自动导引小车(AGV)的研究和应用【2013年最新整理毕业论文】

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. 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 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 . 14 4.1 伺服驱动电机的选取及参数 . 14 4.1.1 电机的计算 . 17 4.1.2 电机的控制参数 . 18 4.2 轴的设计和参数的计算 . 19 4.2.1 减速器的使用范围及选取 . 20 4.2.2 驱动后轮轴的设计 . 20 4.3 轴的受力分析及校核 . 22 4.4 齿轮的设计与选取 . 24 4.5 传感器的选用 . 25 4.5.1 红外传感器寻迹 . 25 4.5.2 超声波传感器避障原理 . 26 5 驱动转向系统的设计 . 27 5.1 驱动方 式的选择 . 27 5.2 传感器的布置 . 28 5.3 电机与行走系统的驱动装置 . 29 5.4 电源部分选择 . 30 6 控制系统 . 31 6.1 电源及驱动芯片模块 . 31 6.2 电路的设计及行走策略 . 31 6.3 控制策略 . 33 7 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 1 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，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， 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中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 3 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、AGV自动引导小车的设计 4 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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 5 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AGV自动引导小车的设计 6 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。 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。 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，输出磁待命站 充电系统 地面设备 AGV 路径 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 7 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，AGV自动引导小车的设计 8 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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 9 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 1 AGV自动引导小车的设计 10 3 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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 11 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： c x A X B X L X R Xm v F F F F (3.1) c y A Y B Y L Y R Ym v F F F F (3.2) 11c A Z B Z R Z A X A Yj w M M M F b F c 1 2 2 1 2 2B X B Y L X L Y R X R YF b F c F b F a F b F a (3.3) 上面式子中ccmj和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 1A X xv v b w （ 3.4） 1AY yv v c w （ 3.5） 1B X xv v c w （ 3.6） 2BY yv v c w （ 3.7） 211A X xv v b w c w （ 3.8） 211A Y yv v c w b w （ 3.9） AGV自动引导小车的设计 12 212B X xv v b w c w （ 3.10） 221B Y yv v c w b w （ 3.11） 车体 L 和 R 处运动的方程为： 2L X xv v b w （ 3.12） 1LY yv v a w （ 3.13） 221L X xv v b w a w （ 3.14） 212L Y yv v a w b w （ 3.15） 2R Y xv v b w （ 3.16） 2R Y xv v a w （ 3.17） 222R X xv v b w a w （ 3.18） 222R Y yv v a w b w (3.19) 3.3 驱动后轮运动建模 惯性坐标系 L- LLL ZYX 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）。 LM 是驱动电机经过齿轮减速后传递给左轮的驱动力矩，SLM是轴承对左轮的摩擦阻力矩，LVM是滚动阻力矩， LXF 是地面对左轮的侧滑动摩擦力， SLF 是轴承对左轮的滚动摩擦力， LZM 是地面对车轮的扭矩摩擦力矩， Lw 是左后轮的 转动角速度（ LX 为转动轴）。 L L X L X L XM v F F (3.20) L L Y L Y L YM v F F (3.21) L X L L S L L Y L L FJ w M M F R M (3.22) L Z L Z L Z L ZJ w M M (3.23) 上式中， LLZLXL RJJM 、 分别是左后轮的质量以及其沿着旋转轴 LX 的转动惯量、沿着 LZ 轴的转动惯量和半径。 LYLX VV 、 为其在 L-XYZ 坐标下的速度，与车体对应点的速度是同一值 。 LZW 是左后轴沿 LZ 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，因此建立类中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 13 似的动力学方程为： R R Y R X R XM v F F (3.24) R R Y R Y R YM v F F (3.25) R X R R S R R Y R R FJ w M M F R M (3.26) R Z R Z R Z R ZJ w M M (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： L Y L L L Y L Lv R w v R w R Y R R R Y L Lv R w v R w (2) 车体设计左右是对称的，则有： 1 2 1 2a a a c c c ， (3) 左轮的直径及其质量和右轮： RRR RL MMM RL (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： FEGD MMMM 0FZFXEZEXGD 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 BL MM 、 和左、右轮转 动的角速度 RL w、w 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AGV自动引导小车的设计 14 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 130 ，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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 15 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。 