自动导引小车(AGV)的研究和应用设计【含全套答辩毕业资料】

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自动导引小车(AGV)的研究和应用【含全套CAD图纸】【答辩毕业资料】.rar

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关键词：: 自动导引小车 agv 研究钻研以及应用利用运用全套 cad 图纸答辩毕业资料

资源描述：

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

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.

目录
摘要 1
1 引言 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题的提出 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3自动引导小车的定义及特点 3
2 AGV的总体设计 4
2.1 AGV系统的构成与结构 4
2.1.1 AGV系统技术的研究方向 4
2.1.2 AGV的结构 5
2.2 AGV导航系统 6
2.3 AGV总体系统 7
3 AGV小车的动力学建模 10
3.1 AGV小车动力学结构 10
3.2 车体运动建模 11
3.3 驱动后轮运动建模 12
3.4车体整体的动力学建模 13
4 AGV机械部分主要零件的选取 15
4.1伺服驱动电机的选取及参数 15
4.1.1电机的计算 18
4.1.2 电机的控制参数 19
4.2 轴的设计和参数的计算 20
4.2.1减速器的使用范围及选取 21
4.2.2 驱动后轮轴的设计 21
4.3轴的受力分析及校核 23
4.4齿轮的设计与选取 25
4.5传感器的选用 26
4.5.1 红外传感器寻迹 26
4.5.2超声波传感器避障原理 27
5 驱动转向系统的设计 28
5.1 驱动方式的选择 28
5.2 传感器的布置 29
5.3 电机与行走系统的驱动装置 30
5.4 电源部分选择 31
6 控制系统 32
6.1 电源及驱动芯片模块 32
6.2 电路的设计及行走策略 33
6.3 控制策略 34
7结语 36
参考文献 37
致谢 38

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

内容简介：: 指导教师评语：指导教师（签名）：年月日答辩小组评语：组长（签名）：年月日答辩委员会意见：答辩委员会主任（签名）：年月日注：本表与学生毕业论文（设计）一同在院（系）存档（必须用钢笔书写）中国地质大学长城学院本科毕业论文题目自动引导小车(AGV)的研究和应用系别工程技术系专业机械制造及其自动化学生姓名蔡杰轩学号 05208337 指导教师徐鹏云职称讲师 2012 年 4 月 28 日本科毕业生毕业论文（设计）诚信承诺书毕业论文（设计）题目自动导引小车(AGV)的研究和应用学生姓名专业机制学号05208337指导老师徐鹏云职称讲师所在系别工程技术系诚信承诺本人慎重承诺和声明：我承诺在毕业论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业论文中不剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不篡改研究数据，如有违规行为发生，我愿承担一切责任，接受学校的处理。学生（签名）： 2012 年 5 月 8 日中国地质大学长城学院毕业设计（论文）指导教师评阅书学生姓名蔡杰轩学号05208337班级机制三班指导教师徐鹏云职称讲师单位河北农大设计（论文）题目自动导引小车(AGV)的研究和应用指导教师评语（学生的基础理论、专业知识、独立工作能力及学风，论文选题意义、引用资料，实验结果及数据的准确性，论文的创新点及写作的规范性、逻辑性，论文的不足之处等）：是否同意答辩（论文成绩）：论文成绩：指导教师（签名）：年月日中国地质大学长城学院毕业设计（论文）专家评阅书学生姓名蔡杰轩学号05208337班级机制三班指导教师徐鹏云职称讲师单位河北农大设计（论文）题目自动导引小车(AGV)的研究和应用对论文的评语（包括选题意义，引用资料，实验结果及数据的准确性，论文的创新点及写作的规范性、逻辑性，论文的不足之处等）：是否同意安排论文答辩（论文成绩）：论文成绩：评阅专家（签名）：年月日中国地质大学长城学院毕业设计（论文）任务书学生姓名蔡杰轩学号05208337班级08级机械设计制造及其自动化3班指导教师徐鹏云职称讲师单位河北农业大学毕业设计（论文）题目自动导引小车(AGV)的研究和应用毕业设计（论文）主要内容和要求：自动导引小车（Automatic Guided Vehiele，AGV），它是在计算机的控制下，经磁或激光等导向装置引导并沿程序设定路径运行完成作业的无人驾驶自动小车。它为现代制造业、现代物流提供了一种高度柔性化和自动化的运输方式。本文介绍了导航系统，小车的动力学建模，部分主要机械零件的选取，轴的设计和参数的计算，驱动转向系统的设计和控制系统。后轮由伺服电机、齿轮传动系统来驱动，前轮伺服电机驱动，以实现转向。本论文主要进行AGV小车的研究和应用。毕业设计（论文）主要参考资料：1 朱江.AGV车载控制原理研究J.计算机控制，2006.2 蔡涛.AGV的超声波定位与避障研究D.陕西:西安理工大学，2008.3 于洋.AGV及其控制器设计与开发J.检测技术与自动化装置，2008. 4 潘明华.盾构自动导向系统的研究与实现J.机械电子工程，2005.5 陈鲁华.基于CAN总线的网络化PLC技术研究与实现J.机电控制及自动化，2003.6 沈颖.激光导引AGV车载控制系统研究M.安徽：合肥工业大学.2007.7 黄霞.嵌入式自动导引小车AGV系统研究与设计M.控制理论与控制工程，2009.8 管一兵.直线行走式智能监控小车的精确定位方法研究M.电力电子与电力传动，2008.9 肖一帆.全桥驱动的自导引小车AGV动力学建模及其运动研究J.上海：同济大学，2007.10 吴亮亮.自动导向小车AGV无接触供电关键技术研究J.计算机集成与柔性制造，2010.11 张勇波.自动引导小车AGV路径跟踪控制策略的研究J.湖北：武汉理工大学，2006.12 叶甲秋.自动引导小车AGV驱动系统辨识与动态特性分析J.柔性制造技术，2010.13 嘉红霞，集装箱装卸桥PLC控制系统中若干通信问题的研究J.机械电子工程，2002. 14 李辛.基于无线定位的AGV导航、控制研究及模拟系统的研制J.