超市自动运货AGV小车的设计

1、 机械工程学院超市自动运货AGV小车的设计完成人：赵磊 罗晓康 曹松华 吴桢涛 学科专业：机械工程及自动化指导教师：徐海波 教授2013年06月44目 录目 录1 产品构思11.1 产品设计背景11.1.1AGV的发展概况11.1.2AGV的结构与种类21.1.3AGV发展趋势分析21.2 产品设计目的31.3 产品功能定位41.3.1机械结构上的功能41.3.2控制部分的功能41.3.3其他人性化的功能52 小车机械结构设计72.1 自动导引小车轮系结构的机械设计72.2 自动导引小车的技术指标82.3 自动导引小车整车机械设计92.3.1小车货架结构设计92.3.2货架手动升降结构设计10

2、2.3.3小车底盘结构设计112.3.4小车货物分类结构设计122.3.5小车的整车结构及装潢设计143 小车控制系统设计153.1 控制系统硬件构成153.1.1控制芯片模块153.1.2超声波模块183.1.3无线通讯模块203.1.4语音模块的硬件设计203.1.5陀螺仪模块213.1.6其它模块213.2 自动导航系统的设计213.2.1AGV导引技术的选择213.2.2AGV组合导引定位技术设计223.2.3AGV运动控制223.2.4直线行走纠偏算法233.2.5AGV导航系统的主要控制流程243.3 控制系统软件设计253.3.1路径规划模块软件设计253.3.2超声波模块软件设

3、计303.3.3电机PWM调速模块软件设计314 结论与展望335 参考文献346 致谢35附录1 AGV小车整体机械结构图37附录2 小车运动控制部分算法程序39附录3 小车语音控制部分算法程序411 产品构思1.1 产品设计背景自动导航车(Automated Guided Vehicles,AGV)又名无人搬运车,出现于20世纪50年代,是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备,属于移动式机器人系统,能够沿预先设定的路径行驶,是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统(CIMS)中的关键设备之一。AGV具有灵活性、智能化等显著特点,可以方便地重组系统,达到生产过程的柔性化运输。与传统的人工

4、或半人工的物料输送方式相比,AGV系统减轻了劳动强度,降低了危险性,提高了生产效率,在各行各业均可发挥重要作用。1.1.1 AGV的发展概况世界上的第一台自主导航车是美国Basrrett电子公司于1953年开发成功的,它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的,带有车兜,在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。在20世纪50年代末到60年代初期时,已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。目前世界上约有2万台各种各样的AGV运行在数千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,用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23 400件出入库货物和零部件的搬

5、运任务。AGV在制造业的应用出现于1973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AGV系统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AGV系统组成,采用该装配线后,装配时间减少了20%,装配故障少了39%,投资回收时间减少了57%,劳动力减少了5%。目前,AGV在世界的主要汽车厂,如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车制造和装配线上得到了普遍应用。早期的AGV主要是自动拖车。在20世纪70年代中期,由于负载AGV(又称自动搬运车)的引入,AGV产业得到了第一次较大的发展。负载AGV能够为物料处理领域提供多功能的服务而被广泛接受,例如工厂里的工

6、作站台、传送设备,以及控制系统和信息系统之间的连接等。目前,已经有许多厂家制造的几百种负载AGV系统,运行于仓库、工厂、作坊、医院以及其它许多领域。在邮局、图书馆、车站、码头和机场等场合,物品的运送存在着作业量变化大、动态性强、作业流程经常调整,以及搬运作业过程单一等特点,AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好地满足上述场合的搬运要求。不仅如此,在军事以及危险场所,以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备,可用于战场排雷、阵地侦察、危险环境作业,如军用机器人、危险品处理机器人、钢铁炉料运送车、放射性物料搬运车、海底电缆铺设等。从1954年英国采用地下埋线的电磁感应导向技术

7、开始,早期的AGV都是沿着地面上的信号行驶,AGV上的传感器会根据信号的强度,选择某一频率的电磁信号为AGV提供导引。随着电子技术和微处理器技术的快速发展,AGV的智能化技术得到了普遍发展。20世纪80年代末期,无线式导引技术被引入到AGV系统中,例如利用激光和惯性进行导引,大大提高了AGV系统的灵活性和准确性。计算机技术的引入,使得AGV几乎可以处理所有由人工控制的物料搬运过程。但知道目前为止，AGV小车由于成本和技术的问题主要局限在大型生产线应用领域，并未拓展到超市、餐饮等基础性行业，这块市场具有很好的发展前景，随着产品的更新换代越来越强，在货物的传输和配送上对于智能化的程度要求越来越高，

