自动引导小车（AGV)的结构设计（全套含CAD图纸）
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下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985毕业设计说明书（论文）中文摘要AGV即自动引导小车，它集声、光、电、计算机技术于一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。广泛应用在柔性制造系统和自动化工厂中，具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输等许多优点，极大的提高生产自动化程度和生产效率。本文在分析研究国内外AGV现状与发展的基础上，设计了两后轮独立驱动的自动引导小车，其主要工作内容包括小车机械传动设计、直流伺服电机的选择、AT89C51单片机控制系统硬件电路、运动学分析、控制系统软件设计及圆弧插补程序。所设计的小车能够实现自主运行、运动轨迹（圆弧、直线）的控制等功能，达到了沿着设定的路线行驶。关键词自动引导小车单片机控制设计PWM技术本科毕业设计说明书（论文）第I页共I页毕业设计说明书（论文）外文摘要TITLEDESIGNONAUTOMATICGUIDEDVEHICLEABSTRACTTHEAGVNAMELYAUTOMATICGUIDEDVEHICLE,ITCOLLECTSOUND,THELIGHT,THEELECTRICITY,THECOMPUTERTECHNOLOGYINABODY,ANDSYNTHESIZESTHETECHNICALDOMAINADVANCEDTHEORYANDTHEAPPLICATIONTECHNOLOGYITWIDESPREADAPPLIEDINTHEFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEMANDTHEFACTORYAUTOMATION,ANDHASTHEMERITSOFHIGHTRANSPORTATIONEFFICIENCY,THEENERGYCONSERVATION,THEWORKRELIABLE,THEFLEXIBLETRANSPORTATIONITENORMOUSLYENHANCEDPRODUCTIONAUTOMATICITYANDPRODUCTIONEFFICIENCYBASEDONTHEANALYSISOFTHEDOMESTICANDFOREIGNAGVPRESENTSITUATIONANDITSDEVELOPMENTFOUNDATION,AGVWITHTWOWHEELINDEPENDENTDRIVEISDESIGNEDTHECONTENTOFTHEPAPERINCLUDESDESIGNOFMECHANICALSTRUCTUREANDDRIVEOFTHECAR,THECHOICEOFDIRECTCURRENTSERVOMOTOR,THEHARDWAREELECTRICCIRCUITOFAT89C51CONTROLSYSTEM,THEKINEMATICANALYSIS,THESOFTWAREDESIGNOFCONTROLSYSTEMANDTHEPROCEDUREOFINTERPOLATIONTHECIRCULARARCTHEDESIGNEDCARCANREALIZETHEFUNCTIONSOFINDEPENDENTMOVEMENT,THEPATHCIRCULARARC,STRAIGHTLINECONTROLANDSOON,ANDHASACHIEVEDTOTRAVELALONGTHEHYPOTHESISROUTEKEYWORDSAUTOMATICGUIDEDVEHICLESINGLECHIPCOMPUTERCONTROLOFDESIGNPWMTECHNIQUE本科毕业设计说明书（论文）第II页共II页目录1绪论111AGV自动引导小车简介112自动引导小车的分类113国内外研究现状及发展趋势12机械部分设计321设计任务322确定机械传动方案323直流伺服电动机的选择424联轴器的设计725蜗杆传动设计826轴的设计1027滚动轴承选择计算183控制系统的设计2331控制系统总体方案2332鉴向2333计数的扩展2434中断的扩展2635数摸转换器的选择2736电机驱动芯片选择2937运动学分析3338控制软件的设计34结束语42致谢43参考文献44本科毕业设计说明书（论文）第1页共44页本科毕业设计说明书（论文）第2页共44页本科毕业设计说明书（论文）第3页共44页本科毕业设计说明书（论文）第4页共44页1绪论11AGV自动引导小车简介本科毕业设计说明书（论文）第5页共44页AGVAUTOMATICGUIDEDVEHICLE,即自动引导车，是一种物料搬运设备，是能在某位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。AGV是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中AGV的使用场合最广泛，发展十分迅速。