自動移動送料小車設計

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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文摘 要本課題所設計的自動移動運送小車采用自動導引技術，應用于本校的模擬自動生產線上，主要功能是運送托盤。自動移動運送小車屬于柔性生產線系統(tǒng)中的新興物流設備之一，即自動導引車，英文簡稱 AGV。因此，在本設計中將充分研究和應用當代的 AGV 技術。AGV 即自動導引小車，它集聲、光、電、計算機技術于一體，綜合了當今科技領域先進的理論和應用技術，屬于移動式機器人的一個分支。在柔性制造系統(tǒng)和自動化工廠中用來組成高效、快捷的物流系統(tǒng)，可極大的提高生產自動化程度和生產效率，是一種非常有發(fā)展前途的物流輸送設備。本文介紹AGV 在國內外發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，結合實驗室實際條件，設計了光學導引式AGV 樣機。其主要工作內容包括:小車機械本體設計、 89C51 單片機控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設計、控制系統(tǒng)軟件設計。關鍵詞：AGV； 自動導引； 光學導引； 89C51 單片機河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文IAbstractThis topic is designed to automatically move the delivery of Automated Guided Vehicles using the technology for the simulation of our automatic production line, the main function is the delivery tray. Auto-mobile delivery of flexible production line car belonging to the emerging system of logistics equipment, that is, automated guided vehicle, the English referred to as AGV. Therefore, the design will be fully in the research and application of contemporary AGV technology.Automatic Guided Vehicle (AGV) covers the technologies of Optics, Electronics technologies Acoustics and Computer Science and other advanced theories and in the current scientific and technical fields, and it is one of the offshoots of mobile robot. AGV can greatly improve the degree of automatism and the efficiency of production when it is used to build an effective and speedy system of logistics in the flexible manufacturing system and automatic factory， and is a promising vehicle for the transportation of logistics.The paper studies the applications and developments of ALJV at home and abroad, and designs a laser guided AGV under actual conditions of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of AIJV, the design of control system of hardware circuit and software based on 89C51 SCM.Key works: AGV; automatic guide; laser guide; AT89C51 SCM河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文目 錄摘 要 .IABSTRACT.1目錄 I1 緒 論 11.1 課題背景及研究意義 11.2 自動移動送料小車的關鍵技術—— AGV 發(fā)展現(xiàn)狀 .21.2.1 國外 AGV 發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀 31.2.2 國內 AGV 發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀 51.3 論文完成的主要工作 62 自動移動送料小車 AGV 技術分析 72.1 AGV 的類型 .72.2 AGV 的特點 82.3 AGV 的導引方式 92.3.1 導引方式分類 .102.3.2 AGV 典型的導引方法 .102.4 AGV 系統(tǒng)的技術組成及調度方法 .142.4.1 AGV 的技術組成 .142.4.2 AGV 的調度方法 .163 自動移動送料小車總體結構 183.1 AGV 技術指標及運行 183.2 總體結構設計方案 .183.3 行走系統(tǒng) .213.3.1 行走系統(tǒng)方案設計 .213.3.2 行走系統(tǒng)的技術設計 .223.4 移載系統(tǒng) 263.4.1 移載系統(tǒng)的方案設計 .263.4.2 移載系統(tǒng)技術設計 .273.5 自動移動送料小車的導引方案 .294 AGV 驅動控制系統(tǒng)電路設計 324.1 外圍電路 324.2 傳感器檢測電路 .34河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文i4.2.1 固定軌跡檢測傳感器 .344. 