8、因此AGV小车在这片市场的应用将会是对该领域服务水平和运营效率的极大提高。20世纪80年代以来，自动导引运输车（AGV）系统已经发展成为生产物流系统中最大的专业分支之一，并出现产业化发展的趋势，成为现代化企业自动化装备不可缺少的重要组成部分。在欧、美等发达国家，发展最为迅速，应用最为广泛；在亚洲的日本和韩国，也得到迅猛的发展和应用，尤其是在日本，产品规格、品种、技术水平、装备数量及自动化程度等方面较为丰富，已经达到标准化、系列化、流水线生产的程度。在我国，随着物流系统的迅速发展，AGV的应用范围也在不断扩展，如何能够开发出能够满足用户各方面需求（功能、价格、质量）的AGV系统技术是我们必须面对

9、的现实问题。1.1.2 AGV的结构与种类1. AGV的结构通常,AGV以电池为动力,装备电磁或光学等自动导航装置,能够独立自动寻址,并通过计算机系统控制,完成无人驾驶及作业。因此,AGV具有电动车辆的结构特征,图1-1所示是一种三轮AGV的结构示意图,主要由底盘车、动力装置和控制系统等组成,采用后轮驱动、前轮转向运行方式。图1-1 AGV小车结构示意图2. AGV的种类及应用工业AGV可按用途分为自动搬运车、自动拖车和自动叉车等几类,也可根据其导引的方式不同分为电磁导引、激光导引、惯性导引等多种形式,还可根据有无轨道分为有轨AGV和无轨AGV。对于非工业应用,AGV可用于探险、危险品处理、导

10、盲等。1.1.3 AGV发展趋势分析1. AGV的智能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功能日益强大,使AGV具有从网络、无线或红外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。智能化的结果加上动力强劲,将使AGV具有日益广泛的用途。2. AGV的动力性能将更趋强劲AGV设

11、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将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,近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/放电时间为1:1已提高到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。

12、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智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,在机器人技术发展的整个过程中,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AG

13、V的显著特点是无人驾驶,可以保障系统在不需要人工导航的情况下自动行驶,柔性好,自动化和智能化水平高。AGV可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活配置,并且运行路径改变的费用与传统的输送带或刚性的传送线相比非常低廉。如果配有装卸机构,AGV还可以与其他物流设备自动接口,实现货物或物料装卸与搬运全过程自动化。此外,AGV还具有清洁生产的特点,AGV依靠自带的蓄电池提供动力,运行过程噪声极低、无污染,可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。随着AGV性能不断地完善,其应用范围大为扩展,不仅将在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用,而且将在排险、搜捕、救援、辐射和空间领域等有害与危

14、险场合得到很好的应用,几乎适合于仓储、制造、邮局、图书馆、港口、机场、烟草、医药、食品、化工、危险场所和特种行业等各种场合。因此,AGV技术已经得到世界各国的普遍关注。1.2 产品设计目的随着智能化管理观念的不断深入和科技水平的不断提高，在超市的物流系统中，AGV小车具有很大的应用的前景。目前市场上的AGV小车主要应用于大型的生产线设备，特别随着近几年劳动力成本的上升和富士康事件的出现，这种频繁的工作由智能化机器承担已经成为一种在所难免的趋势。我们设计该超市AGV小车的目的是基于目前已有的技术设计一款专门适合于超市等偏重于服务行业应用的智能化机器设备，在产品的设计开发中，我们会注重产品在满足功

15、能需求的同时极大地降低成本，使其能够迅速地实现市场化。另外考虑到超市等服务行业所雇用的人员的知识水平和应用能力，因此产品的服务会更加注重人性化和便捷性，这个在后面的路径规划等控制方面会有较好的体现。对于超市等商家而言，除过购买成本之外，还有像维修成本也是他们所考虑的因素。在设计及制造过程中尽量让产品的维修和元件更换比较方便，同时合理的结构设计和正确使用也会很大程度提高产品的使用寿命。简而言之，我们产品设计的目的就是为超市等基础服务行业提供一款经济适用、安全智能的AGV自动运货小车。这款小车在超市、餐饮店、医院等均会有较为理想的人性化服务结果，且它便于升级，具有很长的产品生命周期。1.3 产品功

16、能定位根据上述的内容，我们的AGV小车的首要功能是能够实现超市货物的自动传送功能，另外根据超市的货架布局特点、操作人员使用的方便程度，我们的小车还应该具有更多人性化的功能。1.21.31.3.1 机械结构上的功能u 足够的承载量对于超市而言，每天需要的上货量很大，这就要求我们的小车能够一次承载尽可能大的货物量，以提高运输效率，节省时间成本和人力成本。u 货物的分类超市每天要运输的货物不仅数量庞大，而且种类繁多，如果在一辆AGV小车上放置多种货物，那么在从小车上进行卸货的时候还要再次进行挑拣分类，从而增加了很多不必要的劳动时间，而我们的AGV小车又数量有限，不可能每一辆车运送一种货物。所以，我们

