集装箱资助搬运车课件

1、第1章 绪论1.1 集装箱自主搬运车目前的形式集装箱运输业一直是全球货运业的重要代表，并不断向大型化、智能化和绿色化方向发展。自动化是码头作业装备转型升级的核心。随着船舶的大型化，船舶载箱量增多，在集装箱吞吐量全球首位的中国，传统码头的发展已经遇到瓶颈。如今，国内首个全自动化码头系统厦门远海码头的建成不仅填补了我国自动化码头的空白，同时也树立了全球全自动化码头装卸系统的升级换代标准。集装箱自主搬运小车现在的主要以AGV的形式。没有车头车尾，没有驾驶室；轮胎近1人高，车身架在上面，像是个移动平台；使用锂电池能源，运行起来无声无息，没有发动机的轰鸣。在厦门远海自动化码头建设现场，你可以看到共计18

2、台这样的AGV自动导引小车穿梭忙碌。1.2 自动化集装箱码头的发展现状自 1993 年世界第一个自动化集装箱码头投入商业运营以来，自动化集装箱码头历经三代发展，其典型代表分别是荷兰鹿特丹港的ECT(Europe Combined Terminals)码头（1993年投入运营）、德国汉堡港的CTA(Container Terminal Altenwerder)码头（2002 年投入运营）（图1-1为德国高华自主搬运小车）和荷兰鹿特丹港的Euromax码头（2010年投入运营）。从世界自动化集装箱码头的分布和自动化程度来看，自动化集装箱码头历经如下发展趋势：（1）早期自动化集装箱码头集中分布在人力

3、成本较高的发达地区，当前则出现在世界范围内推广建设的趋势；（2）经历半自动化码头快速发展的过渡期后，全自动化码头已成为自动化集装箱码头发展新趋势，其技术先进性的优势不断显现。据统计，目前世界自动化集装箱码头分布情况如下：欧洲地区 10 个，亚洲地区 15 个，北美地区 4 个，澳洲地区 3 个。港口物流正朝着大规模、大流量、高速度方向发展。为了提高集装箱作业效率，实现多装，自主搬运车的发展趋势之一是扩大相关设备的吨位和能力。运用科学调控进行系统的规划设计，优化调度管理和工艺流程，提高搬运系统的自动化水平和运行效率，以及提高物流系统的管理水平实现一体化的协同联动。并且随着科技的发展，港口智能化是

4、集装箱搬运车发展的最终结果。图 1-1 德国高华自主搬运小车1.3 搭建自主搬运车模型的重要性目前自动化集装箱码头已成为世界主要港口和码头运营商的关注焦点。随着集装箱船的大型化，集装箱码头面临吞吐量急剧增加的巨大压力。加之劳动力成本增加和劳动力资源匮乏，以及环保理念深入人心，高效节能的自动化码头已成为码头发展的趋势。其中在码头中承担搬运工作的自主搬运车的功用极为重要|！我国港口若要参与国际竞争，就必须顺应这一发展趋势，加快自动化集装箱码头建设进程，洞悉其发展的潜在规律，有助于推动我国建设具有自主知识产权的自动化集装箱码头。所以，搭建自主搬运车模型有助于我们对集装箱搬运自动化的研究，对加快码头的

5、自动化进程极为重要。第2章 整体方案的确定2.1集装箱自主搬运车设计的参数集装箱自主搬运小车是个实体模型，为以后真正能在港口集装箱搬运工作中大展身手对集装箱搬运小车提出一个概念化设计，并用此模型进行初步科研试验。预期功能参数为： 小车质量 小车总体尺寸 小车底盘尺寸 最高行驶速度 鉴于模型实际提供情况和设计要求，将此集装箱自主搬运小车参数设计如下：表 2-1小车底盘参数尺寸425 300 120mm最大负载8kg马达无负载电流350mA额定电压DC 6V（最大 7.5V）输出轴速度295rpm + / - 5%堵转扭矩4kgcm底盘重量3.5kg驱动轮数6堵转电流5.5A2.2集装箱自主搬运小

