自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)的研究和應(yīng)用【2013年最新整理畢業(yè)論文】

AGV 自動(dòng)引導(dǎo)小車設(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)化立體倉庫的廣泛應(yīng)用， AGV(Automatic Guided Vehicle)即自動(dòng)導(dǎo)引車作為聯(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)引裝置的無人駕駛自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)載車，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。其研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：論述了 AGV 系統(tǒng)的組成、路徑導(dǎo)引方式及原理。 介紹了 AGV 車體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 并根據(jù)小車的驅(qū)動(dòng)方式和工作要求 ，對(duì)底盤、電機(jī)、蓄電池等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型。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。在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，對(duì) AGV 小車的設(shè)計(jì)和研究提出了展望。 關(guān)鍵詞： AGV； 激光導(dǎo)引 ；單片機(jī) ；驅(qū)動(dòng)控制電路；行走策略；控制策略；串口通信 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 ray guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: 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. 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. 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. On the base of summarizing the dissertation, the development prospect of AGV research was put forward. Key words： AGV； Infrared rays guided； Drive and control circuit；Running strategy； Control strategy； Serial communication. 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 目 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 1.1 問題的提出及研究意義 . 1 1.1.1 問題的提出 . 1 1.1.2 研究意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 1.3 自動(dòng)引導(dǎo)小車的定義及特點(diǎn) . 3 2 AGV 的總體設(shè)計(jì) . 4 2.1 AGV 系統(tǒng)的構(gòu)成與結(jié)構(gòu) . 4 2.1.1 AGV 系統(tǒng)技術(shù)的研究方向 . 4 2.1.2 AGV 的結(jié)構(gòu) . 5 2.2 AGV 導(dǎo)航系統(tǒng) . 6 2.3 AGV 總體系統(tǒng) . 7 3 AGV 小車的動(dòng)力學(xué)建模 . 10 3.1 AGV 小車動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu) . 10 3.2 車體運(yùn)動(dòng)建模 . 11 3.3 驅(qū)動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng)建模 . 12 3.4 車體整體的動(dòng)力學(xué)建模 . 13 4 AGV 機(jī)械部分主 要零件的選取 . 14 4.1 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取及參數(shù) . 14 4.1.1 電機(jī)的計(jì)算 . 17 4.1.2 電機(jī)的控制參數(shù) . 18 4.2 軸的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算 . 19 4.2.1 減速器的使用范圍及選取 . 20 4.2.2 驅(qū)動(dòng)后輪軸的設(shè)計(jì) . 20 4.3 軸的受力分析及校核 . 22 4.4 齒輪的設(shè)計(jì)與選取 . 24 4.5 傳感器的選用 . 25 4.5.1 紅外傳感器尋跡 . 25 4.5.2 超聲波傳感器避障原理 . 26 5 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 27 5.1 驅(qū)動(dòng)方 式的選擇 . 27 5.2 傳感器的布置 . 28 5.3 電機(jī)與行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置 . 29 5.4 電源部分選擇 . 30 6 控制系統(tǒng) . 31 6.1 電源及驅(qū)動(dòng)芯片模塊 . 31 6.2 電路的設(shè)計(jì)及行走策略 . 31 6.3 控制策略 . 33 7 結(jié)語 . 35 參考文獻(xiàn) . 36 致 謝 . 37 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 1.1 問題的提出及研究意義 1.1.1 問題的提出 AGV(Automatic Guided Vehicle) 自動(dòng)導(dǎo)引車是上世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的智能搬運(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，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，完成無人駕駛及作業(yè)的設(shè)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(yīng)導(dǎo)向車以來，到九十年代全世界擁有 AGV(Automated Guided Vehicles)10萬臺(tái)以上。近年來，自動(dòng)化技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，國內(nèi)自動(dòng)化立體倉庫和自動(dòng)化柔性裝配線進(jìn)入發(fā)展與普及階段。其中，在自動(dòng)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(dòng)性、柔性等優(yōu)點(diǎn)。 1.1.2 研究意義 21 世紀(jì)制造業(yè)將進(jìn)入一個(gè)新階段，敏捷制造將成為企業(yè)的主導(dǎo)模式。能否抓住市場機(jī)遇開發(fā)出新產(chǎn)品將是企業(yè)贏得競爭的主要手段。要減小生產(chǎn)成本對(duì)生 產(chǎn)批量的依賴，就要發(fā)展敏捷制造裝備。繁重制造裝各的可編程、可重組和快速響應(yīng)能力使得在進(jìn)行小批量生產(chǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)接近中、大批量生產(chǎn)的效率。由于機(jī)器人具有自主規(guī)劃、可編程、可協(xié)調(diào)作業(yè)和基于傳感器控制等特點(diǎn)，它將成為可重組的敏捷制造生產(chǎn)裝備及系統(tǒng)的重要組成部分，為傳統(tǒng)制造企業(yè)向敏捷制造企業(yè)跨越發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。自動(dòng)導(dǎo)向小車(Automated Guided Vehicle 簡稱 AGV)是移動(dòng)機(jī)器人的一種，是現(xiàn)代制造企業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要用來儲(chǔ)運(yùn)各類物料，為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運(yùn)行提供了重要保證。AGV 主要有兩類形式，一種是固定路徑 AGV，它的運(yùn)行路徑是固定的，且有軌道，故導(dǎo)引技術(shù)相對(duì)簡單 ；另一種是自由路徑 AGV，由于沒有軌道，它為 AGV 自由運(yùn)行提供了最大可能，但由于技術(shù)限制， AGV 沿任意路徑自由運(yùn)行仍是一個(gè)有待解決的技術(shù)難題。 在以往的生產(chǎn)線上，導(dǎo)向式 AGV 是人們經(jīng)常采用的方式，有導(dǎo)軌式、磁導(dǎo)引式等方法。這些方法都需要預(yù)先規(guī)劃好 AGV 的運(yùn)行路線，而且生產(chǎn)車間的裝置不能隨意移動(dòng)。隨著生產(chǎn)車間智能化的提高，導(dǎo)向式 AGV 明顯降低了 AGV 的柔性。因此，非導(dǎo)向式 AGV 將成為敏捷制造物流系統(tǒng)中的主要選擇。在非導(dǎo) 向式 AGV 系統(tǒng)中， AGV 的運(yùn)行路徑不需要由附加設(shè)備決定，而且當(dāng)車間的布局變化后，只要及時(shí)改變規(guī)劃系統(tǒng)的軟件參數(shù)即可滿足路徑規(guī)劃要求。 資料顯示：在產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)過程中，僅僅有 5%的時(shí)間是用于加工和制造，剩余的95%都用于儲(chǔ)存、裝卸、等待加工和輸送 :在美國，直接勞動(dòng)成本所占比例不足生產(chǎn)成本的10%，且這一比例還在不斷下降，而儲(chǔ)存、運(yùn)輸所占的費(fèi)用卻占生產(chǎn)成本的 40%。因此，AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 2 目前世界各工業(yè)強(qiáng)國普遍把改造物流結(jié)構(gòu)、降低物流成本作為企業(yè)在競爭中取勝的重要措施，為適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，物流正在向著現(xiàn)代化的方向發(fā)展。自動(dòng)導(dǎo) 引小車 AGV 適應(yīng)性好、柔性程度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和搬運(yùn)功能的集成化和自動(dòng)化，在各國的許多行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。 目前，在我國某些汽車、煙草行業(yè)， AGV 已投入使用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但從使用形式來看，大都采用屬于固定路徑導(dǎo)向范疇的電磁導(dǎo)引 AGV，無固定路徑自主導(dǎo)向的 AGV 由于諸多問題未能完全解決，還沒有達(dá)到實(shí)用。因此 進(jìn)行自山路徑導(dǎo)向式 AGV 的研究，不僅對(duì)敏捷物流設(shè)備的研制和應(yīng)用有現(xiàn)實(shí)的工程意義，而且對(duì)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃有重要的理論意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 世界上第一臺(tái) AGV 是美國 Basrrett 電子公司于 20 世紀(jì) 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(gè)真空管組成的控制器，小車跟隨一條鋼絲索導(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。