AGV自动引导小车的设计 16 表 4-4 伺服电机参数表 (Servo motor parameters table) 型号 ACH-13150A（ 1500W） 额定功率（ KW） 0.6 1 1.5 2 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） 5.8 9.6 14 19 最大转矩（ N.m） 17 29 42 57 额定线电流（ A） 3 4.8 7.2 9.3 转子惯性（ Kg.c 2m ） 12 23 34 45 电 机 外 型 尺 寸 （ mm） L 160 210 274 310 L1 55 55 55 55 H2 5 5 5 5 H3 12 12 12 12 D2 110 110 110 110 D3 22 22 22 22 D4 165 165 165 165 D5 9 9 9 9 D6 145 145 145 145 光轴或键连 结，如采用 键连接，则 键尺寸为（ mm） L3 45 45 45 45 L4 41 41 41 41 T 8 8 8 8 H1 8 8 8 8 H4 18 18 18 18 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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 17 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 = awP kW （ 4-1） 由式 Pw = 1000Fv kW （ 4-2） Pd = aFv1000 kW (4-3） 由电动机至车轮的传动总效率为 a = 4232241 (4-4) 式中： 1 、 2 、3、 4 分别为轴承、齿轮传动、联轴器和轮轴的传动效率 。取 1 =0.98 （滚动轴承）， 2 =0.97（不包括轴承效率），3=0.99（联轴器）， 4 =0.96， 则 a =0.98 97.04 96.099.0 22 =0.82 所以 2 0 0 0 0 . 5 1 . 2 11 0 0 0 1 0 0 0 0 . 8 2FvP d k w 确定电动机的转速 轮轴工作转速为： 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 0 . 5 7 3 . 4 9 / m i n130vnrD 二级圆柱齿轮减速器传动比 i = 12.520，则总的传动比合理范围为ai=12.520，故电动机转速的可选范围为： ( 1 2 . 5 2 0 ) 7 3 . 4 9 9 1 8 1 4 6 9 . 8 / m i ndn i n r (4-5) wP 搬运车所需工作功率，指搬运车轮前进所需功率， kW； a 由电动机至搬运车轮轴的总效率； F 搬运车的运行阻力， N； v 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） AGV自动引导小车的设计 18 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AK=1.3，则联轴器的计算转矩为： 1 1 . 3 1 4 3 2 5 1 8 6 2 2 . 5cAT K T (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 48 80；执行标准： GB5843 86。 电动机上的键： 8368 hLb ； 减速器输入端的键： 6338 hLb ； 减速器输出端的键： 9328 hLb ； b 键的宽度， mm； L 键的长度， mm； h 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： d （ 4-7) 电机所转的角度 r 可以由以下式子表示： ()1 8 0 1 8 0cr c r a dd （ 4-8） 输入 C 个脉冲所需要的时间为： 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 19 ()ctsf （ 4-9） 可得到电机的转速为： ( / )180fw r a d sd （ 4-10） 则小车的速度为： ( / )180fRv m sdi （ 4-11） 伺服电机的脉冲频率 f 为： 180 ()v d if H zR （ 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。 AGV自动引导小车的设计 20 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 7 3 .4 9 / m innr ； 电机的额定转速 1 0 0 0 / m i ndnr； 减速器的传动比 1000 1 3 .67 3 .4 9i ； 取减速器的传动比为 15i ； 实际轮轴的转速 1000 6 6 . 7 / m i n15nr； 车 轮的实际线速度 6 6 . 7 1 3 0 0 . 4 56 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0nDv /ms； 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 112 20 ZBJ19004 888。 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 n=67 r/min 驱动电机的额定功率 5.1P kW 轮轴传递功率为 2 2 4 2 2 41 1 2 3 1 . 5 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 8 1 . 2 7 5p p k w 受转矩 T （ N mm） 的实心圆轴，其切应力： 2.0 /1055.9 36 TTT dnPWT （ 4-13） 轴的最小直径： 3362.01055.9nPCnPdT （ 4-14） 轴的材料取 45钢， 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 21 上两式中 TW 轴的抗扭截面系数 ， mm3； P 轴传递的功率， kW； n 轴的转速， r/min； T 许用切应力 ； C 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 Q235,20 Q255,Q275,35 45 40Cr,38SiMnMo T /M Pa C 12 160 15 148 20 135 25 125 30 118 35 112 40 106 45 102 52 98 轴最小直径取 35mm。轴上键的规格 hLb 为 6368 和 6338 。 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 hLb 为 6368 。 