自动移动送料小车设计

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要本课题所设计的自动移动运送小车采用自动导引技术，应用于本校的模拟自动生产线上，主要功能是运送托盘。自动移动运送小车属于柔性生产线系统中的新兴物流设备之一，即自动导引车，英文简称 AGV。因此，在本设计中将充分研究和应用当代的 AGV 技术。AGV 即自动导引小车，它集声、光、电、计算机技术于一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术，属于移动式机器人的一个分支。在柔性制造系统和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统，可极大的提高生产自动化程度和生产效率，是一种非常有发展前途的物流输送设备。本文介绍AGV 在国内外发展现状和应用情况，结合实验室实际条件，设计了光学导引式AGV 样机。其主要工作内容包括:小车机械本体设计、 89C51 单片机控制系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计。关键词：AGV； 自动导引； 光学导引； 89C51 单片机河南理工大学万方科技学院本科毕业论文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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目 录摘 要 .IABSTRACT.1目录 I1 绪 论 11.1 课题背景及研究意义 11.2 自动移动送料小车的关键技术 AGV 发展现状 .21.2.1 国外 AGV 发展的历史及现状 31.2.2 国内 AGV 发展的历史及现状 51.3 论文完成的主要工作 62 自动移动送料小车 AGV 技术分析 72.1 AGV 的类型 .72.2 AGV 的特点 82.3 AGV 的导引方式 92.3.1 导引方式分类 .102.3.2 AGV 典型的导引方法 .102.4 AGV 系统的技术组成及调度方法 .142.4.1 AGV 的技术组成 .142.4.2 AGV 的调度方法 .163 自动移动送料小车总体结构 183.1 AGV 技术指标及运行 183.2 总体结构设计方案 .183.3 行走系统 .213.3.1 行走系统方案设计 .213.3.2 行走系统的技术设计 .223.4 移载系统 263.4.1 移载系统的方案设计 .263.4.2 移载系统技术设计 .273.5 自动移动送料小车的导引方案 .294 AGV 驱动控制系统电路设计 324.1 外围电路 324.2 传感器检测电路 .34河南理工大学万方科技学院本科毕业论文i4.2.1 固定轨迹检测传感器 .344. 2. 2 障碍检测传感器 .355 控制系统软件设计 36结 论 39致 谢 41参考文献 41河南理工大学万方科技学院本科毕业论文01 绪 论1.1 课题背景及研究意义随着工厂自动化、计算机集成制造系统、柔性制造系统、现代物流、自动化立体仓库等系统的快速发展和广泛应用，自动移动送料小车作为AGV（英文 Automatic Guided Vehicle 的缩写）的一种， 即自动导引车。这些系统的辅助设备，其应用范围和技术水平也要得到快速的发展和提高，本课题就是在这样的背景下，根据 AGV 的应用设计了一个模拟货物分拣的小型 AGV 系统。 AGV 是指装备有自动导向系统，按设定的路线自动行使或牵引货台至指定地点，实现物料的自动装卸和搬运，与其它物流设备自动接口，全过程自动化的无人驾驶输送设备。按日本 JISD6801 的定义，AGV 是以电池为动力源的一种自动操纵的工业车辆。自动导引车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通讯系统、安全系统、管理系统等构成自动导引车系统 AGVS（Automatic Guided Vehicle System）才能真正发挥作用。AGVS 则是指 AGV 在中央控制计算机的管理下协调工作，并同其它物流设备实现高度集成，具备相当的柔性，而且可以通过车载计算机和网上主机与其它设备进行通讯的自动化物流输送系统。AGV 是集人工智能、信息处理和图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计、电子技术等多个学科的物流自动化研究和应用的热点之一，是自动化搬运系统、物流仓储系统、柔性制造系统（FMS）和柔性装配系统（FAS）的重要装备。它除了在柔性制造系统和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统外，AGV 还广泛用于工厂的货物转运，尤其适用于人员不宜进入的工作场所。AGV 的应用可极大地提高生产自动化程度和生产效 。 