70 年代中，歐洲約裝備了 520 個(gè) AGV 系統(tǒng)，共有 4800 臺(tái)小車， 1985 年發(fā)展到一萬臺(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，通過在美國的歐洲公司以許可證與合資經(jīng)營的方式轉(zhuǎn)移到美國。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，以提供在制造過程中物料自動(dòng)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(dá) 1407 臺(tái) (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(tái)。美國各公司在歐洲技術(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)問更短，具有在線充電功能，以便 24 小時(shí)運(yùn)行，小車和控制器可靠性更高。此時(shí)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(yùn)輸設(shè)備供應(yīng)廠與美國的 Webb 公司合資開設(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。 國內(nèi)自主研發(fā)方面：六十年代開始研究。 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金杯汽車公司總裝線上設(shè)計(jì)的九臺(tái)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，并于 1996 年獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)，是當(dāng)時(shí)國內(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)引無人自動(dòng)車中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 3 22 輛，紅河項(xiàng)目于 2002 年獲國家科學(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)國外技術(shù)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(jìn)國內(nèi)第一套 AGVS。九十年代初，華寶空調(diào)裝配線上使用了日本進(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 WEBB 公司 AGV 技術(shù)。天津理工學(xué)院研制的 TIT-1 全方位視覺引導(dǎo)自動(dòng)車，屬國家 863 高科技項(xiàng)目，已通過鑒定，達(dá)到八十年代末國際先進(jìn)水平。九十年代中期，昆船公司在引進(jìn)國外最先進(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(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)。 以中科院沈陽自動(dòng)化所為金杯汽車公司設(shè)計(jì)的 AGV 系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，中國科學(xué)院沈陽分院成功開發(fā)的自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV)和自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng) (AGVS)主要用于汽車等生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)裝配，可提高裝配線的自動(dòng)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(quán)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(tái) AGV 構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)、后橋、油箱裝配副環(huán)線，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)國際先進(jìn)水平。且獲得多項(xiàng)專利，如雙舉升載人自動(dòng)裝配導(dǎo)引車、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 國產(chǎn)價(jià)格要比進(jìn)口的便宜 20 萬元人民幣，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。 1.3 自動(dòng)引導(dǎo)小車的定義及特點(diǎn) 根據(jù)美國物流協(xié)會(huì)定義， AGV 是指裝備有電磁或光學(xué)自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸小車。 AGV是以電池為動(dòng)力、裝有非接觸導(dǎo)向裝置，獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)運(yùn)輸車。 AGV 是自動(dòng) 導(dǎo)引車系統(tǒng)，它由若干輛沿導(dǎo)引路徑行駛，獨(dú)立運(yùn)行的 AGV 組成。 AGV 在計(jì)算機(jī)的交通管制下有條不紊地運(yùn)行，并通過物流系統(tǒng)軟件而集成于整個(gè)工廠的生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)中。 應(yīng)用 AGV 具有很多特點(diǎn) : (1)AGV 十分方便地與其它物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，如各種緩沖站、自動(dòng)積放鏈、升降機(jī)和機(jī)器人等；實(shí)現(xiàn)在工作站之間對(duì)物料進(jìn)行跟蹤；對(duì)輸送進(jìn)行確認(rèn)；按計(jì)劃輸送物料并有執(zhí)行檢查記錄：與生產(chǎn)線和庫存管理系統(tǒng)進(jìn)行在線連接以向工廠管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)信息。 (2)采用 AGV 由于人工檢取與堆置物料的勞動(dòng)力減少，操作人員無需為跟蹤物料而進(jìn)行大量 的報(bào)表土作，因而顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外，非直接勞動(dòng)力如物料倉庫會(huì)計(jì)員、AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 4 發(fā)料員以及運(yùn)貨車調(diào)度員的工作的減少甚至完全取消又進(jìn)一步減低了成本。 (3)AGV 運(yùn)輸物料時(shí)，很少有產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)各的損壞，這是因?yàn)?AGV 按固定路徑行駛，不易與加工設(shè)備和其他障礙物碰撞。 (4)絕大多數(shù) AGV 的使用者均證明， 2 到 3 年從經(jīng)濟(jì)上均能收回 AGV 的投資成本。 (5)AGV 通過安裝在地面之下的電纜或其他不構(gòu)成障礙的地面導(dǎo)引物，其通道必要時(shí)可作其他用處。 (6)系統(tǒng)具有極高的可靠性。 AGV 由若干臺(tái)小車組成，當(dāng)一臺(tái)小車需要維修時(shí)，其它小車 的生產(chǎn)率不受影響并保持高度的系統(tǒng)可利用性。 (7)節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境。 AGV 的充電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗能少，能量利用率高，噪音極低對(duì)制造和倉儲(chǔ)環(huán)境沒有不良影響。 2 AGV 的總體設(shè)計(jì) 2.1 AGV 系統(tǒng)的構(gòu)成與結(jié)構(gòu) 2.1.1 AGV 系統(tǒng)技術(shù)的研究方向 導(dǎo)引技術(shù)：八十、九十年代，正當(dāng)國內(nèi)的一些院校廠所致力基于埋線電磁導(dǎo)引技術(shù)并剛開始應(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)，美國則以汽車行業(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角定位技術(shù)。近年來，出現(xiàn) 了激光測角與測距相結(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。 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)?，推挽式，牽引式，龍門式，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)車型自重下降為落后車型的 1/4。使車輛移動(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)。 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，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(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。 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)、無線或紅外接收上位及客戶指令，自動(dòng)導(dǎo)引，自動(dòng)行駛，優(yōu)化路線，自動(dòng)作業(yè)，交通管理，車輛調(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（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，反映在選用車輛臺(tái)數(shù)上成倍減少。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 5 2.1.2 AGV 的結(jié)構(gòu) AGV 由車載控制系統(tǒng)、車體系統(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。 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(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，由于無線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 之間采用無線電通訊，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 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。 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(dòng)車輛的結(jié)構(gòu)特征。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。移載系統(tǒng)：它是用來完成作業(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(jī)械手式等。