要扫描到三个或三个以上的反射板，即可根据它们的坐标值以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角，计算出AGV当前在全局坐标系中的X, Y坐标和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角，实现准确定位和定向。该导引方法的特点是，当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV导引与定位精度十分高。该方法的缺点是成本昂贵，传感器、反射装置等设备安装复杂，且计算也很复杂。 (4)超声波制导方式 该方法类似于激光/红外测量方法，不同之处在于不需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案。但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难。1. 4研究课题的提出 AGV是智能化的移动机器人，是现代工业自动化物流系统的主要设备，也是机器人比赛的主要项目之一，是许多大学、科研机构重点研究的项目之一。本研究课题以2007年机械专业毕业设计要求为蓝本，设计出简单易行的AGV系统。1. 5本章小结本章对AGV的国内外现状作了叙述和分析，介绍了AGV系统的组成，对于其核心部分导引单元予以重点介绍，本章还提出了本课题的研究背景和研究目标。第2章 AGV的总体设计2. 1总体设计AGV一般由车体、蓄电池、充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、移载装置和车体方位计算子系统等组成。车体由车架和相应的机械电气部件如减速箱、电机、车轮等组成，它是AGV的基础部分。车架要从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊接而成，其外壳为1mm3mm的钢板或铝合金板，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。板上常安置移载装置、液压系统、电控系统、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。蓄电池供电应达到额定的安培小时值，一般应保证8h以上的工作需要，对二班制工作环境则要求17h以上的供电能力.蓄电池充电可采用随机充电和全周期充电两种方式。随机充电采用可任意充电的汽车免修蓄电池，在AGV的备用停泊站，无时间限制地随时充电。全周期充电则要求AGV退出服务，并进入指定的充电区且当蓄电池电荷降至指定范围时方可充电。此类电池一般执行4h连续充电，2h冷却的规范。也有的AGV采用上述两种充电方式相结合的方式。充电操作有自动、人工和快速更换的可抽拉式三种。驱动装置由车轮、减速器、制动器、电动机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机发出，驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走高速度常达lm/s，拐弯时为0. 2m/s0. 6m/s,接近停位点时为0. lm/s。AGV的方向控制是由导引系统的方向信息通过转向装置来实现的。AGV通常被设计成三种运动方式:(1)只能向前;(2)能向前与向后;(3)能纵向、横向、斜向及回转四个方向的运动。 “智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常控制器可完成以下工作: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和充电接触器等。某些AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后循原道返回到导引路径上来。AGV的控制指令一般是由地面控制器(车外)发出，AGV的状态也通过通信系统送回地面控制器。通信系统有两种:连续方式和分散方式。连续通信系统允许AGV在任何时候和相对地面控制器的任何位置使用射频方法或使用在导引路径内的通信电缆收发信息。如采用无线电、红外激光的通信方法。分散式系统只是在预定的地点(通信点)如AGV停泊站等，在特定的AGV与地面控制器之间提供通信。一般来说，这种通信是通过感应或光学的方法来实现的。分散通信的一个明显缺点是:如果AGV在两通信点之间发生故障，AGV将无法与地面控制站取得联系。目前大多数AGV系统都是采用分散式通信方式，因为其价格较便宜。AGV的安全系统既要实现对AGV的保护，又要实现对人，或对其它地面设备的保护。其安全保护方法可归纳为两类:接触式和非接触式两种保护系统。对自由路径(无固定导引路径)型的AGV，还要进行车体方位的计算，它由车体方位计算子系统来完成。AGV的方位，即在总体坐标系中的位置与方向，与车体左右轮的运动有一确定的关系，由此可计算出AGV的方位。该子系统的功能是根据采样信息，通过积分运算，实时计算出车体方位x(t)，y(t)和(t) 。根据需要，将计算的方位信息通过串行通信传送给车上控制器，然后再通过无线电通信传送给地面监控系统，以实现对AGV的监控。地面监控系统也可通过这一通信信路，对车体方位计算子系统进行操作，如初始化、重置车体方位以消除累积误差等。完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，即通过对驱动车轮的电动机转动角度的周期性采样来获取。AGV的导引方式可分为两大类:(1)车外固定路径导引方式，在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息来得到导引，如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。(2)自由路径(无固定路径)导引方式，AGV上储存着系统布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径，这类导引方式也称为车上软件编程路径方式。综合AGV的上述特点，再结合本次设计的具体要求，确定本次AGV的研制原则:即以最简单形式、最少的成本、尽可能可靠的动作完成课题要求。 