自动导引小车自动搬运毕设说明书.docx

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自动导引小车自动搬运毕设说明书

1引言

1.1自动导引小车的发展、现状和前景

在市场竞争日趋激烈的今天，如何提高生产自动化水平，实现更高的生产效率是困惑众多企业的难题，尤其在我国现阶段不断进行经济结构调整，提升经济竞争力的背景下，问题显得尤其突出。

在中国这个公认的“世界制造业基地”，任何企业都离开自动化，可以说：

自动化水平对于具有一定规模的制造业企业是生死攸关的。

本文的工作就是设计一辆自动引导小车，主要完成自动循迹、货物的装载、自动运输、卸货和蔽障等任务。

本章首先介绍了相关的基本概念及课题研究意义、设计背景和作者的设计构思，最后给出了本文的工作内容及论文结构。

1.1.1自动导引小车的概念

自动导引小车（AutomaticGuidedVehicles）简称AGV，是指装备有自动导引装置，不需要人工引航就能沿预定的路线行驶，并且配置有物料装卸机构，可以与其它物流设备自动接口，实现物料装卸和搬运全过程自动化的物料输送设备，是融合了电子技术和机械技术的典型机电一体化产品。

而实际上，仅仅将自动导引小车（以下简称AGV）当成普通的物料搬运设备显然是片面的，AGV有其特定的功能，在很多行业领域都能发挥独特的作用。

在国外，随着企业生产自动化程度的不断提高，AGV作为柔性加工制造和装配系统以及自动化物流系统的重要设备之一，得到了越来越广泛的应用。

1.1.2自动导引小车的发展历史

AGV最早出现在1913年，当时美国福特汽车公司首先将有轨引导的AGV代替输送机用到底盘装配上。

由于缺少自动导航功能，所以那时出现的并不是我们现在意义上的AGV。

直到20世纪50年代开始，世界上第一台AGV在美国BarrettElectric公司研制成功，这台AGV采用了传统的埋线电磁感应方式作为路径导引方式。

到了60年代和70年代初，除BarrettElectric公司以外，Webb和Clark公司以及欧洲的Wagner和Schindler-Digitron在AGV市场也占有相当的份额。

在这个时期，由于欧洲AGV公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，从而促进了AGV技术的快速发展。

但是当时出现的AGV还处在实验阶段，并没有真正投入生产和使用。

直到20世纪70年代中期，具有卸货功能的AGV才开始在欧洲得到了广泛的应用，当时整个欧洲约装备了520套AGV系统，共有4800台自动导引小车，到1985年发展到了一万台左右。

而欧洲的AGV技术在80年代初被引入到美国，并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和更可靠的路径导引方式，使得AGV运输量更大，移载时间更短，导引更可靠。

我国AGV的研究及应用起步较晚。

20世纪70年代后期，首先由北京起重运输机械研究所研制出我国第一台电磁导引的AGV。

1989年北京邮政科学研究规划院完成了我国第一台无线通信导引的AGV，且已经进行小批量生产，目前已生产和正在制造的AGV达23台（截至1996年）。

沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂研制的6台用于汽车发动机装配用的AGV，可以说是中国自主研发AGV在实践应用中较成功的案例。

