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1、第1章 绪论1.1 集装箱自主搬运车目前的形式集装箱运输业一直是全球货运业的重要代表，并不断向大型化、智能化和绿色化方向发展。自动化是码头作业装备转型升级的核心。随着船舶的大型化，船舶载箱量增多，在集装箱吞吐量全球首位的中国，传统码头的发展已经遇到瓶颈。如今，国内首个全自动化码头系统厦门远海码头的建成不仅填补了我国自动化码头的空白，同时也树立了全球全自动化码头装卸系统的升级换代标准。集装箱自主搬运小车现在的主要以AGV的形式。没有车头车尾，没有驾驶室；轮胎近1人高，车身架在上面，像是个移动平台；使用锂电池能源，运行起来无声无息，没有发动机的轰鸣。在厦门远海自动化码头建设现场，你可以看到共计18
2、台这样的AGV自动导引小车穿梭忙碌。1.2 自动化集装箱码头的发展现状自 1993 年世界第一个自动化集装箱码头投入商业运营以来，自动化集装箱码头历经三代发展，其典型代表分别是荷兰鹿特丹港的ECT(Europe Combined Terminals)码头（1993年投入运营）、德国汉堡港的CTA(Container Terminal Altenwerder)码头（2002 年投入运营）（图1-1为德国高华自主搬运小车）和荷兰鹿特丹港的Euromax码头（2010年投入运营）。从世界自动化集装箱码头的分布和自动化程度来看，自动化集装箱码头历经如下发展趋势：（1）早期自动化集装箱码头集中分布在人力
3、成本较高的发达地区，当前则出现在世界范围内推广建设的趋势；（2）经历半自动化码头快速发展的过渡期后，全自动化码头已成为自动化集装箱码头发展新趋势，其技术先进性的优势不断显现。据统计，目前世界自动化集装箱码头分布情况如下：欧洲地区 10 个，亚洲地区 15 个，北美地区 4 个，澳洲地区 3 个。港口物流正朝着大规模、大流量、高速度方向发展。为了提高集装箱作业效率，实现多装，自主搬运车的发展趋势之一是扩大相关设备的吨位和能力。运用科学调控进行系统的规划设计，优化调度管理和工艺流程，提高搬运系统的自动化水平和运行效率，以及提高物流系统的管理水平实现一体化的协同联动。并且随着科技的发展，港口智能化是
4、集装箱搬运车发展的最终结果。图 1-1 德国高华自主搬运小车1.3 搭建自主搬运车模型的重要性目前自动化集装箱码头已成为世界主要港口和码头运营商的关注焦点。随着集装箱船的大型化，集装箱码头面临吞吐量急剧增加的巨大压力。加之劳动力成本增加和劳动力资源匮乏，以及环保理念深入人心，高效节能的自动化码头已成为码头发展的趋势。其中在码头中承担搬运工作的自主搬运车的功用极为重要|！我国港口若要参与国际竞争，就必须顺应这一发展趋势，加快自动化集装箱码头建设进程，洞悉其发展的潜在规律，有助于推动我国建设具有自主知识产权的自动化集装箱码头。所以，搭建自主搬运车模型有助于我们对集装箱搬运自动化的研究，对加快码头的
5、自动化进程极为重要。第2章 整体方案的确定2.1集装箱自主搬运车设计的参数集装箱自主搬运小车是个实体模型，为以后真正能在港口集装箱搬运工作中大展身手对集装箱搬运小车提出一个概念化设计，并用此模型进行初步科研试验。预期功能参数为： 小车质量 小车总体尺寸 小车底盘尺寸 最高行驶速度 鉴于模型实际提供情况和设计要求，将此集装箱自主搬运小车参数设计如下：表 2-1小车底盘参数尺寸425 300 120mm最大负载8kg马达无负载电流350mA额定电压DC 6V（最大 7.5V）输出轴速度295rpm + / - 5%堵转扭矩4kgcm底盘重量3.5kg驱动轮数6堵转电流5.5A2.2集装箱自主搬运小
6、车模型搭建的结构方案设计要求：自主搬运车技术已经取得了相当的进展，但在实际中遇到了各种有待解决的问题。实现自主搬运的同时又要对周边的工作环境有清晰的了解。若只采用摄像头来获取信息，则容易受到恶劣环境的影响，常导致摄像头被粉尘覆盖或者灯光明暗对反应周边信息不确却。自主搬运实现的距离，及通讯的稳定可靠也是一个问题。因而针对可能出现的问题，设计应满足以下要求：1. 小车运行路径的确定。小车车头安装高清摄像头，能清楚的捕捉路面黑线信息，行驶在正确的路线以及对路面行驶的控制。2. 通讯方面的可靠稳定性。为提高这部分性能软件部分以程序的编写为主，硬件部分有控制板卡，无线通讯设备的选型等。应在车上安装有无线
7、信号接收装置，对路况进行实时监测和路线预判管理。信号接收器要时刻处于稳定工作状态，避免因为地形、温度等环境因素导致工作失效等问题。3. 精度问题。当龙门吊控制集装箱下落至搬运车时，龙门吊与自主搬运车之间应有互相配合的信号，保证下落的精度，确保集装箱的下落位置和安装位置的固定。为了满足以上的设计要求，从以下的方面入手，初步确定整体方案。1.设计人员对机器和环境状态的了解问题。这方面主要是集装箱自主搬运车配以摄像头来实现。摄像头可以传送环境信息，集装箱自主搬运车可以通过接收到的环境信息来模拟控制小车的工作状况，从而来校验三维模型对比集装箱自主搬运车的效果，模拟仿真系统主要由集装箱搬运车模型组成。模