通信与信息系统，2006.15 Chu Jiangwei,Shi Shuming,Guo Lie,Wang Rongben,Ma Guosheng. Visual guidance of two differential steering AGV design and key technologies. Proceedings of the 4th International Conference on Material Handling & Logistics Systems,2002.毕业设计（论文）应完成的主要工作：1.毕业设计任务书2.毕业设计开题报告3.毕业设计文献综述4.毕业设计的翻译文章及外文原文5.毕业论文6.相关图纸毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1查阅资料并撰写毕业设计开题报告2011.12.10-2011.12.202指导教师审核开题报告,学生根据指导老师意见做进一步修改2011.12.21-2011.12.223系里组织开开题报告会2011.12.21-2011.12.224由指导老师指导查阅资料，并翻译外文资料2011.12.23-2011.12.315撰写文献综述，经指导老师审阅后着手毕业论文的写作2012.01.01-2012.01.206开始编写毕业设计工作计划，进入毕业设计的撰写2012.01.21-2012.03.067整改论文2012.04.29-2012.04.308毕业设计答辩2012.05.05-2012.05.19课题信息：课题性质：设计论文R 课题来源：教学科研R 生产其它发出任务书日期： 2011.12.1 指导教师签名：年月日教研室意见：教研室主任签名：年月日学生签名：中国地质大学长城学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名蔡杰轩学号05208337专业班级08级机械设计制造及其自动化6班指导教师徐鹏云职称讲师单位河北农业大学课题性质设计论文R课题来源科研教学生产其它R毕业设计（论文）题目自动导引小车(AGV)的研究和应用开题报告（阐述课题的目的、意义、研究现状、研究内容、研究方案、进度安排、预期结果、参考文献等）课题目的意义：AGV是自动导引小车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。根据美国物流协会的定义，AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶的运输小车，同时它还具有编程装置、安全保护装置以及各种移载功能。它以电池为动力，进行非接触式导引。它能够根据给定的起点和终点在无人干预的情况下，安全驶向指定的目标，从而完成各种给定的任务。AGV是一种自动化物料搬运设备，它具有自动化程度高、应用灵活、安全可靠、无人操作、施工简单及维修方便等诸多优点，因而广泛应用于汽车制造业、烟草行业、工程机械行业、机场等物资运输场所。AGV同时也广泛应用于柔性生产系统（FMS）、柔性搬运系统和自动化仓库中。AGV是现代物流系统的关键设备，它对于提高生产自动化程度和提高生产效率有着重要意义，AGV已成为物流自动化研究的热点之一。AGV的研制与开发涉及到计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科，是集光、机电及计算机于一体的高新技术。研究方法：通过阅读资料，对国内自动引导小车AGV的机械结构、控制方法充分的研究，结合设计要求和控制要求，研究、设计自动引导小车AGV的总体构成和执行机构，用三维CAD对机械进行研究，并运行动画模拟，防止运动干涉。运动控制方面：利用电磁轨道来设立其行进路线，电磁轨道黏贴于地板上，自动引导小车则依循电磁轨道所带来的信息进行移动与动作。研究现状：在国外，1913年美国福特汽车公司将有轨引导的AGV代替输送机用于底盘装配上。1953年美国Barrett Electric公司制造了世界上第一台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导引车。直到20世纪60年代和70年代初，AGV仍采用这种导引方式。1955年，在英国首先出现了把AGV系统用于实用的生产线上。1959年，在美国首次出现了把AGV用于自动化仓库中。1973年瑞典VOLVO公司在KALMAR轿车厂和SKOVDE发动机厂都采用了上百台AGV进行装配作业。1982年，德国出现了世界上第一台无人叉车。1983年，欧洲安装了330台各种形式的AGV系统，而使用的AGV则多达3900多台。到了1990年，瑞典NDC公司开发了第四代AGV控制系统激光导引系统。2000年，比利时Egmin公司推出了激光导引与惯性导航、激光测角与测距相结合的导引控制技术。在国外，汽车制造业是AGV应用最早、用量最大的行业，约占AGV总销售量的30%。其次，AGV在印刷、造纸、新闻出版等重型搬运作业中以及食品、饮料、酿酒、制药、电子等洁净化车间应用也很多。与发达国家相比我国AGV的研究及应用起步较晚。国内AGV的技术来源主要有两种模式：一种是直接引进国外技术和产品，一种是自主研发。在直接引进国外技术与产品方面：1980年上海石化总厂从日本大福公司引进国内第一套AGV系统用于涤纶长丝作业。1996年玉溪卷烟厂引进韩国三星52台电磁导引AGV。在自主研发方面：1976年北京起重机械研究所研制出了我国第一台AGV。1988年原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮政枢纽AGV。1991年起，中科院沈阳自动化研究所/新松机器人自动化股份有限公司研制了客车装配AGV系统。1992年天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。同时，昆明船舶设备研究所、吉林大学、清华大学、天津师范大学、北京易亨集团等也对AGV进行了研究开发。国内使用AGV比较多的行业主要有烟草行业和汽车行业。烟草行业由于利润丰厚，是AGV应用最多的领域，约占AGV销售总量的一半左右；AGV在汽车行业虽有应用但数量并不多，因为我国汽车企业规模小，利润比较薄；其他行业虽然也有AGV应用的需求，但是总体来看，国内AGV的应用范围还比较窄，技术和需求还不是很成熟，需要AGV的生产企业做进一步的引导，同时开发出适应不同行业的AGV系统以提高相应行业的生产自动化程度和生产效率。研究内容：自动导向搬运车AGV是生产车间级物流自动化流转设备之一，为普通型和智能型两种。