据此，形成机器人的基本控制思路:红外传感器取得反射信号送给单片机，通过单片机对有无反射信号进行处理，同样超声波传感器也将信号传给单片机，通过单片机对感应时间进行处理，结合路径图进行综合分析后输出控制信号，控制信号通过控制电路放大、输出到电机对小车动作进行控制。整个控制流程中不用光电编码器，即没有电机运动状态的信息反馈，所有信息都由传感器输入，属开环控制。逻辑图如图2-1所示。图2-1 控制逻辑图开环控制的优点是信息源少，需要单片机分析的数据比较少，比较适合使用单片机作为控制器，而缺点就是由于信息源单一，对输入信息没有纠错能力，只要信息源出现错误就会出现状态误判。使用开环控制的前提就是要确保信息源的可靠性。据此确定机器人的设计总体思路:通过红外传感器作为导航，单片机为控制器，电机差动式实现转向，根据预设路线，实现AGV导航定位策略的方式及用最简单的设置、最少的器械部件完成比赛的任务。需要部件如下表所列。表2-1名称数量超声波传感器1红外传感器4车体1直流电动机2蓄电池2电源稳压模块1控制电路1单片机12. 2小车运动分析车轮机构的运动分析是指己知车轮的驱动速度条件下，确定车体的移动速度和旋转角速度。AGV的驱动系统和导向系统是密不可分的，又都跟采用何种类型的小车底盘的结构形式有关。本AGV采用四轮底盘、后两主动轮差速驱动/导向。两主动轮分别由两个直流伺服电动机驱动，通过控制电机电压可以控制车轮的转速。利用两轮的速差可以实现转向。该机构还包括一制动器，当需要紧急停车时，按制动器开关来制动车轮。导向系统采用红外导引技术。下面对小车的转弯运动作初步分析：小车在转弯时的状态：小车以速度V匀速转弯；小车两主动轮间的距离为D；小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的转速分别为N1、N2；车重为G；小车与行驶路面的摩擦系数为。则有：系统中，V取1m/s；小车质量G约为150kg；取摩擦系数=0.2；取R=1000mm 图2-2 小车状态示意图2.3 传感器的选用2.3.1 红外传感器寻迹原理利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。 图2-3 光学导引原理图2.3.2红外寻迹方案选择方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。该电路采用T性网络，可避免使用太大的反馈电阻，并且便于提高输入阻抗。六组光敏电阻用于检测可见光信号。但光敏电阻检测到黑带时，输出端为低电平，但用光是电路输出端显示为高电平，信号返回给单片机，通过单片机控制前轮的转向。但由于需要正负电源，同时光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用六组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。接收的红外信号转换为电压信号经LM339进行比较，产生高电平或低电平返回给51单片机。2.3.3具体设计与实现根据方案经济实惠，易于实现，可靠性好等原则，因此采用方案三。稳定性能得到提升。当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为低电平，反之为高电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。根据传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几毫米到几米。选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。从需要510cm垂直探测距离的要求来看，普通的红外反射式传感器又很难胜任。在对个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的043W封装的反射红外传感器。在使用约40A的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）探测距离能达cm，完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了下图的电路形式。2.3.4超声波传感器避障原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如下图所示。图2-4 超声波测距原理框图2.3.5超声波测距模块实物图片2.3.6超声波模块具体功能简介（1）三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）： 短距：10cm80cm左右（根据被测物表面材料决定）。 中距：80cm400cm左右（根据被测物表面材料决定）。 可调：范围由可调节参数确定。 （2）单/多模组的两种使用方法（单传感器、阵列式传感器）： 单模组使用：单模组就可完成测距实验，一般只用来做测距/障碍物方面的应用。 多模组配合使用：模组上提供接口J5、J6，可将几个模组串联起来，组成阵列式的传感器组。（3）应用领域:为方便进行单片机接口方面的学习专门设计的模块，超声波测距模组可以方便的和61板连接，可应用在小距离测距、机器人检测、障碍物检测等方面，可用于验证方车辆倒车雷达以及家居安防系统等应用方案验证。 2.3.7规格参数超声波传感器谐振频率：40KHz 模组传感器工作电压：4.5V9V 模组接口电压：4.5V5.5V 尺寸：6.48cm*4.07cm 24 本章小结本章主要介绍了总体设计思路和小车的运动分析，同时选择红外传感器和超声波传感器并确定其型号参数。第3章 AGV机械结构和驱动转向系统的设计3. 1 AGV机械结构的设计 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. 1.1 车体尺寸结构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: (1) 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. (2) 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. (3) 尽量降低车体重心，提高整车的抗倾翻能力 (4) 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0.50.40.4 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。