12自动引导小车的分类自动引导小车分为有轨和无轨两种。所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨小车结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨小车多采用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件FMS中。高架有轨小车（空间导轨）相对于地面有轨小车，车间利用率高，结构紧凑，速度高，有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。高架有轨小车较多地用于回转体工件或刀具的输送，以及有人工介入的工件安装和产品装配的输送系统中。有轨小车由于需要机械式导轨，其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。无轨小车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。无轨小车按照引导方式和控制方法的分为有径引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导是指在地面上铺设导线、磁带或反光带制定小车的路径，小车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置，通过自动修正而保证沿指定路径行驶。无径引导自主导向方式中，地图导向方式是在无轨小车的计算机中预存距离表（地图），通过与测距法所得的方位信息比较，小车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非常灵活，但精度低。13国内外研究现状及发展趋势AGV是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库而产生并发展起来的。日本人认为1981年是柔性加工系统元年，这样计算AGV大规模应用的历史也只有15至20年。但是，其发展速度是非常快的。1981年美国通用公司开始使用AGV，1985年AGV保有量500台，1987年AGV保有量3000台。资料表明欧洲40的AGV用于汽车工业，日本15的AGV用于汽车工业，也就是说AGV在其他行业也有广泛的应用。1本科毕业设计说明书（论文）第6页共44页目前国内总体看AGV的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等。这说明AGV有一个潜在的广阔市场。1AGV从技术的发展看，主要是从国家线路向可调整线路；从简单车载单元控制向复杂系统计算机控制；从原始的段点定期通讯到先进的实时通讯等方向发展；从落后的现场控制到先进的远程图形监控；从领域的发展看，主要是从较为集中的机械制造、加工、装配生产线向广泛的各行业自动化生产、物料搬运、物品仓储、商品配送等行业发展。2机械部分设计21设计任务本科毕业设计说明书（论文）第7页共44页设计一台自动引导小车AGV，可以在水平面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。其设计参数如下应达到的技术要求如下自动引导小车的长度500MM1负载35KG自动引导小车的宽度300MM2小车转弯半径71CM自动引导小车的行驶速度100MM/S3小车最大速度10M/S22确定机械传动方案方案一采用三轮布置结构。直流伺服电动机经过减速器和差速器，通过两半轴将动力传递到两后轮。自动引导小车的转向由转向机构驱动前面的一个万向轮转向。传动系统如图21所示。图21传动方案一方案二采用四轮布置结构。自动引导小车采用两后轮独立驱动差速转向，两前轮为万向轮的四轮结构形式。直流伺服电动机经过减速器后直接驱动后轮，当两轮运动速度不同时，就可以实现差速转向。传动系统如图22所示。本科毕业设计说明书（论文）第8页共44页图22传动方案二四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。方案一有差速器和转向机构，故机械传动误差大。方案二采用两套蜗轮蜗杆减速器及直流伺服电动机，成本相对于方案一较高，但它的传动误差小，并且转向灵活。因此，采用方案二作为本课题的设计方案。23直流伺服电动机的选择伺服电动机的主要参数是功率KW。但是，选择伺服电动机并不按功率，而是更根据下列三个指标选择。