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(shí)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(dòng)充電等輔助裝置。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)，通過無線通訊系統(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題都需要軟件來完成。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+語言來編程是一個(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 之間的無線通訊以及在此基礎(chǔ)上的 AGV 調(diào)度，編程中最好采用多線程的模式，使通訊和調(diào)度等各功能模塊互不影響，加快系統(tǒng)速度。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線 通訊的方式?？刂婆_(tái)和各 AGV 就組成了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線局域網(wǎng)，在設(shè)計(jì)過程中要注意兩個(gè)問題 :無線電的調(diào)制問題，無線電通訊中，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。通訊協(xié)議問題：在通訊中，通訊的協(xié)議是一個(gè)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AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 6 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。 AGV 一般采用輪式驅(qū)動(dòng)，具有電動(dòng)車的特征。 AGV 小車能在地面控制系統(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 2-1所示。 圖 2-1 AGV 系統(tǒng)示意圖 (AGV system diagram) 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)化倉庫或工作現(xiàn)場自動(dòng)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(shè)備等都可以根據(jù)實(shí)際需要及工作場地任意布置，這也體現(xiàn)了 AGV 在自動(dòng)化物流中的柔性特點(diǎn)。 2.2 AGV 導(dǎo)航系統(tǒng) AGV 導(dǎo)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(dǎo)方式按有無導(dǎo)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(biāo)記跟蹤方式和磁力制導(dǎo)方式：三是無路線方式，包括地面幫助制導(dǎo)方式、用地圖上的路線指令制導(dǎo)方式和在地圖上搜索最短路徑制導(dǎo)方式。 固定路線的導(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 行走的路線下埋設(shè)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(yīng)傳感器檢測到磁場強(qiáng)度，在小車沿線路行走時(shí)，輸出磁待命站 充電系統(tǒng) 地面設(shè)備 AGV 路徑 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 7 場強(qiáng)度差動(dòng)信號(hào)，車上控制器根據(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(xué)檢測器，均勻分布在漆帶及兩側(cè)位置上，檢測不同的組合信號(hào)，以控制小車的方向，使其跟蹤路軌?？梢圆捎媚：刂扑惴▽?duì)小車進(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行駛過程中，車上的激光掃描頭不斷地掃描周圍環(huán)境，當(dāng)掃描到行駛路徑周圍預(yù)先垂直安好的反射板時(shí)，即“看見”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 該方法類似于激光 /紅外測量方法，不同之處在于不需要設(shè)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(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，在制造車間環(huán)境下應(yīng)用常常有困難。 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。設(shè)計(jì)出簡單易行的 AGV系統(tǒng)。 2.3 AGV 總體系統(tǒng) AGV 一般由車體、蓄電池、充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)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(jì)算子系統(tǒng)等組成。車體由車架和相應(yīng)的機(jī)械電氣部件如減速箱、電機(jī)、車輪等組成，它是 AGV 的基礎(chǔ)部分。車架要從強(qiáng)度和剛度上滿足車體運(yùn)行和加 速時(shí)的要求，常用鋼構(gòu)件焊接而成，其外殼為 1mm3mm 的鋼板或鋁合金板，車架空間安置與驅(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(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 意充電的汽車免修蓄電池，在 AGV 的備用停泊站，無時(shí)間限制地隨時(shí)充電。全周期充電則要求 AGV 退出服務(wù)，AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 8 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 在直線行走、 拐彎和接近停位點(diǎn)時(shí)要求不同的車速，直線行走高速度常達(dá) lm/s，拐彎時(shí)為 0. 2m/s0. 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)的方向信息通過轉(zhuǎn)向裝置來實(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)?！爸悄堋陛^高的 AGV 都有車上控制器，它類似于機(jī)器人控制器，用以對(duì) AGV 進(jìn)行監(jiān)控。控制器計(jì)算機(jī)通過通信系統(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鳎菏謩?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，允許小車離開導(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。 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(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。如采用無線電、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。一般來說，這種通信是通過感應(yīng)或光學(xué)的方法來實(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：接觸式和非接觸式兩種保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)自由路徑 (無固定導(dǎo)引路徑 )型的 AGV，還要進(jìn)行車體方位的計(jì)算，它由車體方位計(jì)算子系統(tǒng)來完成。 AGV 的方位，即在總體坐標(biāo)系中的位置與方向，與車體左右輪的運(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，通過積分運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出車體方位x(t)， y(t)和 (t) 。根據(jù)需要，將計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì) AGV 的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)也可通過這一通信信路，對(duì)車體方位計(jì)算子系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算的基本輸入數(shù)據(jù)是車輪前進(jìn)或后退的距離，即通過對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的周期性采樣來獲取。 AGV 的導(dǎo)引方式可分為兩大類： (1)車外 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 通過檢測出它的信息來得到導(dǎo)引，如電磁導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引 (又稱磁性導(dǎo)引 )等。 (2)自由路徑 (無固定路徑 )導(dǎo)引方式， AGV 上儲(chǔ)存著系統(tǒng)布局上的尺寸坐標(biāo)，通過識(shí)別車體當(dāng)前方位，自主地決定行駛路徑，這類導(dǎo)引方式也稱為車上軟件 編程路徑方式。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 9 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 單片機(jī)對(duì)有無反射信號(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)通過控制電路放大、輸出到電機(jī)對(duì)小車動(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，屬開環(huán)控制。邏輯圖如圖 2-2 所示。 圖 2-2 控制邏輯圖 (control logic diagram) 開環(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，實(shí)現(xiàn) AGV 導(dǎo)航定位策略的方式及用最簡單的設(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 2-3 部件的數(shù)量 (The number of components) 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(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 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 10 3 AGV 小車的動(dòng)力學(xué)建模 3.1 AGV 小車動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu) 自從 AGV 問世以來，人們在自動(dòng)導(dǎo)引車的控制過程中一般滿足于基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的控制模型，而很少有人進(jìn)行基于動(dòng)力學(xué)的控制設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。