AGV 还广泛应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文1发电 厂、电子行业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达百米/分钟，运输能力可以从几千克到几十吨，是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统中被认为是最有效的物料运输设 。 作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，80年代AGV 就已经进入我国市场，今后必将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是 AGV 本身所独具的优越性（能实现自动运输、效率高、可以在比较恶劣的环 境下工作等）所决定的。因此研究 AGV 控制系统有着非常广阔的应用前景和重要的意义。1.2 自 动 移 动 送 料 小 车 的 关 键 技 术 AGV 发 展 现 状AGV 是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化立体仓库而产生并发展起来的。从 20 世纪 80 年代中期开始，57%的 AGV 用于汽车制造业，而在德国则高达 64%。从对国外公司物料搬运系统装配类型的统计可以看出，采用自动导引车、有轨搬运车、起重机、辊子输送机和悬挂运输机的分别占 41%、29%、9%、10%和 11%。 目前，从国内总体来看，AGV 的应用刚刚开始，相当于国外 80 年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等，这说明 AGV 有一个潜在的广阔市 。 AGV 从技术的发展来看，河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2主要是从固定线路向可调整线路；从简单车载单元控制向复杂系统计算机控制；从原始的段、点定期通讯到先进的实时通讯等方向发展；从落后的现场控制到先进的远程图形监控。从领域的发展看，主要是从较为集中的机械 制造、加工、装配生产线向各行各业自动化生产、物料搬运、物品仓储、商品配送等行业发 。1.2.1 国外 AGV 发展的历史及现状世界上第一台 AGV 是美国 Basrrett 电子公司于 20 世纪 50 年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统，小车采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。到了 60 年代和 70 年代初，除 Basrrett 公司以外，Webb 和 Clark 公司在 AGV 市场也占有相当的份额，在这个时期，欧洲的 AGV 技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了 AGV 在欧洲得到迅速发展和推广应用，并被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。此时欧洲约装备了 520 个 AGV 系统，共有 4800 台车，1985 年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为：汽车工业（57%），柔性制造系统 FMS（8%）和柔性装配系统 FAS（35% ）。从 80 年代初开始，新的导向方式和技术得到更广泛研究和开发。主要有电磁感应引导、激光引导、磁铁陀螺引导等方式，其中以激光引导方式发展较快，但电磁感应引导和磁铁陀螺引导方式占有较大比例。1981 年 John 公司将 AGV 连接到 AS/RS 来提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984 年， 通用汽车公司便成为 AGV 的最大用户，1986 年已达 1407 台（包括牵引式车、叉式车 和单元装载车），1987 年又新增加 1662 台。美国各公司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（可联网 PMS 或 CIMS）， 运输量更大、移载时间更短、具有在线充电功能(以便 24 小时运行)、车和控制器可 靠性更高。此时美国的 AGV 生产厂商从 23 家（1983 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文3年）骤增至 74 家（1985 年）。90 年代以来， AGV 从仅由大公司应用开始向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。到 90 年代，全世界已拥有 AGV10 万台以上。时至今日，AGV 技术日趋成熟，生 产 AGV 的公司也越来越 ，图 1-11-6 是 AGV 应用的一些实例。