1、xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 设计设计( (论文论文) )题目：题目：AGVAGV 自动导引小车自动导引小车 姓姓 名名 学学 号号 系系 部部 专专 业业 机电一体化 年年 级级 06 级 6 班 指导教师指导教师 2010 年 4 月 24 日 自动导引小车（AGV）系统的设计 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2、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，设计了红外导引 AGV 小车。其研究内容主要包括以下几个方面: 1.论述了 AGV 系统的组成、路径导引方式及原理，结合课题要求，选择“红外导引” 作为该系统的导引方式。 2.3、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。 3.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。 4.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: AGVAGV；单片机；驱动控制电路；行走策略；控制策略；串口通信。 THE DESIGN OG AGV SYSTEM ABSTRACT Wi4、th 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 greatly5、 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 an6、d 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 disserta7、tion 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 rays guided vehicle. The main work in this dissertation was arranged as follows: 1. The constitution of AGV system, the path guided m8、eans and their principles were discussed. According to the requests of the topic, infrared rays guided method was used in the AGV system. 2. 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 b9、attery etc. was chosen and designed. 3. 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 de10、signed, about software, to achieve many system functions, and to realize serial communication between the MCU and motor controller, blocking programming method was employed. 4. On the base of summarizing the dissertation, the development prospect of AGV research was put forward. Key words: AGV; MCU;11、 Drive and control circuit; Running str 目录 第 1 章 绪 论.7 1.1 概述 .7 1.2 发展趋势及发展前景 .7 13 AGV 系统的构成与 AGV 的结构 .8 1.3.1 AGV 系统的构成.8 1.3.2 AGV 的结构.9 第 2 章 AGV 的总体设计 .10 2. 1 总体设计 .10 2. 2 小车运动分析 .13 2.3 传感器的选用 .14 2.3.1 总体设计与实现.14 2.3.2 声波传感器避障原理.14 2.3.3 声波模块具体功能简介.15 2.3.4 规格参数.15 第 3 章 AGV 机械结构和驱动转向系统的设计12、 .16 3.1 AGV 机械结构的设计 .16 3.1.1 车体尺寸结构设计 .17 3.1.2 驱动方式的选择 .18 3.1.3 传感器的布置 .19 3.2.1 电机的选择.20 3.2.2 行走系统的驱动装置.21 3.4 电源部分选择 .24 第 4 章控制系统与行走策略.25 4.1 控制系统 .25 4.1.1 控制系统总体方案.25 2).计数的扩展.26 3).中断的扩展.27 4).数模转换器的选择.28 5).5).电机驱动芯片选择.30 4.1.2 电源模块.33 4.1.3 光电耦合器（TLP521-4）.34 4.2 行走策略 .34 4. 3 传感器采样.35 13、4. 4 控制策略.35 4. 5 动作类型 .36 4.5.1 直线路径行走.36 4.5.2 特殊路径的行走.37 4.5.3 左转弯.37 4.5.4 右转弯.37 4.5.5 停车.37 第 5 章 总结与展望.38 5.1 全文总结 .38 5.2 研究展望 .38 感谢.39 参考文献.40 第第 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 概述概述 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14、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。 1.21.2 发展趋势及发展前景发展趋势及发展前景15、 1913 年，美国福特汽车公司使用有轨底盘装配车。1953 年，美国 Barrett Electric 制 造了世界上第一台采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导向车，也被称作“无人驾驶牵 引车” 。20 世纪 70 年代中期，具有载货功能的 AGV 在欧洲得到迅速发展和推广应用，并 被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。从 80 年代初开始，新的导 向方式和技术得到更广泛研究和开发。90 年代以来，AGV 从仅由大公司应用，正向小公 司单台应用转变，而且其效率和效益更好。AGV 按照引导方式不同分为：固定路径导引、 自由路径导引等。按照移载方式不同分为：侧叉式移载、叉车式移载、16、推挽式移载、辊 道输送机式移载、升降台式移载、机械手式移载等. AGV 是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库 而产生并发展起来的。日本人认为 1981 年是柔性加工系统元年，这样计算 AGV 大规模应 用的历史也只有 15 至 20 年。