1.1.3现状

由于AGV造价昂贵，系统复杂，资料奇缺，造成国内对AGV的研究相对滞后。

现在国内使用的AGV绝大多数是从国外进口，但是由于缺乏对AGV的全面了解在操作和维护上面往往会碰到很多难以解决的问题。

目前，全国用在生产线上的AGV系统不超过60套，AGV不超过400（截止到2005年5月）。

而且主要集中在烟草、医疗等特定行业应用中，中小型企业目前还没有使用AGV的记录。

我国目前正在设计的全方位行走AGV是国家自然科学基金项目“面向管道检测的多微机器人技术”的子课题，主要用做核电站内管道检测机器人的运送载体。

1.1.4前景

随着全球经济的飞速发展，现代化生产观念日益受到重视，企业对生产线运行、物流系统的柔性要求也越来越高，而物流系统是现代化企业的重要组成部分。

从产品的整个加工过程来看，物料真正处于加工的时间非常短，仅占整个生产周期的5％~10％，大部分时间都用于物料存储、装载、运输和待加工状态。

因此，对于现代化企业，降低产品成本的主要途径之一就是要提高物流系统的性能、缩短非加工时间。

而作为物流系统的主要运输工具AGV以其高柔性、易于控制集成、高自动化、无公害的特点愈来愈受到人们的青睐。

近年来市场对AGV的需求量在急剧上升，应用领域也在不断的扩大，包括汽车工业、飞机制造业、家电行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等都是AGV的潜在用户。

随着嵌入式技术、控制技术及通信技术的不断发展完善和成熟，AGV在可靠性、灵活性、安全性和智能化水平上已经有了很大的提高。

因此研制出低价位的、高性能、大众化的AGV既是国内市场的需要，也是整个AGV领域孜孜不倦追求的目标。

1）本次设计的目的：

由于一台AGV相当于两台甚至四五台叉车的价格，所以价格昂贵是国内企业对AGV望而却步的一个主要原因。

更重要的是，企业对AGV的要求往往得不到很好的满足。

这是因为不同的企业其生产条件和生产环境大相径庭，因此他们对AGV的要求也不一而足。

此外，由于开发成本及其昂贵，所以AGV制造商也难以满足所有企业的需求。

虽然AGV造价昂贵，但是其特点也是非常显著的。

作为一种无人操纵的自动化运输设备，AGV具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害等许多优点，已经广泛地运用在汽车制造、机械加工、烟草业自动仓库等许多领域。

AGV已经成为现代企业提高生产效率，降低生产成本的有力工具。

但是由于其高昂的造价和复杂的制造工艺令许多中小企业望而却步，使得其在国内一直无法得到普及和推广。

因此设计一种低价位又满足以上特点，且适合中小型企业需求的AGV就显得非常迫切。

2）本设计可以达到以下目的：

综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业技术，设计轻型自动导引小车。

该题目是实际应用题目，通过毕业设计过程使学生得到较全面的基本工程训练。

a）了解当前自动导引小车的应用情况及其发展方向；

b）综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业技术，完成自动导引小车的系统设计；

c）通过设计提高工程能力，为适应社会对设计人才的需求打下良好基础。

2总体方案设计

2.1本次毕业设计的内容

设计的一套自导引小车，用于立体仓库中物料的运输，属于自动搬运车。

技术要求：

1）小车所走路线为矩形，长2米，宽1米。

2）小车模型载重量20公斤，

3）要能防碰撞和报警。

2.2国内常见的几款AGV特点及其设计方案的分析

在设计前期我们对目前国内市场上常见的几款AGV进行了调研，对它们的性能、特点和设计方案作了详细的分析和比较。

这些AGV按照其自动行驶过程中的导引方式，主要分为以下三款：

电磁感应引导式AGV，激光引导式AGV，视觉引导式AGV，现对这三款AGV的设计思路和方案及特性进行简要的介绍。

2.2.1电磁感应引导式AGV

电磁感应式引导是最早成功应用于无轨AGV的导引方法，也是目前无轨AGV主要采用的导引方式。

该方式需要在预先设定的行驶路径上埋设专门的电缆线，当高频电流流经导线时，导线周围产生电磁场，此时安装在AGV车体两端的电磁传感器通过电磁感应原理产生感应信号。

由于根据传感器偏离轨迹的远近程度可产生强度不同的电磁信号，因此系统可以通过采样传感器的电磁信号，从而软件调节驱动机构，实现引导。

该方法可靠性高，经济实用，主要问题是：

AGV的行驶路径改变非常困难，而且埋线对地面要求较高，一旦电缆出现问题，维护非常困难。

同时，该方式实现的成本也很高。

2.2.2激光引导式AGV

这种方法是在AGV上安装有可旋转的激光扫描器，在运行路径沿途的特定位置处安装高反光性的反射镜面，AGV在运行途中，不断用激光扫描器发射的激光束照射这些镜面，利用入射光束与反射光束提供的夹角信息、入射光束与反射光束的时间差信息等，根据数学模型计算出AGV当前的位置以及运动的方向，通过和内置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现导引。

