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60m60m60m基于差速运动控制的自动牵引车设计大学论文

2011届毕业设计

题目（60m+60m+60m）连续钢箱梁桥上部结构分析

专业班级交通土建01班

学号1101110102

学生姓名戴枫禹

指导教师余浩延

指导教师职称讲师

学院名称资源与土木工程学院

完成日期：

2015年6月6日

基于差速运动控制的自动牵引车设计

（60+60+60）studyonthecalculationmethodofthin-walledsteelboxgirder

学生姓名戴枫禹

指导教师余浩延

摘要

在现代科学技术的发展中，电子化、信息化、网络化和智能化已成为车辆以后发展的动向。

自动牵引车是该发展动向的完美表现。

工业自动化小车（自动牵引车）越来越广泛的应用于工业生产实践中，由于它的高自动智能化，使工厂既节约了人工成本和生产成本，又提高了生产效率和生产周期。

本文通过对自动牵引车的差速运动控制的介绍和分析，让我们对差速运动过程有所了解，为自动驾驶车辆的深入研究奠定了基础。

解析了自动牵引车的运动系统的组成和工作原理，并对运动系统内部结构做出系统分析，以此进行控制分析。

本文主要研究的是分析自动牵引车小车运动过程的整体性能。

在不断的分析中，对运动性能进行改进，为牵引车的进步做出实质性的进展。

关键词：

自动牵引车，运动性能，运动系统

Abstract

Inthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,theelectronic,informationtechnology,networkingandintelligenthasbecomeatrendinthefuturedevelopmentofthevehicle.Unmannedguidedvehiclesaretheperfectperformanceofthedevelopmenttrends.IndustrialAutomationtrolley（自动牵引车）iswidelyusedinindustrialproductionpractice,duetoitshighautomaticintelligent，sothatthefactorysaveslaborcostsandproductioncostsandimproveproductionefficiencyandproductioncycle.

Thispaperintroducesandanalyzesofthe自动牵引车brakingsystem,letushaveunderstandingforthebrakingprocess,unmannedvehiclesforfurtherresearchfoundation.Parsingthecompositionandworkingprincipleofautomaticguidedvehiclebrakingsystem,brakesystemandmakethesystemanalysisofinternalstructureinordertobraketheanalysis.Thispaperstudywastoanalyzetheoverallperformanceofthecar自动牵引车brakingprocess.Intheongoinganalysisofthebrakingperformanceisimprovedtomakesubstantialprogressintheadvancementofcarnavigation

Keywords:

自动牵引车（AutomaticGuidedVehicle）,motionperformance,brakingsystem

第一章绪论

1.1引言

自动牵引车（AutomatedGuidedVehicles）又被称为自动搬运车，最早运用于上个世纪五十年代,具有自动化、智能化的特点，常用于智能牵引的搬运设备，是一种智能机器人系统；自动牵引车的工作过程是沿着预先制定的路径行驶，是现代物流工业自动化系统如计算机集成制造系统、自动输送系统、自动化仓储系统中的重要设备之一。

自动牵引车的重要特点的包括灵活性、智能化、自动化等，可以根据生产应用来重新设定系统，以达到生产实践过程中的柔性化运输控制。

自动牵引车与传统的人工、半人工的工业制造和工程实践方式相比较,自动牵引车系统减轻了人工劳动的强度,降低了工业生产危险,提高了工业生产效率,在各行业中均展现了非常重要的作用和地位。

为了加强自动牵引车在工业生产中更广泛的应用,本文中追溯了自动牵引车的发展历史,介绍了自动牵引车系统的工作原理和应用领域,讲解了自动牵引车的重要技术及最新研究成果，让自动牵引车系统在生产过程中得到更广泛的应用，实现自动牵引车的普遍化是一种趋势。