6、车模型搭建的结构方案设计要求：自主搬运车技术已经取得了相当的进展，但在实际中遇到了各种有待解决的问题。实现自主搬运的同时又要对周边的工作环境有清晰的了解。若只采用摄像头来获取信息，则容易受到恶劣环境的影响，常导致摄像头被粉尘覆盖或者灯光明暗对反应周边信息不确却。自主搬运实现的距离，及通讯的稳定可靠也是一个问题。因而针对可能出现的问题，设计应满足以下要求：1. 小车运行路径的确定。小车车头安装高清摄像头，能清楚的捕捉路面黑线信息，行驶在正确的路线以及对路面行驶的控制。2. 通讯方面的可靠稳定性。为提高这部分性能软件部分以程序的编写为主，硬件部分有控制板卡，无线通讯设备的选型等。应在车上安装有无线

7、信号接收装置，对路况进行实时监测和路线预判管理。信号接收器要时刻处于稳定工作状态，避免因为地形、温度等环境因素导致工作失效等问题。3. 精度问题。当龙门吊控制集装箱下落至搬运车时，龙门吊与自主搬运车之间应有互相配合的信号，保证下落的精度，确保集装箱的下落位置和安装位置的固定。为了满足以上的设计要求，从以下的方面入手，初步确定整体方案。1.设计人员对机器和环境状态的了解问题。这方面主要是集装箱自主搬运车配以摄像头来实现。摄像头可以传送环境信息，集装箱自主搬运车可以通过接收到的环境信息来模拟控制小车的工作状况，从而来校验三维模型对比集装箱自主搬运车的效果，模拟仿真系统主要由集装箱搬运车模型组成。模

8、型又包括信号接收发送系统和底盘系统及动力系统。2.通讯方面的可靠稳定性。为提高这部分性能软件部分以程序的编写为主，硬件部分有驱动电路板，电路板，无线路由器的选型等。集装箱自主搬运小车操纵系统软件设计:以LabVIEW为基础，编写相对应的程序，构建定位操纵系统，系统将包含接收信号，发送定位等内容。3.精度方面。未来港口运输交通的发展趋势是自动化，电机驱动相对于液压驱动方式更易实现自动化控制，而且电机驱动效率高，节省空间。本次设计选定直流电机驱动系统来作为系统的动力源。直流电机木身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，一般其最高转速为6000-8000r/min。但出于其缺点目前除

9、了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。这方面内容的工作任务主要是针对的是直流电机的选型。因此本次设计主要从集装箱小车的动力系统又包括直流电机的选型和底盘的设计，控制通讯硬件的选取，及软件的程序编写为主。模型的搭建首先，搭建合适的挖掘机模型。主要包括，底盘总成和动力系统总成。集装箱自主搬运小车总体图2-1集装箱自主搬运车总体布置1、摄像头 2、电动机 3、轮胎 4、NI single-board RIO 5、驱动电路板 6、WIFI 模块 轮胎：采用越野型橡胶大花纹式的轮胎，胎面较宽，摩擦力大，能提供较大的地面附着力。轮圈轮辐：采用工程塑料制作，质量较轻，强度大，用于承受地面通过轮胎反作用

10、给机器人底盘的各向力与扭矩。轮毂：采用工程塑料制作，质量轻、强度高，用于传递电动机发出的转矩。电动机：采用直流式电动机，结构简单，转速高，自带34:1传动比的减速齿轮，可以输出大约4kg的扭力。弹簧悬架：采用人字型弹簧，在最大承载范围内能较好地承受负载，并平衡左右轮的位置，增加机器人行驶的稳定性。限位链条：用于限定车轮沿纵向旋转的活动范围，避免因车轮过旋转而导致弹簧过载。无线遥控通讯系统选定在实现自主搬运的过程中，无线通讯是保证同步的关键环节，它的可靠性直接关系到整个系统工作可靠性和控制性能。由于环境恶劣，所以无线通讯网络必须具备非常强的抗干扰性和稳定性。目前，比较主流的提高抗干扰能力的是在通

