自动导引小车设计说明书课件

目录 第 1 章 绪 论 .1 1.1 论文研究的背景及意义.1 1.2 自动导引小车的定义及特点 .2 1.3 AGV 的发展历史 .3 1.4 自动导引小车的应用现状 .4 1.5 AGV 的关键内容及本论文的研究内容 .6 第 2 章 AGV 中机械部分零件的设计7 2.1 设计任务 .7 2.2 总体结构设计 .7 2.3 电动机的选择 .8 2.4 联轴器设计 10 2.5 蜗杆传动设计 11 2.6 轴的设计 13 2.7 滚动轴承的选择计算 19 第 3 章 AGV 结构设计以及动力学建模.24 3.1 AGV 系统结构设计 24 3.2 AGV 小车的动力学建模 25 第 4 章 控制系统与行走策略 34 4.1 控制系统 34 4.2 行走策略 45 4.3 传感器采样 46 4.4 控制策略 46 4.5 动作类型 46 第 5 章 总结与展望 48 5.1 全文总结 48 5.2 研究展望 49 参考文献 .50 第一章第一章 绪论绪论 内容提要:本章介绍本论文研究的重要意义，综述自动导引小车的基本概念、 组成及其发展简史、应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、 关键技术，在此基础提出了本论文的研究内容。 1.1 论文研究的背景及意义 21 世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓 住市场机遇开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产 批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。繁重制造装各的可编程、可重组和快速响 应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。由于机器 人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重 组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业 跨越发展提供重要的技术支持。自动导向小车(Automated Guided Vehicle 简称 AGV)是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储 运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。AGV 主要有两类 形式，一种是固定路径 AGV，它的运行路径是固定的，且有轨道，故导引技术相对 简单;另一种是自由路径 AGV，由于没有轨道，它为 AGV 自由运行提供了最大可能， 但由于技术限制，AGV 沿任意路径自由运行仍是一个有待解决的技术难题。 在以往的生产线上，导向式 AGV 是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引 式等方法。这些方法都需要预先规划好 AGV 的运行路线，而且生产车间的装置不 能随意移动。随着生产车间智能化的提高，导向式 AGV 明显降低了 AGV 的柔性。 因此，非导向式 AGV 将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式 AGV 系 统中，AGV 的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及 时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。 资料显示:在产品生产的整个过程中，仅仅有 5%的时间是用于加工和制造，剩 余的 95%都用于储存、装卸、等待加工和输送:在美国，直接劳动成本所占比例不 足生产成本的 10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产 成本的 40%.因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为 企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的 方向发展。自动导引小车 AGV 适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和 搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。 目前，在我国某些汽车、烟草行业，AGV 已投入使用，并取得了良好的经济效 益。但从使用形式来看，大都采用属于固定路径导向范畴的电磁导引 AGV，无固定 路径自主导向的 AGV 由于诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。因此 进行自 山路径导向式 AGV 的研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义， 而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。 1.2 自动导引小车的定义及特点 根据美国物流协会定义，AGV 是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规 定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能 的运输小车。