自动牵引车在工业生产实践中已得到越来越广泛的运用，因为自动牵引车的高智能化和自动化，让工业生产既节省了人工成本和生产成本，又提升了生产效率和生产周期。

自动牵引车在工业物流管理中有着极为突出的地位，本文研究自动牵引车的运动性能和运动系统结构，通过在工业生产实践中的运行和性能观察，分析自动牵引车的运动过程，并剖析自动牵引车的运动系统性能和运动结构，在理论分析中结合实际运行情况总结在正常工作环境下的运行情况，自动牵引车把电池作为动力来源,系统内含有智能化导向装置和自动化寻址系统的自动驾驶自动化搬运车辆,系统内的传感器具有感知环境变化和自身运行状态的功能，可以在有障碍物的复杂情况中到达目标的自主运行功能。

自动牵引车的具有按照工作自主编程，在特殊情况自主选择停车，能够自我保护自我控制选择的功能，并且在计算机控制下,按照预先设定指令自主智能行驶驶，自动在预先设定的牵引路径上行驶,到达要求的目的地点,完成一系列工作作业目的。

在当今发达的科技下，各种智能化产品不断应运而生，自动牵引车小车也在不断更新换代，取得越来越重要的作用，有些自动牵引车正向着智能机器人改装，在货物的搬运方面也取得了一定的成就，激光技术也用于自动导引车，制造业中业装配了全自动生产线，自动牵引车的创新技术正在不断发展壮大。

使柔性生产线变得更加智能化和自动化,自动化物流运输系统的开发及运用,不仅大幅度地提高了生产自动化制造程度，也大大提高了生产成本和生产效率[1]。

现在人们更加注重现代化生产制造观念,在保障效益的基础上对生产线制造运行、物流系统的柔性化要求变得越来越高。

在产品的更新换代、多种类型产品混合制造运行、增加产品产量、重新分解组合生产线等方面，极大的运用自动牵引车制造运输性能，它不仅体现现代化工业制造水平迅速发展的趋势,更主要是体现由自动牵引车本身所具有的完美高效性能。

本文中主要分析自动牵引车的运动系统结构，解析自动牵引车运动系统，建立自动牵引车运动系统的数学模型。

在运动学理论的支持下，对生产过程中的自动牵引车运行性能进行观察和理论分析，并在理论分析的基础上回归到现实对象中来，解析自动牵引车制造系统的系统结构和运行情况。

1.2自动牵引车的发展概况

世界上的第一台自动牵引车是UnitedStatesofAmerica巴雷特公司在上个世纪50年代研究成功的。

它是在一辆牵引式拖拉机基础上研发而成的,是在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物[2]。

从上个世纪五十年代末到六十年代初期,在工厂和仓库已经有各种类型的牵引式自动牵引车被运用于运输货物和产品。

在各国中大约有两万多台各种各样的自动牵引车运行在每个角落的仓库中。

海尔集团在十年前在工业制造中运用空间物流存储设备，使用接近10台自动牵引车小车组成了一个室内物流搬运设备，日工作量过两万的累积量出入库货物和零部件的搬运任务。

自动牵引车的前期作用主要是自动拖货车。

直到上个世纪70年代中期,负载自动牵引车（又称自动搬运车）的开发和运用使得自动牵引车产业第一次有了极大的发展。

负载自动牵引车在工厂中可以为物料处理方面提供多功能的服务，例如工厂里的工作站台、存储设备、传送设备、分类管理设备,以及控制系统和信息系统之间的连接等。

在现代制造业中已经有很多厂家的几百种负载自动牵引车系统运行于仓库、交通站、工厂、超市、作坊、医院以及其它各种领域[3]。

1.2.1国内的研究状况

我国的自动牵引车行业起步较晚，在许多技术领域远远落后于其它发达国家。

从上个世纪八十年代国防科技大学率先投入自动驾驶牵引车行业，并投入精力学习研究。

在无数学子花了近10年的努力下，于1989年国防科技大学开发出我国第一辆自动驾驶小车，这辆自动智能车尺寸很小，车身长1m、宽0.6m，重量大约175kg，该小车有3个轮子行驶，其中一个前轮负责导向作用，两个后轮用于驱动行驶。