智能型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上设置导向信息媒介，AGV小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。本文是研究AGV的常见结构，拉到理论应用的内容。研究方案：为使自动导引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。要完成以下几项工作，即：1.从环境中得到自动导引小车周围的障碍物信息及其他相关信息；2.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.根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略；4.产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。这四项工作的完成对于在实时环境中运动的小车来说是缺一不可的，于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。进度安排 2011.12.10-2011.12.20 查阅资料并撰写毕业设计开题报告 2011.12.21-2011.12.22 指导教师审核开题报告,学生根据指导老师意见做进一步修改 2011.12.21-2011.12.22 系里组织开开题报告会 2011.12.23-2011.12.31 由指导老师指导查阅资料，并翻译外文资料 2012.01.01-2012.01.20 撰写文献综述，经指导老师审阅后着手毕业论文的写作 2012.01.21-2012.03.06 开始编写毕业设计工作计划，进入毕业设计的撰写 2012.04.29-2012.04.30 整改论文 2012.05.05-2012.05.19 毕业设计答辩预期结果：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，使得智能型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车可以自动选择最佳路线完成规定的任务。让AGV小车检测出在固定的线路上的导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。针对现有AGV的引导方式的一些不足加以改进并完善，其中主要对地形影响，车速影响，位置信息确定等几个突出问题进行一些针对行研究，撰写论文，以供研究。参考文献：1 朱江.AGV车载控制原理研究J.计算机控制，2006.2 蔡涛.AGV的超声波定位与避障研究D.陕西:西安理工大学，2008.3 于洋.AGV及其控制器设计与开发J.检测技术与自动化装置，2008. 4 潘明华.盾构自动导向系统的研究与实现J.机械电子工程，2005.5 陈鲁华.基于CAN总线的网络化PLC技术研究与实现J.机电控制及自动化，2003.指导教师意见：指导教师签名：年月日教研室意见：审查结果：同意不同意教研室主任签名：年月日中国地质大学长城学院本科毕业设计（论文）文献综述系别：工程技术系专业：机械设计制造及其自动化姓名：蔡杰轩学号： 05208337 2012年1月20日1 AGV定义自动引导小车简称为AGV，是英文Automated Guided Vehicle 的缩写。AGV是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车到指定的地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆5。按日本JISD6801的定义：AGV是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆。AGV只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通信系统、安全系统和管理系统等构成自动导向车系统（AGVS）才能真正发挥作用。2 AGV结构AGV的各组成部分一般有：导向系统、车体、蓄电池及充电装置、驱动装置、转向装置、移栽装置、控制与通信系统、安全装置。导向系统是AGV的核心部分，用来保证AGV按设定的路线自动行驶。车体由车架、减速器、电动机、车轮等组成，车架常采用焊接刚结构，要求有足够的刚性。蓄电池常采用24V或48V直流工业蓄电池，供电周期为20h左右。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，并由计算机或人工进行控制，它是一个伺服驱动的变速控制系统。转向装置的结构有三种：铰轴转向式三轮车型、差速转向式四轮车型和全轮转向式四轮车型。移栽装置用来装卸货物，其装卸方式分为被动装卸和主动装卸两种。控制与通信系统包括车上控制器和地面（车外）控制器，均采用微型计算机，通过通信网络进行联系。AGV的安全装置包括多级硬件和软件，例如，在AGV的前面设有红外光非接触式防碰传感器和接触式防碰传感器保险杠；AGV的前后有黄色警视信号灯，当AGV行走时信号灯闪烁；每个驱动轮带有安全制动器，断电时制动器自动接上；小车每一面都有急停按钮和附有传感器的安全保险杠，当小车轻微接触障碍物时，保险杠受压，小车停止；一旦发生故障，AGV自动进行声光报警，同时通过无线通线系统通知AGV监控系统。3 AGV特点（1）运行路径和目的地可以由管理程序控制，机动能力强。而且某些导向方式的线路变更十分方便灵活，设置成本低。（2）工位识别能力和定位精度高，具有与各种加工设备协调工作的能力。在通信系统的支持和管理系统的调度下，可实现物流的柔性控制。（3）载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式，能满足不同产品运送和加工的需要。因此，物流系统的适应能力强。（4）可装备多种声光报警系统，能通过车载障碍物探测系统在碰撞到障碍物之前自动停止。当其列队行驶或在某一区域交叉运行时，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在认为差错。因此AGV比其他搬运系统更安全。（5） AGV组成的物流系统不是永久性的，而是在给定的区域内设置。与传统物流输送系统在车间内固定设置且不易变更相比，该物流系统的设置柔性强，并可以充分利用人行通道和交叉通道，从而改善车间地面利用率。（6）与其他物料输送方式相比，初期投资大，但可以大幅度降低运行费用，特别是在产品类型和工位较多时。4 AGV技术的发展以及在物流中的发展AGV产品所涉及的关键技术主要包括：引导技术、控制技术、电源技术三个方面。