这种导引方式的特点是当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV导引与定位精度十分高，且提供了任意路径行走和规划的可能性。

但是该方式成本昂贵，传感器电路、反射装置的安装都十分复杂，且算法也很复杂。

2.2.3视觉引导式AGV

视觉引导方式是一种正在快速发展和成熟的AGV导引方式，这种方法在AGV上装备CCD摄像机和传感器，在AGV运行线路上建立色标，在主控芯片中存储有AGV欲行驶路径周围环境的图像数据库。

在AGV行驶过程中，摄像机动态的获取车辆周围环境图像信息，利用图像处理技术进行特征识别，并与图像数据库进行比较，从而确当前位置，并对下一步行驶做出决策。

这种AGV由于不要求人为设置任何物理路径，因此具有最佳的引导柔性，适应性非常强。

但是该方法对照明和色标清洁度有一定要求，而且这类AGV造价非常昂贵，同时由于CCD传感器开发非常困难，算法复杂度高，一般的8位，16位MCS都无法进行开发。

由此可见，目前市场上存在的几款AGV虽然各有特点，但是由于他们造价高昂、维护困难、柔性较低、工艺复杂，导致它们不能在国内企业中得到广泛的应用。

2.3总体方案的分析与确定

本设计的整个AGV系统由三部分组成，即硬件部分，机械部分，控制部分。

2.3.1AGV的硬件部分

硬件部分主要由主控模块，磁性模块，防碰撞模块，电机驱动模块等部分组成。

硬件部分的每个模块都和机械部件有紧密的联系，它们必须结合机械部件进行设计和调试。

以下简要介绍硬件部分各个模块的功能。

（1）主控模块

主控板主要是由8位的8031单片机构成的最小系统。

该芯片具有功耗低，功能多，体积小等优势，主要用于汽车电子，工业控制等领域，比较适合开发带有电机驱动的嵌入式系统开发。

主控板上还留出和其它功能模块的接口，便于系统的改进。

（2）磁性模块

磁性模块主要完成小车的循迹，该模块主要由一对磁性传感器组成。

磁场强度距离磁源越远，强度越弱，利用这一特点，在地面上连续铺设一条金属磁带,在AGV的底部左右对称安装有2个磁性传感器,检测磁带的磁场,通过磁场偏差测定，磁性传感器根据接收到的信号强度的不同，产生不同的输出电压；主控芯片采样该电压值，从而调节小车左右电机的速度差，使小车能够沿着轨迹行驶。

（3）防碰撞模块

为了确保运行环境中人和物品的安全,在AGV车身上设置障碍物接触式安全装置,如缓冲器。

接触式安全装置设置在AGV车身运行方向的前后方,其材质具有弹性和柔软性,这样即使产生碰撞事故,也不会对与之碰撞的人或物及其自身造成大的伤害,故障解除后,能自动恢复其功能。