事實(shí)表明，根據(jù) AGV 車體動(dòng)力學(xué)模型，可以得到直接的電機(jī)輸入與行走、導(dǎo)向車輪轉(zhuǎn)速的非線性的耦合關(guān)系，將對(duì)指導(dǎo)車體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃以及合理的路徑跟蹤控制規(guī)律設(shè)計(jì)有重要而且深遠(yuǎn)的意義。 由于 AGV 在實(shí)際問題中有較嚴(yán)格地面要求的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，車速較低，限定了加速度的問題，而不會(huì) 發(fā)生明顯的車體“上跳”運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)，故可以在二維空間來研究其動(dòng)力學(xué)模型?，F(xiàn)以我以后輪為電機(jī)帶動(dòng)齒輪來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的方式傳達(dá)力矩，前輪則為由電機(jī)直接帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的 AGV 為例建立動(dòng)力學(xué)模型。 AGV 由車體、蓄電池和充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)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)、超聲探障保護(hù)子系統(tǒng)、移載裝置和車體方位計(jì)算子系統(tǒng)等等組成。 “智能”較高的 AGV 都有車上控制器，它類似于機(jī)器人控制器，用以對(duì) AGV 進(jìn)行監(jiān)控?？刂破饔?jì)算機(jī)通過通信系統(tǒng)從地面站接受指令并報(bào)告自己 的狀態(tài)。通常監(jiān)控器可完成以下監(jiān)控：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，允許小車離開導(dǎo)引路徑，駛向某個(gè)示教地點(diǎn)，完成任務(wù)后路原道返問到導(dǎo)引路徑上來。 根據(jù)上述的介紹，我們可以不難看出同步行進(jìn)的四輪 AGV 機(jī)械結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)部分。 車體部分：包括車架、蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和齒輪減速機(jī)構(gòu)等，車體受到由后輪傳動(dòng)來的驅(qū)動(dòng)力和前輪的反作用力的作用。 驅(qū)動(dòng)后輪：所受的外力可能有兩部分組成。一部分是地面的作用力：另一部分是來自車體給于的外力。其中這部分力包括自身的支撐反力和電機(jī)產(chǎn)生的等效驅(qū)動(dòng)力矩等。通過齒輪改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)速率可以得到不用的轉(zhuǎn)速，從而改變 AGV 的的運(yùn)動(dòng)行進(jìn)方向，已經(jīng)更好的做到預(yù)定的線路跟蹤。 前軸和連軸：起到支撐作用，同時(shí)車輪和豎軸是同軸的，前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)有地面給于的摩擦力也有電機(jī)傳遞的力矩。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3.2 車體運(yùn)動(dòng)建模 圖 3-1 車體受力圖 (Body force) 我們可以得到車體動(dòng)力學(xué)方程如下： c x A X B X L X R Xm v F F F F (3.1) c y A Y B Y L Y R Ym v F F F F (3.2) 11c A Z B Z R Z A X A Yj w M M M F b F c 1 2 2 1 2 2B X B Y L X L Y R X R YF b F c F b F a F b F a (3.3) 上面式子中ccmj和分別為車體質(zhì)心的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。車體的前輪 A、 B 處的運(yùn)動(dòng)方程為 1A X xv v b w （ 3.4） 1AY yv v c w （ 3.5） 1B X xv v c w （ 3.6） 2BY yv v c w （ 3.7） 211A X xv v b w c w （ 3.8） 211A Y yv v c w b w （ 3.9） AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 12 212B X xv v b w c w （ 3.10） 221B Y yv v c w b w （ 3.11） 車體 L 和 R 處運(yùn)動(dòng)的方程為： 2L X xv v b w （ 3.12） 1LY yv v a w （ 3.13） 221L X xv v b w a w （ 3.14） 212L Y yv v a w b w （ 3.15） 2R Y xv v b w （ 3.16） 2R Y xv v a w （ 3.17） 222R X xv v b w a w （ 3.18） 222R Y yv v a w b w (3.19) 3.3 驅(qū)動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng)建模 慣性坐標(biāo)系 L- LLL ZYX 與圖 3.1 的方向是一致的，可以認(rèn)為是由 O 平移到 L 點(diǎn)從而形成的坐標(biāo)系，相對(duì)應(yīng)，他們是車體與左輪之間大小相等方向相反的作用力（力矩）和反作用 力（力矩）。 LM 是驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過齒輪減速后傳遞給左輪的驅(qū)動(dòng)力矩，SLM是軸承對(duì)左輪的摩擦阻力矩，LVM是滾動(dòng)阻力矩， LXF 是地面對(duì)左輪的側(cè)滑動(dòng)摩擦力， SLF 是軸承對(duì)左輪的滾動(dòng)摩擦力， LZM 是地面對(duì)車輪的扭矩摩擦力矩， Lw 是左后輪的 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（ LX 為轉(zhuǎn)動(dòng)軸）。 L L X L X L XM v F F (3.20) L L Y L Y L YM v F F (3.21) L X L L S L L Y L L FJ w M M F R M (3.22) L Z L Z L Z L ZJ w M M (3.23) 上式中， LLZLXL RJJM 、 分別是左后輪的質(zhì)量以及其沿著旋轉(zhuǎn)軸 LX 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、沿著 LZ 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和半徑。 LYLX VV 、 為其在 L-XYZ 坐標(biāo)下的速度，與車體對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度是同一值 。 LZW 是左后軸沿 LZ 軸的扭轉(zhuǎn)角速度。 對(duì)于右后輪來說，傳動(dòng)齒輪嚙合是在軸中心處，故左右受的力是相同的，因此建立類中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 13 似的動(dòng)力學(xué)方程為： R R Y R X R XM v F F (3.24) R R Y R Y R YM v F F (3.25) R X R R S R R Y R R FJ w M M F R M (3.26) R Z R Z R Z R ZJ w M M (3.27) 3.4 車體整體的動(dòng)力學(xué)建模 為了能夠更好的取得車體整體的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù) AGV 的實(shí)際情況作出如下的簡化： (1) 左右前輪和軸是一體的 ，再前行或后退的同時(shí)不打滑，只看做是純滾動(dòng)，則有： L Y L L L Y L Lv R w v R w R Y R R R Y L Lv R w v R w (2) 車體設(shè)計(jì)左右是對(duì)稱的，則有： 1 2 1 2a a a c c c ， (3) 左輪的直徑及其質(zhì)量和右輪： RRR RL MMM RL (4) 前輪左右也是一致的和后輪的大小重量以及有些不受力或比較想的部分我們可以忽略不計(jì)其的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即： FEGD MMMM 0FZFXEZEXGD JJJJJJ 在上述簡化后的基礎(chǔ)上，聯(lián)立前述車體、左右驅(qū)動(dòng)后輪的動(dòng)力方程可以得到車體整體的動(dòng)力學(xué)方程。該動(dòng)力學(xué)方程中可以表示為左、右輪所受的動(dòng)力 BL MM 、 和左、右輪轉(zhuǎn) 動(dòng)的角速度 RL w、w 之間的關(guān)系。 任何一種導(dǎo)引方法的實(shí)現(xiàn)最終都?xì)w結(jié)為路徑跟蹤控制的問題上。對(duì)于固定路徑型的AGV 由于具有體現(xiàn)路徑的導(dǎo)引媒介物，通過傳感器就可直接獲得車體對(duì)路徑的橫向偏差和車體方向偏差，以這種偏差作為誤差信號(hào)通過車體動(dòng)力學(xué)直接對(duì)車體進(jìn)行跟蹤控制。但是對(duì)于自由路徑型 AGV，車體對(duì)路徑之偏差量的獲取就要困難得多，以車體方位推算導(dǎo)向的自由路徑 AGV 為例，其方位和對(duì)于路徑的偏差是通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度積分計(jì)算而獲得，其要實(shí)現(xiàn)需較大的計(jì)算量和通信量。作為一種較好的解決辦法 是差速驅(qū)動(dòng)的自由路徑控制。其路徑可簡化為一系列直線段和圓弧段的組合。只要保證左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度滿足給定的AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 14 比例關(guān)系 (即同步誤差為零 )， AGV 就能跟蹤這種具有恒定半徑 (直線和圓弧 )的路徑。車體動(dòng)力學(xué)方程是實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動(dòng)的理論基礎(chǔ)之一，結(jié)合模糊控制方法，可以實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動(dòng)路徑跟蹤過程。 動(dòng)力學(xué)方程能夠幫助 AGV 的建模、車體結(jié)構(gòu)、剛度設(shè)計(jì)和路徑跟蹤控制提供理論依據(jù)的基礎(chǔ)。本章主要介紹了所設(shè)計(jì)及其制作的一輛有電機(jī)帶動(dòng)齒輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)后輪，前輪有電機(jī)直接控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的的四輪 AGV 小車，并建立了所需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 4 AGV 機(jī) 械部分主要零件的選取 4.1 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選取及參數(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是用來控制后輪驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的原動(dòng)力機(jī)構(gòu)，是支持和為整個(gè)車體提供動(dòng)力的元件。