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自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（AGV）系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著工廠自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)技術(shù)的逐步發(fā)展以及柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的廣泛應(yīng)用，AGV(Automatic Guided Vehicle)即自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)作為聯(lián)系和調(diào)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(dòng)化搬運(yùn)裝卸手段，其應(yīng)用范圍和技術(shù)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(dòng)力、裝有非接觸導(dǎo)引裝置的無(wú)人駕駛自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)載車(chē)，其自動(dòng)作業(yè)的基本功能是導(dǎo)向行駛、認(rèn)址停準(zhǔn)和移交載荷。作為當(dāng)代物流處理自動(dòng)化的有效手段和柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，AGV已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)AGV的研究也具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 本文介紹了AGV在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題要求，設(shè)計(jì)了紅外導(dǎo)引AGV小車(chē)。其研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面: 1.論述了AGV系統(tǒng)的組成、路徑導(dǎo)引方式及原理，結(jié)合課題要求，選擇“紅外導(dǎo)引”作為該系統(tǒng)的導(dǎo)引方式。 2.介紹了AGV車(chē)體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)方式和工作要求，對(duì)底盤(pán)、電機(jī)、蓄電池等進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。硬件方面，選擇合適的傳感器、單片機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)傳感檢測(cè)電路和單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì):軟件方面，采用模塊化的編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，并實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與電機(jī)控制器之間的串口通信。 4.在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，對(duì)AGV小車(chē)的設(shè)計(jì)和研究提出了展望。 關(guān)鍵詞:紅外導(dǎo)引；AGV；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)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(guó)外研究狀況…………………………………………………… 1.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況…………………………………………………… 1.1.3 AGV系統(tǒng)技術(shù)研究方向………………………………………… 1．2 AGV系統(tǒng)的構(gòu)成與AGV的結(jié)構(gòu)………………………………………… 1.2.1 AGV系統(tǒng)的構(gòu)成…………………………………………………… 1.2.2 AGV的結(jié)構(gòu)………………………………………………………… 1．3 AGV導(dǎo)航系統(tǒng)…………………………………………………………… 1.3.1固定路線(xiàn)方式…………………………………………………… 1. 4研究課題的提出………………………………………………………… 1. 5本章小結(jié)………………………………………………………………… 第2章 AGV的總體設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 2. 1總體設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 2. 2小車(chē)運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)………………………………………………… 2.3.4超聲波傳感器避障原理………………………………………… 2.3.5超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖片……………………………………… 2.3.6超聲波模塊具體功能簡(jiǎn)介……………………………………… 2.3.7規(guī)格參數(shù)………………………………………………………… 2. 4 本章小結(jié)………………………………………………………………… 第3章 AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………… 3. 1 AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………… 3.1.1 車(chē)體尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………… 3.1.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和車(chē)輪的選擇……………………………… 3.1.3 傳感器的布置………………………………………………… 3. 2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的選擇與校核……………………………………… 3.2.1電機(jī)的選擇……………………………………………………… 3.2.2行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置………………………………………… 3.2.3 AGV行駛阻力的計(jì)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(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)………………………………………………………………… 4.3行走策略…………………………………………………………………… 4. 4傳感器采樣……………………………………………………………… 4. 5控制策略………………………………………………………………… 4. 6動(dòng)作類(lèi)型……………………………………………………………… 4.6.1直線(xiàn)路徑行走…………………………………………………… 4.6.2特殊路徑的行走…………………………………………………… 4.6.3左轉(zhuǎn)彎……………………………………………………………… 4.6.4右轉(zhuǎn)彎……………………………………………………………… 4.6.5停車(chē)……………………………………………………………… 第5章 總結(jié)與展望…………………………………………………………… 5.2研究展望……………………………………………………………… 5.1全文總結(jié)……………………………………………………………… 第1章 緒 論 1．1 概述 AGV(Automatic Guided Vehicle)——自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的智能搬運(yùn)型機(jī)器人。AGV是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它是以電池為動(dòng)力，裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)航裝置，能夠獨(dú)立自動(dòng)尋址，并通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，完成無(wú)人駕駛及作業(yè)的設(shè)備。自從1913年美國(guó)福特汽車(chē)公司使用有軌底盤(pán)裝配車(chē)，1954年英國(guó)采用地下埋線(xiàn)電磁感應(yīng)導(dǎo)向車(chē)以來(lái)，到九十年代全世界擁有AGV(Automated Guided Vehicles)10萬(wàn)臺(tái)以上。