图 1-1 应用于药料收集的 AGV图 1-2 应用于汽车工业的 AGV图 1-3 应用于医院的 AGV图 1-4 应用于造纸业的 AGV河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4图 1-5 应用于卷烟厂的 AGV图 1-6 应用于钢铁工业的 AGV1.2.2 国内 AGV 发展的历史及现状AGV 在我国的研究及应用起步较晚，北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的 AGV 的研制并小批量投入生产。1975 年北京起重运输研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的 AGV，1989 年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线通信的 AGV，该院已能进行 AGV 的批量生产，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生产了 6 台 AGV，用于装配线上，可以说是汽车工业中用得较成功的 AGV。成都卷烟厂利用 AGV 用于仓库运输，沈阳新松公司研制的 AGV 已经通过了 ISO9001 国际质量认证，安徽合力股份有限公司制造的 AGV 在市场上占有很大份额。以上的 AGV 均为无固定路径导引 方式。清华大学独立研制的“ 自由路径自动导向 AGV”属于无固定路径导引的类型， 在路径跟踪研究方向具有较高的水平。清华大学计算机系研发出了用于邮政中心的 AGV，昆明船舶设备研究所研制了激光导向式 AGV 以及吉林工业大学为汽车装配线研制了视觉导向 AGV 等。我国越来越多的工厂、科研机构采用 AGV 为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。随着经济的发展，AGV 在我国的应用领域必河南理工大学万方科技学院本科毕业论文5将有广阔的应用前 。1.3 论 文 完 成 的 主 要 工 作本课题设计了一个用于运送模拟生产线托盘的小型 AGV 系统，即自动移动送料小车。控制系统选用的核心控制器是 CS51 单片机，AGV 采用的导引方式是激光束导引，采用永磁直流减速电机驱动 AGV，在此基础上完成整个 AGV 驱动控制系统的软、硬件设计。论文完成的主要工作包括以下几个方面：（1）总体方案的设计分析国内外先进的 AGV 的特点，结合我国的实际情况及实验室的现有条件，进行系统总体方案的设计。（2）机械结构部分的设计根据具体的工作条件和要求，遵循总体方案设计，进一步设计了自动移动送料小车的机械结构。其机械结构可以分为两部分，第一部分是移载机构，即负责在小车和生产线之间转移托盘。第二部分是行走底盘，顾名思义，这部分结构的主要功能是支撑上层构建和行走驱动。（3）控制系统的硬件电路的设计控制系统硬件电路设计包括嵌入式控制系统的主控制电路部分的设计、直流电机 驱动电路设计、导向电路设计、障碍物检测电路的设计、测速电路设计、工位检测电 路设计。（4）系统软件的设计考虑到实验条件和工作要求以及系统的资源情况实，系统软件设计主要包括 AGV 寻迹导向、外部中断两部分功能。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文62 自 动 移 动 送 料 小 车 AGV 技 术 分 析本课题所设计的自动移动送料小车是自动化生产线中的物流设备，在自动化生产线中又将这种具备自动导引能力的物流设备成为自动导引车，即AGV。据此，本设计的关键技术即为 AGV 技术。下文将对国内外的 AGV 进行技术分析，并以此引出自动移动送料小车的设计思路。2.1 AGV 的 类 型按照自主程度划分，AGV 可分为智能型和普通型两类：智能型 AGV：每台 AGV 的控制系统中通过编程都存有全部运行路线和线路区段控 制的信息，AGV 只需知道目的地和到达目的地后要完成的任务就可以自动选择最佳路 线完成规定的任务，这种方式下，AGV 系统使用的主控机可以比较简单，主控机与各 台 AGV 之间通过无线电或导引线进行连续通讯，控制系统可以实时监视所有 AGV 的工 作和运行位置。即使通讯中断，AGV 仍能以各种降格方式工作。对于 30 台以内的 AGV 构成的系统，多数采用这种工作方式。普通型 AGV：这种类型的 AGV 的控制系统一般比较简单，其本身的所有功能、路 线规划和区段控制都由主控机进行控制。因此主控机必须有很强的处理能力。AGV 每隔一段距离通过地面通讯站与主控机交换数据，AGV 在通讯站之间的误动作不能及时通知主控机，当主控机出现故障时，AGV 只能停止工作，此类 AGV 一般用来组成包含 50200 台 AGV 的 AGV 系统。 从系统扩充的角度看，不论是增加 AGV 数量还是改变运行路线，智能型 AGV 系统都较普通型 AGV 系统简单。 