运动参数AGV行走的速度为100MM/S，则车轮的转速为（21）275R/MIN1403610DVN电机的转速选择蜗轮蜗杆的减速比I62N1405R/MI276电I（22）自动引导小车的受力分析如图23所示OGPFBFCFAFD23车轮受力简图小车车架自重为P（23）134N98023510283ABHGP小车的载荷为G（24）MG取坐标系OXYZ如图23所示，列出平衡方程本科毕业设计说明书（论文）第9页共44页由于两前轮及两后轮关于Y轴对称，则，ABFCD，（25）0ZF20CPG，（26）XM075123CF解得156NBA84NDCF两驱动后轮的受力情况如图24所示滚动摩阻力偶矩的大小介于零与最大值之间，即F（27）MAX0MFN94601576MAXNF（28）其中滚动摩阻系数，查表52，210，取6MM2牵引力F为（2N513079462MAXDMF9）电机1/GW图24后轮受力图25前轮受力摩擦系数牵引力FN重物的重力WN滚子直径DMM传递效率传动装置减速比1/G（1）求换算到电机轴上的负荷力矩（）LTAOSPF本科毕业设计说明书（论文）第10页共44页（210）MN5870108962415132GDWFTL取07,15766,015W（2）求换算到电机轴上的负荷惯性（）LJ（211）21234LZJ22MKG036189064130764其中为车轮的转动惯量；为蜗杆的转动惯量；1J2J为蜗轮的转动惯量；为蜗轮轴的转动惯量。34（3）电机的选定根据额定转矩和惯量匹配条件，选择直流伺服电动机。电机型号及参数MAXONF226060MM石墨电刷80WJM1290GCM2匹配条件为32MAXGC89361LAX025LMJ（212）即3618902851惯量J2GCM8965139LMJ（213）其中为伺服电动机转子惯量故电机满足要求。M（4）快移时的加速性能最大空载加速转矩发生在自动引导小车携带工件，从静止以阶跃指令加速到伺服电机最高转速时。这个最大空载加速转矩就是伺服电动机的最大输出转矩。MAXNMAXT本科毕业设计说明书（论文）第11页共44页MN91076041328916502MAXMAXTNJT（214）加速时间（215）S076194MAT其中，机械时间常数MS1924联轴器的设计由于电动机轴直径为8MM，并且输出轴削平了一部分与蜗杆轴联接部分轴径为12MM，故其结构设计如图26所示。电机轴蜗杆轴图26联轴器机构图联轴器采用安全联轴器，销钉直径D可按剪切强度计算，即4（216）8MKTDZ销钉材料选用45钢。查表52优质碳素结构钢（GB69988）455调质200MM637MPA353MPA1735BSS2X039MJ/硬度217255HBS销钉的许用切应力为（217）475PA6305807B过载限制系数K值查表144取K164本科毕业设计说明书（论文）第12页共44页MN5870TM64075124386D选用D5MM满足剪切强度要求。25蜗杆传动设计251选择蜗杆的传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆ZI。252选择材料蜗杆要求表面硬度和耐磨性较高，故选用材料40CR。蜗轮用灰铸铁HT200制造，采用金属模铸造。253蜗杆传动的受力分析如图27所示确定作用在蜗轮上的转矩T2按Z1，故取效率07,则4（218）23508NM708195109510956126262/INPNPT图27蜗轮蜗杆受力分析各力的大小计算为本科毕业设计说明书（论文）第13页共44页（219）N45287211DTFAT（220）60321TA（221）82TAN60TN21RF254按齿根弯曲疲劳强度进行设计根据渐开线蜗杆传动的设计准则，按齿根弯曲疲劳强度进行设计。蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，多数发生在蜗轮齿数较多或渐开线传动中。弯曲疲劳强度条件设计的公式为4（222）22153FAKTMDYZ确定载荷系数K4由于工作载荷较稳定，故取0载荷分布不均系数K1，由表1115选取使用4系数KA115。由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV11,则（223）151265AV由表118得，蜗轮的基本许用弯曲应力F48MPA4假设31048“，蜗轮的当量齿数26Z（224）2336229COS10VZ48根据，从图1119中可查得齿形系数20X269VZ423FAY螺旋角系数（225）1970Y1032M34862553DM由表112得4中心距A50MM模数M125MM分度圆直径241D本科毕业设计说明书（论文）第14页共44页蜗杆头数直径系数17923125MD1Z分度圆导程角31138蜗轮齿数变位系数26204X255蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1蜗杆轴向齿距（226）M925314MPA齿顶圆直径（227）94121HD齿根圆直径（228）M275250421CADF蜗杆轴向齿厚（229）961321MS2蜗轮传动比（230）216ZI蜗轮分度圆直径（231）M576212MZD蜗轮喉圆直径180457222）（XHAMDA（232）蜗轮齿根圆直径（233）M4752041257222CXHADF蜗轮咽喉母圆半径（234）982022AGDR256精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的自动引导小车属于精密传动，从GB/T100891988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择6级精度，侧隙种类为D,标注为6D,GB/T100891988。