近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)和自動(dòng)化柔性裝配線(xiàn)進(jìn)入發(fā)展與普及階段。其中，在自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)與生產(chǎn)車(chē)間之間，各工位之間，各段輸送線(xiàn)之間，AGV起了無(wú)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(xiàn)具有施工簡(jiǎn)單、路徑靈活，不占用空間、較好的移動(dòng)性、柔性等優(yōu)點(diǎn)。 1.1.1國(guó)外研究狀況 世界上第一臺(tái)AGV是美國(guó)Basrrett電子公司于20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)成功的，它是一種牽引式小車(chē)系統(tǒng)。小車(chē)中有一個(gè)真空管組成的控制器，小車(chē)跟隨一條鋼絲索導(dǎo)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(chǎng)中也占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。在這個(gè)時(shí)期，歐洲的AGV技術(shù)發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經(jīng)對(duì)托盤(pán)的尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一尺寸的托盆促進(jìn)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(gè)AGV系統(tǒng)，共有4800臺(tái)小車(chē)，1985年發(fā)展到一萬(wàn)臺(tái)左右，為美、歐、日之首。在機(jī)械制造行業(yè)的應(yīng)用為:汽車(chē)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(shù)于80年代初，通過(guò)在美國(guó)的歐洲公司以許可證與合資經(jīng)營(yíng)的方式轉(zhuǎn)移到美國(guó)。芝加哥的Keebler分發(fā)中心從歐洲引進(jìn)直接由計(jì)算機(jī)控制的AGV} 1981年John公司將AGV連接到AS/RS，以提供在制造過(guò)程中物料自動(dòng)輸送和跟蹤。1984年，通用汽車(chē)公司便成為AGV的最大用戶(hù)，1986年已達(dá)1407臺(tái)(包括牽引式小車(chē)、叉式小車(chē)和單元裝載小車(chē))，1987年又新增加1662臺(tái)。美國(guó)各公司在歐洲技術(shù)的基礎(chǔ)上將AGV發(fā)展到更為先進(jìn)的水平。他們采用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(可聯(lián)網(wǎng)于FMS或CIMS)，運(yùn)輸量更大，移載時(shí)問(wèn)更短，具有在線(xiàn)充電功能，以便24小時(shí)運(yùn)行，小車(chē)和控制器可靠性更高‘31。此時(shí)美國(guó)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(yùn)輸設(shè)備供應(yīng)廠與美國(guó)的Webb公司合資開(kāi)設(shè)。到1988年，日本AGV制造廠已達(dá)20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本己累計(jì)安裝了2312個(gè)AGV系統(tǒng)，擁有5032臺(tái)AGV。 1.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況 國(guó)內(nèi)自主研發(fā)方面：六十年代開(kāi)始研究。1976年，北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制的ZDB-1型自動(dòng)搬運(yùn)車(chē)是最早的實(shí)用型AGV。1988年，原郵電部北京郵政科學(xué)技術(shù)研究所等單位研制了郵政樞紐AGV。1991年，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所與新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司為沈陽(yáng)金杯汽車(chē)公司總裝線(xiàn)上設(shè)計(jì)的九臺(tái)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，并于1996年獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的使用型AGV。1992年，天津理工學(xué)院研制了核電站用光學(xué)導(dǎo)引AGV。1998年昆明船舶設(shè)備公司在紅河卷煙廠研究多模式激光導(dǎo)引無(wú)人自動(dòng)車(chē)22輛，紅河項(xiàng)目于2002年獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。同期天津師范大學(xué)、吉林大學(xué)、吉大易飛、北京軍區(qū)后勤部、北京機(jī)科發(fā)展公司、北京易亨集團(tuán)等也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)與產(chǎn)品方面：1980年，上海石化總廠為滌綸長(zhǎng)絲作業(yè)從日本大福公司引進(jìn)國(guó)內(nèi)第一套AGVS。九十年代初，華寶空調(diào)裝配線(xiàn)上使用了日本進(jìn)口的電磁導(dǎo)引AGV。 1996年，玉溪卷煙廠首家在煙草行業(yè)引進(jìn)三星的52臺(tái)AGV，這是國(guó)內(nèi)企業(yè)中使用數(shù)量最多的AGV系統(tǒng)。河北承德輸送機(jī)械廠合資引進(jìn)美國(guó)WEBB公司AGV技術(shù)。天津理工學(xué)院研制的TIT-1全方位視覺(jué)引導(dǎo)自動(dòng)車(chē)，屬?lài)?guó)家863高科技項(xiàng)目，已通過(guò)鑒定，達(dá)到八十年代末國(guó)際先進(jìn)水平。九十年代中期，昆船公司在引進(jìn)國(guó)外最先進(jìn)AGV技術(shù)的基礎(chǔ)上，先后承擔(dān)了數(shù)十個(gè)AGV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝；其水平代表了目前國(guó)內(nèi)的最高水平。昆明船舶設(shè)備公司研制的各種導(dǎo)引形式的AGV系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)，汽車(chē)行業(yè)，造幣行業(yè)等。 目前全國(guó)AGVS不超過(guò)60套，AGV不超過(guò)400臺(tái)。其中煙草行業(yè)應(yīng)用最多，已有20家采用了AGV，絕大部分采用激光導(dǎo)引技術(shù)。 以中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所為金杯汽車(chē)公司設(shè)計(jì)的AGV系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)分院成功開(kāi)發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)和自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)系統(tǒng)(AGVS)主要用于汽車(chē)等生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)裝配，可提高裝配線(xiàn)的自動(dòng)化水平。在中國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)總裝線(xiàn)上首次使用具有自主版權(quán)的AGV產(chǎn)品和系統(tǒng)。沈陽(yáng)金杯客車(chē)制造有限公司總裝車(chē)間有9臺(tái)AGV構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)、后橋、油箱裝配副環(huán)線(xiàn)，已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行兩年。該AGV具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)跟蹤、提升、定位、裝配功能，已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。且獲得多項(xiàng)專(zhuān)利，如雙舉升載人自動(dòng)裝配導(dǎo)引車(chē)、雙倍行程舉升裝置等。運(yùn)用該產(chǎn)品及系統(tǒng)技術(shù)可大大提高總裝生產(chǎn)線(xiàn)動(dòng)態(tài)裝配的自動(dòng)化程度，減少設(shè)備投資及提高生產(chǎn)效率。