2. 2 障礙檢測傳感器 .355 控制系統(tǒng)軟件設計 36結 論 39致 謝 41參考文獻 41河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文01 緒 論1.1 課題背景及研究意義隨著工廠自動化、計算機集成制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、現(xiàn)代物流、自動化立體倉庫等系統(tǒng)的快速發(fā)展和廣泛應用，自動移動送料小車作為AGV（英文 Automatic Guided Vehicle 的縮寫）的一種， 即自動導引車。這些系統(tǒng)的輔助設備，其應用范圍和技術水平也要得到快速的發(fā)展和提高，本課題就是在這樣的背景下，根據(jù) AGV 的應用設計了一個模擬貨物分揀的小型 AGV 系統(tǒng)。 AGV 是指裝備有自動導向系統(tǒng)，按設定的路線自動行使或牽引貨臺至指定地點，實現(xiàn)物料的自動裝卸和搬運，與其它物流設備自動接口，全過程自動化的無人駕駛輸送設備。按日本 JISD6801 的定義，AGV 是以電池為動力源的一種自動操縱的工業(yè)車輛。自動導引車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準時化的要求，與自動導向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等構成自動導引車系統(tǒng) AGVS（Automatic Guided Vehicle System）才能真正發(fā)揮作用。AGVS 則是指 AGV 在中央控制計算機的管理下協(xié)調工作，并同其它物流設備實現(xiàn)高度集成，具備相當?shù)娜嵝?，而且可以通過車載計算機和網上主機與其它設備進行通訊的自動化物流輸送系統(tǒng)。AGV 是集人工智能、信息處理和圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通訊、機械設計、電子技術等多個學科的物流自動化研究和應用的熱點之一，是自動化搬運系統(tǒng)、物流倉儲系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性裝配系統(tǒng)（FAS）的重要裝備。它除了在柔性制造系統(tǒng)和自動化工廠中用來組成高效、快捷的物流系統(tǒng)外，AGV 還廣泛用于工廠的貨物轉運，尤其適用于人員不宜進入的工作場所。AGV 的應用可極大地提高生產自動化程度和生產效 。 AGV 還廣泛應用在機械加工、汽車制造、港口貨運、電子產品裝配、造紙、河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文1發(fā)電 廠、電子行業(yè)的超凈車間等諸多行業(yè)。其運行速度可達百米/分鐘，運輸能力可以從幾千克到幾十噸，是一種非常有發(fā)展前途的物流輸送設備，尤其在柔性制造系統(tǒng)中被認為是最有效的物料運輸設 。 作為一種高效物流輸送設備和工廠自動化的理想手段，80年代AGV 就已經進入我國市場，今后必將得到迅速發(fā)展和普及應用。這不僅是現(xiàn)代化工業(yè)迅速發(fā)展的需要，更主要是 AGV 本身所獨具的優(yōu)越性（能實現(xiàn)自動運輸、效率高、可以在比較惡劣的環(huán) 境下工作等）所決定的。因此研究 AGV 控制系統(tǒng)有著非常廣闊的應用前景和重要的意義。1.2 自 動 移 動 送 料 小 車 的 關 鍵 技 術 ——AGV 發(fā) 展 現(xiàn) 狀AGV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、自動化立體倉庫而產生并發(fā)展起來的。從 20 世紀 80 年代中期開始，57%的 AGV 用于汽車制造業(yè)，而在德國則高達 64%。從對國外公司物料搬運系統(tǒng)裝配類型的統(tǒng)計可以看出，采用自動導引車、有軌搬運車、起重機、輥子輸送機和懸掛運輸機的分別占 41%、29%、9%、10%和 11%。 目前，從國內總體來看，AGV 的應用剛剛開始，相當于國外 80 年代初的水平。但從應用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)、飛機制造業(yè)、家用電器行業(yè)、煙草行業(yè)、機械加工、倉庫、郵電部門等，這說明 AGV 有一個潛在的廣闊市 。 AGV 從技術的發(fā)展來看，河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2主要是從固定線路向可調整線路；從簡單車載單元控制向復雜系統(tǒng)計算機控制；從原始的段、點定期通訊到先進的實時通訊等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進的遠程圖形監(jiān)控。從領域的發(fā)展看，主要是從較為集中的機械 制造、加工、裝配生產線向各行各業(yè)自動化生產、物料搬運、物品倉儲、商品配送等行業(yè)發(fā) 。