这种小车虽然尺寸小，但是它带有自动行驶系统、自动转向系统、传感器系统、牵引系统及巡航控制系统等，让自主行驶变成现实。

1992年，国防科技大学再次对自动驾驶车的技术进行改进创新，成功改造出自动驾驶汽车，这是我国第一辆货真价实的自动驾驶汽车。

然而，这辆车的主控单元、自动控制系统以及行驶所需的各类传感器等设备并没有被安装在该车上，而是安装在另一辆车，这样这辆自动驾驶汽车既能通过驾驶员操纵行驶，又能够通过安装的自动控制系统自动行驶。

在2000年6月，国防科技大学研制出中国第4代自动驾驶汽车并试验成功，它的最高车速可达76km/h，是我国最快的自动驾驶小车速度[4]。

我国首辆城市自动驾驶汽车在上海研制并试验成功，它象征着城市交通的自动驾驶技术项目获得了阶段性的成功，此成果是由中国和国外发达国家的研究人员一起开发的。

自动驾驶是在五个功能的基础上来实现的。

视觉系统：

在自动驾驶车车身前部安装有俯视摄像头，通过俯视摄像头可以迅速准确的定位马路上的白线，让汽车在正确要求的路线上行驶。

听觉系统：

在自动驾驶车上的车身侧面装有声音传感器，它可以感应道路上的各种声音，并将声音传给小车系统。

嗅觉系统：

在自动驾驶车车身顶部装有激光雷达，它可以感应汽车百米以内的的路人、汽车和各种障碍物，让小车更好的行驶。

触觉系统：

在自动驾驶车底盘前部装有磁传感器，其功能是感应路上有磁性的物体，起到智能牵引的功能，因此为了智能牵引，必须在道路上安装带有磁性的物体。

运行系统：

运行系统是小车的核心，采用无线技术给小车传达指令，让小车做出该有的效果和目的，汽车的计算机控制系统来辅助其完成功能，它接受各个系统送达的信息进行汇总、分析、处理，让车辆智能的改变速度调整方向来避开障碍物等指令，利用GPS牵引系统，将目标位置提前设定好，自动驾驶车可以根据预定轨迹自动的到达目标位置，起到自动浆砌石的功能。

综上所述，目前国内对自动驾驶智能车的研究取得了阶段性的成果，要想取得重大的突破，达到真正意义上的自动驾驶车完成需要的功能，仍然需要我们进行更深层次的开发研究。

本文对自动驾驶小车的运动系统进行分析研究，运动系统是小车的核心系统之一，因此研究运动系统可以给智能小车的开发做出实质性的贡献。

1.2.2国外发展现状

欧洲发达国家从上个世纪七十年代着手进行自动驾驶车的研究,美国和西方发达国家都比较重视车辆的实际效益和运行状态。

其中，美国在自动牵引车领域取得了一些成就，美国在上个世纪八十年代在车辆智能行驶领域有些成果，并提出自主地面车辆计划（ALV），一些著名大学也分别开始研究自动牵引车。

美国在自动驾驶车的研究水平已经是世界前列。

自主地面车辆（ALV）计划，该自动牵引车有八个轮子，它的的行驶特点是自主缓慢行驶。

但由于科学技术不发达，在上个世纪末期各国的科学研究团队开始转移研究重点，开始着手研究民用汽车的智能驾驶功能，并且将问题简单化、人性化。

1999年，由美国名校卡耐基梅隆大学（CMU）研制的自动驾驶智能汽车Navlab-V，

以50-60km/h的速度来运行自动驾驶车辆[5]，行驶在全长5000km的美国州际高速公路上，以占全长高达96%的自主控制完成了横穿美国东西部的自动驾驶试验。

2007年，德国一家汉堡公司将先进的激光传感技术应用于一辆普通轿车，在车内装有激光摄像机、全球定位仪和智能计算机等先进的计算机技术，并将自动驾驶车取名“LUX”，这辆小车可以娴熟的运用这些技术，将自动驾驶的特点充分体现出来，可以在复杂的城市道路上行驶。