257热平衡核算由于该蜗轮蜗杆传动是渐开线传动，蜗轮蜗杆产生的热传递到空气中，故无须热平衡计算。本科毕业设计说明书（论文）第15页共44页26轴的设计261前轮轴的设计（结构如图28）前轮轴只承受弯矩而不承受扭矩，故属于心轴。图28前轮轴结构（1）求作用在轴上的力自动引导小车的前轮受力，受力如图29A所示。CFN42082121CF（2）轴的结构设计（A）拟定轴上零件的装配方案装配方案是左轮辐板、右轮辐板、螺母、套筒、滚动轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的右端向左安装，左端只安装滚动轴承和轴用弹性挡圈。这样就对各轴段的粗细顺序作了初步安排。（B）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择滚动轴承。自动引导小车前轮轴只受弯矩的作用，主要承受径向力而轴向力较小，故选用单列深沟球轴承。由轴承产品目录中初步选取单列深沟球轴承6004，其尺寸为DDT20MM42MM12MM,故DDD20MM。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得6004型轴承的定位轴肩高度H25MM，因此取D25MM。本科毕业设计说明书（论文）第16页共44页取安装左、右轮辐处的轴段的直径D30MM轮辐的左端采用轴肩定位，右端用螺母夹紧轮辐。已知轮辐的宽度为34MM，为了使螺母端面可靠地压紧左右轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取L32MM。左右轮辐的左段采用轴肩定位，轴肩高度，取H3MM，则轴环处的直径D36MM。轴环宽度B14H，取07HDL5MM。轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB89418620，其尺寸为D020MM,故DD19MM,LL11MM,L1311119。其余尺寸根据前轮轴上关于左右轮辐结合面基本对称可任意确定尺寸，确定了轴上的各段直径和长度如图28所示。（C）轴上零件的周向定位左右轮辐与轴的周向定位采用平键联接。按D由手册查得平键截面BH8MM7MMGB/T10951979,键槽用键槽铣刀加工，长为28MM标准键长见GB/T10961979,同时为了保证左右轮辐与轴配合有良好的对中性，故选择左右轮辐与轴的配合为H7/N6。滚动轴承与轴的周向定位是借过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为J7。（D）确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为145，各轴肩处的圆角半径为R1。（3）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图MCM图29前轮轴的载荷分析图N42082121CFM3921L8576391LMC本科毕业设计说明书（论文）第17页共44页（4）按弯曲应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩的截面强度。最大负弯矩在截面C上，。MN381576CM对截面C进行强度校核，由公式4（235）1CAMW由表151得，45钢调质4P601由表154得，（236）32323M84048DTBW1MPA69157CA因此该轴满足强度要求，故安全。262后轮轴的设计后轮轴在工作中既承受弯矩又承受扭矩，故属于转轴。图210后轮轴结构（1）求后轮轴上的功率、转速和转矩2P2N2T取蜗轮蜗杆传动的效率07,则（237）KW0567802本科毕业设计说明书（论文）第18页共44页R/MIN752NMN23508T（2）作用在蜗轮上的力N602TF42AF2RF（3）初步确定轴的最小直径先按式（152初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根4据表153，取115，于是得40A（238）M517206153320MINPAD后轮轴的最小直径是安装轮辐处轴的直径。由于轮辐与轴采用键联结，故DD26MM。（4）轴的结构设计（A）拟定轴上零件的装配方案装配方案是蜗轮、套筒、深沟球轴承、轴用弹性挡圈依次从轴的左端向右安装；右端安装深沟球轴承、透盖、内轮辐、轴端挡圈从右端向左安装。（B）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列深沟球轴承。单列深沟球轴承6206，其尺寸为DDT30MM62MM16MM，故DDD30MM。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得6206型轴承的定位轴肩高度H3MM,因此，取D36MM。轴用弹性挡圈为标准件。选用型号为GB89418630,其尺寸为D030MM，故D286MM，L17MM。取安装轮辐处的轴段的直径D26MM。