1.2.1 國外 AGV 發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀世界上第一臺 AGV 是美國 Basrrett 電子公司于 20 世紀 50 年代開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統(tǒng)，小車采用埋線電磁感應式的跟蹤路徑自動導向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。到了 60 年代和 70 年代初，除 Basrrett 公司以外，Webb 和 Clark 公司在 AGV 市場也占有相當?shù)姆蓊~，在這個時期，歐洲的 AGV 技術發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經對托盤的尺寸與結構進行了標準化，統(tǒng)一尺寸的托盤搬運促進了 AGV 在歐洲得到迅速發(fā)展和推廣應用，并被引入美國用于自動化倉儲系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運輸。此時歐洲約裝備了 520 個 AGV 系統(tǒng)，共有 4800 臺車，1985 年發(fā)展到一萬臺左右，為美、歐、日之首。其應用領域分布為：汽車工業(yè)（57%），柔性制造系統(tǒng) FMS（8%）和柔性裝配系統(tǒng) FAS（35% ）。從 80 年代初開始，新的導向方式和技術得到更廣泛研究和開發(fā)。主要有電磁感應引導、激光引導、磁鐵陀螺引導等方式，其中以激光引導方式發(fā)展較快，但電磁感應引導和磁鐵陀螺引導方式占有較大比例。1981 年 John 公司將 AGV 連接到 AS/RS 來提供在制造過程中物料自動輸送和跟蹤。1984 年， 通用汽車公司便成為 AGV 的最大用戶，1986 年已達 1407 臺（包括牽引式車、叉式車 和單元裝載車），1987 年又新增加 1662 臺。美國各公司在歐洲技術的基礎上將 AGV發(fā)展到更為先進的水平。他們采用更先進的計算機控制系統(tǒng)（可聯(lián)網 PMS 或 CIMS）， 運輸量更大、移載時間更短、具有在線充電功能(以便 24 小時運行)、車和控制器可 靠性更高。此時美國的 AGV 生產廠商從 23 家（1983 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文3年）驟增至 74 家（1985 年）。90 年代以來， AGV 從僅由大公司應用開始向小公司單臺應用轉變，而且其效率和效益更好。到 90 年代，全世界已擁有 AGV10 萬臺以上。時至今日，AGV 技術日趨成熟，生 產 AGV 的公司也越來越 ，圖 1-1～1-6 是 AGV 應用的一些實例。圖 1-1 應用于藥料收集的 AGV圖 1-2 應用于汽車工業(yè)的 AGV圖 1-3 應用于醫(yī)院的 AGV圖 1-4 應用于造紙業(yè)的 AGV河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4圖 1-5 應用于卷煙廠的 AGV圖 1-6 應用于鋼鐵工業(yè)的 AGV1.2.2 國內 AGV 發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀AGV 在我國的研究及應用起步較晚，北京起重運輸機械研究所、清華大學、中國郵政科學研究規(guī)劃院、中國科學院沈陽自動化所、大連組合機床研究所、國防科技大學和華東工學院都在進行不同類型的 AGV 的研制并小批量投入生產。1975 年北京起重運輸研究所完成我國第一臺電磁導引定點通信的 AGV，1989 年北京郵政科學研究規(guī)劃院完成我國第一臺雙向無線通信的 AGV，該院已能進行 AGV 的批量生產，已生產和正在制造的 AGV 達 23 臺（截至 1996 年）。沈陽自動化所為沈陽金杯汽車廠生產了 6 臺 AGV，用于裝配線上，可以說是汽車工業(yè)中用得較成功的 AGV。成都卷煙廠利用 AGV 用于倉庫運輸，沈陽新松公司研制的 AGV 已經通過了 ISO9001 國際質量認證，安徽合力股份有限公司制造的 AGV 在市場上占有很大份額。以上的 AGV 均為無固定路徑導引 方式。清華大學獨立研制的“ 自由路徑自動導向 AGV”屬于無固定路徑導引的類型， 在路徑跟蹤研究方向具有較高的水平。清華大學計算機系研發(fā)出了用于郵政中心的 AGV，昆明船舶設備研究所研制了激光導向式 AGV 以及吉林工業(yè)大學為汽車裝配線研制了視覺導向 AGV 等。我國越來越多的工廠、科研機構采用 AGV 為汽車裝配、郵政報刊分揀輸送、大型軍械倉庫、自動化倉儲系統(tǒng)服務。隨著經濟的發(fā)展，AGV 在我國的應用領域必河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文5將有廣闊的應用前 。1.3 論 文 完 成 的 主 要 工 作本課題設計了一個用于運送模擬生產線托盤的小型 AGV 系統(tǒng)，即自動移動送料小車?？刂葡到y(tǒng)選用的核心控制器是 CS51 單片機，AGV 采用的導引方式是激光束導引，采用永磁直流減速電機驅動 AGV，在此基礎上完成整個 AGV 驅動控制系統(tǒng)的軟、硬件設計。論文完成的主要工作包括以下幾個方面：（1）總體方案的設計分析國內外先進的 AGV 的特點，結合我國的實際情況及實驗室的現(xiàn)有條件，進行系統(tǒng)總體方案的設計。（2）機械結構部分的設計根據(jù)具體的工作條件和要求，遵循總體方案設計，進一步設計了自動移動送料小車的機械結構。其機械結構可以分為兩部分，第一部分是移載機構，即負責在小車和生產線之間轉移托盤。第二部分是行走底盤，顧名思義，這部分結構的主要功能是支撐上層構建和行走驅動。（3）控制系統(tǒng)的硬件電路的設計控制系統(tǒng)硬件電路設計包括嵌入式控制系統(tǒng)的主控制電路部分的設計、直流電機 驅動電路設計、導向電路設計、障礙物檢測電路的設計、測速電路設計、工位檢測電 路設計。