自動(dòng)移動(dòng)送料小車設(shè)計(jì)

河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文摘 要本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)移動(dòng)運(yùn)送小車采用自動(dòng)導(dǎo)引技術(shù)，應(yīng)用于本校的模擬自動(dòng)生產(chǎn)線上，主要功能是運(yùn)送托盤。自動(dòng)移動(dòng)運(yùn)送小車屬于柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)中的新興物流設(shè)備之一，即自動(dòng)導(dǎo)引車，英文簡稱 AGV。因此，在本設(shè)計(jì)中將充分研究和應(yīng)用當(dāng)代的 AGV 技術(shù)。AGV 即自動(dòng)導(dǎo)引小車，它集聲、光、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合了當(dāng)今科技領(lǐng)域先進(jìn)的理論和應(yīng)用技術(shù)，屬于移動(dòng)式機(jī)器人的一個(gè)分支。在柔性制造系統(tǒng)和自動(dòng)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(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，是一種非常有發(fā)展前途的物流輸送設(shè)備。本文介紹AGV 在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了光學(xué)導(dǎo)引式AGV 樣機(jī)。其主要工作內(nèi)容包括:小車機(jī)械本體設(shè)計(jì)、 89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：AGV； 自動(dòng)導(dǎo)引； 光學(xué)導(dǎo)引； 89C51 單片機(jī)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(xué)萬方科技學(xué)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(dòng)移動(dòng)送料小車的關(guān)鍵技術(shù) 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(nèi) 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(dòng)移動(dòng)送料小車 AGV 技術(shù)分析 72.1 AGV 的類型 .72.2 AGV 的特點(diǎn) 82.3 AGV 的導(dǎo)引方式 92.3.1 導(dǎo)引方式分類 .102.3.2 AGV 典型的導(dǎo)引方法 .102.4 AGV 系統(tǒng)的技術(shù)組成及調(diào)度方法 .142.4.1 AGV 的技術(shù)組成 .142.4.2 AGV 的調(diào)度方法 .163 自動(dòng)移動(dòng)送料小車總體結(jié)構(gòu) 183.1 AGV 技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)行 183.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 .183.3 行走系統(tǒng) .213.3.1 行走系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .213.3.2 行走系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì) .223.4 移載系統(tǒng) 263.4.1 移載系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) .263.4.2 移載系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì) .273.5 自動(dòng)移動(dòng)送料小車的導(dǎo)引方案 .294 AGV 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 324.1 外圍電路 324.2 傳感器檢測電路 .34河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(shè)計(jì) 36結(jié) 論 39致 謝 41參考文獻(xiàn) 41河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(dòng)化、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、現(xiàn)代物流、自動(dòng)化立體倉庫等系統(tǒng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，自動(dòng)移動(dòng)送料小車作為AGV（英文 Automatic Guided Vehicle 的縮寫）的一種， 即自動(dòng)導(dǎo)引車。這些系統(tǒng)的輔助設(shè)備，其應(yīng)用范圍和技術(shù)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(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬貨物分揀的小型 AGV 系統(tǒng)。 AGV 是指裝備有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，按設(shè)定的路線自動(dòng)行使或牽引貨臺(tái)至指定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)，與其它物流設(shè)備自動(dòng)接口，全過程自動(dòng)化的無人駕駛輸送設(shè)備。按日本 JISD6801 的定義，AGV 是以電池為動(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱的工業(yè)車輛。自動(dòng)導(dǎo)引車只有按物料搬運(yùn)作業(yè)自動(dòng)化、柔性化和準(zhǔn)時(shí)化的要求，與自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、自動(dòng)裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等構(gòu)成自動(dòng)導(dǎo)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(jì)算機(jī)的管理下協(xié)調(diào)工作，并同其它物流設(shè)備實(shí)現(xiàn)高度集成，具備相當(dāng)?shù)娜嵝?，而且可以通過車載計(jì)算機(jī)和網(wǎng)上主機(jī)與其它設(shè)備進(jìn)行通訊的自動(dòng)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通訊、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的物流自動(dòng)化研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，是自動(dòng)化搬運(yùn)系統(tǒng)、物流倉儲(chǔ)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(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)，尤其適用于人員不宜進(jìn)入的工作場所。AGV 的應(yīng)用可極大地提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效 。 