11、信方式中加入纠错编译码技术。而现在常用的遥操作挖掘小车的无线通信方式有无线Modem、数传模块、网桥等。轮式行走装置及各部件功用轮胎：采用越野型橡胶大花纹式的轮胎，胎面较宽，摩擦力大，能提供较大的地面 附着力。轮圈轮辐：采用工程塑料制作，质量较轻，强度大，用于承受地面通过轮胎反作用给小车底盘的各向力与扭矩。 轮毂：采用工程塑料制作，质量轻、强度高，用于传递电动机发出的转矩。 电动机：采用直流式电动机，结构简单，转速高，自带 34：1 传动比的减速齿轮，可以输出大约 4kg 的扭力。 弹簧悬架：采用人字型弹簧，在最大承载范围内能较好地承受负载，并平衡左右轮的位置，增加小车行驶的稳定性。 限位链条

12、：用于限定车轮沿纵向旋转的活动范围，避免因车轮过旋转而导致弹簧过载。第3章 结构设计3.1 轮式底盘电机的最大驱动力 （3-1）式中： ； ； 。 其中： ， ， 得 3.2 初步计算小车最高速度根据小车底盘电动机参数可得参考最高行驶速度 （3-2）式中： ； 。 即集装箱自主搬运车所能达到的最高速度满足预期行驶速度 1.5 m/s 的要求。3.3 集装箱自主搬运车行驶阻力1.滚动阻力实验用混凝土路面，路面滚动阻力系数为 根据公式： （3-3）式中： 由于小车行驶速度和胎压均很低，故不考虑速度和胎压对滚动阻力系数的影响，也不考虑转变行驶时由轮胎侧偏引起的 f 的变化5。2. 空气阻力根据公式

13、(3-4)式中： ； ； 。取 ； ；。以参考行驶速度为标准可得3. 加速阻力根据公式 (3-5)计算时，通过进而通过公式算出远大于电动机所能提供的转动速度，故实际小车所能达到的最高速度等于参考车速，即 3.4 小车的路面附着力小车的路面最大附着力计算公式式中： 道路附着系数表如表 3-1，取，则在平坦路面上，地面对轮胎的最大附着力故满足集装箱自主搬运小车的动力性要求；表 3-1摩擦系数表3.6 小车底盘额定功率以最高车速计算小车底盘额定功率，此时坡道阻力与加速阻力为零，根据公式 （3-6）其中： 计算过程：3.7 小车续航时间 续航时间公式： （3-7）式中 为通电电流（mA）。1、 计算只

14、有底盘连续工作时的续航时间：每个驱动马达的工作电流为： ；因此集装箱自主搬运小车上的两个电池套装只提供六个马达同时工作的续航时间t:3.8底盘的转向系统设计无人地面车辆一般，通过使车轮的两侧的速度不同，产生速度差，实现车辆在地面上的转向，这即通常所说的差速转向。图 3-1 六轮底盘小车运动时，其坐标系有两种选取方法，其一，在小车本体上选取，其二，可取小车运动时的某一时刻，固定在地面上与坐标方向相同的坐标系。为了便于计算，在小车转弯时，轮胎，一边正转，另一边反转，此时，可将小车本体简化为一个质点，并用该质点的坐标表示小车的运动状态。如图3-2所示，设小车本体的速度瞬心为O，两驱动轮之间的距离为d