它的選取關(guān)系到車體的運(yùn)動(dòng)快慢及其能夠產(chǎn)生多大的扭矩，多大的驅(qū)動(dòng)力。 在這次電機(jī)部分的選取中，結(jié)合老師的指導(dǎo)及其研究找個(gè)了下面這個(gè)較為合適的私服電動(dòng)機(jī)作為后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其外觀如圖 4.1。 圖 4.1 伺服電機(jī)外觀圖 (Servo motor appearance figure) 由于這次車體不是很大，外形尺寸：長 *寬 *高： 800mm*590mm*350mm，能夠承受的重 物也不是很大，大概再 10 斤到 50 斤左右的工件，所以為了節(jié)省原材料和不必要的能源浪費(fèi)，所以電動(dòng)機(jī)的選取尤為重要，此次我選取了額定功率為 1.5KW 的電機(jī)足以保證給車體提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力及其達(dá)到不必要的浪費(fèi)。選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 ACH-13150A（ 1500W） ；而轉(zhuǎn)向需要的動(dòng)力不必這么大，所以轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇的功率相對(duì)較小些，選取的轉(zhuǎn)向電機(jī)為 60-40-30-DF-1000，所以選取的兩個(gè)電機(jī)則均為方形；驅(qū)動(dòng)電機(jī)：邊長為 260MM，圓柱形；外徑為 130 ，電壓等級(jí)： L-220VA，額定功率： 1500W，位置傳感器： M-光學(xué)編碼器，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速： 1500rpm，冷卻方式： N-自然空冷，外形：方形。轉(zhuǎn)向電機(jī)：邊長為 142MM，圓柱形，外徑為 61，電壓等級(jí)： L-72VA，額定功率： 400W，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速： 3000rpm，冷卻方式： N-自然空冷，外形：方形。 選取的 ACH-13150A（ 1500W） 交流私服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4.2。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 15 圖 4.2 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 (Schematic diagram of servo motor) 圖 4.3 伺服電機(jī)示意圖 (Schematic diagram of servo motor) 伺服電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由環(huán)形分配器、功率驅(qū)動(dòng)裝置、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成一個(gè)開環(huán)的定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)接受一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過一定的角度或移動(dòng)一定的直線距離，電脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度或直線位移就越多，同時(shí)，輸入電脈沖的頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或位移速度就越快。步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是沒有積累誤差，常用于開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，它們?nèi)咧g是相互配套的。 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出的 角位移量與輸入的脈沖數(shù)成正比，通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，而通過改變輸入脈沖頻率可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 伺服電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子的主要結(jié)構(gòu)是繞組，三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)分別有 3 個(gè)、 4 個(gè)、 5 個(gè)繞組，其它依此類推。繞組按一定的通電順序工作，這個(gè)通電順序稱為步進(jìn)電機(jī)的“相序”。轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)是磁性轉(zhuǎn)軸，當(dāng)定子中的繞組在相序信號(hào)作用卜有規(guī)律地通電、斷電工作時(shí)，轉(zhuǎn)子周圍就會(huì)有一個(gè)按此規(guī)律變化的電磁場，因此一個(gè)按規(guī)律變化的電磁力就會(huì)作用在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)動(dòng)到磁阻最小的位置，正是這樣，使得轉(zhuǎn)子按一定 的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 16 表 4-4 伺服電機(jī)參數(shù)表 (Servo motor parameters table) 型號(hào) ACH-13150A（ 1500W） 額定功率（ KW） 0.6 1 1.5 2 相數(shù)、線電壓（ V） 3 相 220V 額定轉(zhuǎn)速（ rpm) 1500rpm 最高轉(zhuǎn)速（ rpm） 1750rpm 最高機(jī)械轉(zhuǎn)速（ rpm） 2000rpm 額定轉(zhuǎn)矩（ N.m） 5.8 9.6 14 19 最大轉(zhuǎn)矩（ N.m） 17 29 42 57 額定線電流（ A） 3 4.8 7.2 9.3 轉(zhuǎn)子慣性（ Kg.c 2m ） 12 23 34 45 電 機(jī) 外 型 尺 寸 （ mm） L 160 210 274 310 L1 55 55 55 55 H2 5 5 5 5 H3 12 12 12 12 D2 110 110 110 110 D3 22 22 22 22 D4 165 165 165 165 D5 9 9 9 9 D6 145 145 145 145 光軸或鍵連 結(jié)，如采用 鍵連接，則 鍵尺寸為（ mm） L3 45 45 45 45 L4 41 41 41 41 T 8 8 8 8 H1 8 8 8 8 H4 18 18 18 18 轉(zhuǎn)子位置反饋： 2500 線、 5000 線光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器可選制動(dòng)器：帶制動(dòng)電機(jī)總長加 25mm， 制動(dòng)器電壓：直流 24V。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 17 4.1.1 電機(jī)的計(jì)算 選擇電機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)所需要的功率 Pd = awP kW （ 4-1） 由式 Pw = 1000Fv kW （ 4-2） Pd = aFv1000 kW (4-3） 由電動(dòng)機(jī)至車輪的傳動(dòng)總效率為 a = 4232241 (4-4) 式中： 1 、 2 、3、 4 分別為軸承、齒輪傳動(dòng)、聯(lián)軸器和輪軸的傳動(dòng)效率 。取 1 =0.98 （滾動(dòng)軸承）， 2 =0.97（不包括軸承效率），3=0.99（聯(lián)軸器）， 4 =0.96， 則 a =0.98 97.04 96.099.0 22 =0.82 所以 2 0 0 0 0 . 5 1 . 2 11 0 0 0 1 0 0 0 0 . 8 2FvP d k w 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 輪軸工作轉(zhuǎn)速為： 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 0 . 5 7 3 . 4 9 / m i n130vnrD 二級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比 i = 12.520，則總的傳動(dòng)比合理范圍為ai=12.520，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為： ( 1 2 . 5 2 0 ) 7 3 . 4 9 9 1 8 1 4 6 9 . 8 / m i ndn i n r (4-5) wP 搬運(yùn)車所需工作功率，指搬運(yùn)車輪前進(jìn)所需功率， kW； a 由電動(dòng)機(jī)至搬運(yùn)車輪軸的總效率； F 搬運(yùn)車的運(yùn)行阻力， N； v 搬運(yùn)車輪的線速度 m/s。（已經(jīng)確定搬運(yùn)小車運(yùn)行速度大約為 30m/min，通過運(yùn)算轉(zhuǎn)換的 0.5m/s） AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 18 綜合考慮上述得出的結(jié)論：選擇 130 L _ M 10 N S 中額定功率為 1.5KW的交流伺服電機(jī)為此次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)和減速器的結(jié)構(gòu)尺寸選擇出聯(lián)軸器和鍵。 取載荷系數(shù)AK=1.3，則聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為： 1 1 . 3 1 4 3 2 5 1 8 6 2 2 . 5cAT K T (4-6) 根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩、最小軸徑、軸的轉(zhuǎn)速，查標(biāo)準(zhǔn) GB5014-85或手冊，選用彈性柱銷聯(lián)軸器，其型號(hào)為： 電動(dòng)機(jī)和減速器之間的聯(lián)軸器： YL1 2232； 減速器和輪軸之間的聯(lián)軸器： YL9 48 80；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)： GB5843 86。 電動(dòng)機(jī)上的鍵： 8368 hLb ； 減速器輸入端的鍵： 6338 hLb ； 減速器輸出端的鍵： 9328 hLb ； b 鍵的寬度， mm； L 鍵的長度， mm； h 鍵的厚度， mm； 4.1.2 電機(jī)的控制參數(shù) 通過設(shè)置伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作方式和細(xì)分?jǐn)?shù)，由單片機(jī)控制 8253 輸出的脈沖頻率可以推算出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再結(jié)合驅(qū)動(dòng)輪的幾何參數(shù)，就可以得到脈沖頻率與車輛行走距離、速度之間的關(guān)系，推導(dǎo)過程如下： 設(shè)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為 d， 脈沖數(shù)為 c， 伺服電機(jī)固有步距角為 a， 8253 輸出脈沖頻率為 f，減速器傳動(dòng)比為 i，驅(qū)動(dòng)輪半徑為 R。 