8、型又包括信号接收发送系统和底盘系统及动力系统。2.通讯方面的可靠稳定性。为提高这部分性能软件部分以程序的编写为主，硬件部分有驱动电路板，电路板，无线路由器的选型等。集装箱自主搬运小车操纵系统软件设计:以LabVIEW为基础，编写相对应的程序，构建定位操纵系统，系统将包含接收信号，发送定位等内容。3.精度方面。未来港口运输交通的发展趋势是自动化，电机驱动相对于液压驱动方式更易实现自动化控制，而且电机驱动效率高，节省空间。本次设计选定直流电机驱动系统来作为系统的动力源。直流电机木身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，一般其最高转速为6000-8000r/min。但出于其缺点目前除
9、了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。这方面内容的工作任务主要是针对的是直流电机的选型。因此本次设计主要从集装箱小车的动力系统又包括直流电机的选型和底盘的设计，控制通讯硬件的选取，及软件的程序编写为主。模型的搭建首先，搭建合适的挖掘机模型。主要包括，底盘总成和动力系统总成。集装箱自主搬运小车总体图2-1集装箱自主搬运车总体布置1、摄像头 2、电动机 3、轮胎 4、NI single-board RIO 5、驱动电路板 6、WIFI 模块 轮胎：采用越野型橡胶大花纹式的轮胎，胎面较宽，摩擦力大，能提供较大的地面附着力。轮圈轮辐：采用工程塑料制作，质量较轻，强度大，用于承受地面通过轮胎反作用
10、给机器人底盘的各向力与扭矩。轮毂：采用工程塑料制作，质量轻、强度高，用于传递电动机发出的转矩。电动机：采用直流式电动机，结构简单，转速高，自带34:1传动比的减速齿轮，可以输出大约4kg的扭力。弹簧悬架：采用人字型弹簧，在最大承载范围内能较好地承受负载，并平衡左右轮的位置，增加机器人行驶的稳定性。限位链条：用于限定车轮沿纵向旋转的活动范围，避免因车轮过旋转而导致弹簧过载。无线遥控通讯系统选定在实现自主搬运的过程中，无线通讯是保证同步的关键环节，它的可靠性直接关系到整个系统工作可靠性和控制性能。由于环境恶劣，所以无线通讯网络必须具备非常强的抗干扰性和稳定性。目前，比较主流的提高抗干扰能力的是在通
11、信方式中加入纠错编译码技术。而现在常用的遥操作挖掘小车的无线通信方式有无线Modem、数传模块、网桥等。轮式行走装置及各部件功用轮胎：采用越野型橡胶大花纹式的轮胎，胎面较宽，摩擦力大，能提供较大的地面 附着力。轮圈轮辐：采用工程塑料制作，质量较轻，强度大，用于承受地面通过轮胎反作用给小车底盘的各向力与扭矩。 轮毂：采用工程塑料制作，质量轻、强度高，用于传递电动机发出的转矩。 电动机：采用直流式电动机，结构简单，转速高，自带 34：1 传动比的减速齿轮，可以输出大约 4kg 的扭力。 弹簧悬架：采用人字型弹簧，在最大承载范围内能较好地承受负载，并平衡左右轮的位置，增加小车行驶的稳定性。 限位链条
12、：用于限定车轮沿纵向旋转的活动范围，避免因车轮过旋转而导致弹簧过载。第3章 结构设计3.1 轮式底盘电机的最大驱动力 （3-1）式中： ； ； 。 其中： ， ， 得 3.2 初步计算小车最高速度根据小车底盘电动机参数可得参考最高行驶速度 （3-2）式中： ； 。 即集装箱自主搬运车所能达到的最高速度满足预期行驶速度 1.5 m/s 的要求。3.3 集装箱自主搬运车行驶阻力1.滚动阻力实验用混凝土路面，路面滚动阻力系数为 根据公式： （3-3）式中： 由于小车行驶速度和胎压均很低，故不考虑速度和胎压对滚动阻力系数的影响，也不考虑转变行驶时由轮胎侧偏引起的 f 的变化5。2. 空气阻力根据公式
13、(3-4)式中： ； ； 。取 ； ；。以参考行驶速度为标准可得3. 加速阻力根据公式 (3-5)计算时，通过进而通过公式算出远大于电动机所能提供的转动速度，故实际小车所能达到的最高速度等于参考车速，即 3.4 小车的路面附着力小车的路面最大附着力计算公式式中： 道路附着系数表如表 3-1，取，则在平坦路面上，地面对轮胎的最大附着力故满足集装箱自主搬运小车的动力性要求；表 3-1摩擦系数表3.6 小车底盘额定功率以最高车速计算小车底盘额定功率，此时坡道阻力与加速阻力为零，根据公式 （3-6）其中： 计算过程：3.7 小车续航时间 续航时间公式： （3-7）式中 为通电电流（mA）。1、 计算只有底盘连续工作时的续航时间：每个驱动马达的工作电流为： ；因此集装箱自主搬运小车上的两个电池套装只提供六个马达同时工作的续航时间t:3.8底盘的转向系统设计无人地面车辆一般，通过使车轮的两侧的速度不同，产生速度差，实现车辆在地面上的转向，这即通常所说的差速转向。图 3-1 六轮底盘小车运动