AGV 還廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、汽車制造、港口貨運(yùn)、電子產(chǎn)品裝配、造紙、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(yùn)行速度可達(dá)百米/分鐘，運(yùn)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(shè)備，尤其在柔性制造系統(tǒng)中被認(rèn)為是最有效的物料運(yùn)輸設(shè) 。 作為一種高效物流輸送設(shè)備和工廠自動(dòng)化的理想手段，80年代AGV 就已經(jīng)進(jìn)入我國市場，今后必將得到迅速發(fā)展和普及應(yīng)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(dú)具的優(yōu)越性（能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)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(yīng)用前景和重要的意義。1.2 自 動(dòng) 移 動(dòng) 送 料 小 車 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) AGV 發(fā) 展 現(xiàn) 狀A(yù)GV 是伴隨著柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉庫而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。從 20 世紀(jì) 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(dá) 64%。從對國外公司物料搬運(yùn)系統(tǒng)裝配類型的統(tǒng)計(jì)可以看出，采用自動(dòng)導(dǎo)引車、有軌搬運(yùn)車、起重機(jī)、輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)和懸掛運(yùn)輸機(jī)的分別占 41%、29%、9%、10%和 11%。 目前，從國內(nèi)總體來看，AGV 的應(yīng)用剛剛開始，相當(dāng)于國外 80 年代初的水平。但從應(yīng)用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)、家用電器行業(yè)、煙草行業(yè)、機(jī)械加工、倉庫、郵電部門等，這說明 AGV 有一個(gè)潛在的廣闊市 。 AGV 從技術(shù)的發(fā)展來看，河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文2主要是從固定線路向可調(diào)整線路；從簡單車載單元控制向復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制；從原始的段、點(diǎn)定期通訊到先進(jìn)的實(shí)時(shí)通訊等方向發(fā)展；從落后的現(xiàn)場控制到先進(jìn)的遠(yuǎn)程圖形監(jiān)控。從領(lǐng)域的發(fā)展看，主要是從較為集中的機(jī)械 制造、加工、裝配生產(chǎn)線向各行各業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、物料搬運(yùn)、物品倉儲(chǔ)、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(tái) AGV 是美國 Basrrett 電子公司于 20 世紀(jì) 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(yīng)式的跟蹤路徑自動(dòng)導(dǎo)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(dāng)?shù)姆蓊~，在這個(gè)時(shí)期，歐洲的 AGV 技術(shù)發(fā)展較快，這是由于歐洲公司已經(jīng)對托盤的尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一尺寸的托盤搬運(yùn)促進(jìn)了 AGV 在歐洲得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，并被引入美國用于自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運(yùn)輸。此時(shí)歐洲約裝備了 520 個(gè) AGV 系統(tǒng)，共有 4800 臺(tái)車，1985 年發(fā)展到一萬臺(tái)左右，為美、歐、日之首。其應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)向方式和技術(shù)得到更廣泛研究和開發(fā)。主要有電磁感應(yīng)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、磁鐵陀螺引導(dǎo)等方式，其中以激光引導(dǎo)方式發(fā)展較快，但電磁感應(yīng)引導(dǎo)和磁鐵陀螺引導(dǎo)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(dòng)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(dá) 1407 臺(tái)（包括牽引式車、叉式車 和單元裝載車），1987 年又新增加 1662 臺(tái)。美國各公司在歐洲技術(shù)的基礎(chǔ)上將 AGV發(fā)展到更為先進(jìn)的水平。他們采用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（可聯(lián)網(wǎng) PMS 或 CIMS）， 運(yùn)輸量更大、移載時(shí)間更短、具有在線充電功能(以便 24 小時(shí)運(yùn)行)、車和控制器可 靠性更高。此時(shí)美國的 AGV 生產(chǎn)廠商從 23 家（1983 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(yīng)用開始向小公司單臺(tái)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而且其效率和效益更好。到 90 年代，全世界已擁有 AGV10 萬臺(tái)以上。時(shí)至今日，AGV 技術(shù)日趨成熟，生 產(chǎn) AGV 的公司也越來越 ，圖 1-11-6 是 AGV 應(yīng)用的一些實(shí)例。圖 1-1 應(yīng)用于藥料收集的 AGV圖 1-2 應(yīng)用于汽車工業(yè)的 AGV圖 1-3 應(yīng)用于醫(yī)院的 AGV圖 1-4 應(yīng)用于造紙業(yè)的 AGV河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文4圖 1-5 應(yīng)用于卷煙廠的 AGV圖 1-6 應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)的 AGV1.2.2 國內(nèi) AGV 發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀A(yù)GV 在我國的研究及應(yīng)用起步較晚，北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所、清華大學(xué)、中國郵政科學(xué)研究規(guī)劃院、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所、大連組合機(jī)床研究所、國防科技大學(xué)和華東工學(xué)院都在進(jìn)行不同類型的 AGV 的研制并小批量投入生產(chǎn)。1975 年北京起重運(yùn)輸研究所完成我國第一臺(tái)電磁導(dǎo)引定點(diǎn)通信的 AGV，1989 年北京郵政科學(xué)研究規(guī)劃院完成我國第一臺(tái)雙向無線通信的 AGV，該院已能進(jìn)行 AGV 的批量生產(chǎn)，已生產(chǎn)和正在制造的 AGV 達(dá) 23 臺(tái)（截至 1996 年）。沈陽自動(dòng)化所為沈陽金杯汽車廠生產(chǎn)了 6 臺(tái) 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(yùn)輸，沈陽新松公司研制的 AGV 已經(jīng)通過了 ISO9001 國際質(zhì)量認(rèn)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(dǎo)引 方式。