17、的小车要具备货物的分类功能，并且结构要尽可能得通用、简单。u 运货架高度可调超市的员工每个人的身高都是不一样的，这就要求我们小车的运货架能够根据员工的身高情况调节其高度，从而确保每一个员工都能够舒舒服服的上货、下货。u 防触碰装置虽然一般的AGV小车都有避障功能，但是有些时候还是会因为一些突发状况而使小车撞上障碍物，所以小车应该具有一定的防触碰装置，比如在小车周围加上橡胶套等。1.3.2 控制部分的功能u 自动导航功能自动导航功能是AGV小车的主要功能也是必备功能，AGV的导航方式有很多种比如：导轨导航、磁导航、光带导航、惯性导航、GPS导航、机器人视觉导航等，然而每一种导航方式都有其优缺点和

18、应用范围的限制，所以如何根据超市的环境特点和工作特点选择合适的AGV导航方式成了我们小车设计的重点。u 路径规划功能AGV小车的运动路线是实现认为设置好的，这也就是路径规划。路径规划也是AGV的主要功能之一，根据小车导航方式的不同，路径规划的方式也是不同的。u 智能避障小车在行驶的过程中有可能会遇到各种障碍物，比如人、立柱、货物等，小车要想顺利的完成工作任务，就需要及时的避开这些障碍物。u 行走纠偏小车在行走过程中会自动记录其已行走的距离来判断是否该转弯，或者是否到达终点，并实时将这些运动信息通过无线传输模块发送给上位机，但是小车在行走时难免有误差（路程误差、方向误差等），而且这样的误差还会随

19、着时间逐渐积累，最终导致小车出现错误的行走路径。所以AGV小车除了要具有自动导航功能之外，还应该具有行走纠偏的功能，即在小车的行走路线上隔一段距离设置一个行走纠偏点，行走纠偏点的位置是固定的，所以小车在行走纠偏点可以进行复定位，以提高小车的行走精度。u 优良的速度调控系统小车所载的货物中可能有一些易碎的物品比如鸡蛋，所以小车在行驶过程中特别是启动、紧急刹车、停止时应特别注意小车由于速度的改变而带来的惯性冲击力，而这些需要通过一定的速度控制算法来实现。1.3.3 其他人性化的功能u 警报、语音提示小车在行走过程中遇到突发情况比如撞到障碍物或者翻车等紧急情况时应发出警报声以提醒工作人员进行及时的处

20、理，另外小车应能够在某些场合发出提示音以提高其人性化程度，比如刚启动时小车会发出“欢迎使用”的声音，小车在行走过程中遇到工作人员时会发出“请让一让，谢谢!”等，另外小车的提示音还可以活跃工作氛围，减轻工作人员的工作压力。u 液晶显示（人机交互）小车的有一块液晶显示屏，除了可以实时显示小车的运动路线、运动状态之外，还应具有人机交互的功能，以方便工作人员直接对小车进行临时的中断操作。2 小车机械结构设计2.1 自动导引小车轮系结构的机械设计松华777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777

21、77777777777777777777777777777777777777777777777AGV 控制系统中驱动转向系统是一个关键子系统。它直接决定了 AGV 的运动性能。通常 AGV 的驱动转向有中间轮驱动速差转向、前轮驱动转向和前后轮驱动转向这三种方法，如图2-1 所示。图 2-1 中(1) 中间轮驱动速差转向方案共有两个驱动轮,分别位于 AGV 中轴线的左右两边。前面和后面两个或四个车轮为自由轮。这种结构的 AGV 重心容易掌握；(2)前轮驱动转向把前轮既作驱动轮又作转向轮，即驱动和转向合二为一，后面两个车轮为自由轮，这种结构的 AGV 重心偏向于 AGV 的前方或后方；（3）前后轮

22、驱动转向是在前轮驱动转向的基础上，针对载重量较大的 AGV 而设置两个驱动转向轮，分别用于实现前后的驱动和转向。（1）中间轮驱动速差转向 (2)前轮驱动转向 (3)前后轮驱动转向图 2-1 AGV 驱动转向方法从本 AGV 设计的基本要求出发，同时考虑到 AGV 运动过程中的平稳性及电源和工控机都需要较大的安置空间，本 AGV 的驱动转向系统采用图 3-5 中的(1)方案，前面和后面各使用两个自由轮。该方案将两驱动轮平行独立地固定于车体的中部左右两边，通过调速控制使两驱动轮产生相同的速度来实现车辆的直线前进或直线后退，通过调速控制使两驱动轮产生不同的速度来实现转向。考虑到橡胶与地面的摩擦系数大