轮辐的宽度为27MM,为了使轴端挡圈可靠地压紧轮辐，此轴段应略短于轮辐的宽度，故取。26LM其余尺寸根据零件的结构可任意选取。确定了轴上的各段直径和长度如图210所示。（C）轴上零件的周向定位本科毕业设计说明书（论文）第19页共44页蜗轮与轴的周向定位采用平键联接。按由手册查得平键截面BH8MM7MM,D键槽长为25MM。轮辐与轴的配合为H8/H7。（D）确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为145，各轴肩处的圆角半径为。1R（5）求轴上的载荷后轮轴上的受力分析211A。L1L2275MML341MMA在水平面上后轮轴的受力简图为211B。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力N3062121TNHFF三个集中力作用的截面上的弯矩分别为M8457301LMNHDAHBM本科毕业设计说明书（论文）第20页共44页图211后轮轴的载荷分析图B在垂直面上后轮轴的受力简图211C。由静力平衡方程求出支座A、B的支反力NFANV4522M5037DMA（239），0A2121130RANVFLMFLL（240）122131NVRAFL4152765205787512787，0YF1220NVRFF本科毕业设计说明书（论文）第21页共44页（241）122NVRNVFF2208157661278719001N在段中，将截面左边外力向截面简化，得AD24211109XFXMNV10275X在段中，同样将截面左边外力向截面简化，得B243212275NVRAXXM21900127519001X22208X22030572832752979X2在段中，同样将截面右边外力向截面简化，得BC2443331576MXFX3041X0VACMN2719左D7583095283右V646BM计算A、B、C、D截面的总弯矩M0ACMN4978575238412221左VDHD245246610322222右VDHDMMN640EB后轮轴上的转矩2358T（6）按弯扭合成应力校核轴的强度本科毕业设计说明书（论文）第22页共44页进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面即危险截面D的强度。由式（155）得4247MPA8378425061073222WTMDCA其中，为折合系数，取06为轴的抗弯截面系数，由表154得W43323M8420801DTB选定轴的材料为45钢，调质处理，由表151查得160MPA4因此，故安全。1CA27滚动轴承选择计算271前轮轴上的轴承要求寿命LH2500H，转速，轴承的径向力R/MIN9628104310DVN，轴向力。N420RFAF（1）由上述条件试选轴承试选6004型轴承，查表1624K389RCKN025OCR/MIN150LIN（2）按额定动载荷计算由式2484610HLP对球轴承3，249PRAPRFXFYF查表136自动引导小车412代入得N50484本科毕业设计说明书（论文）第23页共44页N9380147102596850483C故6004型轴承能满足要求。（3）按额定静载荷校核由式2500CSP查表138，选取240S251N42000RARFYX代入上式，满足要求。N8425200PC272蜗杆轴上的轴承要求寿命，转速，轴承的径向载荷，作HHLR/MIN510N410R用在轴上的轴向载荷。6NF（1）由上述条件试选轴承选30203型轴承，查表5245（脂润滑）KN89RC2130CR/MIN90LIN035E图212蜗杆轴上的轴承受力（2）按额定动载荷计算252N47321021YFSR1269473SSA，1F2APRFXF查表1512，52PF本科毕业设计说明书（论文）第24页共44页，163957803504ARFE04X17YN81296121P，23903504AREF0481222ARPYFXF由式1560HNLCP03N6412545812906310631HNLPC031063162H均小于满足要求。12N0（3）按额定静载荷校核由表5150CSP查表1514，取08S1017952ARFYN861604101ARFXP209452ARFN120R均小于，满足要求。012P3C（4）极限转速校核由式253MAX12LINF，由图155得12905862PC5F本科毕业设计说明书（论文）第25页共44页，由图156得15789ARF5205FR/MIN901MAXN，由图155得213480679PC51F，由图156得2ARF52FR/MIN9012MAXN小于和满足要求。NMAX12273后轮轴上的轴承要求轴承的寿命，转速，轴承A的径向载荷H50HLR/IN752N；轴承B的径向载荷N08319622121NVHRF；轴向载荷为。由于轴96222RNFA265承A承受的载荷大于轴承B的载荷，故只需对轴承A进行校核。