AGV 是以电池为动力、装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾 驶自动运输车。AGVs 是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行 的 AGV 组成。AGVs 在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件 而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。 应用 AGV 具有很多特点: (1)AGV 可十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如 AS/RS(通过出从库台)、 各种缓冲站、自动积放链、升降机和机器人等；实现在工作站之间对物料进行跟 踪;对输送进行确认；按计划输送物料并有执行检查记录:与生产线和库存管理系 统进行在线连接以向工厂管理系统提供实时信息。 (2)采用 AGV 由于人工检取与堆置物料的劳动力减少，操作人员无需为跟踪物 料而进行大量的报表土作，因而显著提高劳动生产率。另外，非直接劳动力如物 料仓库会计员、发料员以及运货车调度员的工作的减少甚至完全取消又进一步减 低了成本。 (3)AGV 运输物料时，很少有产品或生产设各的损坏，这是因为 AGV 按固定路 径行驶，不易与加工设备和其他障碍物碰撞。 (4)绝大多数 AGV 的使用者均证明，2 到 3 年从经济上均能收回 AGV 的投资成 本。 (5)AGV 通过安装在地面之下的电缆或其他不构成障碍的地面导引物，其通道 必要时可作其他用处。 (6)系统具有极高的可靠性。AGVs 由若干台小车组成，当一台小车需要维修时， 其它小车的生产率不受影响并保持高度的系统可利用性。 (7)节约能源与保护环境。AGV 的充电和驱动系统耗能少，能量利用率高，噪 音极低对制造和仓储环境没有不良影响。 1.3 自动导引小车的发展简史 世界上第一台 AGV 是由美国 Barrett 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，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以 真空管技术为基础的控制器。到了 60 年代和 70 年代初，除 Barrett 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 寸的托盘搬运促进了 AGV 的发展。欧洲的主要制造厂家有 Schindler-Digitron, Wagner, HJC, ACS, BT, CFC, FATA, Saxby, Denford 和 Bleehert 等。70 年代中 期，欧洲约装备了 520 个 AGV 系统，共有 4800 台小车，1985 年发展到 10000 台左 右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为:汽车工业(57 峋，柔性制造系统 FMS(8)和柔性装配系统 FAS(44 % ),欧洲的 AGV 技术 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。芝加哥的分发中心从欧洲引进直接 由计算机控制的 AGVs, 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，通用汽车公司成为 AGV 的最大用户，1986 年己 达 1407 台(包括牵引式小车。叉车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),运输量更人，移载时间更短，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。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 累计安装了 2312 个 AGVs,拥有 5032 台 AGV。 我国 AGV 发展历史较短。北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究规划 院、中国科学院沈阳自动化所、人连组合机床研究所、清华大学、国防科技大学 和华东工学院都在进行不同类型的 AGV 的研制并小批量投入生产。1975 年北京起 重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的 AGV, 1989 年北京邮政科 学研究规划院完成我国第一台双向无信电通信的 AGV。该院已能进行 AGV 的批量生 产，己生产的和正在制造的 AGV 达 23 台(截止于 1996 年)。沈阳自动化所在 AGV 技术方面己取得了多项研究开发成果和专利，解决了 AGV 车体设计、控制、导航 和高度管理等一系列关键技术问题，形成了装配型 AGV 和搬运型 AGV 两大系列产 品，成为国内唯一能够提供自主品牌 AGV 产品的单位。其产品性能国内领先，达 到国际先进水平，井于 19%年度将搬运型 AGV 系统技术出口韩国三星公司，实现了 高技术出口。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了六台 AGV，用于装配线上，可 以说是汽车土_业中用得较成功的 AGV。以上的 AGV 均为固定路径导引方式。清华 大学独立研制的“自由路径自动导向 AGV属无固定路径导引的类型，在路径跟踪 研究方面具有较高的水平。