图 4.5为前车轮车轴尺寸图 (Front wheel axle dimension diagram) AGV自动引导小车的设计 22 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， B = 650 M Pa, S = 360 M Pa 计算支撑反力： 垂直面反力： NF R 90 45.11 17 5.57 717 491 NF R 9041 NF R 84 55.11 17 54 017 492 NF R 8452 合成弯矩 : 22 xzxy MMM 许用应力值 : MPab 60 1 轴径 mmMdb21601.0 488001.0 331 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 B 1b 0b 1b 碳素钢 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 合金钢 800 270 130 75 1000 330 150 90 铸 钢 400 100 50 30 500 120 70 40 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 ar YFXFP （ 4-15） 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 23 式中 rF 径向载荷， N； aF 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： )( ard YFXFfP （ 4-16） 由于不受轴向力，所以 rd FfP = 8758751 式中 df 冲击载荷系数，由表 5-2可查； rF 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 df 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 P 时以转速为的基本额定寿命 10L 为： 101 LPC （ 4-17） )(10 PCL 106r 式中 P 当量动载荷， N； 10L 基本额定寿命，常以 106r 为单位（当寿命为一百万转时， 10L =1）； 寿命指数，球轴承 =3； C 基本额定动载荷，查表取 43.2 310 N。 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。 hPCnPCnL h 733610 1065.5)8 7 5 102.43(5.351 6 6 7 0)(1 6 6 7 0)(6010 AGV自动引导小车的设计 24 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 (St andard module) 锥齿轮 GB 12368-90 1 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 t oot h p rofile of st raight t oot h bevel gear) 基本参数 齿形角 a 齿顶高ah 工作齿高 h 顶隙 c 齿根圆角半径 fp 锥齿轮 GB 12369-90 20 m 2m 0.2m 0.3m 根据结构设计，由表 4-5初取标准模数 m 2.5，再由表 4-4确定锥齿轮基本齿廓尺寸数据：齿顶高ah 2.5，工作齿高 h =5，顶隙 c=0.5，齿根圆角半径fp=0.75，大端分度圆直径d=mm，可得齿数 z=30，齿宽 b=0.3 R ， 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。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 25 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 。 AGV自动引导小车的设计 26 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 5 10cm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 40 A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) 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 27 （ 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。 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。传感器接受信号 判断位置 利用独立电机以差速方式驱动转向 达到要求位置 No Yes AGV自动引导小车的设计 28 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 0.5 0.4 0.4 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。 右前轮左前轮号灰度传感器黑色引导带 图 5-2 制导系统安装位置示意图 (Guidance system installation diagram) 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 29 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 0.28 0.83m/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AGV自动引导小车的设计 30 框图如图 5-4。 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 12 2=24V，蓄电池布置在承载车身内，总重量为 24 2=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。 直流电源 开关电路 电动机 位置感应器 负载 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文 31 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，据此可确定电机的选择范围 。 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 。 电源的缺点 是 电源是线性稳压电路 ， 内部功率损耗大 ,全部压降均转换为热量损失了 ，效率低 。 所以散热问题要特别注意 ， 由于核心的元件 7805 的工作速度不太高 ， 所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢 ， 此电路没有加电源保护电路 7805 本身有过流和温度保护 ， 但是扩流三极管 TIP32C 没有加保护 ， 所以存在一个很大的缺点 ， 如果 7805在保护状态以后 ， 电路输出超过预期值 ， 这点要特别注意 。 电源的优点 是 电路简单 ， 稳定 。 调试方便 (几乎不用调试 ) 价格便宜 ， 适合于对成本要求苛刻的产品电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件 ， 工作频率低 ， EMI 等方面易于控制 。 电阻 R 的大小 R 的大小对调整通过 7805 的电流有很大的关系 ， 取不同的值带入上式即可看出 。 R 越大 ， 则输出同样的电流的情况下流过 7805 的电流要小些 ， 反之亦然 。 通常这样的电路中 ， 对于扩流三极管 TIP32 加散热片 ， 而对于 7805 则无需要 ， 但是 R 的值不能过大 ， 其条件是 ： R VBE /( IREG IB)。 它的额定输入输出都是 5 伏特，其作用是隔离干扰，消除信号源端的热噪声。 图 6-1 光电耦合器（ TLP521-4） 6.2 电路的设计及行走策略 电路设计的主要思想就是由于电机驱动部分对前面的数字系统产生一定的干扰，数字系统和电机驱动系统是不共地的，它们之间使用光电隔离器，以提高系统的抗干扰能力。整个电路由两个不共地的 12V 电源供电。一路 12V 供颜色传感器和经 7805 转换成 5V 供单片机系统，如图所示，另一路 12