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AGV设计电机选择计算 2.AGV系统结构设计以及动力学建模型 内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。 2.1 AGV系统结构设置 所设计的AGV小车的模型如图2.1所示。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。 1. 蓄电池组 2. 伺服交流电动机 3. 激光扫描仪 4. 车载控制器 5. 无线通讯装置 6. 伺服交流电动机 7. 减速器 8. 驱动车轮 图2.1 AGV小车的模型图 由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。 2.2 AGV小车的动力学建模 自从 A G V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 A G V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 AG V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。 2.2.1 车体运动建模 车体受力的示意图见图2.2。图中L、A为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的R、B为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体在L、R、A、和B处分别是受到图示沿X、Y方向的阻力和沿Z方向的扭矩。C则为车体的重心，通过C建立起瞬时惯性坐标系O-XYZ,X轴则平行于L=R的连线，Z轴垂直于车体的平面。b1、b2、a1、a2、c1、c2为车体集合参数，vx、vy和w分别表示的是车体质心的X向、Y向 的速度和Z向的角速度。 在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下： ?x?FAX?FBX?FLX?FRX (2.1) mcv ?y?FAY?FBY?FLY?FRY (2.2) mcv ?MAZ?MBZ?MRZ?FAXb1?FAYc1jcw ?FBXb1?FBYc2?FLXb2?FLYa1?FRXb2?FRYa2 (2.3) 上面式子中mc和jc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 vAX?vx?b1w （2.4） vAY?vy?c1w （2.5） vBX?vx?c1w （2.6） vBY?vy?c2w （2.7） ?AX?v?x?b1w?c1w2v（2.8） ?AY?v?y?c1w?b1w2v（2.9） ?BX?v?x?b1w?c2w2 v（2.10） ?BY?v?y?c2w?b1w2 v（2.11） 车体L和R处运动的方程为： vLX?vx?b2w （2.12）vLY?vy?a1w （2.13） ?LX?v?x?b2w?a1w2 v（2.14） ?LY?v?y?a1w?b2w2 v（2.15） ?x?b2w vRY?v（2.16） ?x?a2w vRY?v（2.17） ?RX?v?x?b2w?a2w2 （2.18） v ?RY?v?y?a2w?b2w2 (2.19)v 2.2.2 驱动后轮的运动建模 左后轮受力图见图2.3所示，图中瞬时惯性坐标系L-XLYLZL与图2.2的方向是一致的，可以认为是由O-XYZ平移到L点从而形成的坐标系，FLx、FLy、MLz与图2.2中的FLX、FLY、MLZ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）。ML是驱动电机经过齿轮减速后传递给左轮的驱动力矩，MSL是轴承对左轮的摩擦阻力矩，MLV是滚动阻力矩，LX是地面对左轮的侧滑动摩擦力，SL是轴承对左轮的滚动摩擦力，LZ是地面对车轮的扭矩摩擦力矩，wL是左后轮的转动角速度（XL为转动轴）。 左后轮动力学方程为 ?LX?FLX?LX (2.20) MLv ?LY?FLY?LY (2.21) MLv ?L?ML?MSL?LYRL?MLF (2.22) JLXw ?LZ?MLZ?LZ (2.23) JLZw 上式中，ML、JLX、JLZ、RL分别是左后轮的质量以及其沿着旋转轴XL的转动惯量、沿着ZL轴的转动惯量和半径。VLX、VLY为其在L-XYZ坐标下的速度，与车体对应点的速度是同一值。WLZ是左后轴沿ZL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： ?RY?FRX?RX (2.24) MRv 2.AGV系统结构设计以及动力学建模型 内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。 2.1 AGV系统结构设置 所设计的AGV小车的模型如图2.1所示。小车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。 1. 蓄电池组 2. 伺服交流电动机 3. 激光扫描仪 4. 车载控制器 5. 无线通讯装置 6. 伺服交流电动机 7. 减速器 8. 驱动车轮 图2.1 AGV小车的模型图 由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。 