我国越来越多的工厂，科研机构已采用 AGV 为汽车装 配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如:上海金山化工 厂、华宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的 AGV 既有国外引进也有国产的。 80 年代，AGV 就已进入我国市场，今后必将得到迅速发展和普及应用。这不 仅是现代工业迅速发展的需要，更主要是 AGV 本身所独具有的优越性所决定的。 AGV 自动导向车系统，是伴随着柔性装配系统、计算机集成制造系统以及白动化立 体仓库产业发展起来的，是物流系统中革命性的换代产品。作为一种高效物流输 送设备和工厂自动化的理想手段，随着经济的发展，在我国 AGV 的应用领域必将 越来越大。 1.4 自动导引小车的应用现状 由于 AGV 具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此， 广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、 电子行业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达到百米/分钟，运输能力可以从 几千克到儿十吨。AGV 是一种非常有前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统 (FMS)和柔性装配系统(FAS)中被认为是最有效的物料运输设备。 随着电子和控制技术的发展，AGV 的技术也在不断进步，正在朝着性能更优越、 更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。其应用领域也在不断扩展。 这种十儿年前只是用作工厂内的物流输送设各，现在己经不仅仅局限于工厂之内， 己成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的 效果。 AGV 的应用领域主要在制造业，在重型机械及部分非制造业中也有应用。AGV 在制造业中主要用于物料分发、装配和加工制造二个方面411。其中装配作业中 AGV 用量最大，而汽车工业又是 AGV 的应用大户。美国通用汽车公司 90%的 AGV 用 于汽车装配线，西欧各国用于汽车装配的 AGV 占整个 AGV 数量的 57 Yo。物料分发 主要是指生产工序间的物料移送和仓库作业中的物料移送。随着电子工业的进一 步发展，电子工业中 AGV 的使用极具市场潜力。其原因在于消费者需求的变化日 益加快，生产系统必须适应市场的变化要求，其中 FMS(柔性制造系统)即为以灵活 的生产方式适应市场变化的制造方式，对于 FMS 来说，各加工单元之间的中(小) 批量元器件的送发效率要求极高，而 AGV 能提供柔性最好的输送，AGV 可以很方便 地对 AGV 的输送工艺路线进行编程，使之按要求的路 径和方式到达装配线的指定位置。在净化室中，AGV 更可大显身手，它可满足净化 耍求极高的操作。 在重型机械行业中，AGV 主要用来运送模具和原材料(如成卷带钢等)。因而 AGV 要求承载量人，通常为 2.22-4.5t,最大者可达 6.3t。配各了功率较大的移藏 装置也是这类 AGV 的特点。在 AGV 上配备大型机器人用以对大型金属构件进行喷 漆(如屹机骨架的喷漆)是 AGV 在重型行业中的应用之一 在非制造业中，AGV 的应用越来越普遍。现代化的庆院安装 AGV 系统，把取 样从门诊部自动运送到中央化验室;把药物、医疗用品、食品、衣着用品从中央物 料管理中心输送到医院的各个部门。邮政部门也广泛采用 AGV，如将邮件进台区 的邮件输送到处理区，将处理区的邮件输送到邮件出台区。为了加大运输量，使 用了牵引式 AGV 系统，一次可以牵引多台邮件车。大型的办公大楼也开始安装 AGV 系统，用以运送邮件、电文和包裹到各个分区部门。宾馆业采用 AGV 把食品从厨 房运送到客房。AGV 也可作为机器人的“脚” ，使机器人可在更大范围内自动完成 作业，如在 AGV 上配各机器人用于光整水泥地面。在具有核辐射危险的地方，常 使用 AGV 机器人用于核材料的搬运。 15 AGV 的关键技术及本论文的研究内容 1.5.11.5.1 自动导引小车的关键技术自动导引小车的关键技术 为使自动导弓小车成功地完成一项任务，最主要的是如何使小车在复杂的环 境中以较小的代价到达目的地。这就涉及到如下几个问题的解决，即： (1)如何从环境中得到自动导引小车周围的障碍物信息及其它相关信息； (2)如何根据内部及外部传感器来回答小车当前处于环境中的什么位置； (3)如何根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略； (4)如何产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。 这四个问题的解决对于在实时环境中运动的小乍来说是缺一不可的，与此相 对应的技术即为传感器技术、自定位技术、规划决策技术和运动控制技术。 1.5.21.5.2 本论文研究的主要内容本论文研究的主要内容: : (I)激光导引 AGV 模型的总体结构设计； (2)激光导引 AGV 的总体结构分析； 1.6 本章小结 本章介绍了本论文研究的重要意义，综述了自动导引小车的基本概念、组成 及其它的发展简史和应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、 关键技术，在此基础上提出了本论文的研究内容。激光导引具有精度高、柔性好 的特点，本论文研究中用其来实现 AGV 的引导。 