清華大學(xué)獨(dú)立研制的“ 自由路徑自動(dòng)導(dǎo)向 AGV”屬于無固定路徑導(dǎo)引的類型， 在路徑跟蹤研究方向具有較高的水平。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)出了用于郵政中心的 AGV，昆明船舶設(shè)備研究所研制了激光導(dǎo)向式 AGV 以及吉林工業(yè)大學(xué)為汽車裝配線研制了視覺導(dǎo)向 AGV 等。我國越來越多的工廠、科研機(jī)構(gòu)采用 AGV 為汽車裝配、郵政報(bào)刊分揀輸送、大型軍械倉庫、自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，AGV 在我國的應(yīng)用領(lǐng)域必河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文5將有廣闊的應(yīng)用前 。1.3 論 文 完 成 的 主 要 工 作本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)用于運(yùn)送模擬生產(chǎn)線托盤的小型 AGV 系統(tǒng)，即自動(dòng)移動(dòng)送料小車?？刂葡到y(tǒng)選用的核心控制器是 CS51 單片機(jī)，AGV 采用的導(dǎo)引方式是激光束導(dǎo)引，采用永磁直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng) AGV，在此基礎(chǔ)上完成整個(gè) AGV 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。論文完成的主要工作包括以下幾個(gè)方面：（1）總體方案的設(shè)計(jì)分析國內(nèi)外先進(jìn)的 AGV 的特點(diǎn)，結(jié)合我國的實(shí)際情況及實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件，進(jìn)行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)根據(jù)具體的工作條件和要求，遵循總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了自動(dòng)移動(dòng)送料小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)可以分為兩部分，第一部分是移載機(jī)構(gòu)，即負(fù)責(zé)在小車和生產(chǎn)線之間轉(zhuǎn)移托盤。第二部分是行走底盤，顧名思義，這部分結(jié)構(gòu)的主要功能是支撐上層構(gòu)建和行走驅(qū)動(dòng)。（3）控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括嵌入式控制系統(tǒng)的主控制電路部分的設(shè)計(jì)、直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、導(dǎo)向電路設(shè)計(jì)、障礙物檢測電路的設(shè)計(jì)、測速電路設(shè)計(jì)、工位檢測電 路設(shè)計(jì)。（4）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)考慮到實(shí)驗(yàn)條件和工作要求以及系統(tǒng)的資源情況實(shí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括 AGV 尋跡導(dǎo)向、外部中斷兩部分功能。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文62 自 動(dòng) 移 動(dòng) 送 料 小 車 AGV 技 術(shù) 分 析本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)移動(dòng)送料小車是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的物流設(shè)備，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中又將這種具備自動(dòng)導(dǎo)引能力的物流設(shè)備成為自動(dòng)導(dǎo)引車，即AGV。據(jù)此，本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)即為 AGV 技術(shù)。下文將對國內(nèi)外的 AGV 進(jìn)行技術(shù)分析，并以此引出自動(dòng)移動(dòng)送料小車的設(shè)計(jì)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(tái) AGV 的控制系統(tǒng)中通過編程都存有全部運(yùn)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(dá)目的地后要完成的任務(wù)就可以自動(dòng)選擇最佳路 線完成規(guī)定的任務(wù)，這種方式下，AGV 系統(tǒng)使用的主控機(jī)可以比較簡單，主控機(jī)與各 臺(tái) AGV 之間通過無線電或?qū)б€進(jìn)行連續(xù)通訊，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視所有 AGV 的工 作和運(yùn)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(tái)以內(nèi)的 AGV 構(gòu)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(jī)進(jìn)行控制。因此主控機(jī)必須有很強(qiáng)的處理能力。AGV 每隔一段距離通過地面通訊站與主控機(jī)交換數(shù)據(jù)，AGV 在通訊站之間的誤動(dòng)作不能及時(shí)通知主控機(jī)，當(dāng)主控機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，AGV 只能停止工作，此類 AGV 一般用來組成包含 50200 臺(tái) AGV 的 AGV 系統(tǒng)。 從系統(tǒng)擴(kuò)充的角度看，不論是增加 AGV 數(shù)量還是改變運(yùn)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(jié)構(gòu)來分，AGV 主要有以下幾種；河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(tái)式結(jié)構(gòu)，承載型 AGV 結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行較靈活，一般具有雙向運(yùn)行能力，易于與其它自動(dòng)化設(shè)備接口，可方便地實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)全過程的自動(dòng)化，用于搬運(yùn)線路不長，物料通過量較大的場合，比如可以用于自動(dòng)化立體倉庫倉庫收發(fā)站之間進(jìn)行物料搬運(yùn)，或在各加工中心之間搬 運(yùn)。承載型 AGV 可以用作移動(dòng)式機(jī)器人的載體，以擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍，也可用作移動(dòng)式裝配臺(tái)以提高自動(dòng)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(jìn)行運(yùn)輸，在自動(dòng)方式下只能單方 向運(yùn)行，如需增加反方向運(yùn)行能力，則必須設(shè)置專門的安全保護(hù)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(zhuǎn)彎半徑有限制，當(dāng)一次搬運(yùn)的 距離超過 60m，并且搬運(yùn)量較大時(shí)，可以使用牽引型 AGV。