从用途和结构来分，AGV 主要有以下几种；河南理工大学万方科技学院本科毕业论文7承载型 AGV：这是最为通用的一种 AGV 形式，大多为平台式结构，承载型 AGV 结构紧凑，运行较灵活，一般具有双向运行能力，易于与其它自动化设备接口，可方便地实现物料搬运全过程的自动化，用于搬运线路不长，物料通过量较大的场合，比如可以用于自动化立体仓库仓库收发站之间进行物料搬运，或在各加工中心之间搬 运。承载型 AGV 可以用作移动式机器人的载体，以扩大机器人的工作范围，也可用作移动式装配台以提高自动化装配过程的灵活性。牵引型 AGV：这种形式的 AGV 以主体牵引挂车进行运输，在自动方式下只能单方 向运行，如需增加反方向运行能力，则必须设置专门的安全保护装置。其挂车上钩和脱钩均需人工操作。由于挂车长度不同，所以对最小转弯半径有限制，当一次搬运的 距离超过 60m，并且搬运量较大时，可以使用牵引型 AGV。叉车式 AGV：此类 AGV 又称自动叉车，有高度变化的货叉，可以直接存取处于不同高度的货架和装卸站上的货物，一般需要使用辅助托盘或专用容器。由于不易定位等原因，自动叉车装卸物料的周期通常较长 。2.2 AGV 的 特 点AGV 的特点主要有如下几种：（1）无人驾驶，AGV 上装有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定路线自动行使，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。（2）柔性好，自动化程度高和智能化水平高，AGV 的行使路径可以根据仓储货位的要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送带相比非常低廉。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文8（3）AGV 一般配备有装卸机构，可以与其它物流设备自动接口，实现货物或物料的装卸与搬运全过程自动化。（4）可装备多种声光报警系统，能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍物之前自动停车，当其列队行使或在某一区域内交叉运行时，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在差错。因此，AGV 比其它物料搬运系统更安全。（5）AGV 具有清洁生产的特点，依靠自带蓄电池提供动力。运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。（6）与其它物料输送方式相比，初期投资大，但可以大幅度降低运行费用，特别是在产品类型和工位较多时。2.3 AGV 的 导 引 方 式导引方式是 AGV 的关键技术之一。针对 AGV 的工作环境，用以下性能指标评价各种导引技术：运行范围：由于多数导引技术在运行路线超过一定长度后，系统的效率或性能会随着路线的增长而不断下降，所以运行范围是指保证系统的效率和性能不下降的情况下，AGV 的最大运行距离范围。运行精度：由于运行路线设置时可能存在的误差，及不同导引技术由于传感器等因素而引起的固有误差，AGV 实际运行时不可能精确地沿着预定的路线行使，通常 AGV 在物料装卸站点处需与其它的自动化物流设备进行自动接口，所以 AGV 在站点处必须有较高的运行和定位精度。灵活性：AGV 大多是跟其它生产设备和工作人员处于同一工作环境中，因此 AGV 的导向系统应保证有较好的可靠性，导向系统的可靠性主要包括系统发生失灵的可能性，导向机构本身影响或阻止系统发挥正常功能的可能性。可控制性：AGV 的可控制性是指在一定的导引方式下，AGV 启/停控制、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文9弯道运行、岔道选择等实现的难易程度，另外，还应考虑特定导引方式下，AGV 与中央控制系统之间数据通讯的实现方法和性能水平。系统成本：AGV 导向系统包括车载装置和地面装置两部分，各部分的成本主要由相应装置的复杂性及其维护要求决定。2.3.1 导引方式分类根据 AGV 系统中 AGV 运行路线的性质，导引系统可分为固定路径导引、自由路径导引、组合路径导引。固定路径导引是指 AGV 运行路线是以某种具体的形式规定的。自由路径导引是指 AGV 的运行路线是无任何具体形式的运行轨道，AGV 沿虚拟的路线运行。 组合路径导引是指 AGV 在多数工作区间内沿某种具体形式的固定路线运行，而在某些区域可沿控制系统指定的虚拟路线运行。2.3.2 AGV 典型的导引方法电磁感应导引：早期的 AGV 均采用埋线导向方式，电磁感应导引原理图如图 2-1 所示，即将电缆线按所设路线埋于地下，通以一定频率（38KHz）的电流后产生感应磁场，由装在 AGV 车体下的电磁传感器检测磁场，导引 AGV 按预定路线行使。有分支路径时，通过改变诱导电缆频率，并在程序中指定分支时应追踪的频率，AGV 即可按正确的路线行使。