第二章第二章 AGVAGV 中机械部分中机械部分设计设计 内容提要：本章主要介绍了这次 AGV 机械部分设计中的一些主要部件的选取。 比如说有私服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。 介绍其选取方法只要结构及其主要的参数问题。 2.1 设计任务 设计一台自动导引小车 AGV，可以在水平而上按照预先设定的轨迹行驶。本 设计采用 AT89C51 单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现小车的左、右转弯，直 走，倒 退，停止功能。 其设计参数如下: 自动导引小车的长度:500mm 自动学引小车的宽度:300mm 自动导引小车的行驶速度:100mm/s 2.2 总体结构设计 AGV 的机械结构主要由车架，移载装置，驱动部件三大部分组成。其中驱动部 件是机械部分的核心部分，它主要完成小车的行走，导向等任务。本设计中的小 车使用的是三轮二驱，即后面两个为电机驱动的定向轮，前面为万向轮。移载装 置是由几根滚筒组成，将这些滚筒间隔的固定在小车，然后通过一个步进电机带 动它们转动，这样就可以将货物自动的卸载。在进行小车的机械设计时需要在小 车上面预留一些位置用来放置红外模块，超声波模块，磁检测传感器，主控板和 蓄电池等设备。 控制结构主要由主控板、超声波避障模块、红外定位模块、磁检测传感器引导 模块、步进电机驱动模块、电量检测模块、指示灯模块等部分组成。控制结构的 每个模块都和机械部件有紧密的联系，它们必须结合机械部件进行设计和调试。 以下简要介绍硬件个模块的功能 第三章第三章 AGVAGV 系统结构设计以及动力学建模型系统结构设计以及动力学建模型 内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动 力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。 3.1 AGV 系统结构设置 所设计的 AGV 小车的模型如图 2.1 所示。小车采用前后轮独立驱动的模式， 后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴 来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。 1. 蓄电池组 2. 伺服交流电动机 3. 激光扫描仪 4. 车载控制器 5. 无线通讯装置 6. 伺服交流电动机 7. 减速器 8. 驱动车轮 图 2.1 AGV 小车的模型图 由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步 性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔 性连轴器来连接。 3.2 AGV 小车的动力学建模 自从 A G V 问世以来，人们在自动导引车的控制过程中一般满足于基于运动 学的控制模型，而很少有人进行基于动力学的控制设计等方面的内容。事实表明， 根据 AGV 车体动力学模型，可以得到直接的电机输入与行走、导向车轮转速的非 线性的耦合关系，将对指导车体机械结构设计、路径规划以及合理的路径跟踪控 制规律设计有重要而且深远的意义。 由于 A G V 在实际问题中有较严格地面要求的环境中运动，车速较低，限定 了加速度的问题，而不会发生明显的车体“上跳”运动的现象出现，故可以在二 维空间来研究其动力学模型。现以我以后轮为电机带动齿轮来实现动力驱动的方 式传达力矩，前轮则为由电机直接带动轴的转动从而达到转动的方式来实现转向 的 AGV 为例建立动力学模型。 AGV 由车体、蓄电池和充电系统、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、超声探障保护子系统、移载装置和车体方 位计算子系统等等组成。 “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 常监控器可完成以下监控: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，完成任务后路原道返问到导 引路径上来 根据上述的介绍，我们可以不难看出同步行进的四轮 AG V 机械结构分为以下 几个部分: 车体部分：包括车架、蓄电池、驱动电机、转向电机和齿轮减速机构等，车 体受到由后轮传动来的驱动力和前轮的反作用力的作用。 驱动后轮：所受的外力可能有两部分组成。一部分是地面的作用力：另一部 分是来自车体给于的外力。其中这部分力包括自身的支撑反力和电机产生的等效 驱动力矩等。通过齿轮改变转速来调节速率可以得到不用的转速，从而改变 AGV 的的运动行进方向，已经更好的做到预定的线路跟踪。 前轴和连轴：起到支撑作用，同时车轮和竖轴是同轴的，前轮的转动有地面 给于的摩擦力也有电机传递的力矩。 3.2.13.2.1 车体运动建模车体运动建模 车体受力的示意图见图 2.2。图中 L、A 为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体 的连接处。图中的 R、B 为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体 在 L、R、A、和 B 处分别是受到图示沿 X、Y 方向的阻力和沿 Z 方向的扭矩。C 则 为车体的重心，通过 C 建立起瞬时惯性坐标系 O-XYZ,X 轴则平行于 L=R 的连线，Z 轴垂直于车体的平面。为车体集合参数，分别表 212121 ccaabb、 x vw y 、v 和 示的是车体质心的 X 向、Y 向的速度和 Z 向的角速度。 