它的控制系统是由德国专业技术部门与德国Volkswagen公司联合研发而成的。

该车的主要研究目的是将人的视觉处理系统应用于车辆上，使小车可以在高速马路上安全行驶，科学家们应用了许多重要部件，有种车载控制单元起到重要作用，比如高清摄像机，它的作用是检测道路上的行驶线和障碍物，还有传感器，它的作用是检测车子行驶速度和行驶方向。

法国帕斯卡大学与雪铁龙公司联合研制的一种结构比较简单的智能牵引车Peugeot，这种小车将车身重点尽量减少，为了更好的控制车子运行速度和视觉系统，在车内装有摄像头和速度感性器，它的运行系统是一个DSP芯片，其运行系统是数字处理器来运算处理。

由于小车的运算处理能力强、适应能力突出，将小车进行实验室没必要做太大的改装。

1.3课题研究意义及目的

自动牵引车在各种物流系统中起到很重要的作用，它节省了人力成本和工作效益，提高了生产的智能化和自动化，对于实现生产的全自动化有着重要的意义。

本文主要介绍自动牵引车的整车和运动系统的系统结构和运行性能，在生产实际中观察并在不断地工作运行中发现,可以改变其运动方式观察自动牵引车是否有性能上的变化。

自动驾驶车辆控制技术是集车辆工程、计算机技术、自动控制理论、人工智能理论、视觉计算理论、体系结构理论、程序设计技术、机构控制技术、组合牵引技术、传感器技术、通信与信息融合技术、机械设计制造技术等多种理论及技术于一体的多学科、多行业综合技术,该技术不仅有潜力巨大的军用价值,而且也有着广阔的工业和民用市场。

它是一个国家计算机科学、模式识别和智能控制技术的发展水平体现,也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志。

自动牵引车的完全智能化一直是科学研究的的热点项目。

另外,当前的机器人技术发展也必将是工业的应用领域，跟它相关的技术也在自动牵引车小车中应用广泛。

在现代科学技术的发展中，电子化、信息化、网络化和智能化已成为车辆以后发展的动向。

自动牵引车是该发展动向的完美表现。

工业自动化小车（自动牵引车）越来越广泛的应用于工业生产实践中，由于它的高自动智能化，使工厂既节约了人工成本和生产成本，又提高了生产效率和生产周期。

1.4课题研究主要内容

小车在各行业中的应用越来越广泛，对其性能研宄是希望在高性能下能够发挥作用。

在工业生产自动化的时代下，其智能化、柔性化、信息化等的优点，有代替人工物流的趋势，它的发展也会越来越完善本文研究激光引导后叉式运输小车，采用国际先进激光引导技术和计算机控制技术，小车的伸叉能够伸到落地的欧式托盘下面去存取托盘，具有自动化程度高、体积小、行驶灵活等特点，是一种将光、电、机、计算机、信息工程等高新技术集于一体的自动化搬运车辆。

本文在理解整车运行的情况下，对其运动系统进行了改进，并且对其部件进行分析，再跟其他的小车进行对比分析研究。

自动牵引车与传统的人工、半人工的工业制造和工程实践方式相比较,自动牵引车系统减轻了人工劳动的强度,降低了工业生产危险,提高了工业生产效率,在各行业中均展现了非常重要的作用和地位。

在文献资料中对比自动牵引车小车的整车工作性能和运动系统的工作过程，并且对小车以及它的运动系统的工作原理进行分析，将小车的整车工作方式进行比对，来找出它的优缺点，跟人工、有人车进行比对，分析它在实践中应用的趋势，为今后的研究做出理论上的基础。