以金杯客車(chē)制造有限公司的9臺(tái)AGV應(yīng)用工程為例，據(jù)估算，一臺(tái)AGV國(guó)產(chǎn)價(jià)格要比進(jìn)口的便宜20萬(wàn)元人民幣，應(yīng)用工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試技術(shù)費(fèi)的差額更大。 1.1.3 AGV系統(tǒng)技術(shù)研究方向 （1）導(dǎo)引技術(shù)：八十、九十年代，正當(dāng)國(guó)內(nèi)的一些院校廠所致力基于埋線(xiàn)電磁導(dǎo)引技術(shù)并剛開(kāi)始應(yīng)用，基于CCD的光學(xué)磁帶識(shí)別、周邊圖像識(shí)別導(dǎo)引技術(shù)停滯不前之時(shí)，美國(guó)則以汽車(chē)行業(yè)為代表，應(yīng)用推廣了基于陀螺導(dǎo)航的定位技術(shù)；瑞典的NDC公司則推出了基于激光反射測(cè)角定位技術(shù)。近年來(lái)，出現(xiàn)了激光測(cè)角與測(cè)距相結(jié)合的導(dǎo)引技術(shù)，其導(dǎo)引頭已經(jīng)商品化。導(dǎo)引技術(shù)的進(jìn)步，提高了行程路徑的柔性化，同時(shí)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(dǎo)航技術(shù)則在大型（最大可達(dá)40t）AGV上得到應(yīng)用。 （2）移載技術(shù)：針對(duì)不同應(yīng)用需求，出現(xiàn)了背輥式，背鏈?zhǔn)剑仆焓?，牽引式，龍門(mén)式，側(cè)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(shù)，驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電池技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)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(jìn)車(chē)型自重下降為落后車(chē)型的1/4。使車(chē)輛移動(dòng)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(shù)：由采用酸性電池，進(jìn)步到高能酸性電池，近年來(lái)，又開(kāi)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(shí)間/放電時(shí)間為1:1提高到1;12，大幅縮短了待機(jī)充電的時(shí)間。 （4）智能化：在企業(yè)物流自動(dòng)化技術(shù)中，現(xiàn)代AGV技術(shù)最具有智能化的特征，車(chē)載計(jì)算機(jī)的硬軟件功能日益強(qiáng)大不斷升級(jí)，使AGV及AGV系統(tǒng)具有從網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)或紅外接收上位及客戶(hù)指令，自動(dòng)導(dǎo)引，自動(dòng)行駛，優(yōu)化路線(xiàn)，自動(dòng)作業(yè)，交通管理，車(chē)輛調(diào)度，安全避碰，自動(dòng)充電，自動(dòng)診斷，實(shí)現(xiàn)了AGV的智能化，信息化，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、敏捷化、節(jié)能化、綠色化?，F(xiàn)代AGV是24小時(shí)不知疲倦的聰明小車(chē)（僅在任務(wù)間隙時(shí)隨機(jī)進(jìn)行短時(shí)充電），能主動(dòng)、自序、有節(jié)拍按最安全、快捷的路線(xiàn)執(zhí)行作業(yè)。智能化的結(jié)果加上動(dòng)力強(qiáng)勁，行駛速度可達(dá)160米/分，反映在選用車(chē)輛臺(tái)數(shù)上成倍減少。 1．2 AGV系統(tǒng)的構(gòu)成與AGV的結(jié)構(gòu) 1.2.1 AGV系統(tǒng)的構(gòu)成 AGV一般采用輪式驅(qū)動(dòng)，具有電動(dòng)車(chē)的特征。AGV小車(chē)能在地面控制系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，自動(dòng)搬運(yùn)貨物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的物料傳送。因其具有靈活性、智能化等特點(diǎn)，能夠方便地重組系統(tǒng)，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程中的柔性化運(yùn)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(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性，提高了工作效率，在機(jī)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(guó)外的AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用水平都比較高，應(yīng)用范圍也很廣泛。國(guó)內(nèi)的應(yīng)用相對(duì)少一些，但是在各方面的共同努力下，國(guó)內(nèi)的AGV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和應(yīng)用水平正在接近或趕超國(guó)際先進(jìn)水平。 AGV系統(tǒng)由控制臺(tái)、通訊系統(tǒng)、地面導(dǎo)航系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、AGV和地面移載設(shè)備組成，如圖1-1所示。 地面移 栽設(shè)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(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)AGV系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的聯(lián)系與管理，它根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的物料需求狀況向控制臺(tái)下達(dá)AGV的輸送任務(wù)。在AGV電池容量降到預(yù)定值后，充電系統(tǒng)給AGV自動(dòng)充電。地面移載設(shè)備一般采用滾道輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)等將物料從自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)或工作現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)移載到AGV上，反之也可以將物料從AGV上移載下來(lái)并輸送到目的地。AGV、充電系統(tǒng)、地面移載設(shè)備等都可以根據(jù)實(shí)際需要及工作場(chǎng)地任意布置，這也體現(xiàn)了AGV在自動(dòng)化物流中的柔性特點(diǎn)。 1.2.2 AGV的結(jié)構(gòu) AGV由車(chē)載控制系統(tǒng)、車(chē)體系統(tǒng)、導(dǎo)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(chē)載控制系統(tǒng) 車(chē)載控制系統(tǒng)是AGV的核心部分，一般由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、操作面板及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可采用PLC、單片機(jī)及工控機(jī)等。導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航方式不同可分為電磁導(dǎo)航、磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航等不同形式.通過(guò)導(dǎo)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(tái)之間交換信息和命令的橋梁，由于無(wú)線(xiàn)電通訊具有不受障礙物阻擋的特點(diǎn)，一般在控制臺(tái)和AGV之間采用無(wú)線(xiàn)電通訊，而在AGV和移載設(shè)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(diào)試時(shí)輸入指令，并顯示有關(guān)信息，通過(guò)RS232接口和計(jì)算機(jī)相連接。AGV上的能源為蓄電池，所以AGV的動(dòng)作執(zhí)行元件一般采用直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流伺服電機(jī)等。 （2）車(chē)體系統(tǒng) 它包括底盤(pán)、車(chē)架、殼體和控制器、蓄電池安裝架等，是AGV的軀體，具有電動(dòng)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)特征。 （3）行走系統(tǒng) 它一般由驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成.