在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下： (2.1) cxAXBXLXRX m vFFFF (2.2) cyAYBYLYRY m vFFFF 11cAZBZRZAXAY j wMMMF bF c (2.3) 122122BXBYLXLYRXRY F bF cF bF aF bF a 上面式子中分别为车体质心的质量和转动惯量。车体的前轮 A、B 处的 cc mj和 运动方程为 1AXx vvbw （2.4） 1AYy vvc w （2.5） 1BXx vvc w （2.6） 2BYy vvc w （2.7） 2 11AXx vvbwc w （2.8） 2 11AYy vvc wbw （2.9） 2 12BXx vvbwc w （2.10） 2 21BYy vvc wbw （2.11） 车体 L 和 R 处运动的方程为： 2LXx vvb w （2.12） 1LYy vva w （2.13） 2 21LXx vvb wa w （2.14） 2 12LYy vva wb w （2.15） 2RYx vvb w （2.16） 2RYx vva w （2.17） 2 22RXx vvb wa w （2.18） 2 22RYy vva wb w (2.19) 3.2.23.2.2 驱动后轮的运动建模驱动后轮的运动建模 左后轮受力图见图 2.3 所示，图中瞬时惯性坐标系 L-与图 2.2 的方 LLL ZYX 向是一致的，可以认为是由 O-XYZ 平移到 L 点从而形成的坐标系， 相对应，他们是车体与左轮之间大小相2.2 LxLyLzLXLYLZ FMFFM、F 、与图中的、 等方向相反的作用力（力矩）和反作用力（力矩） 。是驱动电机经过齿轮减 L M 速后传递给左轮的驱动力矩，是轴承对左轮的摩擦阻力矩，是滚动阻力 SL M LV M 矩，是地面对左轮的侧滑动摩擦力，是轴承对左轮的滚动摩擦力， LX F SL F 是地面对车轮的扭矩摩擦力矩，是左后轮的转动角速度（为转动轴） 。 LZ M L w L X 左后轮动力学方程为 LLXLXLX M vFF (2.20) LLYLYLY M vFF (2.21) LXLLSLLYLLF JwMMF RM (2.22) LZLZLZLZ JwMM (2.23) 上式中，分别是左后轮的质量以及其沿着旋转轴的转动 LLZLXL RJJM、 L X 惯量、沿着轴的转动惯量和半径。为其在 L-XYZ 坐标下的速度，与 L Z LYLX VV、 车体对应点的速度是同一值。是左后轴沿轴的扭转角速度。 LZ W L Z 对于右后轮来说，传动齿轮啮合是在轴中心处，故左右受的力是相同的，因 此建立类似的动力学方程为： RRYRXRX M vFF (2.24) (2.25) RRYRYRY M vFF (2.26) RXRRSRRYRRF JwMMF RM (2.27) RZRZRZRZ JwMM 上述各式中，有关物理量的具体意义同对左后轮的说明类似，这里就不做过 多说明了。由于 AGV 速度和加速度均较小的原因，轮子的侧滑阻力很大，假设其 中的。这样看来车体将以位于左右轮轴线上的某一点为瞬时速0 RXLX VvM 度中心，以角速度 w 转动，我们根据所了解的知识，我们不难看出一点，通过左 右轮转动计算，根据下图 2.4 所示： 即： LXLV vwv (2.28) RYRY vwv （2.29） 将以上的 2 个式子带入（2.14） ， （2.18）中可以看到 12 RYLY vv w aa （2.30） (2.3.1) 12 RYLY vv w aa 将代入式子（2.12）和式子（2.13）即可得0 RXLX vv （2.32） 2X vb w 1YLY vva w (2.33) 式子（2.14）和式子（2.15）可改写成 2 21XLY vwvb wa w （2.34） 2 12YLY vva wb w （2.35） 式子（2.4）至式子（2.11）变为 （2.36） 12 () AX vbb w （2.37） 11 () AYLY vac wv （2.38） 12 () BX vbb w （2.39） 12 () BYLY vac wv 2 1211 ()() AXLY vwvac wac w （2.40） 2 1112 ()() AYLY vvac wac w （2.41） 2 1211 ()() BXLY vwvbb wac w (2.42) 2 1212 ()() BYLY vvac wbb w （2.43） 3.2.33.2.3 车体整体的动力学模型车体整体的动力学模型 为了能够更好的取得车体整体的动力学模型，根据 AGV 的实际情况作出如下 的简化： (1) 左右前轮和轴是一体的，再前行或后退的同时不打滑，只看做是纯滚动， 则有： LYLLLYLL vR wvR w RYRRRYLL vR wvR w (2) 车体设计左右是对称的，则有： 1212 aaaccc， (3) 左轮的直径及其质量和右轮 LRR RRRMM L ，M (4) 前轮左右也是一致的和后轮的大小重量以及有些不受力或比较想的部分 我们可以忽略不计其的转动惯量，即： DGEF MMMM 0 DGEXEZFXFZ JJJJJJ 在上述简化后的基础上，联立前述车体、左右驱动后轮的动力方程可以得到 车体整体的动力学方程。该动力学方程中可以表示为左、右轮所受的动力 和左、右轮转动的角速度之间的关系。 BL MM 、 RL w、w 任何一种导引方法的实现最终都归结为路径跟踪控制的问题上。对于固定路 径型的 AGV 由于具有体现路径的导引媒介物，通过传感器就可直接获得车体对路 径的横向偏差和车体方向偏差，以这种偏差作为误差信号通过车体动力学直接对 车体进行跟踪控制。