23、，同时能保证足够的驱动能力, 本 AGV 的车轮选用了橡胶轮胎。同时，我们选用了不充气的实心橡胶轮胎，这样用户不需要给轮胎打气，使用方便。另外，实心橡胶轮胎可以避免由于两个车轮气压不一致而引起两驱动轮直径和离地高度不确定而导致的控制和定位困难等缺点。我们AGV小车的六轮结构CAD模型如图2-2所示。图2-2 六轮结构CAD模型从图2-2中我们可以看出，这款小车的轮系结构采用了六轮的底盘，中间两个定向轮为驱动轮，前后四个万向轮为从动轮，这和目前美国研制的火星探测车的结构有点类似。当电机正转或反转时，小车可以前进或后退；通过内外侧两个驱动轮的速度差实现小车转弯；而当一个电机正转，一个电机反转时可以

24、实现小车原地转弯。这种轮系结构不但控制简单，而且机械结构也没有上述轮系结构那么复杂，同时它不需要很多的机械部件的支持，这样不但节省了成本，也减少了控制难度。但是这种六轮结构有一个缺点，如图中所示，两对从动轮分别安装在主动轮轴的两侧，当小车行驶到不平的路面时，主动轮很容易被两侧的从动轮抬离地面，而使驱动轮不能驱动小车行驶，因此需要在从动轮上安装减振弹簧等机械部件，使得六个轮子能与地面充分接触，保持和地面的摩擦力。但考虑到超市的地面平整性较高，因此这部分的修正可以忽略。2.2 自动导引小车的技术指标在确定了小车的轮系结构以后，我们还必须确定小车载重、转弯半径、行驶速度等技术指标。首先我们要选择合适

25、的驱动电机，因为电机的性能参数直接决定着整辆小车的运动速度和驱动力。在选型过程中，主要考虑电机的额定电压和额定功率这两个参数。电机的输出功率和小车的重量之间存在以下关系： 式（2-1）式中 P 为电机功率，µ 为摩擦系数，m 为小车重量，g 为重力加速度（9.8m/s），v 为小车的最大速度。按照小车的最大重量（承重加自重）为 100kg，摩擦系数按照 0.25，最大行驶速度为 0.5m/s 计算，电机总的最大输出功率为 73.5W，因为小车使用了两个驱动电机，因此每个电机的额定功率必须要大于 37W。考虑到为了便于其它控制电路的取电，电机的额定电压取 24V，这样两个 12V10A

26、h 的蓄电池串联即可作为整个系统的电源。在满足上面要求的条件下，为了节省成本，我们采用一款额定电压为24V，功率为 40W，转速为 128 圈每分钟的直流减速电机。小车的最小转弯半径与小车重量存在以下关系： 式（2-2） 式（2-3） 式（2-4）式中 F 为小车转弯时由摩擦力提供的向心力，v 为小车的最大行驶速度，r 为小车的最小转弯半径，其它参数同式（2-1）。根据上面三个公式，可以得到小车的最小转弯半径为 0.53m。从图图2-3小车转弯轨迹图2-3 中可以看出，在设计小车尺寸时，其宽度 W 不能大于 2 倍的最小转弯半径，即 1.06 米，否则小车就无法达到这个转弯半径。在确定了电机型

27、号和小车的行驶速度后，小车轮子的直径也可以确定，小车驱动轮的直径和电机转速之间的公式如下： 式（2-5）式中 v 为小车的最大行驶速度，n 为电机每分钟的最大转速，d 为驱动轮的直径，而我们选定的电机的最大转速是 128r/m，v 为 0.5m/s，因此可以得到驱动轮直径 d 约为70mm。在确定了小车的几个关键的技术指标后，根据小车的设计要求我们得出一张如表2-1 所示的小车机械指标表。表2-1 小车各项机械技术指标项目内容项目内容小车控制方式可选自动/手动最大行驶速度0.5m/s导航方式陀螺仪导航最小转弯半径0.53m轮系结构六轮结构车轮直径70mm驱动方式双轮差速驱动工作时间连续接收负载

28、方式手动电池池组天能 24V/10Ah（免维修）负载能力40-50kg蔽障方式超声波自重（含蓄电池）50kg卸货方式手动行驶方向双向（前、后）、转弯车体尺寸800*600*200mm(长宽高)2.3 自动导引小车整车机械设计22.12.22.32.3.1 小车货架结构设计货架结构的设计非常重要。如果设计不恰当，或者会浪费材料，增加自重，提高成本，或者会因局部结构强度不够而埋下安全隐患。一般的小车货架是直接加载在小车车身上，这样的话会造成小车的承载能力受限，且容易造成局部强度的不够等问题。而我们设计的AGV小车则采用4个支柱将货架支撑在小车底盘上，这样就将货架的重量均匀地分配到小车底盘上，增加了

29、小车的承载能力和提高了结构强度。同时便于货架的拆卸、更换和维修。小车货架的CAD模型如图2-4所示，货架与小车的连接如图2-5所示。图2-4 小车货架的CAD模型图2-5 货架与小车的连接图2.3.2 货架手动升降结构设计在搬运前后的上货和卸货过程中，根据操作人员的自身因素和货物位置（仓库位置和最终货架位置）适当调节货架的高度，既是人性化的需要，又是高效的要求。在开始时，货架升降我们打算采用自动控制，可是考虑到以下情况：一般自动控制升降有两种形式：一种是电机驱动通过齿轮齿条进行升降运动的执行，但是这就需要在车身上再添加驱动电机和传动装置，小车的体积和重量都会增加，成本也会较大程度提高，再者对于