叉車式 AGV：此類 AGV 又稱自動(dòng)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?qū)Ｓ萌萜?。由于不易定位等原因，自?dòng)叉車裝卸物料的周期通常較長 。2.2 AGV 的 特 點(diǎn)AGV 的特點(diǎn)主要有如下幾種：（1）無人駕駛，AGV 上裝有自動(dòng)導(dǎo)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(yù)定路線自動(dòng)行使，將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。（2）柔性好，自動(dòng)化程度高和智能化水平高，AGV 的行使路徑可以根據(jù)倉儲(chǔ)貨位的要求、生產(chǎn)工藝流程等改變而靈活改變，并且路徑改變的費(fèi)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(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文8（3）AGV 一般配備有裝卸機(jī)構(gòu)，可以與其它物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)貨物或物料的裝卸與搬運(yùn)全過程自動(dòng)化。（4）可裝備多種聲光報(bào)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(dòng)停車，當(dāng)其列隊(duì)行使或在某一區(qū)域內(nèi)交叉運(yùn)行時(shí)，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在差錯(cuò)。因此，AGV 比其它物料搬運(yùn)系統(tǒng)更安全。（5）AGV 具有清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)，依靠自帶蓄電池提供動(dòng)力。運(yùn)行過程中無噪聲、無污染，可以應(yīng)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(yùn)行費(fèi)用，特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時(shí)。2.3 AGV 的 導(dǎo) 引 方 式導(dǎo)引方式是 AGV 的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對 AGV 的工作環(huán)境，用以下性能指標(biāo)評價(jià)各種導(dǎo)引技術(shù)：運(yùn)行范圍：由于多數(shù)導(dǎo)引技術(shù)在運(yùn)行路線超過一定長度后，系統(tǒng)的效率或性能會(huì)隨著路線的增長而不斷下降，所以運(yùn)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(yùn)行距離范圍。運(yùn)行精度：由于運(yùn)行路線設(shè)置時(shí)可能存在的誤差，及不同導(dǎo)引技術(shù)由于傳感器等因素而引起的固有誤差，AGV 實(shí)際運(yùn)行時(shí)不可能精確地沿著預(yù)定的路線行使，通常 AGV 在物料裝卸站點(diǎn)處需與其它的自動(dòng)化物流設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)接口，所以 AGV 在站點(diǎn)處必須有較高的運(yùn)行和定位精度。靈活性：AGV 大多是跟其它生產(chǎn)設(shè)備和工作人員處于同一工作環(huán)境中，因此 AGV 的導(dǎo)向系統(tǒng)應(yīng)保證有較好的可靠性，導(dǎo)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)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(dǎo)引方式下，AGV 啟/停控制、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文9彎道運(yùn)行、岔道選擇等實(shí)現(xiàn)的難易程度，另外，還應(yīng)考慮特定導(dǎo)引方式下，AGV 與中央控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊的實(shí)現(xiàn)方法和性能水平。系統(tǒng)成本：AGV 導(dǎo)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(yīng)裝置的復(fù)雜性及其維護(hù)要求決定。2.3.1 導(dǎo)引方式分類根據(jù) AGV 系統(tǒng)中 AGV 運(yùn)行路線的性質(zhì)，導(dǎo)引系統(tǒng)可分為固定路徑導(dǎo)引、自由路徑導(dǎo)引、組合路徑導(dǎo)引。固定路徑導(dǎo)引是指 AGV 運(yùn)行路線是以某種具體的形式規(guī)定的。自由路徑導(dǎo)引是指 AGV 的運(yùn)行路線是無任何具體形式的運(yùn)行軌道，AGV 沿虛擬的路線運(yùn)行。 組合路徑導(dǎo)引是指 AGV 在多數(shù)工作區(qū)間內(nèi)沿某種具體形式的固定路線運(yùn)行，而在某些區(qū)域可沿控制系統(tǒng)指定的虛擬路線運(yùn)行。2.3.2 AGV 典型的導(dǎo)引方法電磁感應(yīng)導(dǎo)引：早期的 AGV 均采用埋線導(dǎo)向方式，電磁感應(yīng)導(dǎo)引原理圖如圖 2-1 所示，即將電纜線按所設(shè)路線埋于地下，通以一定頻率（38KHz）的電流后產(chǎn)生感應(yīng)磁場，由裝在 AGV 車體下的電磁傳感器檢測磁場，導(dǎo)引 AGV 按預(yù)定路線行使。有分支路徑時(shí)，通過改變誘導(dǎo)電纜頻率，并在程序中指定分支時(shí)應(yīng)追蹤的頻率，AGV 即可按正確的路線行使。圖 2-1 電磁感應(yīng)導(dǎo)引原理圖這種導(dǎo)引方式的優(yōu)點(diǎn)是：可控制性好，可靠性高，不怕塵土污染，電纜導(dǎo)向電纜探頭導(dǎo)引電纜探頭轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向電機(jī)導(dǎo)向電機(jī)車體車體車體控制器河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(shè)多股電纜，有利于分支管理和通訊。其缺點(diǎn)是：鋪設(shè)工作量較大，改變和擴(kuò)充路線較困難。這種導(dǎo)引方式在車數(shù)太少時(shí)，地面費(fèi)用相比太高。 電磁感應(yīng)導(dǎo)引是傳統(tǒng)的導(dǎo)引技術(shù)，1954 年出現(xiàn)在美國的第一臺(tái) AGV 采用的就是 這種技術(shù)，目前已十分成熟，應(yīng)用最為廣泛，上海金山石化、泰山核電站、沈陽自動(dòng) 化所以及上海交通大學(xué)機(jī)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(dǎo)引方式。磁導(dǎo)引：磁導(dǎo)引是沿著運(yùn)行路線貼上磁條，AGV 通過時(shí)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(dǎo)引原理圖如圖 2-2 所示。圖 2-2 磁導(dǎo)引原理圖磁導(dǎo)引的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行范圍大，可靠性高，地面費(fèi)用較電磁感應(yīng)導(dǎo)引低，增設(shè)、變更路線較容易，不受污染物的影響，磁條和磁感應(yīng)傳感器無時(shí)效變化，穩(wěn)定性好，所以應(yīng)用比較廣泛，在磁導(dǎo)引方面，日本的研制和應(yīng)用走在前列。其缺點(diǎn)是：費(fèi)用比較高，維護(hù)比較困難。光學(xué)導(dǎo)引：光學(xué)導(dǎo)引的導(dǎo)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(shí)別。光學(xué)導(dǎo)引原理圖如圖 2-3 所示。