（4）系統(tǒng)軟件的設計考慮到實驗條件和工作要求以及系統(tǒng)的資源情況實，系統(tǒng)軟件設計主要包括 AGV 尋跡導向、外部中斷兩部分功能。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文62 自 動 移 動 送 料 小 車 AGV 技 術 分 析本課題所設計的自動移動送料小車是自動化生產線中的物流設備，在自動化生產線中又將這種具備自動導引能力的物流設備成為自動導引車，即AGV。據(jù)此，本設計的關鍵技術即為 AGV 技術。下文將對國內外的 AGV 進行技術分析，并以此引出自動移動送料小車的設計思路。2.1 AGV 的 類 型按照自主程度劃分，AGV 可分為智能型和普通型兩類：智能型 AGV：每臺 AGV 的控制系統(tǒng)中通過編程都存有全部運行路線和線路區(qū)段控 制的信息，AGV 只需知道目的地和到達目的地后要完成的任務就可以自動選擇最佳路 線完成規(guī)定的任務，這種方式下，AGV 系統(tǒng)使用的主控機可以比較簡單，主控機與各 臺 AGV 之間通過無線電或導引線進行連續(xù)通訊，控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)視所有 AGV 的工 作和運行位置。即使通訊中斷，AGV 仍能以各種降格方式工作。對于 30 臺以內的 AGV 構成的系統(tǒng)，多數(shù)采用這種工作方式。普通型 AGV：這種類型的 AGV 的控制系統(tǒng)一般比較簡單，其本身的所有功能、路 線規(guī)劃和區(qū)段控制都由主控機進行控制。因此主控機必須有很強的處理能力。AGV 每隔一段距離通過地面通訊站與主控機交換數(shù)據(jù)，AGV 在通訊站之間的誤動作不能及時通知主控機，當主控機出現(xiàn)故障時，AGV 只能停止工作，此類 AGV 一般用來組成包含 50～200 臺 AGV 的 AGV 系統(tǒng)。 從系統(tǒng)擴充的角度看，不論是增加 AGV 數(shù)量還是改變運行路線，智能型 AGV 系統(tǒng)都較普通型 AGV 系統(tǒng)簡單。 從用途和結構來分，AGV 主要有以下幾種；河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文7承載型 AGV：這是最為通用的一種 AGV 形式，大多為平臺式結構，承載型 AGV 結構緊湊，運行較靈活，一般具有雙向運行能力，易于與其它自動化設備接口，可方便地實現(xiàn)物料搬運全過程的自動化，用于搬運線路不長，物料通過量較大的場合，比如可以用于自動化立體倉庫—倉庫收發(fā)站之間進行物料搬運，或在各加工中心之間搬 運。承載型 AGV 可以用作移動式機器人的載體，以擴大機器人的工作范圍，也可用作移動式裝配臺以提高自動化裝配過程的靈活性。牽引型 AGV：這種形式的 AGV 以主體牽引掛車進行運輸，在自動方式下只能單方 向運行，如需增加反方向運行能力，則必須設置專門的安全保護裝置。其掛車上鉤和脫鉤均需人工操作。由于掛車長度不同，所以對最小轉彎半徑有限制，當一次搬運的 距離超過 60m，并且搬運量較大時，可以使用牽引型 AGV。叉車式 AGV：此類 AGV 又稱自動叉車，有高度變化的貨叉，可以直接存取處于不同高度的貨架和裝卸站上的貨物，一般需要使用輔助托盤或專用容器。由于不易定位等原因，自動叉車裝卸物料的周期通常較長 。2.2 AGV 的 特 點AGV 的特點主要有如下幾種：（1）無人駕駛，AGV 上裝有自動導向系統(tǒng)，可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下就能夠沿預定路線自動行使，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。（2）柔性好，自動化程度高和智能化水平高，AGV 的行使路徑可以根據(jù)倉儲貨位的要求、生產工藝流程等改變而靈活改變，并且路徑改變的費用與傳統(tǒng)的輸送帶和剛性的傳送帶相比非常低廉。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文8（3）AGV 一般配備有裝卸機構，可以與其它物流設備自動接口，實現(xiàn)貨物或物料的裝卸與搬運全過程自動化。（4）可裝備多種聲光報警系統(tǒng)，能通過車載障礙探測系統(tǒng)在碰撞到障礙物之前自動停車，當其列隊行使或在某一區(qū)域內交叉運行時，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在差錯。因此，AGV 比其它物料搬運系統(tǒng)更安全。（5）AGV 具有清潔生產的特點，依靠自帶蓄電池提供動力。運行過程中無噪聲、無污染，可以應用在許多要求工作環(huán)境清潔的場所。（6）與其它物料輸送方式相比，初期投資大，但可以大幅度降低運行費用，特別是在產品類型和工位較多時。2.3 AGV 的 導 引 方 式導引方式是 AGV 的關鍵技術之一。針對 AGV 的工作環(huán)境，用以下性能指標評價各種導引技術：運行范圍：由于多數(shù)導引技術在運行路線超過一定長度后，系統(tǒng)的效率或性能會隨著路線的增長而不斷下降，所以運行范圍是指保證系統(tǒng)的效率和性能不下降的情況下，AGV 的最大運行距離范圍。運行精度：由于運行路線設置時可能存在的誤差，及不同導引技術由于傳感器等因素而引起的固有誤差，AGV 實際運行時不可能精確地沿著預定的路線行使，通常 AGV 在物料裝卸站點處需與其它的自動化物流設備進行自動接口，所以 AGV 在站點處必須有較高的運行和定位精度。靈活性：AGV 大多是跟其它生產設備和工作人員處于同一工作環(huán)境中，因此 AGV 的導向系統(tǒng)應保證有較好的可靠性，導向系統(tǒng)的可靠性主要包括系統(tǒng)發(fā)生失靈的可能性，導向機構本身影響或阻止系統(tǒng)發(fā)揮正常功能的可能性?？