国际青年创新大赛参赛作品-AGV自动导向物流车项目(叶成富) - 201312

1、项目报告书项目名称：AGV自动导向物流车参数人员：叶城富 2013年年国际青年创新大赛参赛作品国际青年创新大赛参赛作品 日 期：2013.12 1/28关于“我” 我叫叶成富，男，今年28岁。2003年6月毕业于江苏淮安信息职业技术学院电子信息工程系，就职于世界电子行业龙头-三星在中国-新加坡合作苏州工业园区的三星电子（苏州）半导体有限公司，担任设备技术高级工程师一职。 工作期间凭借我对于专业技术的孜孜追求、勇于创新，多次代表公司赴韩国三星总部、香港、上海等国内外各地考察交流，曾多次担当重大革新项目、改善事例的推进，为公司的发展做出了突出的贡献，并屡获表彰。2012年9月被公司选拔作为优秀重点

2、培养人才，参加了开创国内校企合作办学典范的三星-苏州工业园区职业技术学院合办的首届三星工科大学（SIST），并将进行为期3年的全脱产、系统化、国际化的深造学习。2012年11月，苏州工业园区政府下属的培训管理中心出资设立了以我的名字命名的“叶成富大师工作室”，专门用于鼓励扶持我的创新项目。2013年9月、10月我代表苏州工业园区分别参加了园区高技能人才竞赛和“姑苏杯”技能状元大赛的选拔，得到了大赛评审老师的高度评价和一致认可。我的口号：我要飞得更高！2/28关于“项目” 2013年初开始我利用自身所学和刻苦钻研，历时5个月独立自主地完成了AGV自动导向物流车的研发、制作，以单片机作为控制单元的

3、核心，替代传统的PLC可编程逻辑控制器实现了对AGV自动导向物流车的可靠控制和稳定运行，大幅度降低了AGV的制造成本，同时通过自动机械手臂的开发，极大地拓展了AGV传统意义上的单纯的运输功能，为我公司自动化物流运输线的构筑提供了强有力的支持，并在可给予其他公司的生产线原辅材料搬运或中小型物流仓储单位的货物移转等借鉴方面，无疑具有极大的现实意义和广阔的市场前景。下面将围绕该项目，展开进行详细论述。此次恰逢贵组委会举办“国际青年创新大赛”，我本着学习的态度提交我的项目，敬请各位评审老师批评指正，希望能够得到各位评审老师的认可！如果我的项目能够获得晋级的机会，我想这对于该项目在社会上的推广应用将会起

4、到巨大的推动作用，能够让更多的公司、中小型物流仓储单位体验到高性价比的AGV物流车的便捷性。一个对于技术创新怀抱着无比热忱的青年期待您的宝贵支持，谢谢！3/28目录AGV概要AGV总体设计方案硬件设计软件设计项目调试硬件实物图项目总结4/281AGV概要1234567 AGV即Automated Guided Vehicle自动导引物流车，配有装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶。 AGV的特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。AGV小车一般配有装卸机构，可与其它

5、物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点。什么是AGV？5/281AGV概要AGV的优点1234567V.SAGV搬运人力搬运 AGV与传统人力搬运相比： 永不疲惫 永不犯错 不要工资 工作环境不挑剔使命必达！6/2811234567AGV概要适合使用的场所 以我公司为例，作为半导体集成电路封装测试的工厂，生产线的特点就是产品种类繁、批次多、工序多的特点，同时应客户的要求必须要TAT短，即物流一定要快速。以Front工程为例，如图所示，主要包括L/M、B/L、Sawing、Die Attach、Wire

6、 Bond等工序，前道工序生产的材料通常以料盒Magazine或Cassette（如图所示）为单位快速流到下一道工序，而下一道工序生产完工后的空Magazine或Cassette需要快速返回前道工序。另外，我公司在推进人力高度化，搬运人力大幅度减少，因此穿梭于各个工序、各条生产线的AGV小车的作用便凸显了出来。工序图Cassette7/282AGV总体设计方案1234567在AGV小车的工作工程中如何实现智能循迹是其核心，也是我在开发的过程中重点攻关的难点。传统的AGV使用的是PLC控制系统，而PLC成本较高，经过论证发现单片机完全可以满足其控制要求，成本仅是PLC的几十分之一，因此我选用了S

7、TC89C51单片机（89C51最小电路如图所示），本论文也将主要围绕基于单片机的AGV小车的智能循迹的控制过程展开论述，智能循迹是指基于自动引导系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线，它运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的技术。89C51最小系统89C51芯片管脚图8/282AGV总体设计方案1234567系统总设计图9/282AGV总体设计方案1234567单片机原理图10/282设计思路1234567AGV总体设计方案AGV小车由车体、蓄电池、驱动装置、转向装置、控制系统等组成。车体由车架和相应的机械电气