图 2-1 电磁感应导引原理图这种导引方式的优点是：可控制性好，可靠性高，不怕尘土污染，电缆导向电缆探头导引电缆探头转向机构导向电机导向电机车体车体车体控制器河南理工大学万方科技学院本科毕业论文10埋在地面下不易遭破坏，适用于一般工业环境，同一沟槽可铺设多股电缆，有利于分支管理和通讯。其缺点是：铺设工作量较大，改变和扩充路线较困难。这种导引方式在车数太少时，地面费用相比太高。 电磁感应导引是传统的导引技术，1954 年出现在美国的第一台 AGV 采用的就是 这种技术，目前已十分成熟，应用最为广泛，上海金山石化、泰山核电站、沈阳自动 化所以及上海交通大学机电工程系与合肥叉车总厂合作开发的 AGV 采用的都是这种导引方式。磁导引：磁导引是沿着运行路线贴上磁条，AGV 通过时依靠车上磁力传感器，检测磁场的存在，并不断纠正 AGV 的位置偏差，使 AGV 沿规定路线行走。磁导引原理图如图 2-2 所示。图 2-2 磁导引原理图磁导引的优点是：运行范围大，可靠性高，地面费用较电磁感应导引低，增设、变更路线较容易，不受污染物的影响，磁条和磁感应传感器无时效变化，稳定性好，所以应用比较广泛，在磁导引方面，日本的研制和应用走在前列。其缺点是：费用比较高，维护比较困难。光学导引：光学导引的导向路线是用反光材料涂成的反光带，反光带颜色一般与地面反差较大，以使两者反光程度有一定不同，便于识别。光学导引原理图如图 2-3 所示。当光源发出的光照射到反光带上，光学传感器接受反射光线，并把光信号转换成电信号，经 AGV 上的信号单元处理与识别单元磁传感器阵列磁界磁带或磁条河南理工大学万方科技学院本科毕业论文11处理后，来判断 AGV 的运行是否偏离导向路线，调整两轮的转速，使 AGV 沿由反光带铺设的路线运行，反光带也可以为铝带或不锈钢带，为适应路线柔性变化，采用多根反光带，并在其上附有代码标识，根据不同代码给出直线、曲线等运行信息。另外在路线交叉点和转弯处，近来一般不贴反光带，采用自由路径行走方式，即在路线上设置光标，用装在 AGV 上的 CCD 视觉传感器，同时捕捉两个光A 在两图 2-3 光学导引原理图光学导引的优点是：运行范围大，运行精度高，地面费用低。缺点是：要求工作环境清洁，对办公室等污染小的地方不失为一种很好的导引方式。上海铁道大学机械工程系开发的行李包裹自动分拣 AGV 即采用了光学导引方式。 激光导引：原理图如图 2-4 所示。导引方法是把激光光束扫描产生的轨迹定为直线路线，安装在 AGV 上的光电探测器，检测光束的感光位置，并测量偏离路线的偏移量，以此进行引导。这种导引与地面形状无关，所以在由于地面原因而不能采用电传感器磁导引和光学导引时是非常有效的。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文12图 2-4 激光导引原理图计算机视觉导引：计算机视觉导引通过 CCD 摄像机或超声波扫描仪生成 AGV 周围场景的图像，与计算机系统中存储的环境地图进行特征匹配，从而确定 AGV 当前位置和路线偏移的信息。这种导引的优点是运行精度高、灵活性好，缺点是可控制性、AGV 费用方面不理想。这种方式是目前最为先进的导引技术，天津理工学院机械系研制的全方位视觉导引自动车采用的就是这种技术。超声波导引：超声波测量导引方法类似于激光测量方法，不同之处在于需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而，在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案，属于自由路线方式。但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难，此种方法多用于集装箱码头，利用规律摆放的集装箱反射超声波，可以很好地达到自动导引的目的，而且价格十分低廉。由于本课题是在实验室环境下完成的，不宜对环境进行比较大的改造，且考虑到实验成本的问题，鉴于对以上导引技术的分析，采取寻迹光学导引方式是比较合适的。这是因为：实室的地面环境比较平整，场地比较理想，光反射规律比较规范，且环境亮度符合要求，光学传感器检测信号不易产生错误动作。 AGV 一旦接到命令，则按程序进行工作。AGV 的行使路线由导引系统引导，并有专门的检测装置检测 AGV 的运行位置。为了均衡各工作站的负荷，保证物料的及时供应或输出，一个系统往往有多台 光电探测器导向路线扫描反射镜镜激光器微型电机光束扫描范围河南理工大学万方科技学院本科毕业论文13AGV，车上和地面要有可靠的导引设施、通讯设备和控制管理软件，才能获得安全运输优化调度的效果。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文142.4 AGV 系 统 的 技 术 组 成 及 调 度 方 法AGV 系统由 AGV 和地面导引及管理系统组成，其中 AGV 由于应用范围很广，具体的 应用目的和工作环境差别很大，因此有很多的形式，但从功能看，重要包括：行走驱动系统、导向系统、动力系统、安全系统、控制系统、车载辅助机构、车体等。