在不断地工作运行中发现，可以改变运动方式观察是否有性能上的变化。

第二章差速运动自动牵引车的硬件设计

2.1差速运动自动牵引车的设计要求

（1）本设计的差速运动自动牵引车主要用于物流园区的货物的运输、搬运装卸、仓储、流通等。

（2）分别设计车体框架结构的主框架和副框架两部分，并对升降牵引装置和驱动单元结构进行设计计算。

（3）对差速运动控制的实现进行详细设计。

2.2差速运动自动牵引车的设计概述

本设计中自动牵引车由车体框架、蓄电池、充电系统、运动定位装置、通信装置、升降牵引装置和运动控制系统等组成。

本设计中的自动牵引车，车体框架由主框架和副框架两部分构成，车体主框架从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，其外壳为5mm的钢板焊接而成，副框架由四个万向轮，两个驱动轮组成，它是自动牵引车的基础部分。

车体框架中间安装与运动控制直接有关的部件——PLC控制单元，牵引车前面板上安装有启动按钮、4.3寸触摸屏，报警灯，急停开关，通断开关等，车体的前部还安装有防撞触边和障碍物传感器。

根据以上所述，并能满足物流园区货物运输、仓储流通的实际任务需要，自动牵引车整体尺寸设计为L1235×W520×H327（mm）（长×宽×高）。

除车体框架以外的其他系统的安装也直接影响着小车的使用功能和运行情况。

差速运动自动牵引车的三维设计图如下：

2.3差速运动自动牵引车的设计参数

牵引方式：

潜伏牵引式

导引方式：

磁导航

行走方向：

前进行走

驱动方式：

双电机驱动

前进速度：

最大速度60m/min

负载能力：

500KG

最小转弯半径：

700mm

直线导引精度：

±10mm

停止精度：

±10mm

驱动电机型号：

DC无刷电机功率200W

控制方式：

PLC控制

蓄电池：

DC24V，75AH（2组）

2.4自动牵引车车体框架的设计

车体框架是装配自动牵引车其他零部件的主要支撑装置，是自动牵引车的主要部件之一，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。

副框架则安装四个万向轮、各种传感器和驱动单元，主框架和副框架用可拆卸联接，便于安装和拆卸，车架设计及工艺的合理性直接影响自动牵引车的定位精度，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） 尽量降低车体重心，提高整车的抗倾翻能力．

    （3） 车体的外廓不应有突出部分，以防止碰撞其他物体．

2.4.1主框架的设计

本设计中车体主框架由车体、电箱固定板、驱动单元固定板、电池仓、后脚轮安装板、前脚轮安装板、防撞触边安装板、前焊接板、后焊接板等部件组成。

所有这些部件都利用“卡扣”的方式拼装到一起，最后将这些部件统一固定到焊接夹具上后，焊接成型。

这里我们制作主框架的材料均为5mm厚度的钢板，保证了车体主框架的强度和刚度。

车体的中央圆孔用于固定升降牵引装置，电箱固定板上的圆孔安装艾智威AWS-24AF喇叭，侧边用于放置整个自动牵引车的电箱，位于主框架中下部的驱动单元固定板是用于固定牵引车的驱动单元的，电池仓安装两个DC24V，75AH蓄电池，后脚轮安装板安装两个3寸万向轮，防撞触边安装板安装防撞触边，而前焊接板上主要装有控制面板模块等，两块前脚轮安装板上分别装有两个3寸万向轮。