（1）由上述给定条件试选轴承试选6206型轴承，查表15195（脂润滑）KN914RCKN01RCR/MIN950LIN（2）按额定动载荷计算由式610HLP对球轴承，3PRAFXFY由查表151906520651AFC5019,23EY由查表1519930197ARE5RPF查表1512自动引导小车52PF本科毕业设计说明书（论文）第26页共44页代入得N840721P1965056846C故6206型轴承能满足要求。（3）按额定静载荷校核由式0CSP查表1514，选取501S由式93ARF查表1519，时，508ARF01,XY得N70RFP代入上式，满足要求。SNC100（4）极限转速校核MAX12LINF由查图15580563149PC51F查图15627ARF52F代入R/MIN901MAXN满足要求。AXR/I52本科毕业设计说明书（论文）第27页共44页3控制系统的设计31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自动引导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图31所示图31控制系统的组成框图32鉴向本科毕业设计说明书（论文）第28页共44页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32所示。图32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33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33中的A所示。图33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621,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。33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本科毕业设计说明书（论文）第29页共44页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34所示；引脚如图35所示。图348253内部结构框图图358253引脚图U6地址为8000H计数器08001H计数器18002H计数器28003H控制字U7地址为6000H计数器06001H计数器16002H计数器26003H控制字U6读/写控制逻辑接线，；4CSY0QA1U7读/写控制逻辑接线，。3U6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TEMP1、TEMP2、TEMP3和TEMP4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。本科毕业设计说明书（论文）第30页共44页34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，最多可用于9片8259A芯片级连，由其构成级连机构可以管理64级中断。图368259A引脚图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信70D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读信号，低电平有效，通知8259A将某个寄存器的内容送到数据总线上。RD写信号，低电平有效，通知8259A从数据线上接受数据（即命令字）。W本科毕业设计说明书（论文）第31页共44页片选信号，低电平有效。CS端口选择，指出当前哪个端口被访问。0A接收设备的中断请求。7IR级联端，指出具体的从片。在采用主从式级联的多片8259A的系20CS统中，主从片的对应连接在一起。20ACS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入PEN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。S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，如2IR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互相连在一INTA07D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，中断的优SPESPE先级设置类似于单片机的情况。级联如图37所示。AT89C5174HC388259AU0UU主从U48259A图378259A的级联35数摸转换器的选择本科毕业设计说明书（论文）第32页共44页将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器DIGITALANALOGCONVERTER,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。412210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。