（1）引导技术，在已被探索研究和开发应用的引导方法主要有：电磁感应法、光学引导法、化学引导法、磁感应法、位置推断法、参考标志法、惯性导航法和图像识别法等。随着计算机控制技术的应用和各种高精度传感器的实用化，其他各种引导技术也不断地成熟和应用。根据对国外几十家生产AGV公司的27个系列产品所采用的主要引导技术的统计结果，可以明显地看到各种引导技术应用的情况。其中，电磁感应引导技术所占的应用比例最高，这表明该项技术已经十分成熟，应用也就最多。而机器视觉引导技术应用的比例还很少，因此，该项技术还需要深入研究和不断完善。除此而外，就是自主导航技术仍然处在研究阶段，还有许多实用化技术问题有待于解决。（2）控制技术，这里所提到的控制技术的概念有多层含义，既包括对AGV行为单纯的控制技术，也包括对AGV行为的决策方法。随着计算机硬件技术、并行分布式处理技术、自动控制技术和传感器技术不断进步以及软件开发环境的不断完善，为AGV的控制性能的提高提供了必要的技术基础。人工智能技术在AGV上的应用，如环境理解与障碍识别、任务实现与路径规划和模糊与神经网络控制等使AGV向着智能化和自主化运行控制方向发展。此外，在当今的工业生产中，不仅对物流系统有着高度的柔性要求，而且还要实现对生产组织的重构。因此，在物流系统中，对多个AGV运行行为的统一调度和协调控制已经成为AGVS研究的重要内容。（3）电源技术，AGV运行所消耗能源一般是由蓄电池提供。蓄电池容量的确定是AGV设计的重要参数之一，它的选择应保证车辆在规定的作业方式和工作时间内提供足够的能量。目前，用于AGV的蓄电池有两种类型：即铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。其中，铅酸型蓄电池所占比例很大。除电池本身特性外，AGV使用过程中的充电技术也是值得重视的问题。但是，AGV所涉及到的电源技术问题，将随着蓄电池技术的发展而得到解决。目前，AGV的应用领域主要用在制造业，特别是在重型机械及部分非加工制造中的应用。在制造业中主要用于物料分发、装配和加工制造方面。其中，装配作业中，汽车工业是AGV的应用大户。在物料分发中，主要用于生产工序间的物料移送和仓储作业中的物料移送。在净化室中，AGV更可大显身手，满足净化要求极高的操作。另外，AGV还可以作为机器人的“脚”，使机器人在更大范围内自动完成作业、水泥地面的光整等。在有核辐射的地方，使用机器人与AGV的配合，完成检修与材料搬运等工作。因此，随着电子、图像识别、传感和信息技术的发展，AGV的应用领域越来越广。5 总结从自动引导小车概述来看，自动引导小车的开发和应用是比较晚的，随着计算机技术和各种高精度的传感化，以及效率的提高，产生了自动引导小车。此次研究设计自动引导小车的结构和系统。可以进一步的了解自动引导小车结构特点。在全面了解的基础上，结合运用自己所学的知识，自己研究设计一种装备有磁性的自动引导小车，使得在“无人操作工厂”得以利用。通过自动引导小车结构和系统设计，也可以培养自身综合运用机械设计知识的能力，从而提高独立分析解决问题的能力，以此来适应社会需求。参考文献1 朱江.AGV车载控制原理研究J.计算机控制，2006.2 蔡涛.AGV的超声波定位与避障研究D.陕西:西安理工大学，2008.3 于洋.AGV及其控制器设计与开发J.检测技术与自动化装置，2008. 4 潘明华.盾构自动导向系统的研究与实现J.机械电子工程，2005.5 陈鲁华.基于CAN总线的网络化PLC技术研究与实现J.机电控制及自动化，2003.6 沈颖.激光导引AGV车载控制系统研究M.安徽：合肥工业大学.2007.7 黄霞.嵌入式自动导引小车AGV系统研究与设计M.控制理论与控制工程，2009.8 管一兵.直线行走式智能监控小车的精确定位方法研究M.电力电子与电力传动，2008.9 肖一帆.全桥驱动的自导引小车AGV动力学建模及其运动研究J.上海：同济大学，2007.10 吴亮亮.自动导向小车AGV无接触供电关键技术研究J.计算机集成与柔性制造，2010.11 张勇波.自动引导小车AGV路径跟踪控制策略的研究J.湖北：武汉理工大学，2006.12 叶甲秋.自动引导小车AGV驱动系统辨识与动态特性分析J.柔性制造技术，2010.13 嘉红霞，集装箱装卸桥PLC控制系统中若干通信问题的研究J.机械电子工程，2002. 14 李辛.基于无线定位的AGV导航、控制研究及模拟系统的研制J.通信与信息系统，2006.15 Chu Jiangwei,Shi Shuming,Guo Lie,Wang Rongben,Ma Guosheng. Visual guidance of two differential steering AGV design and key technologies. Proceedings of the 4th International Conference on Material Handling & Logistics Systems,2002.5AGV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。4 AGV机械部分主要零件的选取4.1伺服驱动电机的选取及参数伺服驱动电动机是用来控制后轮驱动行进的原动力机构，是支持和为整个车体提供动力的元件。它的选取关系到车体的运动快慢及其能够产生多大的扭矩，多大的驱动力。在这次电机部分的选取中，结合老师的指导及其研究找个了下面这个较为合适的私服电动机作为后轮的驱动电机。其外观如图4.1。图4.1 伺服电机外观图(Servo motor appearance figure)由于这次车体不是很大，外形尺寸：长*宽*高：800mm*590mm*350mm，能够承受的重物也不是很大，大概再10斤到50斤左右的工件，所以为了节省原材料和不必要的能源浪费，所以电动机的选取尤为重要，此次我选取了额定功率为1.5KW的电机足以保证给车体提供驱动动力及其达到不必要的浪费。选取的驱动电机为ACH-13150A（1500W）；而转向需要的动力不必这么大，所以转向电机选择的功率相对较小些，选取的转向电机为 60-40-30-DF-1000，所以选取的两个电机则均为方形；驱动电机：边长为260MM，圆柱形；外径为，电压等级：L-220VA，额定功率：1500W，位置传感器：M-光学编码器，电机额定转速：1500rpm，冷却方式：N-自然空冷，外形：方形。转向电机：边长为142MM，圆柱形，外径为61，电压等级：L-72VA，额定功率：400W，电机额定转速：3000rpm，冷却方式：N-自然空冷，外形：方形。选取的ACH-13150A（1500W）交流私服电动机的结构示意图如图4.2。