本模块主要由8个安装在小车四面的橡胶垫组成，用于减轻小车撞击后受到的冲击力。

（4）电机驱动模块

电机驱动模块主要是用来驱动两个定向轮上的步进电机，电机的驱动由8031单片机发射脉冲和功率放大电路完成，用于驱动电机和控制电机的转速。

2.3.2AGV的机械部分

AGV的机械部分主要由车架，载物台，驱动部件三大部分组成。

其中驱动部件是机械部分的核心部分，它主要完成小车的行走，导向等任务。

本设计中的小车使用的是四轮二驱，即后面两个为步进电机驱动的定向轮，前面两个万向轮。

两个电机受到控制器的控制,使小车能够实现左右转弯、前进和倒退等运动。

载物台是由一块矩形钢板组成。

在进行小车的机械设计时需要在小车上面预留一些位置用来放置磁性模块，主控板和蓄电池等设备。

驱动装置由车轮、减速器、电机及调速器等组成,是一个伺服驱动的速度控制系统,驱动系统由计算机控制,可驱动AGV运行并具有速度控制能力。

2.3.3控制系统

AGV的控制系统主要包括对主控芯片8031的监控和烧写程序，以及各个功能模块通用子程序的编程。

来控制AGV的运行。

（1）监控程序与编写程序

软件设计前期需要首先完成对主控芯片8031监控和下载程序的编写。

监控程序主要完成对芯片的初始化，以及用户程序的下载。

而PC端的下载程序主要负责和主控芯片进行握手，并且将用户程序下载到芯片中。

（2）功能模块程序

功能模块的编程主要包括对磁性、电机驱动等模块的编程。

在软件设计初期每个功能模块的程序都是单独编写，而且需要和相关机械部件相结合进行调试。

在后期，所有功能模块程序需要结合机械部分和硬件部分进行整体调试。

程序经过编译后，通过串口通信方式下载到主控板上的主控芯片中。

（3）通用子程序

通用子程序的编程主要包括A/D、串行通信、延时、定时器溢出中断等子程序的编程。

通用子程序是整个系统中一些经常要用到的功能性子程序，它们的功能相对独立，而且有明确的入口和出口参数。

在软件开发过程中只需要关心这些子程序的入口和出口参数，而并不需要关心其内部实现过程，这样大大提高了编程效率。

3硬件选择

本设计拟采用单片机控制。

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器或嵌埋式控制器。

它是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。

片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

3.1硬件选型原则

在嵌入式产品设计中，硬件选型的合理性、可行性以及可靠性将直接影响着产品开发周期，同时也决定了产品的性能，还可能会影响到产品成形后的生产。

因而硬件选型是嵌入式产品设计的一个重要环节。

在硬件选型时应该综合考虑产品的应用领域，成本问题，开发的难易程度问题，元件购买途径问题，用户需求问题等等。

而硬件选型主要是主控芯片的选型，选择一种功能强大但又不浪费资源的主控芯片是十分重要的。

以下将以主控芯片选型为例从技术角度来阐述一下对硬件选型时所需要综合考虑的几个因素：

（1）是否有合理的RAM和Flash大小；

（2）是否有足够的I/O引脚数目；

（3）内部是否包含所需的功能模块；

（4）芯片的封装形式是否适合设计的需要；

（5）与芯片相关的写入器，编译器和集成开发环境是否具有可开发性，或者是否能从第三方得到；

（6）是否能够购买到，或者能够申请到样片；

（7）语言体系与熟悉程度。

目前市场上单片机的生产厂家有近百家，芯片种类更是多达上千种，价格也从几块到几百块不等，因此可供选择的余地非常大。

但是在嵌入式设计过程中，很多厂家的芯片都是可以互相替代的，而且从用户角度考虑，它们只关心产品是否满足他们的要求，而并不关心选用那款具体的芯片，因此在开发过程中应该尽量选择自己熟悉的单片机进行开发，这样会缩短开发周期。

在选型时，应尽量避免芯片资源的浪费造成产品成本增加，所以RAM和Flash大小以及I/O引脚数目应该能足够满足设计的需要，同时芯片内部功能模块也应该尽量包含设计时的大部分需要。

芯片的封装形式主要是出于对设计的前期试验和产品的后期生产的考虑。

通常我们采用的封装形式有双列直插和贴片形式，其中双列直插封装体积相对庞大，但是其易于插拔，在试验时较方便；而贴片封装虽然焊接麻烦，但是其体积小，节约空间，因此比较适合产品体积较小的设计。

在芯片选型过程中必须要考虑与之紧密相关的写入器，编译器和集成开发环境的问题，通常一个通用写入器少则几千，多则几万，对于开发低成本试验性项目明显不适合，所以就需要自主开发，降低成本。

而且同一类芯片往往其写入器开发流程相似，所以易于移植，这样也为将来同类芯片开发项目奠定了基础。

确定芯片型号以后，就需要考虑芯片的购买和申请。

在作者以往的学习过程中，一直使用的是Inter半导体公司的MCS-51系列的单片机，但是在对本设计需求分析后，发现16位单片机不适合用户需求，主要表现在以下几点：