12102NFSAV01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38和图39所示。图38DAC图38DAC1208的内部结构图图39DAC1208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。CSWR1AGNDDI9DI8DI2DI3DI4DI5DI6DI7VREFRFBDGNDVCBYTE1/BYTE2WR2XFERIOUT2IOUT1DAC12081109876543220141516171819131212423221LSBDI0DI1DI1MSBDI10本科毕业设计说明书（论文）第33页共44页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。12ILEWRXFECS5V5VOAOAAT89C5174LS32764624DC120874HC138U0U1UU3U9UU10DC28图310DAC1208双缓冲连接方式U9输入寄存器地址为3FFFHDAC寄存器地址为5FFFHU10输入寄存器地址为1FFFHDAC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310所示。为高电平时，选中数据输入到8位输入寄存器；当BYTE14DII为低电平时，选中数据输入到4位输入寄存器；片选信号，30CS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。第一1ILEWRILE级允许锁存，高电平有效。写信号1，作为第一级锁存信号，必须和同时有效。写信号2，作为第二级锁存信号，必须和同时有效。控制信WRXFERXF号，低电平有效，和一起决定第二级数据锁存是否有效。模拟电流输出端，21OUTIDAC寄存器全1时最大，全0时为0。模拟电流输出端，和有一个常数差2OUTI本科毕业设计说明书（论文）第34页共44页常数，此常数对应一个固定基准电压的满量程电流。参考电压输12OUTIIREFV入端，可正可负，1010V。36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、脉冲宽度与输入INU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（1）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31TMF其中，为力矩常数，为PWM电源电压，为电感，为电机静摩4MCFKULTCULT擦力矩。（2）微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即323192CTKFLJ其中J为转动惯量，为设定的位置误差。（3）尽量减少电机产生的高频功耗。即应使得332ATRFL其中为电内阻。AR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311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，52V0双路PWM信号输出，驱动电流能力为100MA限流保护本科毕业设计说明书（论文）第35页共44页欠电压封锁有温度补偿，25V阀值的关机控制图311UC3637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312所示。本科毕业设计说明书（论文）第36页共44页图312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05MA,则有3405STHTVR6354THCF其中，为PWM频率。由允许电机最大电流决定。TFA213MAXISR36AX0SRI对于图312所示的控制系统，要求V24S10MAXCVK10INRPWM频率F30KHZ限流IMAX8A取1A计算得37K51624102MAX3VRSCIN38356434IN39V78102434ISRV7683TH310K167832410562233THSV50RK1631F107804593THTVFC本科毕业设计说明书（论文）第37页共44页B2V1XOYPAQL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；THVSVTR为定时电容；为恒流充电电流；为振荡频率。C3637具有一个高速、带宽为CSIFKHZ、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。37运动学分析371运动学方程AGV自动引导小车的速度分析。已知车轮驱动速度，求机构本体移动速度和旋转角速度。两后轮分别驱动四轮机构的速度分析（Q为瞬心，P为后轮中心）31112PV31212COSCOSPVX（313）12ININPYV31412BA31511V图313AGV自动引导小车示意图整理成矩阵形式本科毕业设计说明书（论文）第38页共44页31621211SIN2ICOVJBYX为雅可比矩阵。