图4.2 伺服电机结构示意图(Schematic diagram of servo motor)图4.3 伺服电机示意图(Schematic diagram of servo motor)伺服电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由环形分配器、功率驱动装置、步进电机构成一个开环的定位运动系统，当系统接受一个电脉冲信号时，伺服电机的转轴将转过一定的角度或移动一定的直线距离，电脉冲输入越多，电机转轴转过的角度或直线位移就越多，同时，输入电脉冲的频率越高，电机转轴的转速或位移速度就越快。步进电机控制的最大特点是没有积累误差，常用于开环控制。步进电机系统由控制器、驱动器及步进电机构成，它们三者之间是相互配套的。伺服电机转轴输出的角位移量与输入的脉冲数成正比，通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量，而通过改变输入脉冲频率可实现调速。伺服电机主要由定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，三相、四相、五相步进电机分别有3个、4个、5个绕组，其它依此类推。绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为步进电机的“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用卜有规律地通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。表4-4 伺服电机参数表(Servo motor parameters table)型号 ACH-13150A（1500W）额定功率（KW）0.611.52相数、线电压（V）3相220V额定转速（rpm)1500rpm最高转速（rpm）1750rpm最高机械转速（rpm）2000rpm额定转矩（N.m）5.89.61419最大转矩（N.m）17294257额定线电流（A）34.87.29.3转子惯性（Kg.c）12233445电机外型尺寸（mm）L160210274310L155555555H25555H312121212D2110110110110D322222222D4165165165165D59999D6145145145145光轴或键连结，如采用键连接，则键尺寸为（mm）L345454545L441414141T8888H18888H418181818转子位置反馈：2500线、5000线光学编码器、旋转变压器可选制动器：带制动电机总长加25mm，制动器电压：直流24V。4.1.1电机的计算选择电机的容量电动机所需要的功率 Pd = kW （4-1）由式 Pw = kW （4-2）Pd = kW (4-3）由电动机至车轮的传动总效率为 = (4-4)式中：、分别为轴承、齿轮传动、联轴器和轮轴的传动效率。取=0.98 （滚动轴承），=0.97（不包括轴承效率），=0.99（联轴器），=0.96，则 =0.98=0.82所以确定电动机的转速轮轴工作转速为：二级圆柱齿轮减速器传动比= 12.520，则总的传动比合理范围为=12.520，故电动机转速的可选范围为： (4-5) 搬运车所需工作功率，指搬运车轮前进所需功率，kW；由电动机至搬运车轮轴的总效率；搬运车的运行阻力，N；搬运车轮的线速度m/s。（已经确定搬运小车运行速度大约为30m/min，通过运算转换的0.5m/s）综合考虑上述得出的结论：选择130 L _ M 10 N S 中额定功率为1.5KW的交流伺服电机为此次设计的驱动电机。根据电动机和减速器的结构尺寸选择出联轴器和键。取载荷系数=1.3，则联轴器的计算转矩为： (4-6)根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为：电动机和减速器之间的联轴器：YL1 2232；减速器和轮轴之间的联轴器：YL9 4880；执行标准：GB584386。电动机上的键：；减速器输入端的键：；减速器输出端的键：；键的宽度，mm；键的长度，mm；键的厚度，mm；4.1.2 电机的控制参数通过设置伺服电机驱动器的工作方式和细分数，由单片机控制8253输出的脉冲频率可以推算出伺服电机的转速，再结合驱动轮的几何参数，就可以得到脉冲频率与车辆行走距离、速度之间的关系，推导过程如下：设驱动器细分为d，脉冲数为c，伺服电机固有步距角为a，8253输出脉冲频率为f，减速器传动比为i，驱动轮半径为R。通过伺服电机驱动器细分后，伺服电机的步距角：（4-7)电机所转的角度可以由以下式子表示：（4-8）输入C个脉冲所需要的时间为：（4-9）可得到电机的转速为：（4-10）则小车的速度为：（4-11）伺服电机的脉冲频率f为：（4-12）由车辆速度表达式可以看出，车辆行驶速度由脉冲频率f、步距角a、细分数d，传动比I和驱动轮半径R决定。其中步距角为电机固定参数，传动比为减速器固定参数，因此驱动轮尺寸定好以后，小车的运动控制最终是通过可编程计数器8253发出的脉冲频率f和伺服电机驱动器的设定细分数d来实现控制。细分值越大，伺服电机越平稳、噪音越小、振动越小，但同时电机转速也越慢。所以，要综合考虑各方面因素，在满足平稳性和运行速度之间做好权衡，才能较好的控制好电机。4.2 轴的设计和参数的计算轴的设计是根据给定的轴的功能要求(传递功率或转矩，所支持零件的要求等)和满足物理、几何约束的前提下，确定轴的最佳形状和尺寸，尽管轴设计中所受的物理约束很多，但设计时，其物理约束的选择仍是有区别的，对一般的用途的轴，满足强度约束条件, 具有合理的结构和良好的工艺性即可。对于静刚度要求高的轴，如机床主轴，工作时不允许有过大的变形，则应按刚度约束条件来设计轴的尺寸。对于高速或载荷作周期变化的轴，为避免发生共振，则应需按临界转速约束条件进行轴的稳定性计算。轴的设计并无固定不变的步骤，要根据具体情况来定，一般方法是：(1) 按扭转强度约束条件或与同类机器类比，初步确定轴的最小直径。(2) 考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等几何约束，进行轴的结构设计，确定轴的几何尺寸；值得指出的是：轴结构设计的结果具有多样性。不同的工作要求、不同的轴上零件的装配方案以及轴的不同加工工艺等，都将得出不同的轴的结构型式。因此，设计时，必须对其结果进行综合评价，确定较优的方案。(3) 根据轴的结构尺寸和工作要求，选择相应的物理约束，确定合适的参照物体，检验是否满足相应的物理约束。若不满足，则需对轴的结构尺寸作必要修改，应该实施再设计，直至满足要求。