形式有三輪、四輪、六輪及多輪等，三輪結(jié)構(gòu)一般采用前輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)，四輪或六輪一般采用雙輪驅(qū)動(dòng)、差速轉(zhuǎn)向或獨(dú)立轉(zhuǎn)向方式。 （4）移載系統(tǒng) 它是用來(lái)完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在不同的任務(wù)和場(chǎng)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(chē)式、機(jī)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(guò)AGV工作路線(xiàn)時(shí)出現(xiàn)碰撞，AGV一般都帶有障礙物探測(cè)及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。另外，還有自動(dòng)充電等輔助裝置。 （6）控制臺(tái) 控制臺(tái)可以采用普通的IBM-PC機(jī)，如條件惡劣時(shí)，也可采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，控制臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接受主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的AGV輸送任務(wù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各AGV的狀態(tài)信息。根據(jù)需求情況和當(dāng)前各AGV運(yùn)行情況，將調(diào)度命令傳遞給選定的AGV。AGV完成一次運(yùn)輸任務(wù)后在待命站等待下次任務(wù)。如何高效地、快速地進(jìn)行多任務(wù)和多AGV的調(diào)度，以及復(fù)雜地形的避碰等一系列問(wèn)題都需要軟件來(lái)完成。由于整個(gè)系統(tǒng)中各種智能設(shè)備都有各自的屬性，因此用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的C++語(yǔ)言來(lái)編程是一個(gè)很好的選擇。在編程時(shí)要注意的是AGV系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，為了加快控制臺(tái)和AGV之間的無(wú)線(xiàn)通訊以及在此基礎(chǔ)上的AGV調(diào)度，編程中最好采用多線(xiàn)程的模式，使通訊和調(diào)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(shí)、準(zhǔn)確地傳送給其它各相應(yīng)的子系統(tǒng)，完成監(jiān)控系統(tǒng)所指定的動(dòng)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(diào)、管理、控制的依據(jù)。 由于AGV位置不固定，且整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備較多，控制臺(tái)和AGV間的通訊最適宜用無(wú)線(xiàn)通訊的方式?？刂婆_(tái)和各AGV就組成了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意兩個(gè)問(wèn)題: ①無(wú)線(xiàn)電的調(diào)制問(wèn)題 無(wú)線(xiàn)電通訊中，信號(hào)調(diào)制可以用調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式。在系統(tǒng)的工作環(huán)境中，電磁干擾較嚴(yán)重，調(diào)幅方式的信號(hào)頻率范圍大，易受干擾，而調(diào)頻信號(hào)頻率范圍很窄，很難受干擾，所以應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)頻方式。而且調(diào)幅方式的波特率比較低，一般都小于3200Kbit/s，調(diào)頻的波特率可以達(dá)到9600K bit/s以上。 ②通訊協(xié)議問(wèn)題 在通訊中，通訊的協(xié)議是一個(gè)重要問(wèn)題。協(xié)議的制定要遵從既簡(jiǎn)潔又可靠的原則。簡(jiǎn)潔有效的協(xié)議可以減少控制器處理信號(hào)的時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。 （8）導(dǎo)航系統(tǒng) 1．3 AGV導(dǎo)航系統(tǒng) AGV導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是保證AGV小車(chē)沿正確路徑行走，并保證一定行走精度。AGV的制導(dǎo)方式按有無(wú)導(dǎo)引路線(xiàn)分為三種:一是有固定路線(xiàn)的方式:二是半固定路線(xiàn)的方式，包括標(biāo)記跟蹤方式和磁力制導(dǎo)方式;三是無(wú)路線(xiàn)方式，包括地面幫助制導(dǎo)方式、用地圖上的路線(xiàn)指令制導(dǎo)方式和在地圖上搜索最短路徑制導(dǎo)方式。 1.3.1固定路線(xiàn)方式 固定路線(xiàn)的導(dǎo)引方式有電磁制導(dǎo)方式、光學(xué)控制帶制導(dǎo)方式、激光制導(dǎo)方式和超聲波制導(dǎo)方式。 (1)電磁制導(dǎo)方式 該方法需在AGV行走的路線(xiàn)下埋設(shè)專(zhuān)用的電纜線(xiàn)，通以低頻正弦波電流，從而在電纜周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。AGV上的電磁感應(yīng)傳感器檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度，在小車(chē)沿線(xiàn)路行走時(shí)，輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度差動(dòng)信號(hào)，車(chē)上控制器根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行糾偏控制。該方法可靠性高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是目前最為成熟且應(yīng)用最廣的導(dǎo)引方式。它的主要缺點(diǎn)是:AGV路徑改變很困難，而且埋線(xiàn)對(duì)地面要求較高。 (2)光學(xué)控制帶導(dǎo)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(chē)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(chē)上裝有光學(xué)檢測(cè)器，均勻分布在漆帶及兩側(cè)位置上，檢測(cè)不同的組合信號(hào)，以控制小車(chē)的方向，使其跟蹤路軌?？梢圆捎媚：刂扑惴▽?duì)小車(chē)進(jìn)行控制。該方法的缺點(diǎn)是:漆帶顏色需保持鮮明，否則光學(xué)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)變?nèi)?。因此，則需要經(jīng)常對(duì)漆帶顏色進(jìn)行加深工作。 (3)激光制導(dǎo)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(guò)程中，車(chē)上的激光掃描頭不斷地掃描周?chē)h(huán)境，當(dāng)掃描到行駛路徑周?chē)A(yù)先垂直安好的反射板時(shí)，即“看見(jiàn)”了“路標(biāo)”。只要掃描到三個(gè)或三個(gè)以上的反射板，即可根據(jù)它們的坐標(biāo)值以及各塊反光板相對(duì)于車(chē)體縱向軸的方位角，計(jì)算出AGV當(dāng)前在全局坐標(biāo)系中的X, Y坐標(biāo)和當(dāng)前行駛方向與該坐標(biāo)系X軸的夾角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位和定向。該導(dǎo)引方法的特點(diǎn)是，當(dāng)提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV導(dǎo)引與定位精度十分高。該方法的缺點(diǎn)是成本昂貴，傳感器、反射裝置等設(shè)備安裝復(fù)雜，且計(jì)算也很復(fù)雜。 (4)超聲波制導(dǎo)方式 該方法類(lèi)似于激光/紅外測(cè)量方法，不同之處在于不需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類(lèi)似物體就能進(jìn)行引導(dǎo)，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(chē)間環(huán)境下應(yīng)用常常有困難。 1. 4研究課題的提出 AGV是智能化的移動(dòng)機(jī)器人，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化物流系統(tǒng)的主要設(shè)備，也是機(jī)器人比賽的主要項(xiàng)目之一，是許多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究的項(xiàng)目之一。