8、部件如电机、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，采用钢构件焊接而成，其外壳为铝合金板，车架空间安装蓄电池部件，车体的前后部分还安装超声波传感器；AGV采用24V直流蓄电池为动力；驱动装置由车轮、电动机及速度控制器等部分组成；AGV驱动命令由单片机机发出；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。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。 基本控制思路:红外传感器取得

9、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。逻辑图如图所示。据此确定AGV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。需要部件如表所列。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系统逻辑图11/283红外传感循迹硬件设计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，在黑暗的地面上用白色色带。导

10、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）。导向原理如图所示。红外寻迹方案选择利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用六组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可

11、见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。接收的红外信号转换为电压信号经LM339进行比较，产生高电平或低电平返回给51单片机。当小车底部的某边红外线收发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043W封装的反射红外传感器。在

12、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。导向原理图123456712/283超声波传感器避障硬件设计避障系统框架图超声波测距是通过不断检测超声波发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,然后根据超声波声速求出距离。由于超声波也是一种声波，其声速与温度有关。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，其系统框图如图所示。规格参数超声波传感器谐振频率：40KHz 模组传感器工

13、作电压：4.5V9V 模组接口电压：4.5V5.5V 尺寸：6.48cm*4.07cm 123456713/283机械结构和驱动转向系统硬件设计车体框架是装配AGV其他零部件的主要支撑装置，AGV整体尺寸设计为0.80.60.6 m(长宽高)。AGV驱动的方式采用两台电机各置于左、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向，前进或停止，即差速型。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 转向制导系统安装示意图右前轮左前轮号灰度传感器黑色引导带AGV的驱动系统主要由驱动电源、电动机组成。出于直流电机本身具有控制系

14、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，因此采用直流电机作为驱动系统的动力源。初步选择电机的种类为直流伺服电机，型号为ZD6560，相关的参数如表所示。123456714/283电源部分和控制系统硬件设计小车电源的选用对比了镍镉蓄电池，镍氢蓄电池、锂电池和铅酸蓄电池的优缺点，我选择了用2块40Ah的铅酸蓄电池作为电源，输出电压为12V。控制系统所需的5伏稳定电压由小车电池经7805、扩流三极管TIP32C三端集成稳压器稳压后提供。本AGV选用的驱动芯片为L293D, L293是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B, D，E等，

15、除L293E为20脚外，其它均为16引脚Vss电压最小4. 5V，最大可达36V; Vs电压最大值也是36V。经过实验，Vs电压比Vss电压高，。能通过的峰值电流是1. 2A，由于是采用桥式电路驱动一个电机，它允许的输出电流是 686. 6mA。光电耦合器（TLP521-4）如图所示，它的输入输出均为5V，其作用是隔离干扰，消除信号源端的热噪声。 光电耦合器电路的设计思路： （1）电路设计的主要思想由于电机驱动部分对前面的数字系统产生一定的干扰，数字系统和电机驱动系统是不共地的，它们之间使用光电隔离器，以提高系统的抗干扰能力。整个电路由两个不共地的12V电源供电。一路12V供颜色传感器和经78

16、05转换成5V供单片机系统，如图3. 6所示，另一路12V供电机驱动电路和经7805转换成5V供L293D逻辑电平红外线传感器信号通过光藕隔离后反相输入到单片机。内口共可以驱动路红外线传感器 从单片机出来的信号经过74HC245放大驱动之后，经过光电藕合器转换电平，再经过L293D放大电流驱动，最后输出给电机123456715/283电源部分和控制系统硬件设计综上所述，控制电路主要分为三个功能模块，其系统框图如图所示。 传感器电源供给、信号接收模块 单片机信号处理、机器人控制信号产生模块 电机驱动电路模块123456716/283电机控制驱动模块原理图硬件设计123456717/283行走策略

17、硬件设计（1）直线路径行走策略（如图所示） 小车是否沿着直线路径(白线)行走，由前置传感器探测。正常情况如图a所示。前置传感器(距离为80mm)都在100mm的白线上，则小车沿着直线路径(白线）行走如果有一个前置传感器探测到不在白线上。如图b所示，如前置左侧传感器探测不到白线，而右侧传感器探测到白线，则认为小车偏左，纠正方法是使小车右侧电机减速，左侧电机加速，使得两个前置传感器回到白线位置。若小车偏右，可采用类似方法处理。123456718/283行走策略硬件设计如果两个前置传感器都在白线外，如图c所示，这种情况一般是传感器的出现误判。因为若一个前置传感器偏离白线，按照2的方法就能把小车纠正过