但是对于自由路径型 AGV，车体对路径之偏差量的获取就要困 难得多，以车体方位推算导向的自由路径 AGV 为例，其方位和对于路径的偏差是 通过对车轮转动角度积分计算而获得，其要实现需较大的计算量和通信量。作为 一种较好的解决办法是差速驱动的自由路径控制。其路径可简化为一系列直线段 和圆弧段的组合。只要保证左右轮的转动角速度满足给定的比例关系(即同步误差 为零)，AGV 就能跟踪这种具有恒定半径(直线和圆弧)的路径。车体动力学方程是 实现差速驱动的理论基础之一，结合模糊控制方法，可以实现差速驱动路径跟踪 过程。 3.3 本章小结 动力学方程能够帮助 AGV 的建模、车体结构、刚度设计和路径跟踪控制提供 理论依据的基础。本章主要介绍了所设计及其制作的一辆有电机带动齿轮差动驱 动后轮，前轮有电机直接控制实现转向的的四轮 AGV 小车，并建立了所需要的运 动学方程。 第 4 章控制系统与行走策略 4.1 控制系统 4.1.14.1.1 控制系统总体方案控制系统总体方案 本系统使用 AT89C51 单片机作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数字 编码器在电机运转时发出的脉冲信号，经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路，可 以得到电机的运转方向；来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到两块 8253 计 数器进行计数，以获得电机的旋转速度和位移；经过在 AT89C51 单片机上运行的 各种控制程序的适当运算以后，输出的控制量经过两块 DAC1208 转换器变成模拟 量，输出到两块 UC3637 直流电动机脉宽调制器，通过 H 桥开关放大器，作为执行 机构的速度或者力矩给定，从而控制电机的运转，使整个 AGV 自动导引小车能够 完成所设计的控制任务。 整个控制系统的组成框图如下： 图 4-1 控制系统的组成框图 1). 鉴向 伺服电机根据控制要求能够工作在四个不同的象限，作为系统的状态检测部 分，必须能够检测电机的转速及分辨电机不同的旋转方向。安装在电机旋转轴上 的数字编码器在电机运转时能够产生相位相差 90 度的两路脉冲信号，电机的旋转 方向可以由鉴向电路对此两路脉冲进行鉴向后获得，其原理如图 4-2 所示。 图 4-2 鉴向原理 伺服电机反转时，A相脉冲超前于B相脉冲90度，在cp十端输出反向计数脉冲， 当正转时，B相脉冲超前于A相脉冲90度，在cp一端输出正向计数脉冲，见图4-3中 的(b)和(c所示，分辨出的脉冲进入脉冲计数电路进行计数，再由计算机读入进 行处理。其电路图见图4-3中的(a)所示。 图 4-3 电机转向分辨电路 本次设计使用的数字编码器为500P/ R ,即电机每旋转一周输出500个脉冲,电 机到车轮的减速齿轮的减速比为62 : 1 ,因此车轮每前进或者后退一周产生 50062 即31000个脉冲,可见分辩率非常高。编码器的脉冲输出为差动形式,鉴向 电路接收差动形式的脉冲信号,鉴向后输入到8253计数器。 2).计数的扩展 为了得到驱动轮运转的速度、位移等,而数字编码器的输出经过鉴向电路提供 的是电机的正转和反转脉冲,必须对这些脉冲分别进行计数、运算才能得到所要的 速度、位移等状态量。本系统中使用了两块8253计数器,每块芯片具有三个16 位 计数器。四个独立的计数器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分别用于两台电机的正/ 反 转脉冲的计数。 8253可编程定时器计数器可由软件设定定时与计数功能，设定后与CPU并行 工作，不占用CPU时间，功能强，使用灵活。它具有3个独立的16位计数器通道， 每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数，每个计数器都有6种工作方式， 计数频率可高达2MHz，芯片所有的输入输出都与TTL兼容。 8253的内部结构框图如图4-4所示；引脚如图4-5所示。 图4-4 8253内部结构框图 图4-5 8253引脚图 U6地址为：8000H计数器0 8001H计数器1 8002H计数器2 8003H控制字 U7地址为：6000H计数器0 6001H计数器1 6002H计数器2 6003H控制字 U6读/写控制逻辑接线：，； 4 CSY 00 QA 11 QA U7读/写控制逻辑接线：，。 3 CSY 00 QA 11 QA U6芯片中计数器0和计数器1用于左轮电机正反转计数，并处于工作方式3。U7 芯片中计数器0和计数器1用于右轮电机正反转计数，并处于工作方式3。在中断服 务程序中,这四个计数器分别对两台伺服电机的正/ 反脉冲进行计数,所得到的计 数值减掉上一次的计数值,就可以得到在这一时间周期内的各路脉冲数。右轮反转、 正转和左论反转、正转的结果分别存于临时变量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中,在主程序中通过对它们进行运算就可以得到移动机器人的状态量了。 3).中断的扩展 AT89C51 单片机是使用两个级联的 8259A 中断控制器来控制中断的。主 8259A 芯片上的 IRQ2 扩展成从片上的 IRQ8IRQ15 使用。8259A 作为一种可编程中断控制器，是一种集成芯片。 它用来管理输入到 CPU 的各种中断申请，主要 外围设备，能提供中断向量、屏蔽各种中断输 入等功能。每一个 8259A 芯片都能直接管理 8 级中断，最多可以用 9 片 8259A 芯片级连，由其构成级连机构可以管理 64 级中断。 