當(dāng)光源發(fā)出的光照射到反光帶上，光學(xué)傳感器接受反射光線，并把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng) AGV 上的信號單元處理與識(shí)別單元磁傳感器陣列磁界磁帶或磁條河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文11處理后，來判斷 AGV 的運(yùn)行是否偏離導(dǎo)向路線，調(diào)整兩輪的轉(zhuǎn)速，使 AGV 沿由反光帶鋪設(shè)的路線運(yùn)行，反光帶也可以為鋁帶或不銹鋼帶，為適應(yīng)路線柔性變化，采用多根反光帶，并在其上附有代碼標(biāo)識(shí)，根據(jù)不同代碼給出直線、曲線等運(yùn)行信息。另外在路線交叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)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(shè)置光標(biāo)，用裝在 AGV 上的 CCD 視覺傳感器，同時(shí)捕捉兩個(gè)光A 在兩圖 2-3 光學(xué)導(dǎo)引原理圖光學(xué)導(dǎo)引的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行范圍大，運(yùn)行精度高，地面費(fèi)用低。缺點(diǎn)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(dǎo)引方式。上海鐵道大學(xué)機(jī)械工程系開發(fā)的行李包裹自動(dòng)分揀 AGV 即采用了光學(xué)導(dǎo)引方式。 激光導(dǎo)引：原理圖如圖 2-4 所示。導(dǎo)引方法是把激光光束掃描產(chǎn)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(jìn)行引導(dǎo)。這種導(dǎo)引與地面形狀無關(guān)，所以在由于地面原因而不能采用電傳感器磁導(dǎo)引和光學(xué)導(dǎo)引時(shí)是非常有效的。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文12圖 2-4 激光導(dǎo)引原理圖計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)引：計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)引通過 CCD 攝像機(jī)或超聲波掃描儀生成 AGV 周圍場景的圖像，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的環(huán)境地圖進(jìn)行特征匹配，從而確定 AGV 當(dāng)前位置和路線偏移的信息。這種導(dǎo)引的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行精度高、靈活性好，缺點(diǎn)是可控制性、AGV 費(fèi)用方面不理想。這種方式是目前最為先進(jìn)的導(dǎo)引技術(shù)，天津理工學(xué)院機(jī)械系研制的全方位視覺導(dǎo)引自動(dòng)車采用的就是這種技術(shù)。超聲波導(dǎo)引：超聲波測量導(dǎo)引方法類似于激光測量方法，不同之處在于需要設(shè)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(jìn)行引導(dǎo)，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(yīng)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(dá)到自動(dòng)導(dǎo)引的目的，而且價(jià)格十分低廉。由于本課題是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成的，不宜對環(huán)境進(jìn)行比較大的改造，且考慮到實(shí)驗(yàn)成本的問題，鑒于對以上導(dǎo)引技術(shù)的分析，采取尋跡光學(xué)導(dǎo)引方式是比較合適的。這是因?yàn)椋簩?shí)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(xué)傳感器檢測信號不易產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。 AGV 一旦接到命令，則按程序進(jìn)行工作。AGV 的行使路線由導(dǎo)引系統(tǒng)引導(dǎo)，并有專門的檢測裝置檢測 AGV 的運(yùn)行位置。為了均衡各工作站的負(fù)荷，保證物料的及時(shí)供應(yīng)或輸出，一個(gè)系統(tǒng)往往有多臺(tái) 光電探測器導(dǎo)向路線掃描反射鏡鏡激光器微型電機(jī)光束掃描范圍河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文13AGV，車上和地面要有可靠的導(dǎo)引設(shè)施、通訊設(shè)備和控制管理軟件，才能獲得安全運(yùn)輸優(yōu)化調(diào)度的效果。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文142.4 AGV 系 統(tǒng) 的 技 術(shù) 組 成 及 調(diào) 度 方 法AGV 系統(tǒng)由 AGV 和地面導(dǎo)引及管理系統(tǒng)組成，其中 AGV 由于應(yīng)用范圍很廣，具體的 應(yīng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、車載輔助機(jī)構(gòu)、車體等。地面導(dǎo)引與管理系統(tǒng)包括：調(diào)度/操作設(shè)備、通訊設(shè)備、導(dǎo)引/定位設(shè)備、交通管理系統(tǒng)、 輔助設(shè)備等。2.4.1 AGV 的技術(shù)組成行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：包括轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)部分，由于使用場合的不同要求，AGV 的行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)向原理區(qū)分：鉸軸式轉(zhuǎn)向和差速式轉(zhuǎn)向；（3）按傳動(dòng)配置方式區(qū)分：轉(zhuǎn)向輪與差動(dòng)輪合一或分開；前輪與后輪驅(qū)動(dòng)、對角式中間驅(qū)動(dòng)；三輪、四輪、五輪、六輪等不同配置形式。三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)是目前應(yīng)用最多的基本機(jī)構(gòu)，車體結(jié)構(gòu)一般是前輪利用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過兩輪的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，后輪為輔助輪。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可從零到無限大。 四輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本上與三輪的相同，兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前后帶有輔助輪的方式。 由于能繞車體中心旋轉(zhuǎn)，所以有利于在狹窄場所改變方向。當(dāng)然還有依據(jù)使用目的， 使用六輪驅(qū)動(dòng)車和車輪直徑不同的輪胎車。與四輪車相比，六輪車結(jié)構(gòu)相似，只不過 有更大的承載能力和穩(wěn)定性。（4）按傳動(dòng)電機(jī)分：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文15導(dǎo)向系統(tǒng)：AGV 完全依賴于導(dǎo)向系統(tǒng)指引其從一個(gè)工作點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)工作地點(diǎn)，導(dǎo)向系統(tǒng)的性能與采用的導(dǎo)引方式有關(guān)，根據(jù)不同的導(dǎo)引方式，AGV 可自動(dòng)沿著指定的路線運(yùn)行。