18、来，根据经验数据，当一个前置传感器偏离白线的角度在以内，都能自动纠正过来。通常小车的两个电机同向转动，由于速度的同步性误差造成小车行走方向有少量偏差，传感器已经会略微偏出白线。如果传感器出现误判，会造成两个前置传感器都在白线外，可由中置传感器检测到白线后，根据时间的长短来判定(与岔路口的情况区分开来)，令小车向探测到白线的那一个中置传感器方向转弯，直到两个前置传感器回到白线上，此时，耽误的时间会略长些。(2)遇到弯道时的行走策略 先是前置传感器丢失白线，继续前进一段后，此时，小车停止前进向探测到白线的那一个中置传感器方向转弯，随后前置传感器也一定检测到白线，当两个前置传感器同时检测到白线之后，

19、判断方向正确，停止转动，沿此力向继续前进。123456719/283传感器采样和控制策略硬件设计对传感器的采样有两种方法，定时采样和程序扫描采样，本课题采用的是定时采样的方式。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。如图所示。123456720/283动作类型硬件设计如前所述，针对典型路径，设计出相应的控制动作。所以相应的动作类型有如下几类： 1直线路径行走 用于主干道上小车长直线路径的快速行走，赢得时间。其结束条件是检测到

20、有弯道。2特殊路径的行走 用于特殊路径的慢速前进，如在小车的行走中，由于导航白线折弯，前置传感器丢失了白线，小车减速行走，当中置传感器检测到白线后，根据时间的长短来判定，令小车向探测到白线的哪一个中置传感器方向转弯，直到两个前置传感器回到白线上，其结束条件是前置传感器检测到白线。其特点是两个前置传感器同时在线外的时候，小车自动旋转寻回直线。3左转弯 用于向左转弯，当小车的行走遇到左边有弯道，需要左转弯时，此时左边中置传感器探测到白线，令小车向左转弯，直到两个前置传感器回到白线上，其结束条件是前置传感器检测到白线。4右转弯 用于向右转弯，当小车的行走遇到右边有弯道，需要右转弯时，此时右边中置传感

21、器探测到白线，令小车向右转弯，直到两个前置传感器回到白线上，其结束条件是前置传感器检测到白线。5停车 用于停车，最后结束。 在整个动作中，直线行走和转弯最为关键。对于不同的行走路径，只需调整相应的动作列表的指针。123456721/284软件设计软件设计流程本设计采用C语言来编译程序。模块化结构程序的设计，可以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和阅读系统的程序设计。因此，软件的设计上，运用了模块化程序的结构对软件进行设计，使得程序变得更加直观易懂。程序的主要模块有：主程序、定时溢出中断服务程序、外部中断服务程序等。随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开

22、发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的学者来说是十分必要的，如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会事半功倍。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体

23、会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。123456722/284软件设计软件设计流程123456723/284软件设计程序设计和编译本项目所设计的程序如附件所示，编译过程如下。Keil C51单片机软件开发系统可用于编辑C或汇编源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件与库文件一起经LIB51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM 中。123456724/285项目的调试硬件的测试按照之前设计好的AGV小车

24、原理图，详细计算系统中各个元件的参数，选择相应器件，制作实际电路板。然后选取万用表的200欧姆档来测试电路板。用红、黑表笔来测试电路板上每条走线，如果测量的电阻值非常小时，证明走线没有断开，当其电阻值很大时，证明该条走线断了，应该重新制作走线，使电路板在电气上得到正确地连接。(1)晶振电路的测试在单片机正常运行的必要条件是单片机系统的时钟稳定正常。实际中，因为各种原因导致系统时钟不正常而出现系统无法正常运行的情况时有，因此系统时钟是否振是通电检查的首要环节。在系统通电的状况下，用万用表的直流电压档(20V)，分别测量XTAL1和XTAL2引脚的电压，看是否正常，在调试过程中，测得电压XTAL1引脚应为2.05V,XTAT2应为2.15V。(2)复位电路的测试复位不正常也会导致系统不能工作。如果复位引脚始终为高电平，系统将始终处于复位状态；如果始终为低电平，不能产生复位所需的高电平信号脉冲，则系统也可能无法正常工作。单片机正常工作时，RST复位引脚应为0V，按下复位按键时，复位引脚为高电平5V左右。123456725/285项目的调试软件的测试软件调试的流程是这