8259A的外部引脚： ：数据线，CPU通过数据线向8259A发送各种控制命令和读取各种状态 70 DD 信息。 INT：中断请求，和CPU的INTR引脚相连，用来向CPU提出中断请求。 ：中断响应，接收CPU的中断响应信号。INTA 图4-6 8259A引脚图 ：读信号，低电平有效，通知RD 8259A将某个寄存器的内容送到数据总线上。 ：写信号，低电平有效，通知8259A从数据线上接受数据（即命令字）。WR ：片选信号，低电平有效。CS ：端口选择，指出当前哪个端口被访问。 0 A ：接收设备的中断请求。 07 IRIR ：级联端，指出具体的从片。在采用主从式级联的多片8259A的 20 CASCAS 系统中，主从片的对应连接在一起。 20 CASCAS ：主从片/缓冲器允许，双功能引脚，双向。它有两个用处：当作为输SP EN 入时，用来决定本片8259A是主片还是从片。作为输出时，当从8259A往CPU传送数 据时，由引出的信号作为总线启动信号，以控制总线缓冲器的接收和发送。SP EN 本次设计采用两片8259A进行级联：主片的引脚连接从片的中断请求INT， 2 I R 如果某一个引脚下面没有连接从片，则可以直接连接外部中断请求；而主片、从 片的中断响应信号和数据信号互相连在一起。主片CAS和从片CAS互相I N TA 07 DD 连在一起，当从片数量较多时，可以在主片CAS和从片CAS之间增加驱动器。主片 的接高电平。从片的接低电平。在8259A的主从式级联方式中，中断SP ENSP EN 的优先级设置类似于单片机的情况。级联如图4-7所示。 AT89C51 74HC138 8259A U0 U8 U5 主 从 U4 8259A 图4-7 8259A的级联 4).数模转换器的选择 将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器(digital-analog converter),简 称为DAC。数/模转换器的主要技术指标有分辨率、转换精度、线性误差和建立时 间。 分辨率 指最小输出电压与最大输出电压之比。本次设计采用DAC1208芯片， 故其分辨率为。 4 12 1 2. 44210 21 转换精度 以最大的静态转换误差的形式给出。DAC1208芯片为12位数/模转 换器其最大误差为:,精度为。 112 1 110 0. 00122 2 22 2 nn FSFS AV 0. 01 线性度 指 DAC 的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。 建立时间 在数字输入端发生满量程码的变化以后，数/模转换器的模拟输出 稳定到最终值1/2LSB时所需要的时间，当输出的模拟量为电流时，这个时间很 短。 DAC1208的内部结构及引脚如图4-8和图4-9所示。 图4-8 DAC1208的内部结构图 图4-9 DAC1208的引脚图 DAC1208内部对输入数据具有两级缓存：8位输入寄存器、4位输入寄存器和12 位DAC寄存器，这三个寄存器可以分别选通。 DAC1208有三种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式、直通方式。 所谓的单缓冲方式就是使DAC1208的两个输入寄存器中有一个处于直通方式， 而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。 所谓双缓冲方式，就是把DAC1208的两个锁存器都接成受控锁存方式。本次设计 采用双缓冲方式，目的是为了让两个直流伺服电机能够实现同步。 所谓直通方式，输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即 信号均有效，数据被直接送入数/模转换电路进行数/模转换。 12 I LEW R W RXFERCS CS WR1 AGND DI9 DI8DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 VREF Rfb DGND Vcc BYTE1/BYTE2 WR2 XFER Iout2 Iout1 DAC1208 1 10 9 8 7 6 5 4 3 2 20 14 15 16 17 18 19 1312 11 24 23 22 21 (LSB)DI0 DI1 DI11(MSB) DI10 +5V+5V OAOA AT89C51 74LS373 27646264 DAC1208 74HC138 U0 U1 U2U3 U9 U8 U10 DAC1208 图4-10 DAC1208双缓冲连接方式 U9输入寄存器地址为3FFFH DAC寄存器地址为5FFFH U10输入寄存器地址为1FFFH DAC寄存器地址为5FFFH 本次设计采用DAC1208芯片的数/模转换器其连接方式如图4-10所示。 为高电平时，选中数据输入到8位输入寄存器；当BYTE BYTE 114 D ID I 为低电平时，选中数据输入到4位输入寄存器；片选信号，BYTE BYTE 30 D ID IC S 低电平有效，和输入锁存信号一起决定第一级数据锁存是否有效。第 1 I LE W RI LE 一级允许锁存，高电平有效。写信号1，作为第一级锁存信号，必须和 1 W R 同时有效。写信号2，作为第二级锁存信号，必须和同时有效。C SI LE 2 W RXFER 控制信号，低电平有效，和一起决定第二级数据锁存是否有效。模XFER 2 W R 1O U T I 拟电流输出端，DAC寄存器全1时最大，全0时为0。