通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后，伺服電 機(jī)的步距角： d （ 4-7) 電機(jī)所轉(zhuǎn)的角度 r 可以由以下式子表示： ()1 8 0 1 8 0cr c r a dd （ 4-8） 輸入 C 個(gè)脈沖所需要的時(shí)間為： 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 19 ()ctsf （ 4-9） 可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： ( / )180fw r a d sd （ 4-10） 則小車的速度為： ( / )180fRv m sdi （ 4-11） 伺服電機(jī)的脈沖頻率 f 為： 180 ()v d if H zR （ 4-12） 由車輛速度表達(dá)式可以看出，車輛行駛速度由脈沖頻率 f、步距角 a、細(xì)分?jǐn)?shù) d，傳動(dòng)比 I 和驅(qū)動(dòng)輪半徑 R 決定。其中步距角為電機(jī)固定參數(shù)，傳動(dòng)比為減速器固定參數(shù)，因此驅(qū)動(dòng)輪尺寸定好以后，小車的運(yùn)動(dòng)控制最終是通過可編程計(jì)數(shù)器 8253 發(fā)出的脈沖頻率 f和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù) d 來實(shí)現(xiàn)控制。細(xì)分值越大，伺服電機(jī)越平穩(wěn)、噪 音越小、振動(dòng)越小，但同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速也越慢。所以，要綜合考慮各方面因素，在滿足平穩(wěn)性和運(yùn)行速度之間做好權(quán)衡，才能較好的控制好電機(jī)。 4.2 軸的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算 軸的設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的軸的功能要求 (傳遞功率或轉(zhuǎn)矩，所支持零件的要求等 )和滿足物理、幾何約束的前提下，確定軸的最佳形狀和尺寸，盡管軸設(shè)計(jì)中所受的物理約束很多，但設(shè)計(jì)時(shí)，其物理約束的選擇仍是有區(qū)別的，對(duì)一般的用途的軸，滿足強(qiáng)度約束條件 , 具有合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性即可。對(duì)于靜剛度要求高的軸，如機(jī)床主軸，工作時(shí)不允許有過大的變形，則應(yīng)按剛度約束條件來設(shè)計(jì)軸 的尺寸。對(duì)于高速或載荷作周期變化的軸，為避免發(fā)生共振，則應(yīng)需按臨界轉(zhuǎn)速約束條件進(jìn)行軸的穩(wěn)定性計(jì)算。 軸的設(shè)計(jì)并無固定不變的步驟，要根據(jù)具體情況來定，一般方法是： (1) 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約束條件或與同類機(jī)器類比，初步確定軸的最小直徑 。 (2) 考慮軸上零件的定位和裝配及軸的加工等幾何約束，進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定軸的幾何尺寸；值得指出的是：軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果具有多樣性。不同的工作要求、不同的軸上零件的裝配方案以及軸的不同加工工藝等，都將得出不同的軸的結(jié)構(gòu)型式。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定較優(yōu)的方案 。 (3) 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作要求，選擇相應(yīng)的物理約束， 確定合適的參照物體， 檢驗(yàn)是否滿足相應(yīng)的物理約束。若不滿足，則需對(duì)軸的結(jié)構(gòu)尺寸作必要修改， 應(yīng)該實(shí)施再設(shè)計(jì)，直至滿足要求。 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 20 4.2.1 減速器的使用范圍及選取 （ 1）適用范圍 ZDY、 ZLY、 ZSY外嚙合漸開線斜齒圓柱齒輪減速器，可用于冶金、礦山、起重運(yùn)輸、水泥、建筑、化工、紡織、輕工等行業(yè)。減速器高速軸轉(zhuǎn)速不大于 1500r/min；減速器齒輪傳動(dòng)圓周速度不大于 20m/s；減速器工作環(huán)境溫度為 -4045，低于 0時(shí)，起動(dòng)前潤滑油應(yīng)預(yù)熱。（ ZDL為單級(jí) ， ZLY為兩級(jí)， ZSY為三級(jí)， Y代表硬齒面） （ 2）減速器的選取 輪軸的轉(zhuǎn)速 7 3 .4 9 / m innr ； 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 1 0 0 0 / m i ndnr； 減速器的傳動(dòng)比 1000 1 3 .67 3 .4 9i ； 取減速器的傳動(dòng)比為 15i ； 實(shí)際輪軸的轉(zhuǎn)速 1000 6 6 . 7 / m i n15nr； 車 輪的實(shí)際線速度 6 6 . 7 1 3 0 0 . 4 56 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0nDv /ms； 綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、重量和減速器的傳動(dòng)比，選擇的減速器型號(hào) ZLY 112 20 ZBJ19004 888。 4.2.2 驅(qū)動(dòng)后輪軸的設(shè)計(jì) 由于是驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪使小車前進(jìn)，在此一切相關(guān)數(shù)據(jù)與計(jì)算都是以后車輪為依據(jù) 車輪軸轉(zhuǎn)速 n=67 r/min 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率 5.1P kW 輪軸傳遞功率為 2 2 4 2 2 41 1 2 3 1 . 5 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 8 1 . 2 7 5p p k w 受轉(zhuǎn)矩 T （ N mm） 的實(shí)心圓軸，其切應(yīng)力： 2.0 /1055.9 36 TTT dnPWT （ 4-13） 軸的最小直徑： 3362.01055.9nPCnPdT （ 4-14） 軸的材料取 45鋼， 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 21 上兩式中 TW 軸的抗扭截面系數(shù) ， mm3； P 軸傳遞的功率， kW； n 軸的轉(zhuǎn)速， r/min； T 許用切應(yīng)力 ； C 與軸的材料有關(guān)的系數(shù)，可由表 4-3查得 。 表 4-3 軸材料的選取一覽表 (Shaft material selection list) 軸的材料 Q235,20 Q255,Q275,35 45 40Cr,38SiMnMo T /M Pa C 12 160 15 148 20 135 25 125 30 118 35 112 40 106 45 102 52 98 軸最小直徑取 35mm。軸上鍵的規(guī)格 hLb 為 6368 和 6338 。 圖 4.4為后輪車軸尺寸圖 (The axle of the rear wheel size map) 由于轉(zhuǎn)向前輪的結(jié)構(gòu)比較簡單，故不重復(fù)說明選取過程，根據(jù)最短軸也為直徑為35mm， 所以可以選擇出軸上的鍵為 hLb 為 6368 。 圖 4.5為前車輪車軸尺寸圖 (Front wheel axle dimension diagram) AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 22 4.3 軸的受力分析及校核 假設(shè)前后軸受力均勻，以后車輪軸為例。 軸的材料選用 45 鋼調(diào)質(zhì)， B = 650 M Pa, S = 360 M Pa 計(jì)算支撐反力： 垂直面反力： NF R 90 45.11 17 5.57 717 491 NF R 9041 NF R 84 55.11 17 54 017 492 NF R 8452 合成彎矩 : 22 xzxy MMM 許用應(yīng)力值 : MPab 60 1 軸徑 mmMdb21601.0 488001.0 331 21mm25mm 表 4-6 轉(zhuǎn)軸和心軸的許用彎曲應(yīng)力 （ M Pa） (Rotating shaft and the mandrel bending stress) 材料 B 1b 0b 1b 碳素鋼 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 合金鋼 800 270 130 75 1000 330 150 90 鑄 鋼 400 100 50 30 500 120 70 40 大部分滾動(dòng)軸承是由于疲勞點(diǎn)飾而失效的。軸承中任一原件 出現(xiàn)疲勞剝落擴(kuò)展跡象前運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下的工作小時(shí)稱為軸承壽命。 實(shí)際選擇軸承時(shí)常以基本額定壽命為標(biāo)準(zhǔn)。軸承的基本額定壽命是指 90%可靠度、常用材料和加工質(zhì)量、常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的壽命，以符號(hào) 10(r)或 L10h(h)表示。 基本額定壽命就是軸承所能承受的恒定載荷取為基本額定動(dòng)載荷 C。也就是說，在基本額定動(dòng)載荷作用下，軸承可以工作一百萬轉(zhuǎn)而不發(fā)生點(diǎn)飾失效，其可靠度為 90%。 當(dāng)量動(dòng)載荷 ar YFXFP （ 4-15） 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 23 式中 rF 徑向載荷， N； aF 軸向載荷， N； X、 Y 徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)，可查。 由于機(jī)械工作時(shí)常具有振動(dòng)和沖擊。為此，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)按下式計(jì)算： )( ard YFXFfP （ 4-16） 由于不受軸向力，所以 rd FfP = 8758751 式中 df 沖擊載荷系數(shù)，由表 5-2可查； rF 徑向力，取 875N。 表 4-7 沖擊載荷系數(shù) (Impact load coefficient) 載荷性質(zhì) 機(jī)器舉例 df 平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕微沖擊 電機(jī)、水泵、通風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī) 1.01.2 中等沖擊 車輛、機(jī)床、起重機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、冶金設(shè)備 1.21.8 強(qiáng)大沖 擊 破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、振動(dòng)篩、工程機(jī)械、石油鉆機(jī) 1.83.0 當(dāng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為 P 時(shí)以轉(zhuǎn)速為的基本額定壽命 10L 為： 101 LPC （ 4-17） )(10 PCL 106r 式中 P 當(dāng)量動(dòng)載荷， N； 10L 基本額定壽命，常以 106r 為單位（當(dāng)壽命為一百萬轉(zhuǎn)時(shí)， 10L =1）； 壽命指數(shù)，球軸承 =3； C 基本額定動(dòng)載荷，查表取 43.2 310 N。 