30、超市这种形式经济性较差，因此我们舍弃了这种方案；另一种是液压驱动升降，成本的话和体积都比较小，但液压的污染比较严重，对于超市这种对卫生洁净度要求很高的场所来说这种方案同样不可取。因此我们进行了手动升降结构的设计，在这里我们参照了帐篷支撑杆的升降结构，具体结构形式如图所示，操作人员手摁下结构突出的半球形固定弹簧卡销，用力拖动货架，到一定位置孔让弹簧卡销弹出即能完成新位置的固定。这种结构简单、经济，可靠性高，在操作上也能满足对快捷性的要求。货架手动升降结构如图2-6所示，手动升降结构在小车中实际位置如图2-7所示。图2-6 货架手动升降结构图2-7 手动升降结构在小车中实际位置2.3.3 小车底盘

31、结构设计1.从动轮，2.车架，3.控制系统电路板，4.驱动轮，5.天线，6.蔽障超声波传感器，7.扬声器，8.直流伺服电机，9.测速超声波传感器，10.蓄电池组图2-8 自动导引小车的车体结构示意图如图所示，小车的四个角上分别安装了一个橡胶万向轮作为小车的从动轮， 由直流减速电机驱动的驱动轮同轴线平行独立地固定于车体中部两端。这里我们采用直流伺服电机取代直流电机和减速机的组合是为了节省成本，减轻重量，同时也是为了便于安装和控制。蓄电池组和工控箱主要放置在车体底部中轴线上，这样是为了降低车体重心保持车体的平衡，以提高小车的抗侧翻能力。在小车底部前后两端均装有超声波传感器。在安装超声波传感器时要保

32、持其水平向前，以保证其测障。小车底盘布局的CAD模型如图2-9所示。图2-9 小车底盘布局的CAD模型2.3.4 小车货物分类结构设计超市里的货物比较多，为了一次便捷性地搬运而又能将它们较好的分类，我们采用了柔性较高地且简易方便的活动式插板分类，根据活动插板的形式货架可以进行1、2、3、4四种货物的划分，这样的分类结构使得小车搬运的货物大小尺寸种类上基本满足了超市的要求。同时对于一些易碎物品，小盒的划分更便于他们的固定和保护。货物的2级、3级、4级分类分别如图2-10、2-11、2-12所示。图2-10 货物的2级分类图2-11 货物的3级分类图2-12 货物的4级分类2.3.5 小车的整车结

33、构及装潢设计小车采用矩形钢管骨架式焊接车架，在保证其强度和刚度满足小车的承载能力的条件下，应尽量减少车架自重，以提高有效载重。各个机械部件都与车体分离，只用螺栓螺钉连接固定，这样既保证车架的刚性强度，又便于装拆调试。所有覆盖件都可以分拆独立制作处理，特别是免去对车架的整体加工，使工艺大为改善。车体的外饰设计也是不容忽视的一个环节，结构形式和安装方法应考虑维护和修理的方便性。小车的外壳面板由 2mm 厚的 PVC 塑料板构成，不但方便加工，易于安装，而且也可用于固定硬件电路板。此外，车体的外廓不应有突出部分，以免碰撞其它物体和造成人员伤害。车体颜色以载物台，底盘和车架三大部分为区分，其中车架以警

34、示醒目的黑色为主色调，其余用适合室内效果的柔和浅暖的黄色为主色调。小车的整体结构及装潢图见附录1。3 小车控制系统设计3.1 控制系统硬件构成33.13.1.1 控制芯片模块u 主控芯片经过小组成员的讨论，我们的小车将选用Freescale半导体公司08系列中资源较丰富的MC68HC908MR32 MCU(以下简称MR32)作为本设计的主控芯片。该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块符合设计要求，而且本设计中所需驱动的电机达四个之多，而该芯片正是Freescale公司推出的专门驱动电机的新型MCU，因此选用这款芯片还是比较合适的，MR32的内部管脚如图3-1 所示。图3-1 MR32的

35、内部管脚单片机的运行需要一个支撑电路的支持才能工作起来，一般支撑电路包括电源、时钟电路等。图3-2所示为即为主控芯片MR32的支撑电路。主控芯片的支撑电路设计好后，接下来需要解决用户程序的写入问题，Freescale半导体公司为08系列的MCU提供了监控ROM ，但是它存在着两大缺陷：一是需要一个Flash编程高电压，且其它引脚还需要满足特定的设置才能进入监控方式，操作非常不方便；二是程序的下载是半双工的，且是单线通信方式，下载速度较慢。为了解决上述问题，我们一般都需要自己设定一个带有串口通信和支撑电路的系统，即就是一个能完成程序下载、调试和运行的最小系统。MR32最小系统的硬件连线如图3-3