模拟电流输出端，和 2O U T I 有一个常数差：常数，此常数对应一个固定基准电压的满量程 1O U T I 12O U TO U T II 电流。参考电压输入端，可正可负，。 R EF V1010V 5).5).电机驱动芯片选择 电机驱动采用PWM技术来驱动直流伺服电动机。PWM技术为脉宽调制技术其可 通过输入直流电压，在其输出可以得到频率固定、脉冲幅度一定、脉冲宽度与 i n u 输入信号成线性关系的方波脉冲串,利用该方波脉冲串驱动功率放大电路，从而控 制伺服电机的转速。采用PWM技术的优点是，PWM具有较高的切换频率，这有助于 克服伺服电机的静摩擦力矩，与其线性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而 在伺服系统中得到了广泛的应运用。为了改善伺服电机的运行特性，必须适当选 择PWM的切换频率，其选择可参考以下原则： a)切换频率应能使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性。即 (3-1) TM ff 其中，为力矩常数，为PWM电源电压，为电感，为电机静4 MC fkULTk C ULT 摩擦力矩。 b)微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即 (3-3) 3 192 C T kU f LJ 其中J为转动惯量，为设定的位置误差。 c)尽量减少电机产生的高频功耗。即应使得 (3-4) 2 A T R f L 其中为电内阻。 A R 一般伺服电机的电感很小，如果切换频率不高，导致交流分量很大，很容易 损坏功率晶体管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率桥放大电路来驱动伺服电机， 其UC3637原理如图4-11所示，根据上述原则选择切换频率为30KHz。 UC3637的特点： 单电源或双电源工作，2.520 V 双路PWM信号输出，驱动电流能力为100mA 限流保护 欠电压封锁 有温度补偿，2.5V阀值的关机控制 图4-11 UC3637原理框图 UC3637的结构与功能： 三角波发生器：CP，CN，S1，SR1；PWM比较器：CA，CB；输出控制门： NA，NB； 限流电路：CL，SRA，SRB；误差放大器：EA；关机比较器：CS； 欠电压封锁电路：UVL。 UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图4-12所示。 图4-12 恒幅三角波产生电路 三角波参数的计算 取PWM定时电路充电电流为0.5Ma,则有 (3-5) 0.0005 STH T VV R 6 (3-6) 0.0005 4 T TTH C f V 6 其中，为PWM频率。由允许电机最大电流决定。 T f max 3.21IA S R (3-7) max 0.2 S R I 对于图3-12所示的控制系统，要求： 24 S VV max 10 c VV 10 IN Rk PWM 频率30fkHz 限流 max 8IA 取 1a 计算得 (3-8) 4 3 max 1 21 2 1024 2 16.55 11024 2 1 INS cS R V a Rk VV a (3-9) 43 43 22 1016.55 103.45 IN RRRk (3-10) 3 4 4 24 3.45 10 3.768 22 10 S R IN V R VV R 3.768 TH VV (3-11) 3 23 3.768 22 16.55 106.16 243.768 TH STH V RRk VV 243.768 55.536 0.00050.0005 STH T VV Rk 13 16.55RRk 9 3 0.00050.0005 1.11 10 44 30 103.768 T TTH CF f V 式中：为三角波峰值的转折（阈值）电压；为电源电压；为定时电阻； TH V S V T R 为定时电容；为恒流充电电流；为振荡频率。C3637具有一个高速、带宽 T C S If 为kHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补 偿运放。 4.1.24.1.2 电源模块电源模块 小车由电池组提供电压，控制系统所需的 5 伏稳定电压由电池组经三端集成 稳压器稳压后提供电机所需的电压由电池组直接提供一个线性三端稳压器扩 流电路， 此电路是极为常见的一个线性三端稳压器扩流电路。 （1）电路工作原理. Io = Ioxx + Ic. Ioxx = IREG IQ ( IQ 为 7805 的静态工作电流,通常为 4-8mA) IREG = IR + Ib = IR + Ic/ ( 为 TIP32C 的电流放大倍数) IR = VBE/R1 ( VBE 为 TIP32 的基极导通电压) 所以 Ioxx = IREG IQ = IR + Ib IQ = VBE/R1 + IC/- IQ 由于 IQ 很小,可略去,则: Ioxx = VBE/R1 + IC/ 查 TIP32C 手册,VBE = 1.2V, 其 可取 10 Ioxx = 1.2/R + Ic/ = 1.2/22 + Ic/10 = 0.0545 + Ic/10 (此处取主贴图中的 22 OHM ) Ic = 10 * (Ioxx 0.0545 ) 假设 Ioxx = 100mA, Ic = 10 * ( 100 - 0.0545 * 1000 ) = 455(mA) 则 Io = Ioxx + Ic = 100 + 455 = 555 mA. 再假设 Ioxx = 200A, Ic = 10 * ( 200 0