動(dòng)力系統(tǒng)：AGV 是以蓄電池為動(dòng)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(shí)的工作需要，當(dāng)電力不足時(shí)，AGV 能自動(dòng)行使到指定位置充電。安全系統(tǒng)：AGV 常常是在人機(jī)共存的環(huán)境下工作，因此必須對人員的安全性進(jìn)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(shí)別物體，以便在此前停車或減速，或啟動(dòng)避讓措施以及優(yōu)化搬運(yùn)線路，另外在車架四周還設(shè)置帶機(jī)械微動(dòng)開關(guān)的緩沖器，萬一緩沖器撞上了障礙物仍能及時(shí)控制 AGV 停車，由于 AGV 系統(tǒng)是多臺(tái) AGV 同時(shí)工作的，為了增強(qiáng)對系統(tǒng)交通的可控性，一般需要在地面另外設(shè)置一些指示各段運(yùn)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(tái) AGV 的工作不發(fā)生沖突（任務(wù)沖突、路線 沖突等），所有 AGV 以及系統(tǒng)中的其它自動(dòng)化物流設(shè)備都是由主控機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制， AGV 需要從主控機(jī)獲得下一步工作的指令，同時(shí)需要將自身的狀態(tài)報(bào)告主控機(jī)，這些都是通過通訊系統(tǒng)來完成。有固定運(yùn)行路線的 AGV 可以通過在運(yùn)行路線上埋設(shè)的導(dǎo)線進(jìn)行感應(yīng)通訊，而全方位運(yùn)行的 AGV 只能采用無線通訊，當(dāng)干擾源較多時(shí)，通訊系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的可靠性，以保證系統(tǒng)正常工作。 控制系統(tǒng)：每臺(tái) AGV 上都配置車載機(jī)以控制 AGV 本身的工作，由數(shù)臺(tái) AGV 構(gòu)成 AGV 系統(tǒng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由主控機(jī)進(jìn)行監(jiān)視與控制，主控機(jī)一方面與更上一級控制系統(tǒng)（如 車間級控制系統(tǒng)）進(jìn)行通訊，接受物料搬運(yùn)任務(wù)并報(bào)告 AGV 系統(tǒng)的工作情況，另外還與各臺(tái) AGV 進(jìn)行通訊，根據(jù)具體的物料搬運(yùn)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，并向各臺(tái) AGV 布置任務(wù)， 同時(shí)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(yīng)地進(jìn)行交通管理，車載機(jī) 與主控機(jī)通過通訊系統(tǒng)交換信息。 車載輔助機(jī)構(gòu)：主要指各種類型的輔助物料裝卸河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文16機(jī)構(gòu)（如機(jī)械手、有動(dòng)力和無動(dòng) 力的輥道、推桿、油缸、升降臺(tái)）和精確定位機(jī)構(gòu)，以保證在 AGV 和其它裝置之間自動(dòng)傳送物料。這些輔助機(jī)構(gòu)可以和其它的物流設(shè)備自動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)物流裝卸和搬運(yùn)過程的自動(dòng)化。2.4.2 AGV 的調(diào)度方法AGV 使用中的路線優(yōu)化和實(shí)時(shí)調(diào)度是當(dāng)前 AGV 領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，實(shí)用中，人們采用的方法主要有如下幾種。（1）數(shù)學(xué)規(guī)劃方法為 AGV 選擇最佳的任務(wù)和最佳路徑，可以歸納為一個(gè)任務(wù)調(diào)度問題。數(shù)學(xué)歸納方 法是求解調(diào)度問題最優(yōu)解的傳統(tǒng)方法，該方法的求解過程實(shí)際上是一個(gè)資源限制下的尋優(yōu)過程。實(shí)用中的方法主要有整數(shù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、Petri 方法等。在小規(guī)模調(diào)度的情況下，這類方法可以得到較好的結(jié)果。但隨著調(diào)度規(guī)模的增加，求解問題耗費(fèi)的時(shí)間呈指數(shù)增長，限制了該方法在負(fù)責(zé)大規(guī)模實(shí)時(shí)線路優(yōu)化和調(diào)度中的應(yīng)用。（2）仿真方法仿真方法通過對實(shí)際的調(diào)度環(huán)境建模，而對 AGV 的一種調(diào)度方案的實(shí)施進(jìn)行計(jì)算 機(jī)模擬仿真，用戶和研究人員可以使用仿真手段對某些調(diào)度方案進(jìn)行測試、比較和監(jiān)控，從而改變和挑選調(diào)度策略。實(shí)用中采用的方法有離散事件仿真方法、面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ê腿S仿真技術(shù)，有許多軟件可用于 AGV的調(diào)度仿真，其中 Lanner 集團(tuán)的 Witness 軟件可以快速建立仿真模型，實(shí)現(xiàn)仿真過程的三維演示和結(jié)果的分析處理。 （3）人工智能方法人工智能方法把 AGV 的調(diào)度過程描述成一個(gè)滿足約束的解集搜索最優(yōu)解的過程。 它利用知識(shí)表示技術(shù)將人的知識(shí)包括進(jìn)去，同時(shí)使用各種搜索技術(shù)力求給出一個(gè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。其中，專家系統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中較多采用，它將調(diào)度專家的經(jīng)驗(yàn)抽象成系統(tǒng)可以理解和執(zhí)行的調(diào)度規(guī)則，并且采用沖突消解河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文17技術(shù)來解決大規(guī)模 AGV 調(diào)度中的規(guī)則膨脹和沖突問題。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行運(yùn)算、知識(shí)分布存儲(chǔ)、自適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，它成為求解大規(guī)模 AGV 調(diào)度問題的一個(gè)很有希望的方法。目前，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法成功求解了 TSP-NP 問題。遺傳算法在求解 AGV 的優(yōu)化調(diào)度問題時(shí)，首先通過編碼將一定數(shù)量的可能調(diào)度方案表示成適當(dāng)?shù)娜旧w， 并計(jì)算每個(gè)染色體的適應(yīng)度（如路徑最短），通過重復(fù)進(jìn)行復(fù)制、交叉、變異尋找適應(yīng)度大的染色體，即 AGV 調(diào)度問題的最優(yōu)解。單獨(dú)用一種方法來求解調(diào)度問題， 往往存在一定的缺陷。目前，將多種方法進(jìn)行融合來求解 AGV 的調(diào)度問題是一個(gè)研究熱點(diǎn)。如將專家系統(tǒng)與遺傳算法融合，把專家的知識(shí)融入到初始染色體群的形成中，加快求解速度和質(zhì)量。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文183 自 動(dòng) 移 動(dòng) 送 料 小 車 總 體 結(jié) 構(gòu)3.1 AGV 技 術(shù) 指 標(biāo) 及 運(yùn) 行本課題針對“現(xiàn)代物流集散控制系統(tǒng)”項(xiàng)目而提出的，研制一套自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)。