J372转弯半径小车在转弯时以速度匀速转弯；小车两主动轮之间的距离为B；小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为R；两轮的速度分别为；小车与行驶路面的摩擦系数为，则有123172RG16M70894/10查表52取2M故取小车转弯的最小半径为。710R左、右轮的速度为131822RBAM/S486071043/6742RRVBV3191RR/S397/21RA38控制软件的设计根据机器人的线速度和角速度的表达式311和315,可以计算状态量X、Y和（320）12Q（321）B32202TRLDTB本科毕业设计说明书（论文）第39页共44页（323）00COS2TRLXDT324INTRLY采用数值积分方法进行近似检测将区间划分成若干充分小的子区间T，则只要子区间相对于移动机器人的运动速度选10T21,NTT1I择得充分小,或者控制周期比较短,则检测精度可以达到使用的要求。表达式如下325112NTNRLDTB（3261COSNTRLX）32711SI2NTNRLYDT另外,考虑到系统的各个状态量都是通过数字编码器输出的脉冲信号进行检测的,要将脉冲信号转换为机器人移动的距离及转过的角度,必须对脉冲信号进行定标,即确定每个脉冲与驱动轮移动的距离的系数。已知驱动轮的半径R70MM,电机到车轮的减速齿轮的变比为621,电机每旋转一周发出500个脉冲,从而可以得到脉冲当量应为2PI70/50062,即001418MM/P。对于控制系统的软件编程语言，要根据系统的要求进行选择，一般要求代码简捷，执行效率高，实时性好。AGV自动引导小车的引导原理是根据自动引导小车行走的轨迹进行编程，数字编码器检测出的电压信号判断其与预先编程的轨迹的位置偏差，控制器根据位置偏差调整电机转速对偏差进行纠正，从而使自动引导小车沿预先编程的轨迹行走。因此AGV自动引导小车行走过程中，需不断地根据输入的位置偏差信号调整电机转速，对系统进行实时控制。为对AGV自动引导小车实施控制，需要对硬件进行操作。整个AGV自动引导小车的控制流程如图314所示。本科毕业设计说明书（论文）第40页共44页开始函数、变量、中断初始化读取预设路径坐标路径规划及轨迹插补读取上次运行误差序列AGV平滑启动环节轨迹检测到第一段轨迹终点吗第二段轨迹控制环节到终点了吗存储本次轨迹控制误差序列偏差自动校正D/A输出结束YNYN第I段轨迹控制环节ND/A输出偏差自动校正Y到第段轨迹终点吗图314控制系统程序结构图程序开始先设置函数和变量，并对各芯片进行初始化；读取预先设置轨迹的坐标；对轨迹进行插补；读取上次的误差，自动引导小车启动；进行轨迹的检测；判断第一段路径走完没有；NO则把检测的实际轨迹和预先设置的轨迹相比较产生偏差，接着把偏差送给D/A转换器，从而控制自动引导小车沿预先设定的轨迹行走。YES则走下一段轨迹，接着判断是否到达终点，到达终点结束；没到达终点则继续走下一段轨迹。本科毕业设计说明书（论文）第41页共44页下面为圆弧插补程序，流程图如图315。DDA圆弧插补程序XPBIT00H；X向溢出标志YPBIT01H；Y向溢出标志XSEQU60H；起点坐标XYSEQU61H；起点坐标YXEEQU62H；终点坐标XYEEQU63H；终点坐标YJVXEQU64H；X积分累加器JVYEQU65H；Y积分累加器JRXEQU66H；X被积函数寄存器JRYEQU67H；Y被积函数寄存器JEXEQU68H；X向终点计数器JEYEQU69H；Y向终点计数器ORG1000HMOVJVX，YS；初始化MOVJVY，XSMOVJRX，0MOVJRY，0MOVR2，XSMOVR4，XEACALLBSUB；求X坐标的计数初值MOVJEX，R6MOVR2，YSMOVR4，YEACALLBSUB；求Y坐标的计数初值MOVJEY，R6CLRXPCLRYPMOVR2,XS本科毕业设计说明书（论文）第42页共44页MOVR4,YSACALLYC；调用溢出子程序CFMOVA,JEX；X向JZYXMOVR2,JRXMOVR4,JVXACALLBADD；修改X向寄存器MOVJRX,R6MOVA,R7CJNEA,JRX,NX1；X向是否溢出SETBXPDECXSDECJEX；X走一步AJMPYXNX1JCYXSETBXPDECXSDECJEXXYMOVA,JEY；Y向JZZDPMOVR2,JRYMOVR4,JVYACALLBADD；修改Y向寄存器MOVJRY,R6MOVA,R7CJNEA,JRY,NX2；Y向是否溢出SETBYP；Y走一步INCYSDECJEYAJMPJINX本科毕业设计说明书（论文）第43页共44页NX2JCJINX；进给了XSETBYPINCYSDECJEYJINXJNBXP,NX3；进给了YDECJVYNX3JNBYP,CFINCJVXAJMPCFZDPMOVA,JEXJNZCF；X向到
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