本研究課題以2007年機(jī)械專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求為藍(lán)本，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單易行的AGV系統(tǒng)。 1. 5本章小結(jié) 本章對(duì)AGV的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀作了敘述和分析，介紹了AGV系統(tǒng)的組成，對(duì)于其核心部分導(dǎo)引單元予以重點(diǎn)介紹，本章還提出了本課題的研究背景和研究目標(biāo)。 第2章 AGV的總體設(shè)計(jì) 2. 1總體設(shè)計(jì) AGV一般由車(chē)體、蓄電池、充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確停車(chē)裝置、車(chē)上控制器、通信裝置、信息采樣子系統(tǒng)、移載裝置和車(chē)體方位計(jì)算子系統(tǒng)等組成。車(chē)體由車(chē)架和相應(yīng)的機(jī)械電氣部件如減速箱、電機(jī)、車(chē)輪等組成，它是AGV的基礎(chǔ)部分。車(chē)架要從強(qiáng)度和剛度上滿(mǎn)足車(chē)體運(yùn)行和加速時(shí)的要求，常用鋼構(gòu)件焊接而成，其外殼為1mm~3mm的鋼板或鋁合金板，車(chē)架空間安置與驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向直接有關(guān)或重量較大的部件(如蓄電池)，以利于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和降低車(chē)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(chē)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(dòng)力。蓄電池供電應(yīng)達(dá)到額定的安培小時(shí)值，一般應(yīng)保證8h以上的工作需要，對(duì)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(jī)充電和全周期充電兩種方式。隨機(jī)充電采用可任意充電的汽車(chē)免修蓄電池，在AGV的備用停泊站，無(wú)時(shí)間限制地隨時(shí)充電。全周期充電則要求AGV退出服務(wù)，并進(jìn)入指定的充電區(qū)且當(dāng)蓄電池電荷降至指定范圍時(shí)方可充電。此類(lèi)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(jié)合的方式。充電操作有自動(dòng)、人工和快速更換的可抽拉式三種。 驅(qū)動(dòng)裝置由車(chē)輪、減速器、制動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)及速度控制器等部分組成。AGV驅(qū)動(dòng)命令由計(jì)算機(jī)發(fā)出，驅(qū)動(dòng)的速度與方向是兩個(gè)獨(dú)立的變量，它們分別由計(jì)算機(jī)控制。速度調(diào)節(jié)可采用不同的方法，如用脈寬調(diào)速或變頻調(diào)速等。AGV在直線(xiàn)行走、拐彎和接近停位點(diǎn)時(shí)要求不同的車(chē)速，直線(xiàn)行走高速度常達(dá)lm/s，拐彎時(shí)為0. 2m/s~0. 6m/s,接近停位點(diǎn)時(shí)為0. lm/s。 AGV的方向控制是由導(dǎo)引系統(tǒng)的方向信息通過(guò)轉(zhuǎn)向裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AGV通常被設(shè)計(jì)成三種運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。 “智能”較高的AGV都有車(chē)上控制器，它類(lèi)似于機(jī)器人控制器，用以對(duì)AGV進(jìn)行監(jiān)控?？刂破饔?jì)算機(jī)通過(guò)通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報(bào)告自己的狀態(tài)。通?？刂破骺赏瓿梢韵鹿ぷ?手動(dòng)控制、安全裝置啟動(dòng)、蓄電池狀態(tài)、轉(zhuǎn)向極限、制動(dòng)器解脫、行走燈光、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制和充電接觸器等。某些AGV具有編程能力，允許小車(chē)離開(kāi)導(dǎo)引路徑，駛向某個(gè)示教地點(diǎn)，完成任務(wù)后循原道返回到導(dǎo)引路徑上來(lái)。 AGV的控制指令一般是由地面控制器(車(chē)外)發(fā)出，AGV的狀態(tài)也通過(guò)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(shí)候和相對(duì)地面控制器的任何位置使用射頻方法或使用在導(dǎo)引路徑內(nèi)的通信電纜收發(fā)信息。如采用無(wú)線(xiàn)電、紅外激光的通信方法。分散式系統(tǒng)只是在預(yù)定的地點(diǎn)(通信點(diǎn))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(lái)說(shuō)，這種通信是通過(guò)感應(yīng)或光學(xué)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分散通信的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是:如果AGV在兩通信點(diǎn)之間發(fā)生故障，AGV將無(wú)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?yàn)槠鋬r(jià)格較便宜。 AGV的安全系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的保護(hù)，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)人，或?qū)ζ渌孛嬖O(shè)備的保護(hù)。其安全保護(hù)方法可歸納為兩類(lèi):接觸式和非接觸式兩種保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)自由路徑(無(wú)固定導(dǎo)引路徑)型的AGV，還要進(jìn)行車(chē)體方位的計(jì)算，它由車(chē)體方位計(jì)算子系統(tǒng)來(lái)完成。AGV的方位，即在總體坐標(biāo)系中的位置與方向，與車(chē)體左右輪的運(yùn)動(dòng)有一確定的關(guān)系，由此可計(jì)算出AGV的方位。該子系統(tǒng)的功能是根據(jù)采樣信息，通過(guò)積分運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出車(chē)體方位[x(t)，y(t)和θ(t) ]。根據(jù)需要，將計(jì)算的方位信息通過(guò)串行通信傳送給車(chē)上控制器，然后再通過(guò)無(wú)線(xiàn)電通信傳送給地面監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)也可通過(guò)這一通信信路，對(duì)車(chē)體方位計(jì)算子系統(tǒng)進(jìn)行操作，如初始化、重置車(chē)體方位以消除累積誤差等。完成車(chē)體方位計(jì)算的基本輸入數(shù)據(jù)是車(chē)輪前進(jìn)或后退的距離，即通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的周期性采樣來(lái)獲取。 AGV的導(dǎo)引方式可分為兩大類(lèi):(1)車(chē)外固定路徑導(dǎo)引方式，在行駛的路徑上設(shè)置導(dǎo)引用的信息媒介物，AGV通過(guò)檢測(cè)出它的信息來(lái)得到導(dǎo)引，如電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引(又稱(chēng)磁性導(dǎo)引)等。(2)自由路徑(無(wú)固定路徑)導(dǎo)引方式，AGV上儲(chǔ)存著系統(tǒng)布局上的尺寸坐標(biāo)，通過(guò)識(shí)別車(chē)體當(dāng)前方位，自主地決定行駛路徑，這類(lèi)導(dǎo)引方式也稱(chēng)為車(chē)上軟件—編程路徑方式。 綜合AGV的上述特點(diǎn)，再結(jié)合本次設(shè)計(jì)的具體要求，確定本次AGV的研制原則:即以最簡(jiǎn)單形式、最少的成本、盡可能可靠的動(dòng)作完成課題要求。 