地面导引与管理系统包括：调度/操作设备、通讯设备、导引/定位设备、交通管理系统、 辅助设备等。2.4.1 AGV 的技术组成行走驱动系统：包括转向和驱动部分，由于使用场合的不同要求，AGV 的行走驱动机构形式繁多。（1）按行走方向区分：单向、双向和全方位式；（2）按转向原理区分：铰轴式转向和差速式转向；（3）按传动配置方式区分：转向轮与差动轮合一或分开；前轮与后轮驱动、对角式中间驱动；三轮、四轮、五轮、六轮等不同配置形式。三轮移动机构是目前应用最多的基本机构，车体结构一般是前轮利用两轮独立驱动，通过两轮的速度差实现转弯，后轮为辅助轮。这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从零到无限大。 四轮的驱动机构和运动基本上与三轮的相同，两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式。 由于能绕车体中心旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。当然还有依据使用目的， 使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车。与四轮车相比，六轮车结构相似，只不过 有更大的承载能力和稳定性。（4）按传动电机分：伺服电机驱动、步进电机驱动或普通直流电机驱动；河南理工大学万方科技学院本科毕业论文15导向系统：AGV 完全依赖于导向系统指引其从一个工作点到达另一个工作地点，导向系统的性能与采用的导引方式有关，根据不同的导引方式，AGV 可自动沿着指定的路线运行。动力系统：AGV 是以蓄电池为动力源的，一般为通用的工业蓄电池或汽车蓄电池，要求电池容量满足 8 小时的工作需要，当电力不足时，AGV 能自动行使到指定位置充电。安全系统：AGV 常常是在人机共存的环境下工作，因此必须对人员的安全性进行充分的考虑，一般 AGV 上装有红外线或超声波检测装置，对检测装置的要求是：在车前急停区前识别物体，以便在此前停车或减速，或启动避让措施以及优化搬运线路，另外在车架四周还设置带机械微动开关的缓冲器，万一缓冲器撞上了障碍物仍能及时控制 AGV 停车，由于 AGV 系统是多台 AGV 同时工作的，为了增强对系统交通的可控性，一般需要在地面另外设置一些指示各段运行路线被占用情况的辅助装置。通讯系统：在 AGV 系统中，为了使各台 AGV 的工作不发生冲突（任务冲突、路线 冲突等），所有 AGV 以及系统中的其它自动化物流设备都是由主控机进行统一控制， AGV 需要从主控机获得下一步工作的指令，同时需要将自身的状态报告主控机，这些都是通过通讯系统来完成。有固定运行路线的 AGV 可以通过在运行路线上埋设的导线进行感应通讯，而全方位运行的 AGV 只能采用无线通讯，当干扰源较多时，通讯系统必须有较强的可靠性，以保证系统正常工作。 控制系统：每台 AGV 上都配置车载机以控制 AGV 本身的工作，由数台 AGV 构成 AGV 系统时，整个系统由主控机进行监视与控制，主控机一方面与更上一级控制系统（如 车间级控制系统）进行通讯，接受物料搬运任务并报告 AGV 系统的工作情况，另外还与各台 AGV 进行通讯，根据具体的物料搬运任务进行规划，并向各台 AGV 布置任务， 同时收集各 AGV 发出的信息以监视系统的工作情况，并相应地进行交通管理，车载机 与主控机通过通讯系统交换信息。 车载辅助机构：主要指各种类型的辅助物料装卸河南理工大学万方科技学院本科毕业论文16机构（如机械手、有动力和无动 力的辊道、推杆、油缸、升降台）和精确定位机构，以保证在 AGV 和其它装置之间自动传送物料。这些辅助机构可以和其它的物流设备自动接口，实现物流装卸和搬运过程的自动化。2.4.2 AGV 的调度方法AGV 使用中的路线优化和实时调度是当前 AGV 领域的一个研究热点，实用中，人们采用的方法主要有如下几种。（1）数学规划方法为 AGV 选择最佳的任务和最佳路径，可以归纳为一个任务调度问题。数学归纳方 法是求解调度问题最优解的传统方法，该方法的求解过程实际上是一个资源限制下的寻优过程。实用中的方法主要有整数规划、动态规划、Petri 方法等。在小规模调度的情况下，这类方法可以得到较好的结果。但随着调度规模的增加，求解问题耗费的时间呈指数增长，限制了该方法在负责大规模实时线路优化和调度中的应用。（2）仿真方法仿真方法通过对实际的调度环境建模，而对 AGV 的一种调度方案的实施进行计算 机模拟仿真，用户和研究人员可以使用仿真手段对某些调度方案进行测试、比较和监控，从而改变和挑选调度策略。实用中采用的方法有离散事件仿真方法、面向对象的仿真方法和三维仿真技术，有许多软件可用于 AGV的调度仿真，其中 Lanner 集团的 Witness 软件可以快速建立仿真模型，实现仿真过程的三维演示和结果的分析处理。 （3）人工智能方法人工智能方法把 AGV 的调度过程描述成一个满足约束的解集搜索最优解的过程。 它利用知识表示技术将人的知识包括进去，同时使用各种搜索技术力求给出一个令人满意的解。具体的方法有专家系统方法、遗传算法、启发式算法、神经网络算法。其中，专家系统方法在实际应用中较多采用，它将调度专家的经验抽象成系统可以理解和执行的调度规则，并且采用冲突消解河南理工大学万方科技学院本科毕业论文17技术来解决大规模 AGV 调度中的规则膨胀和冲突问题。由于神经网络具有并行运算、知识分布存储、自适应强等优点。因此，它成为求解大规模 AGV 调度问题的一个很有希望的方法。目前，用神经网络方法成功求解了 TSP-NP 问题。遗传算法在求解 AGV 的优化调度问题时，首先通过编码将一定数量的可能调度方案表示成适当的染色体， 并计算每个染色体的适应度（如路径最短），通过重复进行复制、交叉、变异寻找适应度大的染色体，即 AGV 调度问题的最优解。单独用一种方法来求解调度问题， 往往存在一定的缺陷。目前，将多种方法进行融合来求解 AGV 的调度问题是一个研究热点。如将专家系统与遗传算法融合，把专家的知识融入到初始染色体群的形成中，加快求解速度和质量。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文183 自 动 移 动 送 料 小 车 总 体 结 构3.1 AGV 技 术 指 标 及 运 行本课题针对“现代物流集散控制系统”项目而提出的，研制一套自动导引车系统。该自动导引车系统的性能指标要求为：能够沿一条固定的激光导引束行走，实现自动起停和转移托盘等操作，并能够调整移载机构的伸出量，以增强小车的移载能力和适应能力。 3.2 总 体 结 构 设 计 方 案根据实际需要的不同，设计也有很大差别。本课题所研究的是在室内环境下能够自主行走、运送托盘、自动调节的小车。根据这个需求，本设计为圆传送带式轻型，激光束导引方式沿固定路径进行托盘运输。整个系统的结构框图如图 2-1，其中包括主控制模块、光敏元件检测光信号电路、直流电机的驱动器和速度控制控制器以及电源模块，这些构成了整个车载控制系统。图 3-1 总体方案图自动导引小车车体主要由车架和相应的机械电气结构如蓄电池、电机、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文19减速部分、车轮等所组成。资料显示，现有的 AGV 按照轮子数量多少，一般可以分为三轮、四轮或 者六轮结构。二轮 AGV 结构简单，能够满足常规性的需要。四轮结构比较复杂，但稳定性好，承载能力比较大。六轮 AGV 和四轮AGV 在结构和设计思路上都基本类似，不过具有更大的承载能力和稳定性，因此后面主要分析四轮情况。AGV 的转向装置通常有以下两种结构形式：1)铰轴转向式：设置转向轮以控制旋转方向，转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆等结构控制铰轴，从而实现对转向轮的方向控制。转向轮可以和驱动轮合而为一，也可以单独设置。 2)差速转向式：为 AGV 的左右两个驱动轮分别设置两个独立的驱动电机，通过控制左右轮子的转速比，产生速度差，来实现车体的转向，在这种模式下，非驱动轮应为自由轮综合轮子数量和转向轮的形式等。AGV 的运行机构通常有以下几种常见方式： 1)三轮铰轴转向式：如图 2.2(a)所示，其中轮 1 为铰轴转向轮，同时也是驱动轮，即前轮装配有驱动电机、转向电机以及减速设备等，在功能上即驱动也转向，后两个轮子仅作随动运动，起承载作用，而没有导向能力。当然只给轮子 1 配置转向电机，不作为驱动轮使用，而将轮 2、轮 3 作为驱动轮也是可 行的。 2)三轮差动转向式：如图 2.2(b)所示，其中轮 1 为随动轮，可以自由转动，而轮 2 和轮 3 是驱动轮，由不同的电机控制，靠两个轮子的不同转速实现车子 转弯。 3)四轮铰轴转向式：图 2.2(c)所示的就是前轮转向，后轮驱动的四轮模型，其中轮 1 和轮 2 为转向轮，它们之间有同步轮转向连杆，轮 3、轮 4 为驱动轮，由同一个驱动电机带动。 4)四轮差动转向式：如图 2.2(d)、图 2.2(e)所示，这是两种不同结构的四轮模型，但控制模式基本一致，其中轮 1 和轮 2 为自由轮，可以自由转动，而轮 3 和轮 4 都是驱动轮，由不同的电机来驱动，通过两驱动轮的速度差进河南理工大学万方科技学院本科毕业论文20行转向。 5)四轮独立导向式：如图 2.2(所示，四个轮子都为驱动轮，主要应用其 变结构功能，根据环境的变化实时地控制各轮的转速和转向，从而使其能够适应更恶劣的工作环境，控制更灵活，不过这种方式控制也相对来说复杂一些。图 3-2 AGV 行走系结构考虑到本课题设计的 AGV 主要用于实验室中的模拟生产装配线，单次运输重量有限，一般不超过 2 公斤，转角允许半径比较大、导引线定位偏差要求不高，总体工作要求不是很苛刻。