15、，小车运动的角速度为，横滑角分别为、，由运动学理论可知： （3-8）式中：、分别为驱动轮1、驱动轮2 和小车本体的平均速度。由于小车的行驶速度较低，可忽略侧滑角的影响，则略去侧滑角可得两轮差速驱动轮式小车的运动学方程式。 （3-9）又由 （3-10） 可得小车行驶半径R 为： （3-11）其中，正值表示顺时针旋转，负值表示逆时针旋转。图 3-2 两轮差速行驶运动学模型当，且都为负值时，移动小车作直线前进运动。当，且都为负值时，移动小车作直线后退运动。当，且为负值、为正值时，小车作原地逆时针旋转运动当，且为正值、为负值时，小车作原地顺时针旋转运动当时，移动小车作半径的圆弧运动。图3-3 小车前进

16、 图3-4 小车后退 图3-5 小车左转 图3-6 小车右转第4章 制系统设计4.1 机器人控制系统的组成对于集装箱自主搬运车的设计而言，可以分为机械结构设计与控制系统设计，其中控制系统又可以分为硬件系统与软件系统两大部分。其中硬件系统主要是以三块微处理器为核心所搭建的控制电路部分，而软件系统是一个基于Labview编写的上位机控制软件。通过无线收发装置，将遥控器，主控制器与上位机软件连接起来，这样就能实现集装箱自主搬运小车的自搬运和巡航模式。图4-1以流程图的方式表达了控制系统的组成。图4-1小车控制系统组成从流程图中可以看到，当集装箱自主搬运车开始工作时，首先是待命状态。软件系统即PC机（

17、上位机）负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理等功能。先由摄像头检测系统检测周边环境情况。当小车检测出周边无特殊情况后，CMOS摄像机将拍摄到的道路信息传给微控制器，经过微控制器图像处理后提取出路径信息，再经过算法计算出控制参数，微控制器发出运动控制指令，使得集装箱自主搬运车前进后退或转向。其搭载的彩色摄像头实时通过无线通信模块将周围图像发送到监控室，当监控人员发现意外情况时，可以直接通过基于 Labview 编写的上位机接管小车的运动控制。通过控制上位机可以控制集装箱自主搬运车的运动。4.2 硬件控制系统1 微处理器的选择微控制器的选择工作就非常重要。在本设计说明书中，采用了NI

18、single-board RIO 控制器。2012年8月美国国家仪器公司（National Instruments， 简称 NI）发布NI Single-Board RIO GPIC，提供标准的RIO架构，结合功能全面的NI LabVIEW系统设计工具链，可用于实现智能的并网型能量转换系统，并显著降低嵌入式系统的开发成本和风险。这一产品的发布正是NI研发部门的大量投入，为新型能源转换系统的设计、测试和大规模部署应用带来的革新。此新型系统提供标准的模拟和数字I/O接口，以及FPGA Fabric中58个数字信号处理内核，用来满足智能电网电力电子应用中的控制算法、I/O、性能和成本要求。我们这次选

19、用NI single-board Rio 主要是为了达到处理更加复杂的数据，以及更快的反应速度的效果。2 摄像头模块的选择 本课题采用的摄像机型号是 AXIS M1054，其为一款 CMOS 摄像头器件，是图像采集集成 芯片，提供高性能的单一小体积封装，该器件分辨率可以达到 1280X800，传输速率可以 达到 30 帧。 AXIS M1054 网络摄像机使用逐行扫描技术，提供分辨率高达 100 万像素（包括 HDTV 720p）的全帧速率视频。可以同时支持多路 H.264 和动态 JPEG 视频流，二者分别进行了优化以适合不同的质量需求和带宽限制。AXIS M1054 具有集成 PIR 传感