據(jù)此，形成機(jī)器人的基本控制思路:紅外傳感器取得反射信號(hào)送給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)有無(wú)反射信號(hào)進(jìn)行處理，同樣超聲波傳感器也將信號(hào)傳給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)感應(yīng)時(shí)間進(jìn)行處理，結(jié)合路徑圖進(jìn)行綜合分析后輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)控制電路放大、輸出到電機(jī)對(duì)小車(chē)動(dòng)作進(jìn)行控制。整個(gè)控制流程中不用光電編碼器，即沒(méi)有電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息反饋，所有信息都由傳感器輸入，屬開(kāi)環(huán)控制。邏輯圖如圖2-1所示。 圖2-1 控制邏輯圖 開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是信息源少，需要單片機(jī)分析的數(shù)據(jù)比較少，比較適合使用單片機(jī)作為控制器，而缺點(diǎn)就是由于信息源單一，對(duì)輸入信息沒(méi)有糾錯(cuò)能力，只要信息源出現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)誤判。使用開(kāi)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(jī)器人的設(shè)計(jì)總體思路:通過(guò)紅外傳感器作為導(dǎo)航，單片機(jī)為控制器，電機(jī)差動(dòng)式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，根據(jù)預(yù)設(shè)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)AGV導(dǎo)航定位策略的方式及用最簡(jiǎn)單的設(shè)置、最少的器械部件完成比賽的任務(wù)。需要部件如下表所列。 表2-1 名稱(chēng) 數(shù)量 超聲波傳感器 1 紅外傳感器 4 車(chē)體 1 直流電動(dòng)機(jī) 2 蓄電池 2 電源穩(wěn)壓模塊 1 控制電路 1 單片機(jī) 1 2. 2小車(chē)運(yùn)動(dòng)分析 車(chē)輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析是指己知車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)速度條件下，確定車(chē)體的移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角速度。AGV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)是密不可分的，又都跟采用何種類(lèi)型的小車(chē)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。本AGV采用四輪底盤(pán)、后兩主動(dòng)輪差速驅(qū)動(dòng)/導(dǎo)向。兩主動(dòng)輪分別由兩個(gè)直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)電壓可以控制車(chē)輪的轉(zhuǎn)速。利用兩輪的速差可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該機(jī)構(gòu)還包括一制動(dòng)器，當(dāng)需要緊急停車(chē)時(shí)，按制動(dòng)器開(kāi)關(guān)來(lái)制動(dòng)車(chē)輪。導(dǎo)向系統(tǒng)采用紅外導(dǎo)引技術(shù)。下面對(duì)小車(chē)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)作初步分析： 小車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀態(tài)：小車(chē)以速度V勻速轉(zhuǎn)彎；小車(chē)兩主動(dòng)輪間的距離為D；小車(chē)兩主動(dòng)輪中心（假設(shè)小車(chē)質(zhì)量分布均勻）與轉(zhuǎn)彎圓心的距離即轉(zhuǎn)彎半徑為R；車(chē)輪半徑為r；兩輪的轉(zhuǎn)速分別為N1、N2；車(chē)重為G；小車(chē)與行駛路面的摩擦系數(shù)為。則有： 系統(tǒng)中，V取1m/s；小車(chē)質(zhì)量G約為150kg；取摩擦系數(shù)=0.2；取R=1000mm 圖2-2 小車(chē)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(dǎo)引車(chē)的下面裝有光源，用以照射色帶。由色帶反射回來(lái)的光線(xiàn)由光學(xué)檢測(cè)器（傳感器）接受，經(jīng)過(guò)檢測(cè)和運(yùn)算回路進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果傳至驅(qū)動(dòng)回路，由驅(qū)動(dòng)回路控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作。當(dāng)AGV偏離導(dǎo)引路徑時(shí)，傳感器檢測(cè)到的亮度不同，經(jīng)過(guò)運(yùn)算回路計(jì)算出相應(yīng)的偏差值，然后由控制回路對(duì)AGV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)修正，使其回到導(dǎo)引路徑上來(lái)。因此，AGV能夠始終沿著色帶的導(dǎo)引軌跡運(yùn)行。紅外反射式光電傳感器，包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)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(xué)導(dǎo)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(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見(jiàn)光照射到黑帶時(shí)，光線(xiàn)被黑帶吸收，光敏二極管為檢測(cè)到信號(hào)，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見(jiàn)光照射到地面時(shí)，它發(fā)出的可見(jiàn)光反射回來(lái)被光敏二極管檢測(cè)到，其阻抗迅速降低，此時(shí)輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見(jiàn)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(jiàn)光檢測(cè)。 　　該電路采用T性網(wǎng)絡(luò)，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(cè)可見(jiàn)光信號(hào)。但光敏電阻檢測(cè)到黑帶時(shí)，輸出端為低電平，但用光是電路輸出端顯示為高電平，信號(hào)返回給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制前輪的轉(zhuǎn)向。但由于需要正負(fù)電源，同時(shí)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(xiàn)發(fā)射管發(fā)射紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)二極管進(jìn)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(hào)，外面可見(jiàn)光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，再用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。接收的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)LM339進(jìn)行比較，產(chǎn)生高電平或低電平返回給51單片機(jī)。 2.3.3具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 　　根據(jù)方案經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于實(shí)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(dāng)小車(chē)底部的某邊紅外線(xiàn)收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)輸入電平為低電平，反之為高電平。結(jié)合中斷查詢(xún)方式，通過(guò)程序控制小車(chē)往哪個(gè)方向行走。 根據(jù)傳感器應(yīng)用場(chǎng)合不同選擇不同，感覺(jué)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(cuò)，但價(jià)格較貴。