但是，其发展速度是非常快的。1981 年美国通用公司开始 使用 AGV，1985 年 AGV 保有量 500 台，1987 年 AGV 保有量 3000 台。资料表明欧洲 40%的 AGV 用于汽车工业，日本 15%的 AGV 用于汽车工业，也就是说 AGV 在其他行业也有广泛的 应用。 1 目前国内总体看 AGV 的应用刚刚17、开始，相当于国外 80 年代初的水平。但从应用的行 业分析，分布面非常广阔，它常用于工厂,汽车工业，飞机制造业，家用电器行业，烟草 行业，机械加工，仓库，邮电部门,地下采矿厂中进行材料运输,也用于海洋和太空探索 等。这说明 AGV 有一个潜在的广阔市场。 1 AGV 从技术的发展看，主要是从国家线路向可调整线路；从简单车载单元控制向复杂 系统计算机控制；从原始的段点定期通讯到先进的实时通讯等方向发展；从落后的现场 控制到先进的远程图形监控；从领域的发展看，主要是从较为集中的机械制造、加工、 装配生产线向广泛的各行业自动化生产，物料搬运，物品仓储，商品配送等行业发展。 自动导航车开发的一个主要领18、域是导航和控制,导航的本质就是避免迷路和与障碍物相撞 成功的到达目的地.所以,自动导引小车具有很大的发展前景. 13AGVAGV 系统的构成与系统的构成与 AGVAGV 的结构的结构 1.3.11.3.1 AGVAGV 系统的构成系统的构成 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19、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 1-1 所示。 待命站 充电系统 路径AGV 图 1-1 AGV 系统示意图 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 地面移 栽设备 充电。地面移载设备一般采用滚道输送机、链20、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。 1.3.21.3.2 AGVAGV 的结构的结构 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。 （1）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21、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。 （2）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22、 辆的结构特征。 （3）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。 （4）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。 （5）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。 （6）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23、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24、和调度等各功能 模块互不影响，加快系统速度。 （7）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，25、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。 （8）导航系统 第第 2 章章 AGV 的总体设计的总体设计 2.2. 1 1 总体设计总体设计 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、26、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27、。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，28、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29、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30、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31、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32、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 2-1 所示。 图 2-1 控制逻辑图 开环33、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 2-1 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 2.2. 2 2 小车运动分析小车运34、动分析 车轮机构的运动分析是指己知车轮的驱动速度条件下，确定车体的移动速度和旋转 角速度。AGV 的驱动系统和导向系统是密不可分的，又都跟采用何种类型的小车底盘的结 构形式有关。本 AGV 采用四轮底盘、后两主动轮差速驱动/导向。两主动轮分别由两个直 流伺服电动机驱动，通过控制电机电压可以控制车轮的转速。利用两轮的速差可以实现 转向。该机构还包括一制动器，当需要紧急停车时，按制动器开关来制动车轮。导向系 统采用红外导引技术。下面对小车的转弯运动作初步分析： 小车在转弯时的状态：小车以速度 V 匀速转弯；小车两主动轮间的距离为 D；小车两 主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯35、半径为 R；车轮半径为 r；两轮的转速分别为 N1、N2；车重为 G；小车与行驶路面的摩擦系数为。则有： RVDRrN RVDRrN gVR 2/)2(2 2/)2(2 )/( 1 2 2 系统中，V 取 1m/s；小车质量 G 约为 150kg；取摩擦系数=0.2；取 R=1000mm 图 2-2 小车状态示意图 2.32.3 传感器的选用传感器的选用 2.3.1 体设计与实现体设计与实现 根据经济实惠，易于实现，可靠性好等原则,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36、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。在对个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的048W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cm，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。 