中间轮驱动差速转向四轮结构的运行精度虽然不是很高，但是结构设计和控制方法简单，因此经过对技术路线反复比较，最终决定采用前后轮自由、中间驱动的四轮式结构。为了增加驱动能力，采用较大驱动转矩的直流电机作为行走驱动装置， 前轮采用万向轮，整车采用差速转弯，最小转弯半径可为零。AGV 的具体结构如图 2-3 所示，车体底部设有驱动轮、万向轮，车体内设有行走驱动电机，传送带驱动电机，螺纹丝杠驱动电机。在车体外部设置有限位开关，接近传感器。在车体前段装有小车的“眼睛”，一组线阵河南理工大学万方科技学院本科毕业论文21车轮减速电机万向轮排列的光敏晶体管。小车的移载系统采用圆皮带做为传送带，移载系统可以进行水平移动，可以微调与与托盘之间的距离，从而增加了小车的灵活性和适应能力。3.3 行 走 系 统3.3.1 行走系统方案设计（1）四轮底盘结构系统设计方案为四轮结构，如图所示，其中前后两轮为从动轮，是直径为 50 向自由轮，中间两轮为驱动轮，相互独立，通过差速进行方向控制，两驱动轮直径均为 100mm，可通过 20mm 高障碍物。四个车轮成对称分布这样的对称性有益于车体的前后左右转向，也容易对车体姿态进行计算与控制。图 3-2 行走系统结构简图（2）防止“架空“所谓“架空“现象就是因路面不平导致四轮不能同时与路面接触，在行驶过程中驱动轮无法与地面紧密接触。由于本设计采用的是中间轮驱动，这样一来，“架空”将会使小车失去动力，详细如图 3-3 所示。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文22图 3-3 架空现象尽管小车的工作路面是比较平整的，但如果小车四轮在同一水平面上，架空现象仍然不可避免。本设计为了有效而简单的解决这个问题，设计了如3-4 图所示的偏距结构。这样的设计可以使小车在具备一定平整度的路面上行驶过程中，始终保持三轮接地，而且其中有两轮为驱动轮，这样小车就不会产生架空现象。图 3-4 架空式设计3.3.2 行走系统的技术设计如何使小车沿着固定的轨迹行驶，这是本设计的一个关键性问题。在前文的介绍中，已经详细的分析了各种导引方式的特点和应用。立足于这些技术的基础上，本设计独特的设计了激光束导引方式。这种导引方式与反光带导引方式既相互联系又相互区别，在设计中考虑到了反光带的优缺点和实验条件，同时结合了激光束的亮度高和直线性好等特点，创新的设计出了激光束导引方式。下文将从小车的运动分析起，逐步介绍激光束导引方式。（1）自动移动送料小车的运动分析本课题中，自动导引小车采用两前轮独立驱动，以差动方式实现转弯，从动轮随动的结构，故将两驱动轮连线中心位置作为小车本身的标志位置。那么，在运行过程中，对小车行走轨迹的控制就转变为对该点的轨迹控制问河南理工大学万方科技学院本科毕业论文23题。小车在转向时的运动学分析如图 3.3 所示。设左侧车轮速度为代，右侧为 V，车辆的运动速度：（3-1） （3-2）式子 为车轮的转动速度，B 为两驱动轮之间的距离。两轮中心的运动速度在 X，Y 坐标方向的分量为：（3-3）（3-4）对式子(32)(33)(34)分别积分得: （3-5）（3-6）（3-7）河南理工大学万方科技学院本科毕业论文24式子中 x0,y0 为车的初始位置,A0 为车的初始方位角。由式(35)(36)(37)可以看出，只要正确标定小车的初始位置，控制左右两驱动轮的速度，便可使两轮的中心跟踪任何给定的运动轨迹。图 3-3 两轮独立驱动自动导引车运动学分析（2）确定传动方案直流减速电动机是将原动机和齿轮减速器集成为一起的动力源，其特点是结构紧凑，输出转矩大，成本低廉。为缩小车身空间和降低设计成本及设计工作量，本设计中所涉及到的电机都将采用这种直流减速电机，并使电机输出轴和车轮直接相联。（3）选择电动机小车采用差速转向控制，每个驱动轮都有独立的驱动电机。根据所要承载的负荷、系统的自重以及车速要求，电机功率确定如下：小车车身重量：N=200N小车最高行驶速度：V=0.5m/s车轮与地面摩擦系数：u=0.2电动机功率：P=N·u·V·S=4w其中的 s 为小车驱动电机的富裕度，取 S=2。根据以上的计算，本设计将采用型号为 ZGB60R 的直流减速电机，该型电机具有体积小、效率高、惯量低、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文25寿命长的优点，并且有无齿槽效应，加速性能高、电磁干扰小、线性的电压速度曲线，线性的负载速度曲线、线性的负载电流曲线、转距波动小、可短时过载、结构紧凑的特点。驱动电机外形和技术参数如图 3-5。图 3-5 驱动电机的外形和技术参数（4）行走系统底盘架的结构设计考虑到小车结构特点和应用场合，小车属于单件小批生产。因此，车身底盘将采用钢板焊接形式。同时考虑到小车的行驶安全性，车轮的安装采用内藏式。小车的底盘零部件图可参看附录，下面图 3-6 是底盘的二维剖视图。图 3-7 底盘剖视图考虑到底盘需要承载移载系统、电源和电路等附件，所以它除了要具备