從需要5—10cm垂直探測(cè)距離的要求來(lái)看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對(duì)６個(gè)型號(hào)的傳感器測(cè)試后，選用了價(jià)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(méi)有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測(cè)距離能達(dá)８cm，完全能滿(mǎn)足探測(cè)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(diào)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(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)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(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的機(jī)理。其系統(tǒng)框圖如下圖所示。 圖2-4 超聲波測(cè)距原理框圖 2.3.5超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖片 2.3.6超聲波模塊具體功能簡(jiǎn)介 （1）三種測(cè)距模式選擇跳線(xiàn)J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距：10cm~80cm左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定）。 中距：80cm~400cm左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定）。 可調(diào)：范圍由可調(diào)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：?jiǎn)文＝M就可完成測(cè)距實(shí)驗(yàn)，一般只用來(lái)做測(cè)距/障礙物方面的應(yīng)用。 多模組配合使用：模組上提供接口J5、J6，可將幾個(gè)模組串聯(lián)起來(lái)，組成陣列式的傳感器組。 （3）應(yīng)用領(lǐng)域: 為方便進(jìn)行單片機(jī)接口方面的學(xué)習(xí)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的模塊，超聲波測(cè)距模組可以方便的和61板連接，可應(yīng)用在小距離測(cè)距、機(jī)器人檢測(cè)、障礙物檢測(cè)等方面，可用于驗(yàn)證方車(chē)輛倒車(chē)?yán)走_(dá)以及家居安防系統(tǒng)等應(yīng)用方案驗(yàn)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(jié) 本章主要介紹了總體設(shè)計(jì)思路和小車(chē)的運(yùn)動(dòng)分析，同時(shí)選擇紅外傳感器和超聲波傳感器并確定其型號(hào)參數(shù)。 第3章 AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3. 1 AGV機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)不同的用途，在AGV機(jī)械設(shè)計(jì)總體方案中，首先確定AGV的造型十分重要。好的車(chē)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(chē)體尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車(chē)體框架是裝配AGV其他零部件的主要支撐裝置，是運(yùn)動(dòng)中的主要部件之一，主要分為主框架和副框架兩個(gè)部分。主框架為立體型框架結(jié)構(gòu)，用于安裝各種控制和通訊設(shè)備。副框架則安裝輪子、各種傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主框架和副框架用可拆卸聯(lián)接，便于安裝和拆卸，總的來(lái)說(shuō)AGV車(chē)架相當(dāng)于汽車(chē)底盤(pán)，是AGV機(jī)械部分的關(guān)鍵。車(chē)架設(shè)計(jì)及工藝的合理性直接影響AGV的定位精度，應(yīng)滿(mǎn)足的主要條件如下: (1) 車(chē)體的強(qiáng)度和剛度必須滿(mǎn)足小車(chē)承載及運(yùn)行加速時(shí)的要求. (2) 在保證車(chē)體有足夠剛度的條件下，盡量減輕車(chē)體的重量，以提高有效承載重量. (3) 盡量降低車(chē)體重心，提高整車(chē)的抗傾翻能力． (4) 車(chē)體的外廓不應(yīng)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(mǎn)足實(shí)際任務(wù)的需要，AGV整體尺寸設(shè)計(jì)為0.50.40.4 m(長(zhǎng)寬高)。除AGV車(chē)體以外的其他輔助系統(tǒng)的安裝直接影響著小車(chē)的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。AGV車(chē)體重心越低，越有利于抗傾翻。如圖3-1為車(chē)體實(shí)物外型。 　　　　　　　 圖3-1　小車(chē)車(chē)體實(shí)物外型 3.1.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和車(chē)輪的選擇 AGV驅(qū)動(dòng)的方式大致可分成兩種，一種為兩臺(tái)電機(jī)各置于左、右兩邊，利用兩臺(tái)電機(jī)的動(dòng)作與兩輪差速的方式達(dá)到左右轉(zhuǎn)，前進(jìn)或停止，即差速型。另一種方式則類(lèi)似汽車(chē)的轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，稱(chēng)為舵輪型。前輪利用電機(jī)控制連接前輪的連桿，帶動(dòng)前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承載車(chē)前進(jìn)或停止。 圖3-2差速型轉(zhuǎn)間流程圖 這兩種傳動(dòng)方式有不同的控制流程，第一種利用兩個(gè)左、右電機(jī)差速轉(zhuǎn)彎，因此控制流程圖如圖3-2所示。經(jīng)由傳感器感應(yīng)地面軌道回傳轉(zhuǎn)向訊號(hào)后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉(zhuǎn)向位置，當(dāng)位置正確時(shí)承載車(chē)則繼續(xù)前進(jìn)，反之，電機(jī)即會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號(hào)。此種傳動(dòng)方式當(dāng)承載重量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)因電機(jī)扭力不足無(wú)法動(dòng)作。而第二種則類(lèi)似汽車(chē)轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)方式，如圖3-3所示。本課題中我們所選的驅(qū)動(dòng)移載機(jī)構(gòu)就為差速型，即小車(chē)的前面兩輪為萬(wàn)向輪，而后面兩輪分別由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制．小車(chē)的四個(gè)車(chē)輪采用實(shí)心樹(shù)脂輪胎。且四個(gè)車(chē)輪的直徑都為：D=250mm 圖3-3舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 3.1.3 傳感器的布置 傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是使AGV沿固定的路線(xiàn)行駛。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用寬為l .5cm的白色導(dǎo)引帶作為AGV的航向標(biāo)志。本導(dǎo)航系統(tǒng)采用紅外傳感器作為導(dǎo)航傳感器，通過(guò)多個(gè)傳感器組合使用進(jìn)行對(duì)AGV的航向?qū)б? 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(dǎo)引車(chē)的下面裝有光源，用以照射色帶。由色帶反射回來(lái)的光線(xiàn)由光學(xué)檢測(cè)器（傳感器）接受，經(jīng)過(guò)檢測(cè)和運(yùn)算回路進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果傳至驅(qū)動(dòng)回路，由驅(qū)動(dòng)回路控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作。當(dāng)AGV偏離導(dǎo)引路徑時(shí)，傳感器檢測(cè)到的亮度不同，經(jīng)過(guò)運(yùn)算回路計(jì)算出相應(yīng)的偏差值，然后由控制回路對(duì)AGV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)修正，使其回到導(dǎo)引路徑上來(lái)。