若軸承工作轉(zhuǎn)速為 n r/min，可求出以小時(shí)數(shù)為單位的基本額定壽命。 hPCnPCnL h 733610 1065.5)8 7 5 102.43(5.351 6 6 7 0)(1 6 6 7 0)(6010 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 24 4.4 齒輪的設(shè)計(jì)與選取 在本設(shè)計(jì)中，所采用傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，并選用錐齒輪。 和其他機(jī)械傳動(dòng)比較，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：工作可靠，使用壽命長；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍廣等。同時(shí)齒輪傳動(dòng)應(yīng)滿足下列兩項(xiàng)基本要求： 傳動(dòng)平穩(wěn) 要求瞬時(shí)傳動(dòng)比不變，盡量減小沖擊、振動(dòng)和噪聲；這樣可以更好的傳動(dòng)動(dòng)力加大平衡穩(wěn)定的行進(jìn)。 承載能力高 要求在尺寸小，重量輕的前提下，齒輪的強(qiáng)度高、耐磨性好， 在預(yù)定的使用期限內(nèi)不出現(xiàn)斷齒等實(shí)效現(xiàn)象。 在齒輪設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和科研中，有關(guān)齒廓曲線、齒輪強(qiáng)度、制造精度、加工方法以及熱處理工藝等，基本上都是圍繞著兩個(gè)基本要求進(jìn)行的。也是處理和達(dá)到精度要求的最為重要的環(huán)節(jié)。 錐齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m和基本齒廓的確定如表 4-8和表 4-9； 表 4-8 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) (St andard module) 錐齒輪 GB 12368-90 1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 11 12 14 16 18 20 表 4-9 直齒錐齒輪基本齒廓 (Basic t oot h p rofile of st raight t oot h bevel gear) 基本參數(shù) 齒形角 a 齒頂高ah 工作齒高 h 頂隙 c 齒根圓角半徑 fp 錐齒輪 GB 12369-90 20 m 2m 0.2m 0.3m 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由表 4-5初取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m 2.5，再由表 4-4確定錐齒輪基本齒廓尺寸數(shù)據(jù)：齒頂高ah 2.5，工作齒高 h =5，頂隙 c=0.5，齒根圓角半徑fp=0.75，大端分度圓直徑d=mm，可得齒數(shù) z=30，齒寬 b=0.3 R ， 為錐距得 b=13.317，取 b=14，錐距 和大端分度圓直徑已知，可得分錐角 57.65。 根據(jù)嚙合公式即可算出 2個(gè)齒輪傳遞功率的大小，達(dá)到所 要求的部分。 小車的基本零件和速度、承重都要合適，通過不同的要求有不同的選擇，經(jīng)過合理的計(jì)算，選擇了合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、前后輪軸、錐齒輪的尺寸型號(hào)，使得小車的各個(gè)零件不僅節(jié)省了不必要的浪費(fèi)，還能保證平穩(wěn)的運(yùn)行。 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 25 4.5 傳感器的選用 4.5.1 紅外傳感器尋跡 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(xué)檢測器（傳感器）接受，經(jīng)過檢測和運(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)，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運(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。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 4-10 光學(xué)導(dǎo)引原理圖 (Optical guiding principle diagram) 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)出的可見光照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測到信號(hào)，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時(shí)，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(shí)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(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可見光信號(hào)。但光敏電阻檢測到黑帶時(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：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進(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) 。 AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 26 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 底 部的某邊紅外線收發(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)合中斷查詢方式，通過程 序控制小車往哪個(gè)方向行走 。 根據(jù) 傳感器應(yīng)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(cuò)，但價(jià)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(duì) 6個(gè)型號(hào)的傳感器測試后，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 40 A的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測距離能達(dá) 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(diào)試方便，我們采用了下圖的電路形式。 4.5.2 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(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。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。其系統(tǒng)框圖如下圖所示 。 圖 4-11 超聲波測距 原理框圖 (The ultrasonic ranging principle block diagram) 圖 4-12 超聲波測距模塊實(shí)物圖片 (Ultrasonic ranging module) 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 27 （ 1） 三種測距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距： 10cm80cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 中距： 80cm400cm左右 （根據(jù)被測物表面材料決定）。 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：單模組就可完成測距實(shí)驗(yàn)，一般只用來做測距 /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，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)專門設(shè)計(jì)的模塊，超聲波測距模組可以方便的和 61板連接，可應(yīng)用在小距離測距、機(jī)器人檢測、障礙物檢測等方面，可用于驗(yàn)證方車輛倒車?yán)走_(dá)以及家居安防系統(tǒng)等應(yīng)用方案驗(yàn)證。 5 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 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。另一種方式則類似汽車的轉(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)承載車前進(jìn)或停止。這里主要用到的是第一種方式。 圖 5-1 差速型轉(zhuǎn)間流程圖 (Differential type to flow chart) 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)承載重量過大時(shí)，可能會(huì)因電機(jī)扭力不足無法動(dòng)作。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)方式，如圖所示。本課題中我們所選的驅(qū)動(dòng)移載機(jī)構(gòu)就為差速型，即小車的前面兩輪為萬向輪，而后面兩輪分別由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制小車的四個(gè)車輪采用實(shí)心樹脂輪胎。且四個(gè)車輪的直徑都為： D=250mm。 車體框架是裝配 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。傳感器接受信號(hào) 判斷位置 利用獨(dú)立電機(jī)以差速方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向 達(dá)到要求位置 No Yes AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 28 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，總的來說 AGV 車架相當(dāng)于汽車底盤，是 AGV 機(jī)械部分的關(guān)鍵。車架設(shè)計(jì)及工藝的合理性直接影響 AGV 的定位精度，應(yīng)滿足的主要條件如下： (1) 車體的強(qiáng)度和剛度必須滿足小車承載及運(yùn)行加速時(shí)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(yīng)有突出部分，以防止碰撞其他物體。 根據(jù)以上所述要求，并能更好地滿足實(shí)際任務(wù)的需要， AGV 整體尺寸設(shè)計(jì)為 0.5 0.4 0.4 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(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。 AGV 車體重心越低，越有利于抗傾翻。 