AGV小车设计方案改.docx

Xi’an Jiaotong University

机电一体化课程设计
自动导引小车（AGV）设计方案

小组成员：褚亚鹏
柯健镪
孙登强
指导老师：徐海波
2014.6.19

目录
一、绪论 - 4 -
1.1 AGV概述 - 4 -
1.2 AGV国内外研究现状 - 6 -
1.3 AGV的应用范围： - 9 -
1.4 AGV的发展趋势分析： - 11 -
1.5 AGV的市场前景分析： - 12 -
二、总体方案设计 - 14 -
2.1 设计方案概述： - 14 -
2.2 传感器部分初步设计： - 14 -
2.3 机械结构及驱动部分初步设计： - 14 -
2.4 控制部分初步设计： - 14 -
三、传感器部分设计 - 18 -
四、机械结构及驱动部分设计 - 20 -
4.1车体的设计： - 20 -
4.2车轮及转向装置选择： - 20 -
4.3电机的选择： - 20 -
4.4驱动部分校核计算： - 24 -
4.5蓄电池的选择： - 25 -
4.6总体机械结构设计及建模: - 27 -
五、控制部分设计 - 30 -
5.1电源模块： - 30 -
5.2驱动模块 - 30 -
5.3循迹模块 - 32 -
5.4避障模块 - 33 -
5.5主控制模块 - 34 -
六、项目总结与感悟 - 37 -
七、参考文献 - 39 -
八、附录 - 40 -
8.1 车体结构ANSYS仿真报告: - 40 -
Project - 40 -
Contents - 41 -
Units - 41 -
Model (C4) - 41 -
Geometry - 41 -
Coordinate Systems - 53 -
Connections - 53 -
Mesh - 67 -
Static Structural (C5) - 68 -
Solution (C6) - 71 -
Material Data - 73 -
Structural Steel - 73 -
8.2 单片机控制程序: - 75 -

一、绪论
1.1 AGV概述
(1)AGV的简介：
根据美国物流协会定义，AGV（Automated Guided Vehicle）是指装备有电磁或光学导引装置，能够按照规定的导引路线行驶，具有小车运行和停车装置、安全保护装置以及具有各种移载功能的运输小车。
(2)AGV的特点：
①无人驾驶：AGV上装有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定路线自动行使，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。
②柔性好：自动化程度高和智能化水平高，AGV的行使路径可以根据仓储货位的要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送带相比非常低廉。
③AGV一般配备有装卸机构，可以与其它物流设备自动接口，实现货物或物料的装卸与搬运全过程自动化。
④可装备多种声光报警系统，能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍物之前自动停车，当其列队行使或在某一区域内交叉运行时，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在差错。因此，AGVS 比其它物料搬运系统更安全。
⑤AGV具有清洁生产的特点，依靠自带蓄电池提供动力。运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。
⑥与其它物料输送方式相比，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
(3)AGV的分类：
①无人搬运车：

主要用于完成搬运作业，采用人力或自动移载装置将货物装载到小车上，小车行走到指定地点后，再由人力或自动移载装置将货物卸下，从而完成搬运任务。
具有自动移载装置的小车在控制系统的指挥下能够自动地完成货物的取、放以及水平运行的全过程，而没有移载装置的小车只能实现水平方向的自动运行，货物的取放作业需要依靠人力或借助于其它装卸设备来完成。
②无人牵引小车：