（1）本设计中使用到的I/O引脚数目不多于30个，而一般16位单片机其I/O引脚数目往往多达50个，如选用将会造成大量引脚闲置；

（2）本设计中芯片片内Flash的要求为不超过20K，而一般16位单片机的片内Flash容量往往都很大，这样易造成资源的浪费；

（3）16位单片机中有很多功能模块在本设计中是用不到的。

针对以上出现的问题，在设计中选用了Inter半导体公司MCS-51系列中资源较丰富的8031作为本设计的主控芯片。

该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块全部符合设计要求。

而且本设计中所需驱动的电机有两个，且为脉冲驱动的步进电机，而该芯片正能发射脉冲，因此选用这款芯片还是比较合适的。

在硬件选型时应该综合考虑产品的应用领域，成本问题，开发的难易程度问题，元件购买途径问题，用户需求问题等等。

3.2主控模块

综合示意图如下图3-1。

电路图见附图2。

3.2.1主控芯片

对本设计需求分析后，对主控芯片，选择了所熟悉的MCS-51系列单片机的8031。

8031单片机具有一个8位的CPU，1个128字节的RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O端口，1个全双工异步串行端口，2个16位定时器/计数器，5个具有优先级别的中断源。

在8031外接一片程序存储器后，就构成了一个有完整功能的微机应用电路。

在软件方面，当8031的晶振频率为12MHz时，指令周期为1μs,绝大多数指令执行时间为1～2μs,最长4μs。

大部分指令为1字节或2字节，最长3字节。

此外，8031所具有的乘除法指令、多种形式的位操作类指令和逻辑运算类指令也是独具特色的。

3.2.2辅助芯片

1）综合功能芯片8155

而由于要控制两个步进电机和两个磁性传感器，8031单片机本身接口不够用，因此要扩展一片具有综合功能的芯片8155。

8155片内具有56个字节的静态RAM，2个八位和1个6位的可编程并行接口，1个14位的有多种工作方式的减法计数器，以及一个地址锁存器。

8031单片机外接一片8155后就综合的扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。

8155用来外接两个步进电机。

2）锁存器74LS373

74LS373为8D透明锁存器，其主要特点在于，控制端G为高电平时，输出Q0～Q7复现输入D0～D7的状态，G为下跳沿时，D0～D7的状态被锁存在Q0～Q7上。

利用这一特点，再把ALE与G相连后，ALE的下跳沿正好把P0端口上此时出现的低8位指令地址A7～A0锁存在74LS373的输出端上从而给出从2732取指令码的低8位地址。

指令码的高8位地址A8～A11则直接由P2.0～P2.3提供。

3）程序存储器2732

因8031单片机内无程序存储器，使用时必须首先扩展，只有这样才能构成最小微机系统。

因此扩展芯片选用4K字节的EPROM2732。

4）数据存储器6116

8031单片机内只有128字节的数据RAM，当应用中需要更多的RAM时，只能在片外扩展。

在此扩展芯片选用2K字节静态RAM6116的电路。

图3-1主控芯片示意图

3.3磁性模块

磁性模块由2个霍尔磁性传感器A1301和1个模数转换器ADC0809组成。

3.3.1磁性传感器A1301

A1301是一种连续时间现行霍尔效应传感器。

他长生一个与所施加的磁场强度成比例的精确输出电压，静态时，A1301输出电压为电源电压的一半。

A1301的灵敏度为2.5mV/Gs。

A1301的集成电路内部分别包含有霍尔采样器件、线性放大器和一个CMOS的A类输出级。

由于在一个单片电路内集成了霍尔采样器件和放大器，因此解决了与低压模拟信号有关的各种问题，同时在生产厂家的生产线末端对内部增益和偏置的调整，使其获得了高精度的输出级。

