毕业设计（论文）-自动导引小车(AGV)的研究和应用.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(Automatic Guided Vehicle)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AbstractWith 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. 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32 AGV的总体设计42.1 AGV系统的构成与结构42.1.1 AGV系统技术的研究方向42.1.2 AGV的结构52.2 AGV导航系统62.3 AGV总体系统73 AGV小车的动力学建模103.1 AGV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134 AGV机械部分主要零件的选取154.1伺服驱动电机的选取及参数154.1.1电机的计算184.1.2 电机的控制参数194.2 轴的设计和参数的计算204.2.1减速器的使用范围及选取214.2.2 驱动后轮轴的设计214.3轴的受力分析及校核234.4齿轮的设计与选取254.5传感器的选用264.5.1 红外传感器寻迹264.5.2超声波传感器避障原理275 驱动转向系统的设计285.1 驱动方式的选择285.2 传感器的布置295.3 电机与行走系统的驱动装置305.4 电源部分选择316 控制系统326.1 电源及驱动芯片模块326.2 电路的设计及行走策略336.3 控制策略347结语36参考文献37致 谢38中国地质大学长城学院2012届毕业论文1 引言1.1 问题的提出及研究意义1.1.1 问题的提出AGV(Automatic Guided Vehicle)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(Automated Guided Vehicles)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(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 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，Wogner HJC，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AGV 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22辆，红河项目于2002年获国家科学技术进步二等奖。同期天津师范大学、吉林大学、吉大易飞、北京军区后勤部、北京机科发展公司、北京易亨集团等也进行了试验研究。在引进国外技术与产品方面：1980年，上海石化总厂为涤纶长丝作业从日本大福公司引进国内第一套AGVS。九十年代初，华宝空调装配线上使用了日本进口的电磁导引AGV。1996年，玉溪卷烟厂首家在烟草行业引进三星的52台AGV，这是国内企业中使用数量最多的AGV系统。河北承德输送机械厂合资引进美国WEBB公司AGV技术。天津理工学院研制的TIT-1全方位视觉引导自动车，属国家863高科技项目，已通过鉴定，达到八十年代末国际先进水平。九十年代中期，昆船公司在引进国外最先进AGV技术的基础上，先后承担了数十个AGV系统的设计、安装，其水平代表了目前国内的最高水平。昆明船舶设备公司研制的各种导引形式的AGV系统已经广泛应用于烟草行业，汽车行业，造币行业等。目前全国AGVS不超过60套，AGV不超过400台。其中烟草行业应用最多，已有20家采用了AGV，绝大部分采用激光导引技术。以中科院沈阳自动化所为金杯汽车公司设计的AGV系统为例进行说明，中国科学院沈阳分院成功开发的自动导引车(AGV)和自动导引车系统(AGVS)主要用于汽车等生产线，实现动态装配，可提高装配线的自动化水平。在中国汽车生产总装线上首次使用具有自主版权的AGV产品和系统。沈阳金杯客车制造有限公司总装车间有9台AGV构成的发动机、后桥、油箱装配副环线，已经投入生产运行两年。该AGV具有自动动态跟踪、提升、定位、装配功能，已达国际先进水平。且获得多项专利，如双举升载人自动装配导引车、双倍行程举升装置等。运用该产品及系统技术可大大提高总装生产线动态装配的自动化程度，减少设备投资及提高生产效率。以金杯客车制造有限公司的9台AGV应用工程为例，据估算，一台AGV国产价格要比进口的便宜20万元人民币，应用工程系统的设计调试技术费的差额更大。1.3自动引导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。AGV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。AGV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十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如各种缓冲站、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。AGV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。2 AGV的总体设计2.1 AGV系统的构成与结构2.1.1 AGV系统技术的研究方向导引技术：八十、九十年代，正当国内的一些院校厂所致力基于埋线电磁导引技术并刚开始应用，基于CCD的光学磁带识别、周边图像识别导引技术停滞不前之时，美国则以汽车行业为代表，应用推广了基于陀螺导航的定位技术，瑞典的NDC公司则推出了基于激光反射测角定位技术。