主要功能是自动牵引装载货物的平板车，仅提供牵引动力。当牵引小车带动载货平板车到达目的地后，自动与载货平板车脱开。
③无人叉车：

其基本功能与机械式叉车类似，只是一切动作均由控制系统自动控制，自动完成各种搬运任务。
1.2 AGV国内外研究现状
(1)国外发展现状
近年来，AGV和AGVS在日本、美国、德国、比利时、瑞典等国家发展很快，有的工厂已实现从材料管理到生产成品全过程的自动引导车系统。特别是日本AGV的总台数，每年均以20%的比率增长。
世界上第一台AGV是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代初开发成功的，它是一种牵引式小车系统，可十分方便地与其他物流系统自动连接，显著地提高劳动生产率，极大地提高了装卸搬运的自动化程度。1954年英国最早研制了电磁感应导向的AGVS，由于它的显著特点，迅速得到了应用和推广。
1960年欧洲就安装了各种形式、不同水平的AGVS 220套，使用了AGV 1300多台。到了70年代中期，由于微处理器及计算机技术的普及，伺服驱动技术的成熟促进了复杂控制器的改进，并设计出更为灵活的AGV。1973年，瑞典VOLVO公司在KALMAR轿车厂的装配线上大量采用了AGV进行计算机控制装配作业，扩大了AGV的使用范围。70年代末，欧洲约装备了520个AGV系统，共有4800台小车，1985年发展到10000台左右。其应用领域分布为：汽车工业（57%），柔性制造系统FMS(8%)和柔性装配系统FAS(44%).
20世纪80年代末，国外的AGV达到发展的成熟阶段，此时美国的AGV生产厂商从1983年的23家剧增至1985年的74家。1984年，美国通用汽车公司完成了它的第一个柔性装配系统(FAS),从此该公司就成为当时AGV的最大用户。1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉车和装卸小车)，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，运输量更大，移载时间更短，小车和控制器的可靠性更高。
日本在1963年首次引进AGV,其第一家AGV工厂于1966年由一家运输设备供应厂商与美国的Webb公司合资建成。1976年后，日本对AGV的发展给予了高度重视，每年增加数十套AGV系统，有神钢电机、平田电机、住友重机等27个主要生产厂商生产几十种不同类型的AGV。1981年，日本的AGV总产值为60亿日元，1985年已上升到200亿日元，平均每年以20%的速度递增，1986年，日本累计安装了2312个AGVS，拥有5032台AGV,到1990年日本拥有AGV约一万台。到1988年，日本AGV制造厂已达47家，如大福,Fanuc公司、Murata(村田)公司等，广泛应用于汽车制造、机械、电子、钢铁、化工、医药、印刷、仓储、运输业和商业上。目前，全世界AGVS保有量在16000套以上，AGV在10万台以上。
(2)国内发展现状
我国AGV发展历程较短，但一直以来不断加大在这一领域的投入，以改变我国AGV长期依赖进口的局面。经过不懈地努力终于取得了一定的成效，北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的AGV的研制并小批投入生产。
1976年，北京起重机械研究所研制出第一台AGV，建成第一套AGVS滚珠加工演示系统，随后又研制出单向运行载重500公斤的AGV，双向运行载重500kg、1000kg、2000kg的AGV，开发研制了几套较简单的AGV应用系统。
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研究公司为沈阳金杯汽车厂研制生产了客车6台AGV用于汽车装配线中，可以说是汽车工业中用得比较成功的例子，并于1996年获国家科学技术进步三等奖。
1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。
1995年，我国的AGV技术出口韩国，标志着我国自主研发的机器人技术第一次走向了国际市场。
1999年3月27日，由昆明船舶设备集团有限公司研制生产的激光导引无人车系统在红河卷烟厂投入试运行，这是在我国投入使用的首套激光导引无人搬运车系统。
目前国内的AGV保有量应该在1000台左右，大约有60%是国内的AGV厂家提供的，40%是国外厂家提供的。
在国内AGV的技术来源有两种模式：一种是引进技术；一种是自有知识产权的技术。两种模式目前都涵盖AGV的所有技术，技术水平并无多大差别。引进技术主要是瑞典NDC的AGV控制系统技术，据了解NDC目前在国内现有3家合作伙伴。