4.2.1减速器的使用范围及选取（1）适用范围ZDY、ZLY、ZSY外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速器，可用于冶金、矿山、起重运输、水泥、建筑、化工、纺织、轻工等行业。减速器高速轴转速不大于1500r/min；减速器齿轮传动圆周速度不大于20m/s；减速器工作环境温度为-4045，低于0时，起动前润滑油应预热。（ZDL为单级，ZLY为两级，ZSY为三级，Y代表硬齿面）（2）减速器的选取轮轴的转速；电机的额定转速；减速器的传动比；取减速器的传动比为；实际轮轴的转速；车轮的实际线速度；综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量和减速器的传动比，选择的减速器型号ZLY 11220 ZBJ19004888。4.2.2 驱动后轮轴的设计由于是驱动电机驱动后轮使小车前进，在此一切相关数据与计算都是以后车轮为依据车轮轴转速=67 r/min驱动电机的额定功率kW轮轴传递功率为受转矩T （Nmm）的实心圆轴，其切应力：（4-13）轴的最小直径：（4-14）轴的材料取45钢，上两式中轴的抗扭截面系数，mm3；轴传递的功率，kW；轴的转速，r/min；许用切应力；与轴的材料有关的系数，可由表4-3查得。表4-3 轴材料的选取一览表(Shaft material selection list)轴的材料Q235,20Q255,Q275,354540Cr,38SiMnMo/M Pa12160151482013525125301183511240106451025298轴最小直径取35mm。轴上键的规格为和。图4.4为后轮车轴尺寸图(The axle of the rear wheel size map)由于转向前轮的结构比较简单，故不重复说明选取过程，根据最短轴也为直径为35mm，所以可以选择出轴上的键为为。图4.5为前车轮车轴尺寸图(Front wheel axle dimension diagram)4.3轴的受力分析及校核假设前后轴受力均匀，以后车轮轴为例。轴的材料选用45钢调质，= 650 M Pa,= 360 M Pa计算支撑反力：垂直面反力：合成弯矩: 许用应力值: 轴径 21mm25mm表4-6 转轴和心轴的许用弯曲应力（M Pa）(Rotating shaft and the mandrel bending stress)材料碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090铸钢40010050305001207040大部分滚动轴承是由于疲劳点饰而失效的。轴承中任一原件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时称为轴承寿命。实际选择轴承时常以基本额定寿命为标准。轴承的基本额定寿命是指90%可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿命，以符号10(r)或L10h(h)表示。基本额定寿命就是轴承所能承受的恒定载荷取为基本额定动载荷C。也就是说，在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作一百万转而不发生点饰失效，其可靠度为90%。当量动载荷（4-15）式中径向载荷，N；轴向载荷，N； X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数，可查。由于机械工作时常具有振动和冲击。为此，轴承的当量动载荷应按下式计算：（4-16）由于不受轴向力，所以 =式中冲击载荷系数，由表5-2可查；径向力，取875N。表4-7 冲击载荷系数(Impact load coefficient) 载荷性质机器举例平稳运转或轻微冲击电机、水泵、通风机、汽轮机 1.01.2 中等冲击车辆、机床、起重机、内燃机、冶金设备 1.21.8 强大冲击破碎机、轧钢机、振动筛、工程机械、石油钻机 1.83.0当轴承的当量动载荷为时以转速为的基本额定寿命为：（4-17） 106r式中当量动载荷，N；基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为一百万转时，=1）；寿命指数，球轴承=3； C 基本额定动载荷，查表取43.2N。若轴承工作转速为n r/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命。4.4齿轮的设计与选取在本设计中，所采用传动方式为齿轮传动，并选用锥齿轮。和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围广等。同时齿轮传动应满足下列两项基本要求：传动平稳要求瞬时传动比不变，尽量减小冲击、振动和噪声；这样可以更好的传动动力加大平衡稳定的行进。承载能力高要求在尺寸小，重量轻的前提下，齿轮的强度高、耐磨性好，在预定的使用期限内不出现断齿等实效现象。在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等，基本上都是围绕着两个基本要求进行的。也是处理和达到精度要求的最为重要的环节。锥齿轮标准模数m和基本齿廓的确定如表4-8和表4-9；表4-8 标准模数 (Standard module)锥齿轮GB 12368-901 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 直齿锥齿轮基本齿廓(Basic tooth profile of straight tooth bevel gear)基本参数齿形角a齿顶高工作齿高顶隙c齿根圆角半径锥齿轮GB 12369-9020m2m0.2m0.3m根据结构设计，由表4-5初取标准模数m2.5，再由表4-4确定锥齿轮基本齿廓尺寸数据：齿顶高2.5，工作齿高=5，顶隙c=0.5，齿根圆角半径=0.75，大端分度圆直径d=mm，可得齿数z=30，齿宽b=0.3R ，为锥距得 b=13.317，取b=14，锥距和大端分度圆直径已知，可得分锥角57.65。根据啮合公式即可算出2个齿轮传递功率的大小，达到所要求的部分。小车的基本零件和速度、承重都要合适，通过不同的要求有不同的选择，经过合理的计算，选择了合适的驱动电机、转向电机、前后轮轴、锥齿轮的尺寸型号，使得小车的各个零件不仅节省了不必要的浪费，还能保证平稳的运行。 4.5传感器的选用4.5.1 红外传感器寻迹利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。