煽刂菩裕篈GV 的可控制性是指在一定的導引方式下，AGV 啟/停控制、河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文9彎道運行、岔道選擇等實現(xiàn)的難易程度，另外，還應考慮特定導引方式下，AGV 與中央控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)方法和性能水平。系統(tǒng)成本：AGV 導向系統(tǒng)包括車載裝置和地面裝置兩部分，各部分的成本主要由相應裝置的復雜性及其維護要求決定。2.3.1 導引方式分類根據(jù) AGV 系統(tǒng)中 AGV 運行路線的性質，導引系統(tǒng)可分為固定路徑導引、自由路徑導引、組合路徑導引。固定路徑導引是指 AGV 運行路線是以某種具體的形式規(guī)定的。自由路徑導引是指 AGV 的運行路線是無任何具體形式的運行軌道，AGV 沿虛擬的路線運行。 組合路徑導引是指 AGV 在多數(shù)工作區(qū)間內沿某種具體形式的固定路線運行，而在某些區(qū)域可沿控制系統(tǒng)指定的虛擬路線運行。2.3.2 AGV 典型的導引方法電磁感應導引：早期的 AGV 均采用埋線導向方式，電磁感應導引原理圖如圖 2-1 所示，即將電纜線按所設路線埋于地下，通以一定頻率（3～8KHz）的電流后產生感應磁場，由裝在 AGV 車體下的電磁傳感器檢測磁場，導引 AGV 按預定路線行使。有分支路徑時，通過改變誘導電纜頻率，并在程序中指定分支時應追蹤的頻率，AGV 即可按正確的路線行使。圖 2-1 電磁感應導引原理圖這種導引方式的優(yōu)點是：可控制性好，可靠性高，不怕塵土污染，電纜導向電纜探頭導引電纜探頭轉向機構導向電機導向電機車體車體車體控制器河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文10埋在地面下不易遭破壞，適用于一般工業(yè)環(huán)境，同一溝槽可鋪設多股電纜，有利于分支管理和通訊。其缺點是：鋪設工作量較大，改變和擴充路線較困難。這種導引方式在車數(shù)太少時，地面費用相比太高。 電磁感應導引是傳統(tǒng)的導引技術，1954 年出現(xiàn)在美國的第一臺 AGV 采用的就是 這種技術，目前已十分成熟，應用最為廣泛，上海金山石化、泰山核電站、沈陽自動 化所以及上海交通大學機電工程系與合肥叉車總廠合作開發(fā)的 AGV 采用的都是這種導引方式。磁導引：磁導引是沿著運行路線貼上磁條，AGV 通過時依靠車上磁力傳感器，檢測磁場的存在，并不斷糾正 AGV 的位置偏差，使 AGV 沿規(guī)定路線行走。磁導引原理圖如圖 2-2 所示。圖 2-2 磁導引原理圖磁導引的優(yōu)點是：運行范圍大，可靠性高，地面費用較電磁感應導引低，增設、變更路線較容易，不受污染物的影響，磁條和磁感應傳感器無時效變化，穩(wěn)定性好，所以應用比較廣泛，在磁導引方面，日本的研制和應用走在前列。其缺點是：費用比較高，維護比較困難。光學導引：光學導引的導向路線是用反光材料涂成的反光帶，反光帶顏色一般與地面反差較大，以使兩者反光程度有一定不同，便于識別。光學導引原理圖如圖 2-3 所示。當光源發(fā)出的光照射到反光帶上，光學傳感器接受反射光線，并把光信號轉換成電信號，經 AGV 上的信號單元處理與識別單元磁傳感器陣列磁界磁帶或磁條河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文11處理后，來判斷 AGV 的運行是否偏離導向路線，調整兩輪的轉速，使 AGV 沿由反光帶鋪設的路線運行，反光帶也可以為鋁帶或不銹鋼帶，為適應路線柔性變化，采用多根反光帶，并在其上附有代碼標識，根據(jù)不同代碼給出直線、曲線等運行信息。另外在路線交叉點和轉彎處，近來一般不貼反光帶，采用自由路徑行走方式，即在路線上設置光標，用裝在 AGV 上的 CCD 視覺傳感器，同時捕捉兩個光A 在兩圖 2-3 光學導引原理圖光學導引的優(yōu)點是：運行范圍大，運行精度高，地面費用低。缺點是：要求工作環(huán)境清潔，對辦公室等污染小的地方不失為一種很好的導引方式。上海鐵道大學機械工程系開發(fā)的行李包裹自動分揀 AGV 即采用了光學導引方式。 激光導引：原理圖如圖 2-4 所示。導引方法是把激光光束掃描產生的軌跡定為直線路線，安裝在 AGV 上的光電探測器，檢測光束的感光位置，并測量偏離路線的偏移量，以此進行引導。這種導引與地面形狀無關，所以在由于地面原因而不能采用電傳感器磁導引和光學導引時是非常有效的。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文12圖 2-4 激光導引原理圖計算機視覺導引：計算機視覺導引通過 CCD 攝像機或超聲波掃描儀生成 AGV 周圍場景的圖像，與計算機系統(tǒng)中存儲的環(huán)境地圖進行特征匹配，從而確定 AGV 當前位置和路線偏移的信息。這種導引的優(yōu)點是運行精度高、靈活性好，缺點是可控制性、AGV 費用方面不理想。這種方式是目前最為先進的導引技術，天津理工學院機械系研制的全方位視覺導引自動車采用的就是這種技術。超聲波導引：超聲波測量導引方法類似于激光測量方法，不同之處在于需要設置專門的反射鏡面，而是利用一般的墻面或類似物體就能進行引導，因而，在特定環(huán)境下提供了更大的柔性和低成本的方案，屬于自由路線方式。但由于反射面大，在制造車間環(huán)境下應用常常有困難，此種方法多用于集裝箱碼頭，利用規(guī)律擺放的集裝箱反射超聲波，可以很好地達到自動導引的目的，而且價格十分低廉。由于本課題是在實驗室環(huán)境下完成的，不宜對環(huán)境進行比較大的改造，且考慮到實驗成本的問題，鑒于對以上導引技術的分析，采取尋跡光學導引方式是比較合適的。