20、器，即便在黑暗情况下也能检测到移动对象，它同时还具有白色 LED，可以在发生事件时为场景照明。它还支持 I/O 端口，可连接外部设备。4.3 软件控制系统设计与实现4.3.1 图像采集M1054摄像头具有相当的分辨率，由于采集效率的原因，在采集路径图像时使用隔行扫描的方法。在采集过程中，利用摄像头内置的图像处理芯片可以将扫描到的点处的灰度值表示为相应的电压值，再使用信号端把该电压值输出。所以当摄像头不间断地采集路径信息图像中的一行时，信号端处输出的便是相对应的电压信号，这些电压信号会 有数值变化，也就是表示了摄像头采集到此处时路径信息图像发送了灰度值的变化。在采集一行数据结束后，视频信号输出口

21、便会给一个低电平，该电平值低于最低视频信号电压的电平值，而且可以在一定时间内保持不变。换句话说，当摄像头连续的采集行信号后，在每行信号后都会跟随一个电压值的“低谷”，这个“低谷”即行同步脉冲，它是通知摄像头换行扫描的信号。在接收到换行信号后，摄像头就跳隔过一行开始新的信 息采集，循环反复，一直到一场的图像信息采集结束。在这之后紧接着是场消隐区，其中包含许多复合消隐脉冲信号，在这些复合消隐脉冲信号里有场同步脉冲，它的宽度远宽于其他脉冲信号，这是摄像头换场采集的信号。场同步脉冲意味着将要采集下一场信号，但是，场消隐区刚好处于两场信号之间，要在场消隐区消失后，才可以扫描到实际需要的视频信号。摄像头扫

22、描图像速度非常快，大约每秒能够采集到二十五张图像，这些图像可分为奇场或者偶场，通常为先到的是奇场而后到的是偶场，所以一秒钟可以采集到五十张图像，并且在处于奇场扫描时仅扫描奇数行，在处于偶场时仅扫描偶数行。由于所选用的摄像头分辨率为320x240，即摄像头采集的一张图像中包含320 行信号，每行具有240个的信息点。在一张图像中的第24 行至第310 行为图像信号，而第311行至紧接一场的第23 行为场消隐信号。在图像信号段中，各行信号出现时间一致，大约是63us；另外行同步脉冲的出现时间也大体一致，大约是4.7us。经过实验验证，所选用的单片机通过锁相环程序超频过72M后，在保证程序稳定的基础

23、上，也能使一行采集到最多的120个像素点。如果把摄像头模块正常布置，有可能会使得采样时出现左右错位。在正常情况下采集到信息点是连续的，对于提取目标路径信息不会造成很大影响， 然而当把摄像头旋转90 度后放置，图像错位则由左右错位变成是上下错位，由于提取目标是离散的，需要占用许多资源进行处理。因为摄像头一般是倾斜安装，所以采集到的图像为梯形（图4-2 所示），针对这一特点故使用隔行不均匀方法进行扫描。图 4-2 摄像头采集图像形状示例4.3.2 黑线识别与坐标提取所谓黑线识别，就是利用M1054拍摄道路信息并通过图像处理将有用的标志信息提取出来。这其实是一个图像分割的过程。在图像分割中把连续性和

24、相似性作为最基本的依据，再这两个依据的基础上一般又可分为边缘检测法与区域检测法。其中，边缘检测的原理是找出图像亮度变化最大的部分，这也就决定了检测目标为图像的一阶与二阶导数。图像处理过程极其容易受到噪声的影响，故需要在图像处理前进行相应的滤波处理。同时也要考虑到许多现有的图像滤波算法在降噪的同时，也很有可能降低路径特征信息。而且还有一个更为严重的问题是许多的滤波算法都或多或少会有卷积运算，这种运算的计算量将严重占用单片机CPU资源，导致集装箱自主搬运车控制系统卡顿进而导致奔溃。在区域检测法中试验了阈值分割法。阈值分割法专门针对于待识别目标与背景具有明显色差的情况。因为该检测法计算简单，并且可以