2.3.2 声波传感器避障原理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37、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2-4 超声波测距原理框图 2.3.3 声波模块具体功能简介声波模块具体功能简介 （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：80cm40038、cm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。 2.3.4 规格参数规格参数 超声波传感器谐振频率：40KHz 模组传感器工作电压：4.5V39、9V 模组接口电压：4.5V5.5V 尺寸：6.48cm*4.07cm 第第 3 章章 AGV 机械结构和驱动转向系统的设计机械结构和驱动转向系统的设计 3.1 AGV 机械结构的设计 AGV 小车结构示意图 3-1。小车采用两后轮独立驱动差速转向，两前轮为万向轮的 四轮结构形式。步进电机经减速器后通过驱动轮提供驱动力，当两轮运动速度不同时就 可以实现差速转向。 1-后轮，2-减速器，3-电瓶，4-光感应器，5-前轮， 6-单片机，7-车架，8-步进电机驱动器，9-步进电机 图 3-1 AGV 结构示意图 1、车架 车架是整个 AGV 小车的机体部分，主要用于安装轮子、光感应器、步进电机和减速40、 器。车架上面安装步进电机驱动器、PCD 板和电瓶。对于车架的设计，要有足够的强度 和硬度要求，故车架材料选用铸造铝合金，牌号为 6061。其中 6061 质量比较轻，焊接性 好。 2、车轮 车轮采用实心橡胶轮胎。车体后面两主动轮为固定式驱动轮，与轮毂式电机相连。 前面两个随动轮为旋转式随动轮，起支承和平衡小车的作用。 3、载荷传送装置 AGV 的载荷传送装置为一平板，其作用为运输箱体类零件到指定工位。主要用来装 载箱体类零件，运送物料等。 4. AGV 的自动引导系统设计 采用的光电传感器型号为 EE-SPY402，属于反射型光电感測器，入光时 ON，侦測距 离约 5mm，并附动作指示灯电源41、电压为 DC524V，控制输出 80mA。光电感測器电源电 压 5V，当侦測到前方有反射物体时，动作指示灯亮，out 端与负端形成通路，且 out 端由 4V 高电位降为 0V 低电位。此反射型光电感測器所侦測到前方的反射物体以白色为标准。 单片机与光电感测器连接电路如图 3-3 所示，分別将七组光电感測器的 out 端接至单 片机的 P0 口，供应 5V 电压，且负端输出与单片机共接地；单片机一次读取 P0 口的状态， 组合成二进位系统，经过程序处理与判断，获得当时 AGV 的位置。七组光电感测器排成 H 型来检测 AGV 的当前位置。 图 3-3 AT89C51 单片机与光电感测器的连接 42、3.1.13.1.1 车体尺寸结构设计车体尺寸结构设计 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43、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 0.50.30.4 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。如图 3-4 为车体实物外型。 图 3-4小车车体实物外型 3.1.23.1.2 驱动方式的选择驱动方式的选择 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44、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。 传感器接受 信号 判断 位置 达到要 求位置 利用两独立电机 以差速方式驱动转 向 图 3-5 差速型转间流程图 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 制流程图如图 3-5 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45、类似汽车转向及传动方式，如图 3-6 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 传感器接受 信号 判断 位置 达到要 求位置 步进伺服电机转向 图 3-6 舵轮型转向流程图 3.1.33.1.3 传感器的布置传感器的布置 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46、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 3-7。其47、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，如图 3-8 所示。 右前轮 左前轮 号灰度传感器 黑色引导带 图 3-7 制导系统安装位置示意图图 图 3-8 制导系统局部放大示意图 3. 2 驱动系统部件的选择与校核 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。48、 3.2.13.2.1 电机的选择电机的选择 自动引导车是电动车的一种，而电机是电动车的驱动源，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 。 初步选择电机的种类为直流伺服电机，型号为 130SZD，相关的参数如表 3-1 所示。 在实际应用中，电机的输入电压为 48V，该电机为恒转矩直流电机，根据其功率特性 图，电机的转速大约为 6049、0r/min，以下计算就按照上述参数进行计算。 表 3-1 电机相关参数表 参数名称相关数据 额定转矩 11Nm 额定转速 1000r/min 额定功率 l.lkw 额定电压 90v 额定电流 15A 峰值转矩 88Nm 机电时间常数 2.13ms 重量 14kg 3.2.23.2.2 行走系统的驱动装置行走系统的驱动装置 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50、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。 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 3-9。 直流电源开关电路电动机负载 位置感应器 图 3-9 无刷直流电机原理图 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。 3.2.3 AGV 行驶阻力的计算 AGV 在水平道路上等速行驶时必须克服来自地而的滚动阻力和来自空气的空气阻力。 滚动阻力以符号51、 Ff表示，空气阻力以符号 Fw表示。当 AGV 在坡道上行驶时，还必须克服 重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符号 Fi表示。AGV 加速行驶需要克服的阻力称为 加速阻力，以符号 Fj表示。