近年来，出现了激光测角与测距相结合的导引技术，其导引头已经商品化。导引技术的进步，提高了行程路径的柔性化，同时提高了停位精度，由10毫米，缩小至5毫米，乃致3毫米。GPS定位导航技术则在大型（最大可达40t）AGV上得到应用。移载技术：针对不同应用需求，出现了背辊式，背链式，推挽式，牵引式，龙门式，侧叉式、前叉式、后叉式、三向叉式、升降伸缩叉式等。由于移载技术，驱动技术、电池技术的进步，促进了载重/自重比的大幅提高，由1:4提高到1:1.2，即同样载重量，先进车型自重下降为落后车型的1/4。使车辆移动的能耗成倍降低，因而可以少装电池，使AGV的自重、功耗形成良性循环。电池技术：由采用酸性电池，进步到高能酸性电池，近年来，又开始采用高能碱性电池，提高环保性能，大幅提高了充、放电比，由充电时间/放电时间为1:1提高到1:12，大幅缩短了待机充电的时间。智能化：在企业物流自动化技术中，现代AGV技术最具有智能化的特征，车载计算机的硬软件功能日益强大不断升级，使AGV及AGV系统具有从网络、无线或红外接收上位及客户指令，自动导引，自动行驶，优化路线，自动作业，交通管理，车辆调度，安全避碰，自动充电，自动诊断，实现了AGV的智能化，信息化，数字化、网络化、柔性化、敏捷化、节能化、绿色化。现代AGV是24小时不知疲倦的聪明小车（仅在任务间隙时随机进行短时充电），能主动、自序、有节拍按最安全、快捷的路线执行作业。智能化的结果加上动力强劲，行驶速度可达160米/分，反映在选用车辆台数上成倍减少。2.1.2 AGV的结构AGV由车载控制系统、车体系统、导航系统、行走系统、移载系统和安全与辅助系统组成。车载控制系统，车载控制系统是AGV的核心部分，一般由计算机控制系统、导航系统、通讯系统、操作面板及电机驱动器构成.计算机控制系统可采用PLC、单片机及工控机等。导航系统根据导航方式不同可分为电磁导航、磁条导航、激光导航和惯性导航等不同形式.通过导航系统能使AGV确定其自身位置，并能沿正确的路径行走。通讯系统是AGV和控制台之间交换信息和命令的桥梁，由于无线电通讯具有不受障碍物阻挡的特点，一般在控制台和AGV之间采用无线电通讯，而在AGV和移载设备之间为了定位精确采用光通讯.操作面板的功能主要是在AGV调试时输入指令，并显示有关信息，通过RS232接口和计算机相连接。AGV上的能源为蓄电池，所以AGV的动作执行元件一般采用直流电动机、步进电动机和直流伺服电机等。车体系统：它包括底盘、车架、壳体和控制器、蓄电池安装架等，是AGV的躯体，具有电动车辆的结构特征。行走系统：它一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成.形式有三轮、四轮、六轮及多轮等，三轮结构一般采用前轮转向和驱动，四轮或六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式。移载系统：它是用来完成作业任务的执行机构，在不同的任务和场地环境下，可以选用不同的移载系统，常用的有滚道式、叉车式、机械手式等。安全与辅助系统：为了避免AGV在系统出故障或有人员经过AGV工作路线时出现碰撞，AGV一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。另外，还有自动充电等辅助装置。控制台：控制台可以采用普通的IBM-PC机，如条件恶劣时，也可采用工业控制计算机，控制台通过计算机网络接受主控计算机下达的AGV输送任务，通过无线通讯系统实时采集各AGV的状态信息。根据需求情况和当前各AGV运行情况，将调度命令传递给选定的AGV。AGV完成一次运输任务后在待命站等待下次任务。如何高效地、快速地进行多任务和多AGV的调度，以及复杂地形的避碰等一系列问题都需要软件来完成。由于整个系统中各种智能设备都有各自的属性，因此用面向对象设计的C+语言来编程是一个很好的选择。在编程时要注意的是AGV系统的实时性较强，为了加快控制台和AGV之间的无线通讯以及在此基础上的AGV调度，编程中最好采用多线程的模式，使通讯和调度等各功能模块互不影响，加快系统速度。通讯系统：通讯系统一方面接受监控系统的命令，及时、准确地传送给其它各相应的子系统，完成监控系统所指定的动作：另一方面又接收各子系统的反馈信息，回送给监控系统，作为监控系统协调、管理、控制的依据。由于AGV位置不固定，且整个系统中设备较多，控制台和AGV间的通讯最适宜用无线通讯的方式。控制台和各AGV就组成了一点对多点的无线局域网，在设计过程中要注意两个问题:无线电的调制问题，无线电通讯中，信号调制可以用调幅和调频两种方式。在系统的工作环境中，电磁干扰较严重，调幅方式的信号频率范围大，易受干扰，而调频信号频率范围很窄，很难受干扰，所以应优先考虑调频方式。而且调幅方式的波特率比较低，一般都小于3200Kbit/s，调频的波特率可以达到9600K bit/s以上。通讯协议问题：在通讯中，通讯的协议是一个重要问题。协议的制定要遵从既简洁又可靠的原则。简洁有效的协议可以减少控制器处理信号的时间，提高系统运行速度。AGV一般采用轮式驱动，具有电动车的特征。AGV小车能在地面控制系统的统一调度下，自动搬运货物，实现自动化的物料传送。因其具有灵活性、智能化等特点，能够方便地重组系统，达到生产过程中的柔性化运输之目的。较之传统的人工或半人工的物料输送方式，AGV系统大大减轻了劳动强度和危险性，提高了工作效率，在机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业都可以发挥作用。国外的AGV系统设计，应用水平都比较高，应用范围也很广泛。国内的应用相对少一些，但是在各方面的共同努力下，国内的AGV系统的设计水平和应用水平正在接近或赶超国际先进水平。地面设备AGV系统由控制台、通讯系统、地面导航系统、充电系统、AGV和地面移载设备组成，如图2-1所示。