這是因為：實室的地面環(huán)境比較平整，場地比較理想，光反射規(guī)律比較規(guī)范，且環(huán)境亮度符合要求，光學傳感器檢測信號不易產生錯誤動作。 AGV 一旦接到命令，則按程序進行工作。AGV 的行使路線由導引系統(tǒng)引導，并有專門的檢測裝置檢測 AGV 的運行位置。為了均衡各工作站的負荷，保證物料的及時供應或輸出，一個系統(tǒng)往往有多臺 光電探測器導向路線掃描反射鏡鏡激光器微型電機光束掃描范圍河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文13AGV，車上和地面要有可靠的導引設施、通訊設備和控制管理軟件，才能獲得安全運輸優(yōu)化調度的效果。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文142.4 AGV 系 統(tǒng) 的 技 術 組 成 及 調 度 方 法AGV 系統(tǒng)由 AGV 和地面導引及管理系統(tǒng)組成，其中 AGV 由于應用范圍很廣，具體的 應用目的和工作環(huán)境差別很大，因此有很多的形式，但從功能看，重要包括：行走驅動系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、車載輔助機構、車體等。地面導引與管理系統(tǒng)包括：調度/操作設備、通訊設備、導引/定位設備、交通管理系統(tǒng)、 輔助設備等。2.4.1 AGV 的技術組成行走驅動系統(tǒng)：包括轉向和驅動部分，由于使用場合的不同要求，AGV 的行走驅動機構形式繁多。（1）按行走方向區(qū)分：單向、雙向和全方位式；（2）按轉向原理區(qū)分：鉸軸式轉向和差速式轉向；（3）按傳動配置方式區(qū)分：轉向輪與差動輪合一或分開；前輪與后輪驅動、對角式中間驅動；三輪、四輪、五輪、六輪等不同配置形式。三輪移動機構是目前應用最多的基本機構，車體結構一般是前輪利用兩輪獨立驅動，通過兩輪的速度差實現(xiàn)轉彎，后輪為輔助輪。這種機構的特點是機構組成簡單，而且旋轉半徑可從零到無限大。 四輪的驅動機構和運動基本上與三輪的相同，兩輪獨立驅動，前后帶有輔助輪的方式。 由于能繞車體中心旋轉，所以有利于在狹窄場所改變方向。當然還有依據(jù)使用目的， 使用六輪驅動車和車輪直徑不同的輪胎車。與四輪車相比，六輪車結構相似，只不過 有更大的承載能力和穩(wěn)定性。（4）按傳動電機分：伺服電機驅動、步進電機驅動或普通直流電機驅動；河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文15導向系統(tǒng)：AGV 完全依賴于導向系統(tǒng)指引其從一個工作點到達另一個工作地點，導向系統(tǒng)的性能與采用的導引方式有關，根據(jù)不同的導引方式，AGV 可自動沿著指定的路線運行。動力系統(tǒng)：AGV 是以蓄電池為動力源的，一般為通用的工業(yè)蓄電池或汽車蓄電池，要求電池容量滿足 8 小時的工作需要，當電力不足時，AGV 能自動行使到指定位置充電。安全系統(tǒng)：AGV 常常是在人機共存的環(huán)境下工作，因此必須對人員的安全性進行充分的考慮，一般 AGV 上裝有紅外線或超聲波檢測裝置，對檢測裝置的要求是：在車前急停區(qū)前識別物體，以便在此前停車或減速，或啟動避讓措施以及優(yōu)化搬運線路，另外在車架四周還設置帶機械微動開關的緩沖器，萬一緩沖器撞上了障礙物仍能及時控制 AGV 停車，由于 AGV 系統(tǒng)是多臺 AGV 同時工作的，為了增強對系統(tǒng)交通的可控性，一般需要在地面另外設置一些指示各段運行路線被占用情況的輔助裝置。通訊系統(tǒng)：在 AGV 系統(tǒng)中，為了使各臺 AGV 的工作不發(fā)生沖突（任務沖突、路線 沖突等），所有 AGV 以及系統(tǒng)中的其它自動化物流設備都是由主控機進行統(tǒng)一控制， AGV 需要從主控機獲得下一步工作的指令，同時需要將自身的狀態(tài)報告主控機，這些都是通過通訊系統(tǒng)來完成。有固定運行路線的 AGV 可以通過在運行路線上埋設的導線進行感應通訊，而全方位運行的 AGV 只能采用無線通訊，當干擾源較多時，通訊系統(tǒng)必須有較強的可靠性，以保證系統(tǒng)正常工作。 控制系統(tǒng)：每臺 AGV 上都配置車載機以控制 AGV 本身的工作，由數(shù)臺 AGV 構成 AGV 系統(tǒng)時，整個系統(tǒng)由主控機進行監(jiān)視與控制，主控機一方面與更上一級控制系統(tǒng)（如 車間級控制系統(tǒng)）進行通訊，接受物料搬運任務并報告 AGV 系統(tǒng)的工作情況，另外還與各臺 AGV 進行通訊，根據(jù)具體的物料搬運任務進行規(guī)劃，并向各臺 AGV 布置任務， 同時收集各 AGV 發(fā)出的信息以監(jiān)視系統(tǒng)的工作情況，并相應地進行交通管理，車載機 與主控機通過通訊系統(tǒng)交換信息。 車載輔助機構：主要指各種類型的輔助物料裝卸河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文16機構（如機械手、有動力和無動 力的輥道、推桿、油缸、升降臺）和精確定位機構，以保證在 AGV 和其它裝置之間自動傳送物料。這些輔助機構可以和其它的物流設備自動接口，實現(xiàn)物流裝卸和搬運過程的自動化。2.4.2 AGV 的調度方法AGV 使用中的路線優(yōu)化和實時調度是當前 AGV 領域的一個研究熱點，實用中，人們采用的方法主要有如下幾種。（1）數(shù)學規(guī)劃方法為 AGV 選擇最佳的任務和最佳路徑，可以歸納為一個任務調度問題。數(shù)學歸納方 法是求解調度問題最優(yōu)解的傳統(tǒng)方法，該方法的求解過程實際上是一個資源限制下的尋優(yōu)過程。實用中的方法主要有整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、Petri 方法等。