該自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求為：能夠沿一條固定的激光導(dǎo)引束行走，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停和轉(zhuǎn)移托盤等操作，并能夠調(diào)整移載機(jī)構(gòu)的伸出量，以增強(qiáng)小車的移載能力和適應(yīng)能力。 3.2 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 方 案根據(jù)實(shí)際需要的不同，設(shè)計(jì)也有很大差別。本課題所研究的是在室內(nèi)環(huán)境下能夠自主行走、運(yùn)送托盤、自動(dòng)調(diào)節(jié)的小車。根據(jù)這個(gè)需求，本設(shè)計(jì)為圓傳送帶式輕型，激光束導(dǎo)引方式沿固定路徑進(jìn)行托盤運(yùn)輸。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)的驅(qū)動(dòng)器和速度控制控制器以及電源模塊，這些構(gòu)成了整個(gè)車載控制系統(tǒng)。圖 3-1 總體方案圖自動(dòng)導(dǎo)引小車車體主要由車架和相應(yīng)的機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)如蓄電池、電機(jī)、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(jié)構(gòu)。二輪 AGV 結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足常規(guī)性的需要。四輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但穩(wěn)定性好，承載能力比較大。六輪 AGV 和四輪AGV 在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向裝置通常有以下兩種結(jié)構(gòu)形式：1)鉸軸轉(zhuǎn)向式：設(shè)置轉(zhuǎn)向輪以控制旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿等結(jié)構(gòu)控制鉸軸，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向輪的方向控制。轉(zhuǎn)向輪可以和驅(qū)動(dòng)輪合而為一，也可以單獨(dú)設(shè)置。 2)差速轉(zhuǎn)向式：為 AGV 的左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪子的轉(zhuǎn)速比，產(chǎn)生速度差，來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，在這種模式下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪綜合輪子數(shù)量和轉(zhuǎn)向輪的形式等。AGV 的運(yùn)行機(jī)構(gòu)通常有以下幾種常見方式： 1)三輪鉸軸轉(zhuǎn)向式：如圖 2.2(a)所示，其中輪 1 為鉸軸轉(zhuǎn)向輪，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)輪，即前輪裝配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及減速設(shè)備等，在功能上即驅(qū)動(dòng)也轉(zhuǎn)向，后兩個(gè)輪子僅作隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，起承載作用，而沒有導(dǎo)向能力。當(dāng)然只給輪子 1 配置轉(zhuǎn)向電機(jī)，不作為驅(qū)動(dòng)輪使用，而將輪 2、輪 3 作為驅(qū)動(dòng)輪也是可 行的。 2)三輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向式：如圖 2.2(b)所示，其中輪 1 為隨動(dòng)輪，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而輪 2 和輪 3 是驅(qū)動(dòng)輪，由不同的電機(jī)控制，靠兩個(gè)輪子的不同轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車子 轉(zhuǎn)彎。 3)四輪鉸軸轉(zhuǎn)向式：圖 2.2(c)所示的就是前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動(dòng)的四輪模型，其中輪 1 和輪 2 為轉(zhuǎn)向輪，它們之間有同步輪轉(zhuǎn)向連桿，輪 3、輪 4 為驅(qū)動(dòng)輪，由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)。 4)四輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向式：如圖 2.2(d)、圖 2.2(e)所示，這是兩種不同結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)，而輪 3 和輪 4 都是驅(qū)動(dòng)輪，由不同的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，通過兩驅(qū)動(dòng)輪的速度差進(jìn)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文20行轉(zhuǎn)向。 5)四輪獨(dú)立導(dǎo)向式：如圖 2.2(所示，四個(gè)輪子都為驅(qū)動(dòng)輪，主要應(yīng)用其 變結(jié)構(gòu)功能，根據(jù)環(huán)境的變化實(shí)時(shí)地控制各輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而使其能夠適應(yīng)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(fù)雜一些。圖 3-2 AGV 行走系結(jié)構(gòu)考慮到本課題設(shè)計(jì)的 AGV 主要用于實(shí)驗(yàn)室中的模擬生產(chǎn)裝配線，單次運(yùn)輸重量有限，一般不超過 2 公斤，轉(zhuǎn)角允許半徑比較大、導(dǎo)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(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向四輪結(jié)構(gòu)的運(yùn)行精度雖然不是很高，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法簡單，因此經(jīng)過對技術(shù)路線反復(fù)比較，最終決定采用前后輪自由、中間驅(qū)動(dòng)的四輪式結(jié)構(gòu)。為了增加驅(qū)動(dòng)能力，采用較大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的直流電機(jī)作為行走驅(qū)動(dòng)裝置， 前輪采用萬向輪，整車采用差速轉(zhuǎn)彎，最小轉(zhuǎn)彎半徑可為零。AGV 的具體結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示，車體底部設(shè)有驅(qū)動(dòng)輪、萬向輪，車體內(nèi)設(shè)有行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)，傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)，螺紋絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在車體外部設(shè)置有限位開關(guān)，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(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文21車輪減速電機(jī)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(jìn)行水平移動(dòng)，可以微調(diào)與與托盤之間的距離，從而增加了小車的靈活性和適應(yīng)能力。