路径AGV待命站充电系统图2-1 AGV系统示意图(AGV system diagram)其中主控计算机负责AGV系统与外部系统的联系与管理，它根据现场的物料需求状况向控制台下达AGV的输送任务。在AGV电池容量降到预定值后，充电系统给AGV自动充电。地面移载设备一般采用滚道输送机、链式输送机等将物料从自动化仓库或工作现场自动移载到AGV上，反之也可以将物料从AGV上移载下来并输送到目的地。AGV、充电系统、地面移载设备等都可以根据实际需要及工作场地任意布置，这也体现了AGV在自动化物流中的柔性特点。2.2 AGV导航系统AGV导航系统的功能是保证AGV小车沿正确路径行走，并保证一定行走精度。AGV的制导方式按有无导引路线分为三种：一是有固定路线的方式：二是半固定路线的方式，包括标记跟踪方式和磁力制导方式：三是无路线方式，包括地面帮助制导方式、用地图上的路线指令制导方式和在地图上搜索最短路径制导方式。固定路线的导引方式有电磁制导方式、光学控制带制导方式、激光制导方式和超声波制导方式。(1)电磁制导方式该方法需在AGV行走的路线下埋设专用的电缆线，通以低频正弦波电流，从而在电缆周围产生磁场。AGV上的电磁感应传感器检测到磁场强度，在小车沿线路行走时，输出磁场强度差动信号，车上控制器根据该信号进行纠偏控制。该方法可靠性高，经济实用，是目前最为成熟且应用最广的导引方式。它的主要缺点是：AGV路径改变很困难，而且埋线对地面要求较高。(2)光学控制带导引方式利用地面颜色与漆带颜色的反差，漆带在明亮的地面上涂为黑色，或在黑暗的地面上涂为白色。小车上装备有发射和接收功能的红外光源，用以照射漆带。小车上装有光学检测器，均匀分布在漆带及两侧位置上，检测不同的组合信号，以控制小车的方向，使其跟踪路轨。可以采用模糊控制算法对小车进行控制。该方法的缺点是：漆带颜色需保持鲜明，否则光学传感器检测到的信号变弱。因此，则需要经常对漆带颜色进行加深工作。(3)激光制导方式该方法是在AGV行走路径的特定位置处，安装一批激光/红外光束的反射镜。在AGV行驶过程中，车上的激光扫描头不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先垂直安好的反射板时，即“看见”了“路标”。只要扫描到三个或三个以上的反射板，即可根据它们的坐标值以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角，计算出AGV当前在全局坐标系中的X, Y坐标和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角，实现准确定位和定向。该导引方法的特点是，当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV导引与定位精度十分高。该方法的缺点是成本昂贵，传感器、反射装置等设备安装复杂，且计算也很复杂。(4)超声波制导方式该方法类似于激光/红外测量方法，不同之处在于不需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案。但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难。 AGV是智能化的移动机器人，是现代工业自动化物流系统的主要设备，也是机器人比赛的主要项目之一，是许多大学、科研机构重点研究的项目之一。设计出简单易行的AGV系统。2.3 AGV总体系统AGV一般由车体、蓄电池、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、移载装置和车体方位计算子系统等组成。车体由车架和相应的机械电气部件如减速箱、电机、车轮等组成，它是AGV的基础部分。车架要从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊接而成，其外壳为1mm3mm的钢板或铝合金板，车架空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件(如蓄电池)，以利于机械结构设计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、液压系统、电控系统、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。蓄电池供电应达到额定的安培小时值，一般应保证8h以上的工作需要，对二班制工作环境则要求17h以上的供电能力.蓄电池充电可采用随机充电和全周期充电两种方式。随机充电采用可任意充电的汽车免修蓄电池，在AGV的备用停泊站，无时间限制地随时充电。全周期充电则要求AGV退出服务，并进入指定的充电区且当蓄电池电荷降至指定范围时方可充电。此类电池一般执行4h连续充电，2h冷却的规范。也有的AGV采用上述两种充电方式相结合的方式。充电操作有自动、人工和快速更换的可抽拉式三种。驱动装置由车轮、减速器、制动器、电动机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机发出，驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走高速度常达lm/s，拐弯时为0. 2m/s0. 6m/s，接近停位点时为0. lm/s。AGV的方向控制是由导引系统的方向信息通过转向装置来实现的。AGV通常被设计成三种运动方式:(1)只能向前；(2)能向前与向后；(3)能纵向、横向、斜向及回转四个方向的运动。“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。通常控制器可完成以下工作：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，完成任务后循原道返回到导引路径上来。AGV的控制指令一般是由地面控制器(车外)发出，AGV的状态也通过通信系统送回地面控制器。通信系统有两种:连续方式和分散方式。