在小規(guī)模調度的情況下，這類方法可以得到較好的結果。但隨著調度規(guī)模的增加，求解問題耗費的時間呈指數(shù)增長，限制了該方法在負責大規(guī)模實時線路優(yōu)化和調度中的應用。（2）仿真方法仿真方法通過對實際的調度環(huán)境建模，而對 AGV 的一種調度方案的實施進行計算 機模擬仿真，用戶和研究人員可以使用仿真手段對某些調度方案進行測試、比較和監(jiān)控，從而改變和挑選調度策略。實用中采用的方法有離散事件仿真方法、面向對象的仿真方法和三維仿真技術，有許多軟件可用于 AGV的調度仿真，其中 Lanner 集團的 Witness 軟件可以快速建立仿真模型，實現(xiàn)仿真過程的三維演示和結果的分析處理。 （3）人工智能方法人工智能方法把 AGV 的調度過程描述成一個滿足約束的解集搜索最優(yōu)解的過程。 它利用知識表示技術將人的知識包括進去，同時使用各種搜索技術力求給出一個令人滿意的解。具體的方法有專家系統(tǒng)方法、遺傳算法、啟發(fā)式算法、神經網絡算法。其中，專家系統(tǒng)方法在實際應用中較多采用，它將調度專家的經驗抽象成系統(tǒng)可以理解和執(zhí)行的調度規(guī)則，并且采用沖突消解河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文17技術來解決大規(guī)模 AGV 調度中的規(guī)則膨脹和沖突問題。由于神經網絡具有并行運算、知識分布存儲、自適應強等優(yōu)點。因此，它成為求解大規(guī)模 AGV 調度問題的一個很有希望的方法。目前，用神經網絡方法成功求解了 TSP-NP 問題。遺傳算法在求解 AGV 的優(yōu)化調度問題時，首先通過編碼將一定數(shù)量的可能調度方案表示成適當?shù)娜旧w， 并計算每個染色體的適應度（如路徑最短），通過重復進行復制、交叉、變異尋找適應度大的染色體，即 AGV 調度問題的最優(yōu)解。單獨用一種方法來求解調度問題， 往往存在一定的缺陷。目前，將多種方法進行融合來求解 AGV 的調度問題是一個研究熱點。如將專家系統(tǒng)與遺傳算法融合，把專家的知識融入到初始染色體群的形成中，加快求解速度和質量。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文183 自 動 移 動 送 料 小 車 總 體 結 構3.1 AGV 技 術 指 標 及 運 行本課題針對“現(xiàn)代物流集散控制系統(tǒng)”項目而提出的，研制一套自動導引車系統(tǒng)。該自動導引車系統(tǒng)的性能指標要求為：能夠沿一條固定的激光導引束行走，實現(xiàn)自動起停和轉移托盤等操作，并能夠調整移載機構的伸出量，以增強小車的移載能力和適應能力。 3.2 總 體 結 構 設 計 方 案根據(jù)實際需要的不同，設計也有很大差別。本課題所研究的是在室內環(huán)境下能夠自主行走、運送托盤、自動調節(jié)的小車。根據(jù)這個需求，本設計為圓傳送帶式輕型，激光束導引方式沿固定路徑進行托盤運輸。整個系統(tǒng)的結構框圖如圖 2-1，其中包括主控制模塊、光敏元件檢測光信號電路、直流電機的驅動器和速度控制控制器以及電源模塊，這些構成了整個車載控制系統(tǒng)。圖 3-1 總體方案圖自動導引小車車體主要由車架和相應的機械電氣結構如蓄電池、電機、河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文19減速部分、車輪等所組成。資料顯示，現(xiàn)有的 AGV 按照輪子數(shù)量多少，一般可以分為三輪、四輪或 者六輪結構。二輪 AGV 結構簡單，能夠滿足常規(guī)性的需要。四輪結構比較復雜，但穩(wěn)定性好，承載能力比較大。六輪 AGV 和四輪AGV 在結構和設計思路上都基本類似，不過具有更大的承載能力和穩(wěn)定性，因此后面主要分析四輪情況。AGV 的轉向裝置通常有以下兩種結構形式：1)鉸軸轉向式：設置轉向輪以控制旋轉方向，轉向輪裝在轉向鉸軸上，轉向電機通過減速器和機械連桿等結構控制鉸軸，從而實現(xiàn)對轉向輪的方向控制。轉向輪可以和驅動輪合而為一，也可以單獨設置。 2)差速轉向式：為 AGV 的左右兩個驅動輪分別設置兩個獨立的驅動電機，通過控制左右輪子的轉速比，產生速度差，來實現(xiàn)車體的轉向，在這種模式下，非驅動輪應為自由輪綜合輪子數(shù)量和轉向輪的形式等。AGV 的運行機構通常有以下幾種常見方式： 1)三輪鉸軸轉向式：如圖 2.2(a)所示，其中輪 1 為鉸軸轉向輪，同時也是驅動輪，即前輪裝配有驅動電機、轉向電機以及減速設備等，在功能上即驅動也轉向，后兩個輪子僅作隨動運動，起承載作用，而沒有導向能力。當然只給輪子 1 配置轉向電機，不作為驅動輪使用，而將輪 2、輪 3 作為驅動輪也是可 行的。 2)三輪差動轉向式：如圖 2.2(b)所示，其中輪 1 為隨動輪，可以自由轉動，而輪 2 和輪 3 是驅動輪，由不同的電機控制，靠兩個輪子的不同轉速實現(xiàn)車子 轉彎。 3)四輪鉸軸轉向式：圖 2.2(c)所示的就是前輪轉向，后輪驅動的四輪模型，其中輪 1 和輪 2 為轉向輪，它們之間有同步輪轉向連桿，輪 3、輪 4 為驅動輪，由同一個驅動電機帶動。 4)四輪差動轉向式：如圖 2.2(d)、圖 2.2(e)所示，這是兩種不同結構的四輪模型，但控制模式基本一致，其中輪 1 和輪 2 為自由輪，可以自由轉動，而輪 3 和輪 4 都是驅動輪，由不同的電機來驅動，通過兩驅動輪的速度差進河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文20行轉向。 5)四輪獨立導向式：如圖 2.2(}所示，四個輪子都為驅動輪，主要應用其 變結構功能，根據(jù)環(huán)境的變化實時地控制各輪的轉速和轉向，從而使其能夠適應更惡劣的工作環(huán)境，控制更靈活，不過這種方式控制也相對來說復雜一些。