36、所示。图3-2 MR32的支撑电路图3-3 MR32最小系统的硬件连线u 电机驱动芯片因为电机驱动电流较大，因而不能简单地利用芯片引脚进行驱动，必须用专门的驱动芯片来驱动。经过对电机特性的分析决定采用ST半导体公司推出的L298芯片来实现电机驱动，它的驱动电压最高可达46V，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，是一款理想的直流电机驱动芯片，L298芯片的内部管脚如图3-4所示。图3-4 L298的内部管脚电机驱动模块主要完成对小车轮子的驱动和载物台卸货装置的驱动，该模块的硬件电路图如图3-5所示图3-5 电机驱动模块如图所示，芯片的6脚（Enable A）和11脚（Enable A）连接

37、，生成Enable脚用于控制电机的运转和停止；芯片的5脚（INPUT 1）和12脚（INPUT 4）连接，生成IN1脚，7脚（INPUT 2）和10脚（INPUT 3）连接，生成IN2脚，用于控制电机的转向；芯片的2脚（OUTPUT 1）和14脚（OUTPUT 4）连接，生成OUT1脚，3脚（OUTPUT 2）和13脚（OUTPUT 3）连接，生成OUT2脚，此两脚是驱动器的输出端，用来连接负载。由于电机是感性负载，所以需要在L298的输出端接四个快速二极管IN5822组成续流电路，将电机产生的感应电流消耗，防止对电路产生影响。L298还提供了两个负载电流的反馈引脚：1脚和15脚，将它们同时接

38、一个0.1欧姆，12W的电流检测电阻，再接地，此时就可以通过对1脚或者15脚进行A/D采样，来得到电路中负载电流，实现恒流控制。L298有4脚（VS）和9脚（VSS）两个电源引脚，4脚为电机驱动电源输入端，该电压需要比9脚输入电压大，否则将会影响芯片的正常工作，而9脚为芯片工作电压输入端。另外由于电机驱动电路工作时电流非常大，为了避免烧毁主控电路，需要在这两个电路之间加一个主控芯片保护电路，如图3-6所示。图3-6 主控芯片保护电路u LCD显示从属芯片路径显示以及规划采用JP1TFT-40触摸屏显示模块，配合该模块我们选用了单周期的高速单片机STC12LE5A60S2作为液晶及触摸屏的控制器

39、，同时做为系统的从单片机系统负责液晶的显示，触摸屏数据的采集，语音模块的数据管理和调用以及向主控制器方向的数据传输。JP1TFT-40的内部管脚如图3-7所示， STC12LE5A60S2的内部管脚如图3-8所示，其最小系统连接图如图3-9所示。 图3-7 JP1TFT-40的内部管脚 图3-8 STC12LE5A60S2的内部管脚 图3-9 STC12LE5A60S2的内部管脚3.1.2 超声波模块超声波模块主要完成AGV的蔽障功能，其硬件电路主要由控制芯片电路、发射电路和接收电路三部分组成。1. 控制芯片电路超声波模块中选用了Freescale半导体公司推出的8位单片机MC68HC908Q

40、T4（以下简称QT4）作为控制芯片。该芯片主要有以下特性：ü 8引脚双列直插封装ü 总线频率最高可达8MHzü 4K的片内FLASH和128字节的内部RAMü 双通道16位定时器ü 5个双向I/O口如图3-10所示，其外围电路主要包括电源滤波电路和晶振电路。QT4的7脚输出5V，频率为40KHz的方波；6脚用于捕捉声波反射信号；5脚与主控芯片MR32相连，输出测障结果信号。图3-10 超声波控制芯片QT4外部电路2. 发射电路超声波的发射电路如图3-11所示。首先由QT4的定时器模块引脚输出电压为5V，频率为40Khz的方波，一路直接输入IR2

41、110，另一路经过非门芯片74HC04后输入IR2110，这样就得到两路互补的方波。芯片IR2110是对方波信号进行升压，产生一对频率不变、电压为12V的互补方波。在输出至发射传感器之前，需要经过两个0.1uF的滤波电容，这样是为了滤去方波中的直流分量，得到稳定的方波。滤波后的两路互补方波信号输出至超声波发射传感器，此时，传感器就可以进行声波发射。图3-11 超声波发射电路3. 接收电路超声波的接收电路如图3-12所示。被反射的声波将被超声波接收传感器接收，但是由于接收传感器的感应信号通常是mV级，必须经过上百近千倍的增益放大，然后再整形才能被有效的捕捉。图3-12超声波接收电路3.1.3 无