1.3 AGV的应用范围：
AGV的应用场合很广泛，研究涉及到多种技术领域，是一个典型的机电一体化多技术多学科的集成系统。随着电子和控制技术的发展，AGV的技术也在不断地进步，正在朝着性能更优越、更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。其应用领域也在不断扩展，并且取得了很好的效果。一般来说，AGV的主要应用范围有如下几个方面：
(1)物料搬运
在现代物料搬运中，当使用的人及搬运工具的总成本与使用AGV(无人搬运车)的成本基本相当时，AGV的市场接受就会自然形成。欧美和日本等发达国家的人力成本很高，所以AGV的使用较为普及，应用遍及各行各业。目前世界上约有2万台各种各样的AGV运行在2100座大大小小的仓库中。
海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400吨的出入库货物和零部件的搬运任务。玉溪红塔集团、红河卷烟厂在应用激光引导的AGV完成货物的搬运工作。
其他行业如化工的原料及成品；仪器仪表行业的元器件；印刷出版业的纸张；电子工业的芯片，计算机；食品工业的罐头、饮料；纺织工业的棉纱、布匹；服装业的里料、面料、衣服；汽车工业的零部件；冶金工业中的钢锭、钢带、板材；金融系统的纸币、硬币、黄金；药品制造业的原料、成药；国防如武器弹药、军需物资等的搬运。
(2)柔性装配线，加工线
传统生产线一般都是由一条连续的刚性传送设备组成，短则数米，长则数千米，如汽车装配线，缸体加工线等。存在的突出问题是：①要求每一道工序的节拍统一，否则就会因任何一道工序的停顿耽误而影响整条生产线的进程，如缺料，缺件，废品或出现意外问题。②要求厂房很大很长很高（对于较大较重的要用行车起吊），土建成本高。③连续的生产线隔断了通道，造成供应线路长，人和车辆过往不方便。④连续的生产线需要大量设备，投资成本较高。⑤刚性生产线使得一些本可以同步，交叉进行的工作失去机会。
AGV出现之后，不仅作为无人自动搬运车辆使用，也可当作是一个个可移动的装配台、加工台使用，他们既能自由独立地分开作业，又能准确有序地组合衔接，形成没有物理隔断，但是能起动态调节作用，高度柔性的生产线。如轿车总装线，发动机装配线，试车线，机床加工线，家电生产线等。
1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故障减少39%，投资回收时间减小57%，劳动了减少了5%。目前，AGV在世界上主要的汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等公司的制造和装配线上得到了普遍应用。
(3)特殊场合用
AGV无人自动搬运优势，解决了一些不适宜人在其中生产或工作的特殊环境问题。如核材料、危险品（农药、有毒物品、腐蚀性物品、生物物品、易燃易爆物品）等。在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠地运送物料和半成品。
国内使用AGV比较多的行业主要有烟草行业和汽车行业，已有20多家采用了AGV。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。

1.4 AGV的发展趋势分析：
(1) AGV的技术水平将日益提高
现代AGV技术的最显著特征是具有智能化。车载计算机的硬软件技术日益强大，使AGV具有从网络、无线或红外线信号接受装置接收调度中心或客户指令，自动导引，自动行驶，优化路线，自动作业，运行管理，车辆调度，安全避碰，自动充电，自动诊断等功能，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车辆（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。
(2)AGV的动力性能将更趋强劲
AGV设计的难点之一是其动力源装置的设计。动力源的功率大小直接影响AGV的功用，而动力源的体积大小直接影响整车的体积及外观造型。
传统的AGV采用铅酸电池，能量密度小，体积大。随着电池技术的发展，今年来电池逐步由高能酸性电池发展到开始采用高能碱性电池，以提高环保性能，大幅提高充放电比，目前由充电时间/放电时间比为1：1提高到现在的1：12，大幅缩短了AGV的待机充电的时间。
动力电池性能及充放电技术的进步，使得现代AGV的动力性能普遍提高，运载能力与行驶特性进一步优化。
(3) AGV的综合技术将逐步机器人化
AGV本身就是一种移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、机械工程、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工只能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
AGV的机器人化一直是AGV研究的热点技术。实际上，在机器人发展的整个过程中，其相关技术都先后在AGV中得到了应用。如智能移动机器人技术涉及到的机器人导航与定位，路径规划、运动控制等，均在AGV中得到了体现。使得现代AGV无论是专项技术还是综合性能，均得到了普遍提高，并仍将继续提高。
由于AGV的机器人化，现代AGV已不仅仅是一种沿固定路径行驶的搬运工具，几乎可以适合于各种固定的或不固定的运输场所。
(4) AGV的应用将日益普遍
由于现代化生产观念日益受到重视，对生产线运行、物流系统的柔性要求越来越高。在产品换型、多种产品混合生产线运行、调整产量、重新组合生产线等方面，AGV必将得到迅速发展和普及应用，这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是由AGV本身所独具的优越性决定的。