2.2 AGV小车的动力学建模 自从 A G V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 A G V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 AG V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。 2.2.1 车体运动建模 车体受力的示意图见图2.2。图中L、A为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的R、B为导向左前轮和导向又前轮与车架连接处的垂直点。车体在L、R、A、和B处分别是受到图示沿X、Y方向的阻力和沿Z方向的扭矩。C则为车体的重心，通过C建立起瞬时惯性坐标系O-XYZ,X轴则平行于L=R的连线，Z轴垂直于车体的平面。b1、b2、a1、a2、c1、c2为车体集合参数，vx、vy和w分别表示的是车体质心的X向、Y向的速度和Z向的角速度。 在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下： ?x?FAX?FBX?FLX?FRX (2.1) mcv ?y?FAY?FBY?FLY?FRY (2.2) mcv ?MAZ?MBZ?MRZ?FAXb1?FAYc1jcw ?FBXb1?FBYc2?FLXb2?FLYa1?FRXb2? FRYa2 (2.3) 上面式子中mc和jc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 vAX?vx?b1w （2.4） vAY?vy?c1w （2.5） vBX?vx?c1w （2.6） vBY?vy?c2w （2.7） ?AX?v?x?b1w?c1w2v （2.8） ?AY?v?y?c1w?b1w2v （2.9） ?BX?v?x?b1w?c2w2 v （2.10） ?BY?v?y?c2w?b1w2 v （2.11） 车体L和R处运动的方程为： AGV ARM控制系统 程序设计说明书 *有限公司 * 1 产品名称及产品适用范围 产品名称：AGV ARM控制系统 产品适用范围：AGV 小车的控制。 2 产品设计要求 2.1 系统功能要求 1.避障功能：AGV小车前端有障碍物传感器及其它防碰开关，需要采集这些开关，并且对避障范围进行可编程控制。 2.当前工作状态指示：三色灯、喇叭用于显示当前AGV小车工作状态（报警、正常运行），数码管用于显示报警代码。 3.启动/急停/复位功能：复位分为基恩士复位、左右驱动复位、和单片机检测复位端； 4.左右驱动电机控制功能：调速，方向控制，启动，减速停止，报警信号反馈，速度信号反馈等功能； 5.走形传感器信号采集功能：根据反馈信息对左右轮速度控制，完成寻轨运动，脱轨延时报警； 6.左右拐弯功能：通过采集地标信号实现； 7.牵引电机和充电电机控制功能：控制命令下达后预定时间未到达上下限位点报警； 8.各种运动开关量信息采集功能：含北阳、极性、牵引充电限位； 9.电压采集功能：用于低电压报警和显示当前电压值； 10.掉电存储功能：用于存储地标信息、速度信息等参数； 11.故障检测功能：含LED和数码管显示，该电路仅在故障检测时候工作，需要考虑LED和数码管供电问题； 12.串口通信功能：用于接收无线模块、RFID、触摸屏数据，还可以用于用户接口来进行数据交换； 13.以太网通信功能：用于无线模块接口。 2.2 AGV运行过程 1.上电：（AGV停止状态，正常状态，无灯无音无故障报警） a. 故障检测扫描：急停未按下，走形有信号输入，防撞正常，无低电压报警，牵引棒上下 限位只有一个信号输入，电极上下限位只有一个信号输入 b. 等待启动 (七段数码管或触摸屏显示故障代码) 故障1：急停异常（急停按钮被按下，弹出即解除故障，正常一直有信号接入） 故障2：脱轨异常（走形15个点均无信号接入，正常至少有一个信号接入） 故障3：牵引棒异常（上下限位开关都有信号接入立即报警，都没有信号4秒后报警） 故障4：充电电极异常（上下限位开关都有信号接入立即报警，都没有信号4秒后报警） 故障5：防撞异常（防撞接近开关或AUX3有信号接入，没有信号即解除故障） 故障6：左驱动异常（左驱动报警信号无信号接入，正常一直有信号接入） 故障7：右驱动异常（右驱动报警信号无信号接入，正常一直有信号接入） 故障8：低电压异常（采集到电压信号低于24V的10%） 故障9：障碍物异常（左右光电，PX-22或AUX2有信号接入） 注：故障9黄灯常亮警示，扬声器SPK2，减速停止，故障8黄灯闪烁SPK2，其余故障红灯常亮报警，扬声器SPK2，立即停止 故障报警优先级： 123456789 故障1.2.3.4.5.8全程扫描，故障6.7.9启动扫描 2.按钮启动：（AGV运行状态，绿灯常亮（或闪烁）扬声器SPK1输出。） a. 故障检测扫描：1.2.3.4.5.8正常，左右驱动报警信号有输入，电极在上限位，否则报 警，无障碍物 b. 驱动轮模拟量输入，逐渐加速到设定值（默认20米/分钟）。速度要求最高可达到40 米/分钟即可。 3.按钮停止：（AGV停止状态，无灯无音无故障报警） a. 故障检测扫描 b. 等待启动 2.3 单片机输入 a. PX-22：2个信号输入点。有障碍物信号入减速停止 b. 左右光电开关：2个信号输入点。有障碍物信号入减速停止 c. 接近开关：1个信号输入点。有信号入立即停止 d. 基恩士：3信号输入点， 1复位（不入MCU）。AUX1有信号入AGV减速（只减速），AUX2 有信号入减速