因此，AGV能夠始終沿著色帶的導(dǎo)引軌跡運(yùn)行。紅外反射式光電傳感器，包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 本設(shè)計(jì)采用五個(gè)紅外傳感器(1號(hào)～5號(hào))按“U”字型排開(kāi)，整個(gè)“U”型支架寬，如圖3-4。其中中間的2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)紅外傳感器用于跟蹤白色導(dǎo)引線(xiàn)之用，考慮到導(dǎo)引線(xiàn)寬為100mm，取2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)灰度傳感位置相互距離為100mm。1號(hào)和4號(hào)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(dǎo)系統(tǒng)安裝位置示意圖圖 圖3-5制導(dǎo)系統(tǒng)局部放大示意圖 3. 2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的選擇與校核 　AGV的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電源、直流電動(dòng)機(jī)和減速器組成。電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)及咸速器的規(guī)格型號(hào)的確定直接決定整車(chē)的動(dòng)力性，即車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力直接決定整車(chē)的動(dòng)力性，即車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力。 3.2.1電機(jī)的選擇 自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)是電動(dòng)車(chē)的一種，而電機(jī)是電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)源，提供給整車(chē)提供動(dòng)力。目前常用的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有三種: 第一種是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代前的電動(dòng)汽車(chē)幾乎全是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。直流電機(jī)木身效率低，體積和質(zhì)量大，換向器和電刷限制了它轉(zhuǎn)速的提高，其最高轉(zhuǎn)速為6000-8000r/min。但出于其缺點(diǎn)目前除了小型車(chē)外，電動(dòng)車(chē)很少采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 第二種是感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，目前尚處于發(fā)展完善階段。電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)子鼠籠結(jié)構(gòu)的三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)控制器采用矢量控制的變頻調(diào)速方式。其具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，免維護(hù)、易于冷卻和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，而且‘能實(shí)現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但交流電機(jī)控制器成本較高。目前，世界上眾多著名的電動(dòng)汽車(chē)中，多數(shù)采用感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 第三種是永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中永磁同步電機(jī)包括無(wú)刷直流電機(jī)和三相永磁同步電機(jī)，而永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質(zhì)量最小，也無(wú)直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。但該類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動(dòng)汽車(chē)中得到一定的應(yīng)用。但永磁同步電機(jī)是最有希望的高性能電機(jī)，是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的發(fā)展方向。 出于直流電機(jī)本身具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，不需逆變裝置等優(yōu)點(diǎn)，并且本課題設(shè)計(jì)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(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源 。 我們?cè)O(shè)計(jì)的AGV原理樣車(chē)載重總質(zhì)量為250kg，最高時(shí)速設(shè)定為1.11m/s，正常運(yùn)行時(shí)速設(shè)定為0.28～0.83m/s 。 初步選擇電機(jī)的種類(lèi)為直流伺服電機(jī)，型號(hào)為130SZD，相關(guān)的參數(shù)如表3-1所示。 在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)的輸入電壓為48V，該電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)，根據(jù)其功率特性圖，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約為600r/min，以下計(jì)算就按照上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 表3-1電機(jī)相關(guān)參數(shù)表 參數(shù)名稱(chēng) 相關(guān)數(shù)據(jù) 額定轉(zhuǎn)矩 11N?m 額定轉(zhuǎn)速 1000r/min 額定功率 l.lkw 額定電壓 90v 額定電流 15A 峰值轉(zhuǎn)矩 88N?m 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 2.13ms 重量 14kg 3.2.2行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置 小車(chē)采用差速轉(zhuǎn)向控制，故每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了使系統(tǒng)運(yùn)行可靠且維護(hù)方便，本系統(tǒng)采用兩個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，為了安裝、操作方便，選用了低速性能較好的外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電機(jī)，將其外轉(zhuǎn)子直接作為車(chē)輪，且無(wú)需配備減速機(jī)構(gòu)。 根據(jù)AGV所要承載的負(fù)荷、系統(tǒng)的自重以及車(chē)速要求，本系統(tǒng)選用了直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中，主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速和啟動(dòng)特性好，轉(zhuǎn)矩大。但是有刷直流電動(dòng)機(jī)有電刷和換向器，其間形成的滑動(dòng)機(jī)械接觸嚴(yán)重地影響了電機(jī)的精度、性能和可靠性，所產(chǎn)生的火花會(huì)引起無(wú)線(xiàn)電干擾，縮短電機(jī)壽命，換向器電刷裝置又使直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大、維護(hù)困難，因此長(zhǎng)期以來(lái)人們都在尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)—無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采用高速軸承，還可以在高達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速中運(yùn)行。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用，尤其適用于高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路三部分組成，它的原理框圖如圖3-6。