图4-10 光学导引原理图(Optical guiding principle diagram)方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。该电路采用T性网络，可避免使用太大的反馈电阻，并且便于提高输入阻抗。六组光敏电阻用于检测可见光信号。但光敏电阻检测到黑带时，输出端为低电平，但用光是电路输出端显示为高电平，信号返回给单片机，通过单片机控制前轮的转向。但由于需要正负电源，同时光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用六组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。接收的红外信号转换为电压信号经LM339进行比较，产生高电平或低电平返回给51单片机。根据方案经济实惠，易于实现，可靠性好等原则，因此采用方案三。稳定性能得到提升。当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为低电平，反之为高电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。根据传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几毫米到几米。选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。从需要510cm垂直探测距离的要求来看，普通的红外反射式传感器又很难胜任。在对6个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的043W封装的反射红外传感器。在使用约40A的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）探测距离能达8cm，完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了下图的电路形式。4.5.2超声波传感器避障原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如下图所示。图4-11 超声波测距原理框图(The ultrasonic ranging principle block diagram)图4-12 超声波测距模块实物图片(Ultrasonic ranging module)（1）三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）：短距：10cm80cm左右（根据被测物表面材料决定）。中距：80cm400cm左右（根据被测物表面材料决定）。可调：范围由可调节参数确定。（2）单/多模组的两种使用方法（单传感器、阵列式传感器）：单模组使用：单模组就可完成测距实验，一般只用来做测距/障碍物方面的应用。多模组配合使用：模组上提供接口J5、J6，可将几个模组串联起来，组成阵列式的传感器组。（3）应用领域:为方便进行单片机接口方面的学习专门设计的模块，超声波测距模组可以方便的和61板连接，可应用在小距离测距、机器人检测、障碍物检测等方面，可用于验证方车辆倒车雷达以及家居安防系统等应用方案验证。 5 驱动转向系统的设计5.1 驱动方式的选择AGV驱动的方式大致可分成两种，一种为两台电机各置于左、右两边，利用两台电机的动作与两轮差速的方式达到左右转，前进或停止，即差速型。另一种方式则类似汽车的转向及传动方式，即前轮为转向轮，后轮为驱动轮，称为舵轮型。前轮利用电机控制连接前轮的连杆，带动前轮左、右转向，而后轮直接利用步进电机与减速机构带动承载车前进或停止。这里主要用到的是第一种方式。传感器接受信号Yes利用独立电机以差速方式驱动转向判断位置No达到要求位置图5-1差速型转间流程图(Differential type to flow chart)这两种传动方式有不同的控制流程，第一种利用两个左、右电机差速转弯，因此控制流程图所示。经由传感器感应地面轨道回传转向讯号后，马上经由控制系统判断转向位置，当位置正确时承载车则继续前进，反之，电机即会继续转向直到传感器与地面轨道子系统回传直行讯号。此种传动方式当承载重量过大时，可能会因电机扭力不足无法动作。而第二种则类似汽车转向及传动方式，如图所示。本课题中我们所选的驱动移载机构就为差速型，即小车的前面两轮为万向轮，而后面两轮分别由两个直流电机驱动和控制小车的四个车轮采用实心树脂轮胎。且四个车轮的直径都为：D=250mm。车体框架是装配AGV其他零部件的主要支撑装置，是运动中的主要部件之一，主要分为主框架和副框架两个部分。主框架为立体型框架结构，用于安装各种控制和通讯设备。副框架则安装轮子、各种传感器和驱动电机，主框架和副框架用可拆卸联接，便于安装和拆卸，总的来说AGV车架相当于汽车底盘，是AGV机械部分的关键。车架设计及工艺的合理性直接影响AGV的定位精度，应满足的主要条件如下：(1) 车体的强度和刚度必须满足小车承载及运行加速时的要求.(2) 在保证车体有足够刚度的条件下，尽量减轻车体的重量，以提高有效承载重量。(3) 尽量降低车体重心，提高整车的抗倾翻能力。(4) 车体的外廓不应有突出部分，以防止碰撞其他物体。根据以上所述要求，并能更好地满足实际任务的需要，AGV整体尺寸设计为0.50.40.4 m(长宽高)。除AGV车体以外的其他辅助系统的安装直接影响着小车的驱动和转向。AGV车体重心越低，越有利于抗倾翻。5.2 传感器的布置传感器导航系统的功能是使AGV沿固定的路线行驶。根据本系统的设计要求，采用宽为l .5cm的白色导引带作为AGV的航向标志。本导航系统采用红外传感器作为导航传感器，通过多个传感器组合使用进行对AGV的航向导引。利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。本设计采用五个红外传感器(1号5号)按“U”字型排开，整个“U”型支架宽，如图5-2。其中中间的2号、3号和5号红外传感器用于跟踪白色导引线之用，考虑到导引线宽为100mm，取2号、3号和5号灰度传感位置相互距离为100mm。1号和4号红外传感器用于判断是否为垂直交叉或直角拐角路口。图5-2制导系统安装位置示意图(Guidance system installation diagram)5.3 电机与行走系统的驱动装置AGV的驱动系统主要由驱动电源、直流电动机和减速器组成。电动机的性能参数及咸速器的规格型号的确定直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力直接决定整车的动力性，即车辆的运动速度和驱动力。