因此车辆行驶的总阻力为: .(3.1) fwij FFFFF (1)AGV 的滚动阻力的计算 .(3.2) f Fmg 式中: 滚动阻力系数，即车轮在一定条件卜滚动时所需的推力与车轮 负荷之比，即单位车辆重力所需的推力。滚动阻力系数由实验确定。它与路 面的种类、行驶车速以及车轮的构造、材料等有关。 考虑到 AGV 在工厂运行，路而一般为沥青或混凝土路面，参考有关数据 可知，=0.0180.020，实际取 52、0.0196，设计其总质量为 m=250kg，代 入公式(3.2)得滚动阻力为: 250 9.8 0.019648 f FN (2)加速阻力的计算 AGV 在加速行驶的过程中，需要克服其质量加速运动时的惯性力，即加 速阻力 Fj。设 AGV 从原地起步经过的位移 S=lm 时，其车速达到 Vt1.Om/s 则 AGV 的加速度为: 22 0 2 0.5.(3.3) 2 t VV m a s S 故加速阻力为: 125 .(3.4) j FmaN (3)坡度阻力的计算 AGV 工作场的道路状况一般较好，坡度较小，设坡道角为 =30，则坡 道阻力为: sin128 .(3.5) i Fm gaNA53、 A AGV 小车不同于道路行驶的高速车辆，AGV 的最高时速一般为 1.11m/s，因此 空气阻力对 AGV 行驶的影响可忽略不计。因此根据 3.1 式，AGV 总的运动阻力为: 48 0 125 128301 fwji FFFFFN 3.3 主减速比的选择 (1)满足驱动能力时的主减速比计算 原理样车采用了半径为 0.125m 的驱动轮。总的运动阻力为 F=301N 则总的运动阻力矩为: 301 0.12537.6()MN mA 电机的转矩为 11Nm，原理样车采用两个电机驱动，驱动系统电机驱动 力矩即为: 5.5 D MNm 为满足 AGV 正常行驶，应保证最小主减速比 imin为: m54、in 37.6 6.84.(3.6) 5.5 D M i M (2)考虑保证运动速度时的主减速比计算 车轮半径 R=0.125m，要求的最高运动速度为 Vmax=1.11m/s，则车轮的转 速应为: 1000 85min.(3.7) 120 w V nr R 已知电机的转速为 n=600r/min，最大主减速比为: max 600 7.1 85 i 基于以上参数，确定主减速比的选择范围为: minmax.(3.8)s iii 即：6.84 7.1 s i 根据此运算结果，本课题选用螺旋锥齿轮减速器且 is=7.0 (3)进行运动速度的校核 知道了主减速比后，我们就可以进行运动速度的校核，确保车55、辆有足够 驱动力的同时也要有较高的工作速度。如前所述车轮半径 R=0.125m，电机转 速 n600r/min，主减速比 is=7.0，则: 260 (1000 ).(3.9) 4.041.12 s VRni k m hm s 虽然 1.12m/s 大于预期设定的速度值,但我们可以控制小车低速行驶，故可以选用该 电机。 (4)进行驱动能力的校核 车轮半径 R=0.125m，扭矩 MD=5.5Nm，主减速比 is=7.0，则车轮的驱动力矩为: 5.5 7.038.5 w MNm 由于，所以能保证车辆的正常起动，并有一定的驱动力储备。 w MM (5)启动时加速度的校核 启动时的驱动阻力为: Ff56、= 48N。电机到车轮所发出的驱动力为: 5.5 7.0 0.125308 D FN 则加速度为: 2 30848 1.04.(3.10) 250 Df FF am s m 高于最初预计的加速度，这说明设计完全能够达到预期的加速能力。 经过上述计算和校核，确定电机的型号为 130SZD130SZD，减速器的型号为 TK38TK38 螺旋锥齿轮 减速器，is=7.0，车轮半径为 0.125m，从而可以构建原理样车的行车驱动系统。 3.4 电源部分选择电源部分选择 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： 1 、镍镉蓄电池 内阻小，可供57、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 1. OV/cell，实使用温范围在200C600C，在此范 围内可进行放电。可重复 500 次以上的充放电。 2、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。 3、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58、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-200C-600C。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。 4 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59、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. 第第 4 章控制系统与行走策略章控制系统与行走策略 4.1 控制系统控制系统 4.1.14.1.1 控制系统总体方案控制系统总体方案 本系统使用 AT89C51 单片机作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数字编码器 在电机运转时发出的脉冲信号，经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路，可以得到电机的 运转方向；来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到两块 8253 计数器进行计数，以获 得电机的旋转速度和位60、移；经过在 AT89C51 单片机上运行的各种控制程序的适当运算以 后，输出的控制量经过两块 DAC1208 转换器变成模拟量，输出到两块 UC3637 直流电动机 脉宽调制器，通过 H 桥开关放大器，作为执行机构的速度或者力矩给定，从而控制电机 的运转，使整个 AGV 自动导引小车能够完成所设计的控制任务。 整个控制系统的组成框图如下： 图 4-1 控制系统的组成框图 1). 鉴向 伺服电机根据控制要求能够工作在四个不同的象限，作为系统的状态检测部分，必 须能够检测电机的转速及分辨电机不同的旋转方向。安装在电机旋转轴上的数字编码器 在电机运转时能够产生相位相差 90 度的两路脉冲信号，电机的

2022 年全国人工智能创新应用大赛理论考试题库（含答案）
一、单选题
1.对于冬天和夏天,无人机的返航电压分别应该()设置
A、冬天的返航电压一般低于夏天,因为冬天气温低,锂电池的活性及放电能力会
升高,假如返航电压过高的话,有可能导致突然降压引发飞行事故。
B、冬天的返航电压一般高于夏天,因为冬天气温低,锂电池的活性及放电能力会
降低,假如返航电压过低的话,有可能导致突然降压引发飞行事故。
C、冬天的返航电压一般等于夏天,温度变化对于返航电压来说基本没影响。
D、冬天的返航电压一般低于夏天,因为夏天空气潮湿,锂电池的活性及放电能力
会升高,假如返航电压过高的话,有可