1.5 AGV的市场前景分析：
(1) AGV经济效益分析
AGV作为一种成熟的技术和产品在发达国家已经广泛应用，对企业提高生产效率、降低成本、提高产品质量、提高企业的产品管理水平起到了显著的作用。
随着工业自动化的发展，国内的应用和需求越来越强烈，已经大约有千台AGV在使用，而且市场在逐步扩大。根据市场初步分析，今后5年内，国内各行业对AGV需求量可达数千台，年产值接近2亿元，经济效益十分可观。
(2)AGV市场前景分析
物流是“企业的第三利润源泉”，是“经济领域尚未被开发的黑大陆”，它可以为企业带来巨大的效益。目前，航空领域、印刷行业、烟草行业、摩托车行业，汽车行业、家用电器行业等众多企业已经或者即将投入巨资建立自己的自动化仓储物流体系。作为物流系统中的重要组成部分，AGV已经在中国的印刷行业（羊城晚报/四川日报）、汽车行业（金杯汽车/上海通用）、家电行业（海尔）、烟草行业（上海烟厂、云南红塔）得到广泛应用，未来更是有广阔的市场前景。

二、总体方案设计
2.1 设计方案概述：
小车采用前轮驱动，两个直流电机分别驱动，通过转速的差异来实现转弯；后轮采用两个随动自由轮。
小车车身前，及两侧安置有4个红外线传感器用于循迹，另有两个个红外线传感器用于避障，当发现前面有障碍物时，AGV小车能自动停止，并不停检测障碍，当没有障碍时再前进。
AGV小车由传感器部分、机械结构、驱动部分和控制部分组成。
2.2 传感器部分初步设计：
考虑到现实生产中大部分AGV小车的实际工作环境，以及成本因素，本方案采用光学控制带引导方式来实现对AGV小车的引导。
2.3 机械结构及驱动部分初步设计：
机械结构及驱动部分包括车体，传动部分，蓄电池，车轮及转向装置，电机。考虑到车体的承载能力，车体采用钢构件焊接而成，其外壳为1mm~3mm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。蓄电池采用24v直流工业蓄电池。车轮及转向装置采用差速型驱动，即两台电机各置于左、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，差速型电机选用直流减速电机，结构简单。
2.4 控制部分初步设计：
采用52单片机控制。

1.STC89C52简介：
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
2.STC89C52单片机特性：

STC89C52RC单片机:
8K字节程序存储空间；
512字节数据存储空间；
内带2K字节EEPROM存储空间;
可直接使用串口下载；
AT89S52单片机:
8K字节程序存储空间；
256字节数据存储空间；
自带2KB的EEPROM存储空间;

3.参数：

1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.[2]
2. 工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）
3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz
4. 用户应用程序空间为8K字节
5. 片上集成512 字节RAM
6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片
8. 具有EEPROM 功能
9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2
10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
12. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
13. PDIP封装

三、传感器部分设计
TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。
应用场合：
1. 电度表脉冲数据采样
2. 传真机碎纸机纸张检测
3. 障碍检测
4. 黑白线检测
基本参数：
1.外形尺寸：
长 32mm~37 mm；
宽 7.5mm；
厚2mm
2. 工作电压：DC 3V~5.5V，推荐工作电压为5V
3. 检测距离： 1mm~8mm适用，焦点距离为2.5mm 模块原理和应用
传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。
我们采用的光电传感器为TCRT5000，它的是采用高发射功率红外光电二极管和高度灵敏光电晶体管组成，其检测距离在6mm~14mm。

TCRT50000传感器原理图

TRRT5000电路连接图

四、机械结构及驱动部分设计
4.1车体的设计：
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1×0.4×0.4 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。
4.2车轮及转向装置选择：
小车采用差速转向控制，因此每个驱动轮都有独立的驱动电机。为了使系统运行可靠并且维护方便，本系统采用两个减速直流电机作为驱动电机。
4.3电机的选择：
假设设计的AGV原理样车总载重为250kg，最高时速设定为1m/s，正常运行时速设定为0.8m/s 。
4.3.1 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。滚动阻力以符号表示，空气阻力以符号表示。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，以符号表示。AGV加速行驶需要克服的阻力称为加速阻力，以符号表示。因此车辆行驶的总阻力为:
……4.1
（1）AGV的滚动阻力的计算
……4.2
式中: μ—滚动阻力系数，即车轮在一定条件下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，=0.018～0.020，实际取 =0.0196，设计其总质量为m=250kg，代入公式(4.2)得滚动阻力为:

(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=1.Om/s
则AGV的加速度为:

故加速阻力为:

(3)坡度阻力的计算
AGV工作场合的道路状况一般较好，坡度较小，坡度阻力忽略不计。
AGV小车不同于道路行驶的高速车辆，AGV的最高时速一般为1m/s，因此空气阻力对AGV行驶的影响可忽略不计。因此根据4.1式，AGV总的运动阻力为:

由于最高速度为1m/s，故需要电机的功率为：
P=F×V=173W
故电机参数为：P=173w，车轮半径R=0.125m，额定转速n=62rpm，峰值转速=77rpm，峰值转矩=21N·m，故选用57BLF-1830NBB-RV3030型电机，搭配涡轮减速器。参数及外形尺寸如下：

电机选型表

电机外形尺寸图
驱动轮（前轮）选用孔径25mm，外径125mm的AGV小车专用轮

AGV专用轮尺寸图

AGV专用轮外形图

后轮选用两个直径125mm的万向轮。

万向轮外形图

4.4驱动部分校核计算：
(1)运动速度的校核
确保车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n＝62r/min，则:

虽然0.81m/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。
(2)驱动能力的校核
车轮半径R=0.125m，功率为P=310W，则车轮的驱动力矩为:
310/1=310N
由于310>301，所以能保证车辆的正常起动，并有一定的驱动力储备。
(3)启动时加速度的校核
启动时的驱动阻力为:Fn = 48N。电机到车轮所发出的驱动力为:310N
则加速度为:

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,确定57BLF-1830NBB-RV3030型电机符合要求。
4.5蓄电池的选择：
　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，实际使用温度范围在20℃－60℃，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缺少的产品。
经过以上对蓄电池优缺点的对比，我们选择用1块20Ah的锂电池构成电源，其输出电压为24V，蓄电池布置在承载车身内，总重量为3.6kg。

所选锂电池参数
4.6总体机械结构设计及建模:

AGV小车三维模型图
① ：控制模块
② ：直径125mm的万向轮×2
③ ：载物台
④ ：工字钢主体框架
⑤ ：循迹光电传感器为TCRT5000×4
⑥ ：避障传感器×2
⑦ ：57BLF-1830NBB-RV3030型电机及涡轮减速器×2
⑧ ：外径125mm的AGV专用轮×2
⑨ ：20Ah的锂电池

AGV小车三维模型仰视图

AGV小车三维模型侧视图

AGV小车主体部分三维图

AGV小车二维工程图

五、控制部分设计
5.1电源模块：
电源模块是根据需要将电池供给的电压转换成我们实际需要的电压为电路供电。我们小组设计的电源模块可以将锂电池提供的24V电压进行转换，同时输出24V和5V电压，分别向驱动电路和单片机进行供电。

电源电路模拟仿真图
5.2驱动模块
驱动模块主要为驱动电路，位于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。我们的驱动电路主要是驱动直流减速电机进行工作。

电源电路模拟仿真图
电机驱动电路的芯片选用的是L298N产品，其内部含有4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双桥式驱动器，接收标准的TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4之间分别接小车的两个驱动电机。
IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平，控制两个电机的正反转。
ENA、ENB的输入信号控制电机的转速。
单片机的输入情况不同所对应的小车运动状态不同。其情况如下：
左电机
右电机
左电机
右电机
小车运动状态
IN1
IN2
IN3
IN4
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
0
正转
停
左转
0
0
1
0
停
正转
右转
0
0
0
0
停
停
停止