42、线通讯模块目前AGV中用的无线通讯主要有无线局域网和无线数传模块两种方式。在工业自动化中，大量的现场设备采用RS232或RS485通信，考虑到本AGV要能够在不增加其他硬件模块的同时能方便地与整个现代物流系统中其他自动控制设备如PLC进行通信，我们选用了无线数传模块实现AGV与主控机的无线通信。当无线数传模块接收到上位机要发送的数据后，先将要发送的数据送到发送缓冲区，并同时将模块的状态由接收状态转换成发射状态，状态转换完成后启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区中的数据转换成适合无线发送的数据包，并将一些控制信令动态地插入到数据包中。然后将这个数据包的数据送到模块中的数据调制口发射出去

43、。当无线数传模块接收到上位机需要的数据后，它按规定的串口帧格式及串口速率传送给上位机。无线数传模块通常提供标准RS-232，RS-485和UART（TTL电平）3种接口方式，可与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件直接连接使用。选用的无线数传模块具有如下特点：ü 微功率发射，最大发射功率10mW。ü 载频频率433MHz，也可提供315/868/915MHz载频。无需申请频点。ü 高抗干扰能力和低误码率。ü 传输距离远,在视距情况下，天线高度>2米,可靠传输距离可达300m（该距离完全满足了现代物流实训系统的环境要求）。

44、2; 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。该无线数传模块与终端设备的连接示意图如图3-13所示。图3-13无线数传模块与上位机的连接示意图3.1.4 语音模块的硬件设计小车语音提醒模块拟采用语音芯片ISD-1760，该芯片具有体积小，采用CMOS 技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列可分段录放，掉电储存时间久，音质好，外围电路简介，操作方便，ISP接口与单片机兼容等优点，并且录音时间可最长可达16分钟，故本系统采用其搭建多址语音提醒模块。芯片所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI 或Microwir

45、e)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为 4.0、5.3、6.4、8.0kHz,频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100 年(典型值)，反复录音10 万次。ISD-1760的内部引脚如图3-13所示。 图3-14 ISD-1760内部引脚3.1.5 陀螺仪模块考虑到目前已经能够以较低的价格得到重量较轻、体积较小且安装方便的微机械陀螺仪，本AGV主要选用低精度

46、石英微机械陀螺来检测AGV的方向角。其实物如图3-15所示。图3-15 微机械陀螺仪3.1.6 其它模块在自动导引小车的硬件部分中还包括了红外检测（识别人体）、测速、电量检测、指示灯、电源等模块，这些模块组成比较简单，此处不再赘述。3.2 自动导航系统的设计3.23.2.1 AGV导引技术的选择AGV的导引技术是AGV控制的核心技术。不同类型的AGV系统中采用的自动导引技术各不相同。AGV导引方式不仅决定着由其组成的应用系统的柔性，同时它也影响着系统运行的可靠性和组态费用。采用何种导引技术将直接影响到自动导引系统各方面的性能。了解各种自动导引技术的工作原理和特点，懂得不同导引技术构成AGV系统

47、的优缺点，对于AGV的研制和选用都十分重要。AGV导引方式按照有无导引线路的形式主要分固定路径导引和自由路径导引两大类。固定路径导引的方式有：电磁导引、光学导引(巡线导引)以及磁带导引；自由路径导引的导引方式有：惯性导引、激光导引、超声波导引、视觉导引以及GPS导引等。根据超市运货实际情况，首先我们不可能选择固定路径导引，因为超市的货架是经常性变动的，而在自由路径方式中，GPS导引精度太差，且一般应用于室外；激光导引虽然导引精度高，但是成本高昂；超声波导引不能适用于复杂的周围环境；视觉导引技术难度高，处理数据量大，一般嵌入式控制芯片无法胜任。惯性导航具有技术先进、灵活性好、便于组合、柔性好、成

48、本低廉等特点。所以，我们的小车拟采用惯性导航（陀螺仪）来作为我们AGV小车的自动导航方式。3.2.2 AGV组合导引定位技术设计AGV的定位精度主要取决于AGV的导引定位技术。考虑到惯性导航技术是世界上AGV导引定位的核心技术开发方向，而且目前已经能够以较低的价格得到重量较轻、体积较小且安装方便的微机械陀螺仪，本AGV主要采用惯性导航技术进行AGV自动导引定位。它具有技术先进，灵活性强，便于组合及柔性极好的特点。该方案需要对陀螺仪角速率信号进行积分来检测AGV运行的方向角，又由于成本的关系，在AGV上不可能采用高精度的陀螺仪，所以这种方法存在一定的定位积累误差。同时，AGV依靠驱动轮转数通过编

49、码器反馈来累积计算直线距离，由于各种因素的影响（如地面打滑、温度及湿度等），用车轮转数计算AGV行走距离存在误差，而且该误差会积累，它将随着AGV运行距离的增加而变得很大。为了进一步提高定位精度，本AGV采用了基于陀螺仪和编码器为航位基本检测器件，光电信号修正的创新组合导引定位技术。该技术把AGV定位分两步，第一步为粗定位，即采用陀螺仪检测AGV的方向角，并通过驱动轮转数经编码器反馈来累积计算直线距离，从而粗步确定AGV的当前位置。第二步为精定位，即AGV运行一定的距离，通过检测光电信号进行纠偏定位，这样通过陀螺仪定向、编码器反馈及光电定位的创新组合导引定位就能提高AGV的定位精度。具体设计方