连续通信系统允许AGV在任何时候和相对地面控制器的任何位置使用射频方法或使用在导引路径内的通信电缆收发信息。如采用无线电、红外激光的通信方法。分散式系统只是在预定的地点(通信点)如AGV停泊站等，在特定的AGV与地面控制器之间提供通信。一般来说，这种通信是通过感应或光学的方法来实现的。分散通信的一个明显缺点是：如果AGV在两通信点之间发生故障，AGV将无法与地面控制站取得联系。目前大多数AGV系统都是采用分散式通信方式，因为其价格较便宜。AGV的安全系统既要实现对AGV的保护，又要实现对人，或对其它地面设备的保护。其安全保护方法可归纳为两类：接触式和非接触式两种保护系统。对自由路径(无固定导引路径)型的AGV，还要进行车体方位的计算，它由车体方位计算子系统来完成。AGV的方位，即在总体坐标系中的位置与方向，与车体左右轮的运动有一确定的关系，由此可计算出AGV的方位。该子系统的功能是根据采样信息，通过积分运算，实时计算出车体方位x(t)，y(t)和(t) 。根据需要，将计算的方位信息通过串行通信传送给车上控制器，然后再通过无线电通信传送给地面监控系统，以实现对AGV的监控。地面监控系统也可通过这一通信信路，对车体方位计算子系统进行操作，如初始化、重置车体方位以消除累积误差等。完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，即通过对驱动车轮的电动机转动角度的周期性采样来获取。AGV的导引方式可分为两大类：(1)车外固定路径导引方式，在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息来得到导引，如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。(2)自由路径(无固定路径)导引方式，AGV上储存着系统布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径，这类导引方式也称为车上软件编程路径方式。综合AGV的上述特点，再结合本次设计的具体要求，确定本次AGV的研制原则：即以最简单形式、最少的成本、尽可能可靠的动作完成课题要求。 据此，形成机器人的基本控制思路：红外传感器取得反射信号送给单片机，通过单片机对有无反射信号进行处理，同样超声波传感器也将信号传给单片机，通过单片机对感应时间进行处理，结合路径图进行综合分析后输出控制信号，控制信号通过控制电路放大、输出到电机对小车动作进行控制。整个控制流程中不用光电编码器，即没有电机运动状态的信息反馈，所有信息都由传感器输入，属开环控制。逻辑图如图2-2所示。图2-2 控制逻辑图(control logic diagram)开环控制的优点是信息源少，需要单片机分析的数据比较少，比较适合使用单片机作为控制器，而缺点就是由于信息源单一，对输入信息没有纠错能力，只要信息源出现错误就会出现状态误判。使用开环控制的前提就是要确保信息源的可靠性。据此确定机器人的设计总体思路：通过红外传感器作为导航，单片机为控制器，电机差动式实现转向，根据预设路线，实现AGV导航定位策略的方式及用最简单的设置、最少的器械部件完成比赛的任务。需要部件如下表所列。表2-3 部件的数量(The number of components)名称数量超声波传感器1红外传感器4车体1直流电动机2蓄电池2电源稳压模块1控制电路1单片机13 AGV小车的动力学建模3.1 AGV小车动力学结构自从 AGV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AGV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 AGV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 车体运动建模图3-1 车体受力图(Body force)我们可以得到车体动力学方程如下： (3.1) (3.2) (3.3)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处的运动方程为 （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） 车体L和R处运动的方程为： （3.12） （3.13） （3.14） （3.15） （3.16） （3.17） （3.18） (3.19)3.3 驱动后轮运动建模惯性坐标系L-与图3.1的方向是一致的，可以认为是由O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，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）。 (3.20) (3.21) (3.22) (3.23)上式中，分别是左后轮的质量以及其沿着旋转轴的转动惯量、沿着轴的转动惯量和半径。为其在L-XYZ坐标下的速度，与车体对应点的速度是同一值。是左后轴沿轴的扭转角速度。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： (3.24) (3.25) (3.26) (3.27)3.4车体整体的动力学建模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： (2) 车体设计左右是对称的，则有： (3) 左轮的直径及其质量和右轮： (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： 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。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。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