3.3 行 走 系 統(tǒng)3.3.1 行走系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1）四輪底盤結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為四輪結(jié)構(gòu)，如圖所示，其中前后兩輪為從動(dòng)輪，是直徑為 50 向自由輪，中間兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，相互獨(dú)立，通過差速進(jìn)行方向控制，兩驅(qū)動(dòng)輪直徑均為 100mm，可通過 20mm 高障礙物。四個(gè)車輪成對稱分布這樣的對稱性有益于車體的前后左右轉(zhuǎn)向，也容易對車體姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算與控制。圖 3-2 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖（2）防止“架空“所謂“架空“現(xiàn)象就是因路面不平導(dǎo)致四輪不能同時(shí)與路面接觸，在行駛過程中驅(qū)動(dòng)輪無法與地面緊密接觸。由于本設(shè)計(jì)采用的是中間輪驅(qū)動(dòng)，這樣一來，“架空”將會(huì)使小車失去動(dòng)力，詳細(xì)如圖 3-3 所示。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(shè)計(jì)為了有效而簡單的解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了如3-4 圖所示的偏距結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)輪，這樣小車就不會(huì)產(chǎn)生架空現(xiàn)象。圖 3-4 架空式設(shè)計(jì)3.3.2 行走系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)如何使小車沿著固定的軌跡行駛，這是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵性問題。在前文的介紹中，已經(jīng)詳細(xì)的分析了各種導(dǎo)引方式的特點(diǎn)和應(yīng)用。立足于這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)獨(dú)特的設(shè)計(jì)了激光束導(dǎo)引方式。這種導(dǎo)引方式與反光帶導(dǎo)引方式既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，在設(shè)計(jì)中考慮到了反光帶的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)結(jié)合了激光束的亮度高和直線性好等特點(diǎn)，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出了激光束導(dǎo)引方式。下文將從小車的運(yùn)動(dòng)分析起，逐步介紹激光束導(dǎo)引方式。（1）自動(dòng)移動(dòng)送料小車的運(yùn)動(dòng)分析本課題中，自動(dòng)導(dǎo)引小車采用兩前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，以差動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，從動(dòng)輪隨動(dòng)的結(jié)構(gòu)，故將兩驅(qū)動(dòng)輪連線中心位置作為小車本身的標(biāo)志位置。那么，在運(yùn)行過程中，對小車行走軌跡的控制就轉(zhuǎn)變?yōu)閷υ擖c(diǎn)的軌跡控制問河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文23題。小車在轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖 3.3 所示。設(shè)左側(cè)車輪速度為代，右側(cè)為 V，車輛的運(yùn)動(dòng)速度：（3-1） （3-2）式子 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，B 為兩驅(qū)動(dòng)輪之間的距離。兩輪中心的運(yùn)動(dòng)速度在 X，Y 坐標(biāo)方向的分量為：（3-3）（3-4）對式子(32)(33)(34)分別積分得: （3-5）（3-6）（3-7）河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)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(35)(36)(37)可以看出，只要正確標(biāo)定小車的初始位置，控制左右兩驅(qū)動(dòng)輪的速度，便可使兩輪的中心跟蹤任何給定的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖 3-3 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)引車運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（2）確定傳動(dòng)方案直流減速電動(dòng)機(jī)是將原動(dòng)機(jī)和齒輪減速器集成為一起的動(dòng)力源，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大，成本低廉。為縮小車身空間和降低設(shè)計(jì)成本及設(shè)計(jì)工作量，本設(shè)計(jì)中所涉及到的電機(jī)都將采用這種直流減速電機(jī)，并使電機(jī)輸出軸和車輪直接相聯(lián)。（3）選擇電動(dòng)機(jī)小車采用差速轉(zhuǎn)向控制，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)所要承載的負(fù)荷、系統(tǒng)的自重以及車速要求，電機(jī)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(dòng)機(jī)功率：P=N·u·V·S=4w其中的 s 為小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的富裕度，取 S=2。根據(jù)以上的計(jì)算，本設(shè)計(jì)將采用型號為 ZGB60R 的直流減速電機(jī)，該型電機(jī)具有體積小、效率高、慣量低、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文25壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并且有無齒槽效應(yīng)，加速性能高、電磁干擾小、線性的電壓速度曲線，線性的負(fù)載速度曲線、線性的負(fù)載電流曲線、轉(zhuǎn)距波動(dòng)小、可短時(shí)過載、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)外形和技術(shù)參數(shù)如圖 3-5。圖 3-5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外形和技術(shù)參數(shù)（4）行走系統(tǒng)底盤架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到小車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用場合，小車屬于單件小批生產(chǎn)。因此，車身底盤將采用鋼板焊接形式。同時(shí)考慮到小車的行駛安全性，車輪的安裝采用內(nèi)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