自动导引小车(AGV)的研究和应用论文[带图纸].doc

AGV自动引导小车设计摘要随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV(AutomaticGuidedVehicle)即自动导引车作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。本文介绍了AGV在国内外的发展现状和应用情况，在此基础上，结合毕业设计的课题要求。其研究内容主要包括以下几个方面：论述了AGV系统的组成、路径导引方式及原理。介绍了AGV车体机械结构的设计，并根据小车的驱动方式和工作要求，对底盘、电机、蓄电池等进行了设计和选型。根据AGV系统的控制和工艺要求，确定了控制系统的总体框架结构。硬件方面，选择合适的传感器、单片机以及电机驱动器，对传感检测电路和单片机控制系统硬件电路进行了设计：软件方面，采用模块化的编程方式来实现系统的各种功能，并实现了单片机与电机控制器之间的串口通信。在总结全文的基础上，对AGV小车的设计和研究提出了展望。关键词：AGV；激光导引；单片机；驱动控制电路；行走策略；控制策略；串口通信AbstractWiththegrowingofFactoryAutomation,ComputerIntegratedManufactureSystemandextensiveapplicationofFlexibleManufactureSystem、AutomaticWarehouse,theapplicationfieldandtechnicallevelofAGVwhichcontactandadjustthediscretelogisticssystem,makethemissioncontinuous,hasgreatlyenlargedandimproved.AGVistheunmanneddriverautomaticguidedvehiclewhichhasitsuntouchedguidedequipment,itscontrolcenteristhemicrocontrollerandstoragebatteryisdrivingpower,itsbasicfunctionofautomaticactionisguideddriving,recognizingtheaddresstostoppreciselyandremovetheload.Asthevalidmeasureofcontemporarylogisticsprocessingautomationandthekeyequipmentofflexiblemanufacturesystem,theAGVhasalreadygotmoreandmoreextensiveapplication,sothattheresearchonAGVhasveryimportanttheorymeaningandrealisticmeaning.ThedissertationintroducedtheapplicationsanddevelopmentsofAGVathomeandabroad.Combiningwiththerequestofthisgraduationprojecttopic,wedesignedawholeinfraredrayguidedvehicle.Themainworkinthisdissertationwasarrangedasfollows:theconstitutionofAGVsystem,thepathguidedmeansandtheirprincipleswerediscussed.Accordingtotherequestsofthetopic,infraredraysguidedmethodwasusedintheAGVsystem.ThedesignofAGVmechanicalstructurewasintroduced,intermsofdrivingmannerandworkingrequests,thetypeofthechassis,electricalmotorandstoragebatteryetc.waschosenanddesigned.AccordingtothecontrolandthecraftworkrequestsoftheAGVS,thetotalframestructureofcontrolsystemwasdesigned.Abouthardware,therightsensor,MCUandmotorcontrollerhadbeenchosen,thesensingcircuitsandMCUcontrollinghardcircuitswasdesigned,aboutsoftware,toachievemanysystemfunctions,andtorealizeserialcommunicationbetweentheMCUandmotorcontroller,blockingprogrammingmethodwasemployed.Onthebaseofsummarizingthedissertation,thedevelopmentprospectofAGVresearchwasputforward.Keywords：AGV；Infraredraysguided；Driveandcontrolcircuit；Runningstrategy；Controlstrategy；Serialcommunication.目录摘要................................................................................11引言................................................................................11.1问题的提出及研究意义..........................................................11.1.1问题的提出..............................................................11.1.2研究意义................................................................11.2国内外研究现状................................................................21.3自动引导小车的定义及特点.......................................................32AGV的总体设计.......................................................................42.1AGV系统的构成与结构...........................................................42.1.1AGV系统技术的研究方向...................................................42.1.2AGV的结构...............................................................52.2AGV导航系统...................................................................62.3AGV总体系统...................................................................73AGV小车的动力学建模................................................................103.1AGV小车动力学结构............................................................103.2车体运动建模.................................................................113.3驱动后轮运动建模.............................................................123.4车体整体的动力学建模..........................................................134AGV机械部分主要零件的选取..........................................................144.1伺服驱动电机的选取及参数......................................................144.1.1电机的计算..............................................................174.1.2电机的控制参数.........................................................184.2轴的设计和参数的计算.........................................................194.2.1减速器的使用范围及选取..................................................204.2.2驱动后轮轴的设计.......................................................204.3轴的受力分析及校核............................................................224.4齿轮的设计与选取..............................................................244.5传感器的选用..................................................................254.5.1红外传感器寻迹.........................................................254.5.2超声波传感器避障原理....................................................265驱动转向系统的设计.................................................................275.1驱动方式的选择...............................................................275.2传感器的布置.................................................................285.3电机与行走系统的驱动装置.....................................................295.4电源部分选择.................................................................306控制系统...........................................................................316.1电源及驱动芯片模块...........................................................316.2电路的设计及行走策略.........................................................316.3控制策略.....................................................................337结语................................................................................35参考文献.............................................................................36致谢...............................................................................37中国地质大学长城学院2012届毕业论文11引言1.1问题的提出及研究意义1.1.1问题的提出AGV(AutomaticGuidedVehicle)——自动导引车是上世纪50年代发展起来的智能搬运型机器人。AGV是现代工业自动化物流系统中的关键设备之一，它是以电池为动力，装备有电磁或光学等自动导航装置，能够独立自动寻址，并通过计算机系统控制，完成无人驾驶及作业的设备。自从1913年美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车，1954年英国采用地下埋线电磁感应导向车以来，到九十年代全世界拥有AGV(AutomatedGuidedVehicles)10万台以上。近年来，自动化技术呈现加速发展的趋势，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，AGV起了无可替代的重要作用，与传统的传送辊道或传送带相比，AGV输送路线具有施工简单、路径灵活，不占用空间、较好的移动性、柔性等优点。1.1.2研究意义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((AutomatedGuidedVehicle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，AGV自动引导小车的设计2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国内外研究现状世界上第一台AGV是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车中有一个真空管组成的控制器，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶。60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的AGV技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盆促进了AGV的发展。欧洲的主要制造厂家有Schindler-Digitron，WognerHJC，ACS，BT.CFC，FATA，Saxby，Denford和Blecbert等。70年代中，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台小车，1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。在机械制造行业的应用为：汽车工业(57%)，柔性制造系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(4%)。欧洲的AGV技术于80年代初，通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的Keebler分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的AGV1981年John公司将AGV连接到AS/RS，以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网于FMS或CIMS)，运输量更大，移载时问更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的AGV生产厂商从23家(1983年)骤增至74家(1985年)。日本的第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本AGV制造厂已达20多家，如大福、Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本己累计安装了2312个AGV系统，拥有5032台AGV。国内自主研发方面：六十年代开始研究。1976年，北京起重运输机械研究所研制的ZDB-1型自动搬运车是最早的实用型AGV。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所等单位研制了邮政枢纽AGV。1991年，中科院沈阳自动化所与新松机器人自动化股份有限公司为沈阳金杯汽车公司总装线上设计的九台自动装配系统，并于1996年获得国家科学技术进步三等奖，是当时国内较先进的使用型AGV。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1998年昆明船舶设备公司在红河卷烟厂研究多模式激光导引无人自动车