圖 3-2 AGV 行走系結構考慮到本課題設計的 AGV 主要用于實驗室中的模擬生產裝配線，單次運輸重量有限，一般不超過 2 公斤，轉角允許半徑比較大、導引線定位偏差要求不高，總體工作要求不是很苛刻。中間輪驅動差速轉向四輪結構的運行精度雖然不是很高，但是結構設計和控制方法簡單，因此經過對技術路線反復比較，最終決定采用前后輪自由、中間驅動的四輪式結構。為了增加驅動能力，采用較大驅動轉矩的直流電機作為行走驅動裝置， 前輪采用萬向輪，整車采用差速轉彎，最小轉彎半徑可為零。AGV 的具體結構如圖 2-3 所示，車體底部設有驅動輪、萬向輪，車體內設有行走驅動電機，傳送帶驅動電機，螺紋絲杠驅動電機。在車體外部設置有限位開關，接近傳感器。在車體前段裝有小車的“眼睛”，一組線陣河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文21車輪減速電機萬向輪排列的光敏晶體管。小車的移載系統(tǒng)采用圓皮帶做為傳送帶，移載系統(tǒng)可以進行水平移動，可以微調與與托盤之間的距離，從而增加了小車的靈活性和適應能力。3.3 行 走 系 統(tǒng)3.3.1 行走系統(tǒng)方案設計（1）四輪底盤結構系統(tǒng)設計方案為四輪結構，如圖所示，其中前后兩輪為從動輪，是直徑為 50 向自由輪，中間兩輪為驅動輪，相互獨立，通過差速進行方向控制，兩驅動輪直徑均為 100mm，可通過 20mm 高障礙物。四個車輪成對稱分布這樣的對稱性有益于車體的前后左右轉向，也容易對車體姿態(tài)進行計算與控制。圖 3-2 行走系統(tǒng)結構簡圖（2）防止“架空“所謂“架空“現(xiàn)象就是因路面不平導致四輪不能同時與路面接觸，在行駛過程中驅動輪無法與地面緊密接觸。由于本設計采用的是中間輪驅動，這樣一來，“架空”將會使小車失去動力，詳細如圖 3-3 所示。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文22圖 3-3 架空現(xiàn)象盡管小車的工作路面是比較平整的，但如果小車四輪在同一水平面上，架空現(xiàn)象仍然不可避免。本設計為了有效而簡單的解決這個問題，設計了如3-4 圖所示的偏距結構。這樣的設計可以使小車在具備一定平整度的路面上行駛過程中，始終保持三輪接地，而且其中有兩輪為驅動輪，這樣小車就不會產生架空現(xiàn)象。圖 3-4 架空式設計3.3.2 行走系統(tǒng)的技術設計如何使小車沿著固定的軌跡行駛，這是本設計的一個關鍵性問題。在前文的介紹中，已經詳細的分析了各種導引方式的特點和應用。立足于這些技術的基礎上，本設計獨特的設計了激光束導引方式。這種導引方式與反光帶導引方式既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，在設計中考慮到了反光帶的優(yōu)缺點和實驗條件，同時結合了激光束的亮度高和直線性好等特點，創(chuàng)新的設計出了激光束導引方式。下文將從小車的運動分析起，逐步介紹激光束導引方式。（1）自動移動送料小車的運動分析本課題中，自動導引小車采用兩前輪獨立驅動，以差動方式實現(xiàn)轉彎，從動輪隨動的結構，故將兩驅動輪連線中心位置作為小車本身的標志位置。那么，在運行過程中，對小車行走軌跡的控制就轉變?yōu)閷υ擖c的軌跡控制問河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文23題。小車在轉向時的運動學分析如圖 3.3 所示。設左側車輪速度為代，右側為 V，車輛的運動速度：（3-1） （3-2）式子 為車輪的轉動速度，B 為兩驅動輪之間的距離。兩輪中心的運動速度在 X，Y 坐標方向的分量為：（3-3）（3-4）對式子(3—2)(3—3)(3—4)分別積分得: （3-5）（3-6）（3-7）河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文24式子中 x0,y0 為車的初始位置,A0 為車的初始方位角。由式(3—5)(3—6)(3—7)可以看出，只要正確標定小車的初始位置，控制左右兩驅動輪的速度，便可使兩輪的中心跟蹤任何給定的運動軌跡。圖 3-3 兩輪獨立驅動自動導引車運動學分析（2）確定傳動方案直流減速電動機是將原動機和齒輪減速器集成為一起的動力源，其特點是結構緊湊，輸出轉矩大，成本低廉。為縮小車身空間和降低設計成本及設計工作量，本設計中所涉及到的電機都將采用這種直流減速電機，并使電機輸出軸和車輪直接相聯(lián)。（3）選擇電動機小車采用差速轉向控制，每個驅動輪都有獨立的驅動電機。根據(jù)所要承載的負荷、系統(tǒng)的自重以及車速要求，電機功率確定如下：小車車身重量：N=200N小車最高行駛速度：V=0.5m/s車輪與地面摩擦系數(shù)：u=0.2電動機功率：P=N·u·V·S=4w其中的 s 為小車驅動電機的富裕度，取 S=2。根據(jù)以上的計算，本設計將采用型號為 ZGB60R 的直流減速電機，該型電機具有體積小、效率高、慣量低、河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文25壽命長的優(yōu)點，并且有無齒槽效應，加速性能高、電磁干擾小、線性的電壓速度曲線，線性的負載速度曲線、線性的負載電流曲線、轉距波動小、可短時過載、結構緊湊的特點。驅動電機外形和技術參數(shù)如圖 3-5。圖 3-5 驅動電機的外形和技術參數(shù)（4）行走系統(tǒng)底盤架的結構設計考慮到小車結構特點和應用場合，小車屬于單件小批生產。因此，車身底盤將采用鋼板焊接形式。同時考慮到小車的行駛安全性，車輪的安裝采用內藏式。小車的底盤零部件圖可參看附錄，下面圖 3-6 是底盤的二維剖視圖。圖 3-7 底盤剖視圖考慮到底盤需要承載移載系統(tǒng)、電源和電路等附件，所以它除了要具備