自动引导车是电动车的一种，而电机是电动车的驱动源，提供给整车提供动力。目前常用的电动车辆驱动系统有三种：第一种是直流电机驱动系统，20世纪90年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，其最高转速为6000-8000r/min。但出于其缺点目前除了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。第二种是感应电机交流驱动系统。该系统是20世纪90年代发展起来的新技术，目前尚处于发展完善阶段。电机一般采用转子鼠笼结构的三相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。其具有效率高、体积小、质量小、结构简单，免维护、易于冷却和寿命长等优点，该系统调速范围宽。目前，世界上众多著名的电动汽车中，多数采用感应电机交流驱动系统。第三种是永磁同步电机交流驱动系统，其中永磁同步电机包括无刷直流电机和三相永磁同步电机，而永磁同步电机和无刷直流电机相比，永磁同步电机交流驱动系统的效率较高，体积最小，质量最小，也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高，只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向。出于直流电机本身具有控制系统简单，调速方便，不需逆变装置等优点，并且本课题设计的AGV不需要工作在高速大功率之上，因此，在本文仍采用直流电机作为驱动系统的动力源。我们设计的AGV原理样车载重总质量为250kg，最高时速设定为1.11m/s，正常运行时速设定为0.280.83m/s 。小车采用差速转向控制，故每个驱动轮都有独立的驱动电机。为了使系统运行可靠且维护方便，本系统采用两个无刷直流电机作为驱动电机。同时，为了安装、操作方便，选用了低速性能较好的外转子无刷电机，将其外转子直接作为车轮，且无需配备减速机构。根据AGV所要承载的负荷、系统的自重以及车速要求，本系统选用了直流电机，直流电动机被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中，主要优点是调速和启动特性好，转矩大。但是有刷直流电动机有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重地影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、维护困难，因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机无刷直流电动机。这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,它的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，它的原理框图如图5-4。直流电源开关电路电动机位置感应器负载图5-4无刷直流电机原理图(Brushless DC motor principle diagram)采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为“霍尔无刷直流电动机”。由于无刷直流电动机的转子是永磁的，就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。 5.4 电源部分选择目前AGV大多使用镍镉蓄电池，镍氢蓄电池、锂电池和铅酸蓄电池。下面就对以上几种类型的电池进行简单比较：镍镉蓄电池内阻小，可供大电流放电，放电时电压变化小与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或放过电，操作简单方便放电电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是1. 2V左右镍镉电池的放电终止电压为1V/cell，实使用温范围在200600度，在此范围内可进行放电。可重复500次以上的充放电。镍氢蓄电池镍氢电池能量比镍镉电池大二倍，用专门的充电器充电可在一小时内快速充电,自放电特性比镍镉电池好，充电后可保留更长时间，可重复500次以上的充放。锂电池拥有高能量密度。与高容量镍镉电池相比，体积能量是其1. 5倍，能量密度是其2倍。高电压，平均使用电压为3. 6V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍，使用电压平坦并且高容量，广泛的使用温度200600度。充放电寿命长，经过500次放电后其容量至少还有70%以上由于锂电池具备了能量密度高电压高，工作稳定等特点。铅酸蓄电池铅酸电池是一种使用最广泛的电池，它以海绵状的铅作为负极，二氧化铅作为正极，我们把这二种物质称为活性物质，用硫酸水溶液作为电解液，它们共同参与电池的电化学反应。铅酸蓄电池具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富（且可再生使用）及造价低廉等优点。主要应用在交通运输、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济各个领域，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。经过以上对蓄电池优缺点的对比，本课题我们选择用2块40Ah的铅酸蓄电池串联方式构成电源，其输出电压为122=24V，蓄电池布置在承载车身内，总重量为242=48kg本章中主要是电机以及驱动电源的设计过程，其中对小车驱动功率、电机扭矩和蓄电池容量的计算等作了详细的论述。根据计算、分析选择直流电动机和蓄电池，选择轮胎，设计传感的安放位置。6 控制系统6.1 电源及驱动芯片模块本AGV选用的驱动芯片为L293D, L293是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B，D，E等，除L293E为20脚外，其它均为16引脚Vss电压最小4. 5V，最大可达36V，Vs电压最大值也是36V。经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。能通过的峰值电流是1. 2A，由于是采用桥式电路驱动一个电机，它允许的输出电流是 686. 6mA，据此可

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