以下为AGV小车的行走策略：
① 直线行走策略：
走直线的时候，位于地面的磁条导航线应该全部位于磁导航传感器的正下方，如果出现某一部分磁条不在传感器正下方，则传感器会根据磁场的方向发出控制信号来控制左边或者右边的电机加速来使AGV小车向右或者向左转，从而使词条导航线重新回到传感器的下方。
② 岔路口行走策略：
在分叉的地方设置地标，当行驶到岔路口处，地标传感器就能识别地标并发出转弯的指令，控制电机转速来实现向某一个方向转弯。
③ 控制策略：
小车从起点或终点出发后，每隔50ms读取一次P1口．若前方有障碍物（即P1.4脚或P1.5脚检测到反射信号），则机器人原地待命；若到达终点或起点，则机器人开始装料或卸料工作．否则，机器人进行正常的寻线行驶．
对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法。其原理就是控制开关管在一个周期内的导通时间，导通时间的不同即占空比的不同，就会导致电机两端的平均电压不同，电机的转速是与电机两端的电压成正比的，因此电机的转速就与占空比成正比，占空比越大，电机转的越快，小车的速度就不同。PWM实现调速简单，而且范围大。
5.3循迹模块
我们是通过红外探测法来实现小车的自动循迹功能的。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收，经过循迹电路的转换OUT输出端为低电平也就是0；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，OUT就输出端为高电平也就是1，从而实现信号的检测。

循迹模块电路模拟仿真图
我们采用的光电传感器为TCRT5000，它的是采用高发射功率红外光电二极管和高度灵敏光电晶体管组成，其检测距离在6mm-14mm。
5.4避障模块
实际的环境中，虽然AGV小车的轨迹已经完全限定，但不可避免的会在小车路线上出现障碍物，这就要求我们的小车必须有避障功能。避障模块的选择如下图：
该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），有效距离范围2～80cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。
避障传感器基本原理，和循迹传感器工作原理基本相同，利用物体的反射性质。
在小车的正前方安上避障用的传感器。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析。
有障碍物和没障碍物时，此电路的输出只有两种输出状态，当没有障碍物时，直接前行，当有障碍物时，因为超市里边一般障碍物都是人，人都是在活动的，而且小车也不可能离开轨迹，所以小车只需停止在原地等待，再次进行避障检测，进行判断执行。一般几秒钟人就会离开，小车就会继续前行。
原理流程图如下：

避障原理图
5.5主控制模块
控制模块是小车的大脑，主要是通过STC89C52RC单片机作为控制中枢，对采集信号进行分析，控制协调检测避碍，检测循迹，检测制动等功能，同时控制电机速度和起停。其原理图如下：

主控模块原理图

电路图如下：

主控制模块电路模拟仿真图

六、项目总结与感悟
都说机械这个专业是个万金油的专业，什么好像都会，什么好像都不精。确实，自从学了专业课以后我就有这个感受，感觉我们正在做的事情都是别的专业深入研究的内容，比如编程序，开发软件，设计电路，分析受力……，一度我非常担心我们专业会在以后毫无竞争力，因为你编程序肯定比不过学软件的，设计电路肯定比不过学电子的，分析受力肯定比不过学力学的。但是，这学期学了这门机电一体化的课，加上做了这个AGV小车的设计方案以后，我渐渐发现其实机械专业是有它的独一无二的地方的。就像老师讲的那样，我们不需要自己完完全全的研究透彻单片机到底是个什么原理，因为那是学电的学生要研究的，我们注重实际的工程问题，只要能够在工程实际中运用单片机来为我们服务就行了。
学机械这个专业就是要将一切能够利用的资源利用起来，然后用自己的专业知识来解决实际的工程问题。我在做AGV小车的设计的时候就发现这个东西不是学电的学生，不是学软件的学生能够做得出来的，我们就像一个指挥者，将所有的军队排兵布阵，然后让每个士兵都能够发挥出它的作用，这样才能够获得胜利。所以这个课程设计让我明白了机械专业绝对不是万金油的专业，也绝对不是任何专业能够代替的，我们将来就是其他所有人的“指挥官”。
作为机电一体化设计的项目，我们在过程中分别经历了市场调研、目标规划、整体设计、机械结构设计和电路控制设计、再加上最后的文档编辑。但是由于我们缺乏各个方面的经