50、法如下：A、原点定位利用图3-16所示的4个光电传感器保证AGV精确的原点位置（即AGV的起始运行位置）。图3-16 光电传感器布置图B、组合导引定位方法设计首先根据AGV在现场运行的实际情况，确定出相邻两个AGV停靠站点的途中应设定的定位点。从每个定位点前方60厘米左右处到该定位点处的AGV地面行走路径上贴上宽度为8厘米左右长度为60厘米左右的反光带。当AGV从一个站点驶向另一个站点时，先用陀螺仪检测AGV的方向角，并通过驱动轮转数经编码器反馈来累积计算直线距离，并不断地与定位点距离进行比较。当AGV离定位点前反光带相差1厘米左右时，启动寻找光电信号的纠偏精定位子程序，当找到光电信号时，根据

51、光电信号进行纠偏。当图3-16中的左、中、右三个光电信号都无信号并且根据编码器反馈计算得到的直线距离大于等于设定的定位距离时，则结束纠偏精定位子程序的执行并把计算出的直线距离修正成实际真正的距离，这样交替运用粗定位和纠偏精定位的方法，直到AGV到达相应的停靠站点。3.2.3 AGV运动控制1. AGV运动距离控制AGV车载机向运动控制卡发出脉冲，通过驱动单元使直流伺服电机转动。直流伺服电机通过减速机构带动AGV驱动轮进行转动从而使AGV车体发生移动。本AGV采用的旋转编码器线数B=1024，减速机构的速比I=46（即直流伺服电机每旋转46圈，AGV车轮则旋转1圈），车轮半径R=10.16厘米,

52、驱动单元编码器倍频M=4。因此，运动控制卡检测到B*M*I=1024*4*46个脉冲时直流伺服电机正好转动46圈，而AGV车轮则转动一圈，AGV的运动距离S=2*R=2*3.1415*10.16厘米，所以AGV每厘米反馈回来的脉冲数McPerCentimeter从算式（3-1）可推出。 式（3-1）因此，假如设定AGV的运动距离为S厘米，则AGV车载机实时检测反馈回来的旋转编码器转动的脉冲数lMc并根据算式（3-2）计算Mc，当Mc=0使AGV停止运动从而实现了对AGV的运动距离控制。 式（3-2）2. AGV运动速度的控制要使AGV按照VDistancePerSecond(厘米/秒)运动，则

53、按算式(3-3)求出VPulsePerSecond(脉冲/秒)。 式（3-3）AGV车载机按照VPulsePerSecond(脉冲/秒)向运动控制卡发出脉冲。VPulsePerSecond(脉冲/秒)越大，电机转动越快，相应的AGV运动速度就越块。反之VPulsePerSecond(脉冲/秒)越小，电机转动越慢，相应的AGV运动速度就越慢。3. AGV运动方向的控制AGV车载机向运动控制卡发出脉冲的同时，也给出了发出脉冲的方向。当发出脉冲为正时，电机正转；当发出脉冲为负时，电机反转。因此，AGV前进时发给两驱动轮电机的脉冲方向正好同AGV后退时发给两驱动轮电机的脉冲方向完全相反。为了使AGV转

54、弯半径最小，本文AGV转向通过围绕两驱动轮轮心连线的中点进行原位旋转。所以左转和右转时给出的脉冲速度都相同，只是脉冲方向不同。左转给两驱动电机发出的脉冲方向使右车轮向前运动，而左车轮向后运动。右转时给出两驱动电机的脉冲方向正好同左转时完全相反。AGV车载机则通过实时检测陀螺仪角速率并计算出AGV实际的转角，假如设定AGV的转角为，则AGV车载机根据算式（3-4）计算，当=0使AGV停止旋转从而实现了对AGV的方向控制。 式（3-4）3.2.4 直线行走纠偏算法图3-17为小车的运动模型示意图，由该图可见知当VL=VR时，角速度为零，AGV作无偏转的直线运动。但由于AGV的机械结构、驱动电机的特性及AGV行走地面状况都对AGV运动产生影响，所以不能保证AGV直线运动时VL=VR，这样AGV作直线运动时就会产生偏转现象。要保证AGV作无偏转的直线运动，必须要对AGV进行直线行走纠偏。图3-18为AGV直线行走偏转示意图。 图3-17 AGV运动模型示意图 图3-18 AGV直线行走偏转示意图图3-18中，和分别是AGV左右驱动轮的轮心，是连线的中心，和之间的距离为两驱动轮轮心的距离