A1301的这些优点使得它在全温度范围内（-40～+125℃）、在工业领域中用于位置采样系统是非常理想的。

其主要特点：

1，噪音输出低；2，加电快速；3，具有成比例的轨对轨输出；4，电源电压：

4.5～6.0V；5，具有高可靠性；6，具有可靠的ESD性能。

引脚图如下图3-2。

图3-2A1301引脚图

3.3.2模数转换器0809

ADC0809是一种8路模拟输入8位数字输出的逐次逼近式A/D转换器件，转换时间约为100μs。

多路开关为8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。

8位模拟开关的切换由地址锁存器和译码控制，3根地址线A、B、C通过ALE锁存。

改变不同的地址，可以切换8路模拟通道，选择不同的模拟量输入。

本课题使用了两个磁性传感器，为两路输入。

直接接在8031上。

3.4防碰撞模块

本模块主要由8个安装在小车四面的材质有弹性和柔软性橡胶垫组成，用于减轻小车撞击后受到的冲击力。

3.5电机驱动模块

本模块主要由两个BF系列的磁阻式步进电动机90BF006与其驱动电路组成，连接在8155上。

3.5.1步进电动机

步进电动机又称脉冲电动机，是一种将脉冲信号转换成直线和角位移的执行元件。

BF系列磁阻式电动机也称反应式电动机，由于有结构简单、性能可靠、同步运行特性好、分辨率高、定位精度高、价格适中等优点，故广泛用于开环数控系统做执行元件和驱动元件。

步进电机的选择见下章。

3.5.2驱动电路

本设计中，步进电机的驱动电路采用高低压切换型驱动电路。

在这种电路中，采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。

高低压驱动电路的优点是：

功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。

缺点是：

大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。

步进电机的驱动原理如图3-3所示。

4机械结构设计

4.1轮系结构设计

AGV的轮系结构是整个机械部分的核心，也是整个AGV非常关键的部分。

轮系结构设计的合理性不但会影响小车的循迹精度，而且还决定了小车的最小转弯半径、最大运行速度等重要指标。

因此在小车轮系结构设计之前，我们对目前市场上常见的几款同类小车的轮系结构进行了分析和比较，取长补短，设计出一款适合本系统的轮系结构。

轮系结构一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成，目前市场上常见的同类AGV的轮系结构按照不同的性能要求主要有三种：

三轮结构、四轮结构和六轮结构等，其中三轮结构一般采用前轮转向和驱动，而四轮和六轮一般采用双轮驱动、差速转向或

独立转向方式。

1）三轮结构

三轮结构常采用前轮驱动与转向轮合成为一个组合轮、后轮为两个支撑定向轮的方式，其机械结构视觉图如图4-1所示。

图中小车后端的两个即为同轴定向的从动轮，前端主动轮为可以转180度的万向轮。

主动轮上需装备两个电机，一个是用于控制方向的，一般使用精度较高的步进电机；另一个用于驱动小车，一般使用直流减速电机。

图4-1三轮结构机械视觉图

三轮结构是一款非常灵活的轮系结构，载荷行走为拖动型，常用于路面比较差的环境。

它的机械构造和控制非常简单，成本低，但是它的缺点也较为明显：

首先由于两个从动轮无法定向，一般将导向传感器装在车体后边，因此三轮结构主要用于前进方向行走；其次这种轮系结构是3个轮子支撑车体，所以载重时应把货物放在车体中心或后轮附件的位置，这样才能更好的保证车体平衡性；尤为值得注意的是在行走过程时，当车体运动过快时，在转弯时由于离心力的作用，很容易使重心移向转向轮的两侧，而使车体发生侧翻，因此这种结构更适合于低速的场合。

2）四轮结构

四轮结构是目前最为常见的一种AGV轮系结构之一，它一般采用转向轮为主动轮式和转向轮为从动轮，定向轮为主动轮式两种方式。

（1）转向轮为从动轮，定向轮为驱动轮式

这种方式是目前最常见的一种四轮结构，其机械结构视觉图如图4-2所示。

这种车型结构同普通汽车一样，前面两个万向轮为转向轮，使用步进电机来精确控制转向角度，可以用连杆或同步带来做转向传动；后端两个定向轮为驱动轮，可以用一个电机通过安装差速器驱动两个轮子，也可以用两个电机分别驱动，这样可以避免