5.2 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 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(xué)檢測器（傳感器）接受，經(jīng)過檢測和運(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)，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運(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。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，整個(gè)“ U”型支架寬，如圖 5-2。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)引線之用，考慮到導(dǎo)引線寬為 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。 右前輪左前輪號(hào)灰度傳感器黑色引導(dǎo)帶 圖 5-2 制導(dǎo)系統(tǒng)安裝位置示意圖 (Guidance system installation diagram) 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 29 5.3 電機(jī)與行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置 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的動(dòng)力性，即車輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力直接決定整車的動(dòng)力性，即車輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力。 自動(dòng)引導(dǎo)車是電動(dòng)車的一種，而電機(jī)是電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)源，提供給整車提供動(dòng)力。目前常用的電動(dòng)車輛驅(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)汽車幾乎全是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。直流電機(jī)本身效率低，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)目前除了小型車外，電動(dòng)車很少采用直流電機(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)簡單，免維護(hù)、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬。目前，世界上眾多著名的電動(dòng)汽車中，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，也無直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。但該類驅(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 。 我們設(shè)計(jì)的 AGV 原理樣車載重總質(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 。 小車采用差速轉(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)子無刷電機(jī)，將其外轉(zhuǎn)子直接作為車輪，且無需配備減速機(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)引起無線電干擾，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(dòng)機(jī) 無刷直流電動(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)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速中運(yùn)行。因此，無刷直流電動(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關(guān)線路三部分組成，它的原理AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車的設(shè)計(jì) 30 框圖如圖 5-4。 圖 5-4 無刷直流電機(jī)原理圖 (Brushless DC motor principle diagram) 采用霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)通常稱為“霍爾無刷直流電動(dòng)機(jī)”。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁的，就可以很方便地利用霍爾元件的“霍爾效應(yīng)”檢測轉(zhuǎn)子的位置。 5.4 電源部分選擇 目前 AGV大多使用鎳鎘蓄電池，鎳氫蓄電池、鋰電池和 鉛酸蓄電池 。下面就對(duì)以上幾種類型的電池進(jìn)行簡單比較： 鎳鎘蓄電池內(nèi)阻小，可供大電流放電，放電時(shí)電壓變化小與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，操作簡單方便放電電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是 1. 2V 左右鎳鎘電池的放電終止電壓為 1V/cell，實(shí)使用溫范圍在 200600 度 ， 在此范圍內(nèi)可進(jìn)行放電。可重復(fù) 500 次以上的充放電。 鎳氫蓄電池鎳氫電池能量比鎳鎘電池大二倍，用專門的充電器充電可在一小時(shí)內(nèi)快速充電 ,自放電特性比鎳鎘電池好，充電后可保留更長時(shí) 間，可重復(fù) 500 次以上的充放。 鋰電池?fù)碛懈吣芰棵芏?。與高容量鎳鎘電池相比，體積能量是其 1. 5 倍，能量密度是其 2 倍。高電壓，平均使用電壓為 3. 6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的 3 倍，使用電壓平坦并且高容量，廣泛的使用溫度 200600 度。充放電壽命長，經(jīng)過 500 次放電后其容量至少還有 70%以上由于鋰電池具備了能量密度高電壓高，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。 鉛酸蓄電池鉛酸電池是一種使用最廣泛的電池，它以海綿狀的鉛作為負(fù)極，二氧化鉛作為正極，我們把這二種物質(zhì)稱為活性物質(zhì)，用硫酸水溶液作為電解液，它們共同參與電池的電化學(xué)反應(yīng)。 鉛酸蓄電池 具有良好的可逆性、電壓特性平穩(wěn)、使用壽命長、適用范圍廣、原材料豐富（且可再生使用）及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用在交通運(yùn)輸、礦山、港口、國防、計(jì)算機(jī)、科研等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)和人類生活中不可缺少的產(chǎn)品。 經(jīng)過以上對(duì) 蓄電池 優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，本課題我們選擇用 2 塊 40Ah 的鉛酸蓄電池串聯(lián)方式構(gòu)成電源，其輸出電壓為 12 2=24V，蓄電池布置在承載車身內(nèi)，總重量為 24 2=48kg 本章中主要是電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)過程，其中對(duì)小車驅(qū)動(dòng)功率、電機(jī)扭矩和蓄電池容量的計(jì)算等作了詳細(xì)的論述。根據(jù)計(jì)算、 分析選擇直流電動(dòng)機(jī)和蓄電池，選擇輪胎，設(shè)計(jì)傳感的安放位置。 直流電源 開關(guān)電路 電動(dòng)機(jī) 位置感應(yīng)器 負(fù)載 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 31 6 控制系統(tǒng) 6.1 電源及驅(qū)動(dòng)芯片模塊 本 AGV 選用的驅(qū)動(dòng)芯片為 L293D, L293 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其后綴有 B， D， E 等，除 L293E 為 20 腳外，其它均為 16 引腳 Vss 電壓最小 4. 5V，最大可達(dá) 36V， Vs 電壓最大值也是 36V。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)， Vs 電壓應(yīng)該比 Vss 電壓高，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。能通過的峰值電流是 1. 2A， 由于是采用橋式電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，它允許的輸出電流是 686. 6mA，據(jù)此可確定電機(jī)的選擇范圍 。 小車由電池組提供電壓，控制系統(tǒng)所需的 5 伏穩(wěn)定電壓由電池組經(jīng)三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后提供。電機(jī)所需的電壓由電池組直接提供。 一個(gè)線性三端穩(wěn)壓器擴(kuò)流電路，此電路是極為常見的一個(gè)線性三端穩(wěn)壓器擴(kuò)流電路 。 電源的缺點(diǎn) 是 電源是線性穩(wěn)壓電路 ， 內(nèi)部功率損耗大 ,全部壓降均轉(zhuǎn)換為熱量損失了 ，效率低 。 所以散熱問題要特別注意 ， 由于核心的元件 7805 的工作速度不太高 ， 所以對(duì)于輸入電壓或者負(fù)載電流的急劇變化的響應(yīng)慢 ， 此電路沒有加電源保護(hù)電路 7805 本身有過流和溫度保護(hù) ， 但是擴(kuò)流三極管 TIP32C 沒有加保護(hù) ， 所以存在一個(gè)很大的缺點(diǎn) ， 如果 7805在保護(hù)狀態(tài)以后 ， 電路輸出超過預(yù)期值 ， 這點(diǎn)要特別注意 。 電源的優(yōu)點(diǎn) 是 電路簡單 ， 穩(wěn)定 。 調(diào)試方便 (幾乎不用調(diào)試 ) 價(jià)格便宜 ， 適合于對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品電路中幾乎沒有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號(hào)的元件 ， 工作頻率低 ， EMI 等方面易于控制 。 電阻 R 的大小 R 的大小對(duì)調(diào)整通過 7805 的電流有很大的關(guān)系 ， 取不同的值帶入上式即可看出 。 R 越大 ， 則輸出同樣的電流的情況下流過 7805 的電流要小些 ， 反之亦然 。 通常這樣的電路中 ， 對(duì)于擴(kuò)流三極管 TIP32 加散熱片 ， 而對(duì)于 7805 則無需要 ， 但是 R 的值不能過大 ， 其條件是 ： R VBE /( IREG IB)。 它的額定輸入輸出都是 5 伏特，其作用是隔離干擾，消除信號(hào)源端的熱噪聲。 圖 6-1 光電耦合器（ TLP521-4） 6.2 電路的設(shè)計(jì)及行走策略 電路設(shè)計(jì)的主要思想就是由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分對(duì)前面的數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，數(shù)字系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是不共地的，它們之間使用光電隔離器，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。整個(gè)電路由兩個(gè)不共地的 12V 電源供電。一路 12V 供顏色傳感器和經(jīng) 7805 轉(zhuǎn)換成 5V 供單片機(jī)系統(tǒng)，如圖所示，另一路 12