图主框架尺寸外形图

2.4.2副框架的设计

车体副框架主要包括驱动单元，四个万向轮、蓄电池和障碍物传感器。

（1）万向轮的设计选型

万向轮选用3寸聚氨酯脚轮，一共四个，分别安装在两块前脚轮安装板和后脚轮安装板上。

万向轮参数：

材质：

轮面聚氨脂

轮子直径：

75MM

轮宽：

38MM

安装高度：

111MM

底板尺寸：

101*82MM   

板厚：

5MM厚度

中心孔距：

76*56MM

安装孔径：

最大可穿M10螺丝

（2）蓄电池的设计选型

蓄电池选用DC24V75AH霍克电池，蓄电池外形尺寸为L329×W172×H221（mm）（长×宽×高），两个蓄电池通过蓄电池托盘固定到车体主框架上的电池仓内。

（3）障碍物传感器的设计选型

障碍物传感器选用PBS传感器，型号PBS-03JN-CE，调整障碍物传感器的检测区域范围时，使用专用软件从计算机输入数据。

障碍物传感器参数如下表：

供电电压

24VDC（18-30VDC）

供电电流

<250mA（<100mA,照明关闭），除I/O端子电流和冲流（500mA）

激光光源

红外线LED

监测对象和范围

300×300mm白纸（与传感器发射表面平行）；

0.2to3m×2m（原点是扫描中心位置），扫描角度180°

2种扫描模式

每个区域可单独设置输出

输出

光电耦合/NPN开集电极输出（30VDC<50mA）；1,2,3：

OFF=探测到物体；故障输出：

ON=正常工作

输入（1-4）

光电耦合输入（共阳极，每个输入电流>4mA），可用于设置监测区域

监测区域设置

监测区域转换：

：

通过[输入1,2,3,4]来设定区域；

发射停止：

[输入1,2,3,4]同时为ON；

输出响应时间

<180msec（扫描速度1rev./100msec）；

输入响应时间

周期：

1个扫描时间（100msec）

指示灯

电源（绿）：

故障时闪烁；输出1,2,3（黄）：

灯亮表示监测到物体

连接线长

1m

环境照明

卤素/汞灯：

<10,000lx,日光灯：

<6,000lx

环境温湿度

-10to+50degreesC,<85%RH（无凝露）

振动

双振幅1.5mm10to55Hz,每轴2个小时

冲击

490m/s2,10次,X,Y,Z方向

防护等级

IP64（IEC标准）

寿命

5years（电动机寿命）

材料

前面：

Polycarbonate,后面：

ABS

重量

约500g

（4）驱动单元的设计

本设计中的驱动单元由驱动单元外壳、直线轴承、锁紧螺母、悬挂立轴、缓冲弹簧、车架连接板、车架固定板、驱动轮轴、驱动轮挡片、驱动轮、直流无刷电机、车桥连接座盖板、车桥连接座、磁导航传感器、磁导航传感器固定板等部件组成。

其中，驱动单元外壳为中空的长方形框体，两个直流无刷电机并排固定在外壳的长边内侧，车桥连接座与两个直流无刷电机的侧面固定，车桥连接座顶端与车桥连接座盖板固定，直线轴承与车桥连接座固定且固定位置与悬挂立轴与车桥连接座的固定位置对应；

驱动单元的减震系统包括：

锁紧螺母、悬挂立轴、车架连接板、车架固定板、直线轴承和缓冲弹簧；其中，悬挂立轴位于直线轴承的中孔中，悬挂立轴的顶部和底部分别与锁紧螺母和车桥连接座固定；悬挂立轴和车桥连接座的底端设置有与下插销配合的插销孔；而缓冲弹簧则被用锁紧螺母压缩安装于车架固定板和车架连接板之间，实现整个驱动单元的减震功能。

在本设计中，这种驱动单元的结构高度低，且减震采用减震弹簧设计，其具有水平减震的作用，具有减震效果好的优点。

2.5升降牵引装置的设计

自动牵引车按照货物的输送方式可分为潜伏式、背负式等。

潜伏式自动牵引车需要运动到料车下方，通过升降牵引装置将自动牵引车与料车连接到一起，从而将自身的运动传递给料车，带动料车一起运动。

潜伏式自动牵引车本身不能运送货物，需要通过移动装有货物的料车来实现运送货物的功能。

升降牵引装置位于自动牵引车车体中间顶部。

升降牵引装置为一个可升降的金属杆，当升降杆升起时，升降杆可以进入料车上的挂钩头，从而将自动牵引车和料车连接在一起，自动牵引车可以拖动料车运行。

当升降杆降下时，升降杆离开料车上的挂钩头