25、把交互的边界定义为不交叠的区域。确定阈值是阈值分割法中最为关键的环节。若阈值不能跟随时间空间的变化而变化则叫 做静态阈值；若阈值可以跟随时间和空间的变化而变化则叫做动态阈值。基于静态阈值 的图像处理算法较为简单，缺点是适应性差，常常可能由于环境的变化而导致图像处理 出错。基于动态阈值的图像处理方法的复杂程度取决于如何计算出动态阈值。针对港口集装箱自主搬运小车，采用普通的双峰法就可以应用于绝大多数情况。因为港口集装箱自主搬运小车运行在港口，其路面颜色较浅，再加上使用黑线作为路径识别标志，且背景简约，故待识别目标与背景色区分明显，易于识别。在实验阶段由于实验室环境并不理想，例如容易受到墙壁遮挡光线

26、，目标与背景颜色差别不一致，导致集装箱自主搬运小车无法正常提取路径信息，所以必须经过多次试验确定最佳阈值。在初始时采完一场的图像时，采用双峰法将每一行的阈值先计算出来。目标指引线是有宽度的（2.5cm），只要能探测的目标指引线，指引线的宽度信息对搬运小车定位系统并无额外的帮助。为达到寻线目的，实际上只要提取目标指引线的某些特征点，要求这些特征点合在一起能反映出指引线的形状。称这些特征点的矩阵坐标为特征位置，只要知道目标指引线的特征位置，我们就可以进一步推知目标指引线的形状和位置。提取目标指引线的矩阵坐标，就是指取一些能代表 它的特征点，然后求取这些特征点的矩阵坐标。PORTA口采集到的数据60

27、 行120 列，每行取一个特征点共120 个来反映指引线的情况。该过程可由图4-2说明。对于黑线提取，第一行从整幅图像的第一行的中间向两边查询，遇到相连的两个黑点，确定位置，把左右位置分别存到两个一维数组里，这就是本行左右黑线的位置。下一行查询的开始位置是上一行的左右黑线位置的中点，以此类推，查询完整幅图像。虽然这种查询方式比起跟踪法较为费时，但准确性高，尤其在有简单黑色背景干扰下也能准确提取到路径信息。由于将自主搬运小车所要识别的路径人为设置为一条黑色的线，所以在采集图像时已经选择整幅图像的中间两列，从近向远查询，如果这两列有黑点出现，则表明是弯道，否则是直道或小S。小S和直道的区分：直道的

28、边线位置是一个趋势，而小S有某些地方有相反的趋势。根据这一特征可以准确的区分小S和直道。用中线扫描法判断出是弯道后，就要判断弯道方向。中间两列从近向远查询时，如果有黑点，则可以确定黑点的位置，提取行位置记为Control_hang。然后从此行向近处跳三行，再从中间向两边查询一定的列数，如果左边查询到黑线，则方向为“右”。反则反之。如果左右都没有黑线，则认为是直道，也就是遇到了直道上的起跑线。图 4-3 为二值化后的路径信息图像。 图 4-3 程序流程图图 4-4 弯道二值化图像第5章Solidworks建模与动力学仿真分析5.1 Solidworks简介SolidWorks为达索系统（Dass

29、ault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。 20世纪90年代初，国际微型计算机(简称微机)市场发生了根本性的变化，微机性能大幅度提高，而价格一路下滑，徽机卓越的性能足以运行三维CAD软件。为了开发基于微机平台的三维CAD系统，1993年PTC公司的技术副总裁与Cv公司的副总裁成立了Solid Works公司，并于1995年成功推出了SolidWorks软件。在SolidWorks。软件的促动下，1998年起，国内、外也陆续推出了相关软件:原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始，将其程序移植到Windows操作系统中。Solid Works采用的是智能化的参变量式设计理念以及Microsoft Windows图形化用户界面，具有表现卓越的几何造型和分析功能，操作灵活，运行速度快，设计过程简单、便捷，被业界称为三维机械设计方案的领先者，受到广大用户的青睐，在机械制图和结构设计领域已经成为三维CAD设计的主流软件。利用Solid Works软件，设计师和工