如图3-1为车体实物外型。 图3-1小车车体实物外型3.1.2 驱动方式的选择和车轮的选择 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，利用两台电机的动作与两轮差速的方式达到左右转，前进或停止，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或停止。 图3-2差速型转间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3-2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。此种传动方式当承载重量过大时，可能会因电机扭力不足无法动作。而第二种则类似汽车转向及传动方式，如图3-3所示。本课题中我们所选的驱动移载机构就为差速型，即小车的前面两轮为万向轮，而后面两轮分别由两个直流电机驱动和控制小车的四个车轮采用实心树脂轮胎。且四个车轮的直径都为：D=250mm图3-3舵轮型转向流程图3.1.3 传感器的布置传感器导航系统的功能是使AGV沿固定的路线行驶。根据本系统的设计要求，采用宽为l .5cm的白色导引带作为AGV的航向标志。本导航系统采用红外传感器作为导航传感器，通过多个传感器组合使用进行对AGV的航向导引。 利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。 本设计采用五个红外传感器(1号5号)按“U”字型排开，整个“U”型支架宽，如图3-4。其中中间的2号、3号和5号红外传感器用于跟踪白色导引线之用，考虑到导引线宽为100mm，取2号、3号和5号灰度传感位置相互距离为100mm。1号和4号红外传感器用于判断是否为垂直交叉或直角拐角路口，如图3-5所示。图3-4制导系统安装位置示意图图 图3-5制导系统局部放大示意图3. 2驱动系统部件的选择与校核 AGV的驱动系统主要由驱动电源、直流电动机和减速器组成。电动机的性能参数及咸速器的规格型号的确定直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力。3.2.1电机的选择 自动引导车是电动车的一种，而电机是电动车的驱动源，提供给整车提供动力。目前常用的电动车辆驱动系统有三种: 第一种是直流电机驱动系统，20世纪90年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机木身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，其最高转速为6000-8000r/min。但出于其缺点目前除了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。 第二种是感应电机交流驱动系统。该系统是20世纪90年代发展起来的新技术，目前尚处于发展完善阶段。电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。其具有效率高、体积小、质量小、结构简单，免维护、易于冷却和寿命长等优点，该系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转，但交流电机控制器成本较高。目前，世界上众多著名的电动汽车中，多数采用感应电机交流驱动系统。 第三种是永磁同步电机交流驱动系统，其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机，而永磁同步电机和无刷直流电机相比，永磁同步电机交流驱动系统的效率较高，体积最小，质量最小，也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高，只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向。 出于直流电机本身具有控制系统简单，调速方便，不需逆变装置等优点，并且本课题设计的AGV不需要工作在高速大功率之上，因此，在本文仍采用直流电机作为驱动系统的动力源 。 我们设计的AGV原理样车载重总质量为250kg，最高时速设定为1.11m/s，正常运行时速设定为0.280.83m/s 。 初步选择电机的种类为直流伺服电机，型号为130SZD，相关的参数如表3-1所示。在实际应用中，电机的输入电压为48V，该电机为恒转矩直流电机，根据其功率特性图，电机的转速大约为600r/min，以下计算就按照上述参数进行计算。 表3-1电机相关参数表参数名称相关数据额定转矩11Nm额定转速1000r/min额定功率l.lkw额定电压90v额定电流15A峰值转矩88Nm机电时间常数2.13ms重量14kg3.2.2行走系统的驱动装置 小车采用差速转向控制，故每个驱动轮都有独立的驱动电机。为了使系统运行可靠且维护方便，本系统采用两个无刷直流电机作为驱动电机。同时，为了安装、操作方便，选用了低速性能较好的外转子无刷电机，将其外转子直接作为车轮，且无需配备减速机构。 根据AGV所要承载的负荷、系统的自重以及车速要求，本系统选用了直流电机，直流电动机被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中，主要优点是调速和启动特性好，转矩大。但是有刷直流电动机有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难，因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机无刷直流电动机。这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。 无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，它的原理框图如图3-6。