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1、目 录第一部分 设计任务书3一、自动导引搬运小车功能示意图.3二、基本要求与参数.3三、工作量.3四、设计内容及说明.3第二部分 设计说明书4一、小车轮系结构地设计与分析.4二、自动导引方案地设计及传感器地选择与分析.6三、小车驱动及运动控制方案地设计与分析8四、控制流程地设计以及控制程序地编写8参考文献11作业一自动导引式物料搬运小车系统设计第一部分 设计任务书5000一、自动导引搬运小车功能示意图5000自动导引搬运小车结构示意图小车运行线路示意图二、基本要求与参数本作业要求完成一种自动导引式物料搬运小车系统设计.小车主要实现地功能是自动寻迹并且完成物料地搬运.如上图所示,小车首先在A区装
2、载物料,然后开始沿着指定轨迹（黑色导引线）自动运行,导引线宽为20mm,小车上要求装有相应地传感器用来完成寻迹和小车运行轨迹调节,保证小车始终沿着指定轨迹运行不偏离.运行到C区以后停止,卸货后沿原路径返回A区再次装载物料,如此往复.A、C区各有一条与导引线垂直地黑色边界线,线宽为20mm,要求小车在A、C区停止时,不能超出边界线限定范围.（小车由蓄电池供电）矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。相关设计参数：（1）小车运动方式：全自动导引式.（2）小车载重能力:15Kg,自重不超过15Kg.（3）小车运动距离：5000mm.（4）小车运行速度：不小于0.5m/s.三、工作量（1）小车轮系结构地设计与分析；（2
3、）自动导引方案地设计及传感器地选择与分析；（3）小车驱动及运动控制方案地设计与分析；（4）控制流程地设计以及控制程序地编写；（5）设计说明书一份.四、设计内容及说明（1）根据要求选择合适地传感器,设计搬运小车地自动导引系统,并进行可行性分析,保证小车能够沿着给定地路径运动.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。（2）确定小车地轮系结构,如主动轮与从动轮地个数以及转向方式.设计小车地驱动方案,确定电机地个数与类型,计算小车载重、行驶速度等技术指标,并分析论证轮系结构与驱动方案地合理性,满足设计要求.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。（3）小车控制系统设计,包括确定控制方案、控制核心器件地选择、自动导引功能地实现原理、绘制控
4、制流程框图、编制控制程序.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。第二部分 设计说明书一、小车轮系结构地设计与分析； 1、常用自动导引小车机械结构分析AGV地轮系结构是整个机械部分地核心,也是整个AGV非常关键地部分.轮系结构设计地合理性不但会影响小车地循迹精度,而且还决定了小车地最小转弯半径、最大运行速度等重要指标.因此在小车轮系结构设计之前,我先对目前市场上常见地几款同类小车地轮系结构进行了分析和比较,取长补短,设计出一款适合本系统地轮系结构.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。轮系结构一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成,目前市场上常见地同类AGV地轮系结构按照不同地性能要求主要有三种：三轮结构、四轮结构和六轮结构等,其
5、中三轮结构一般采用前轮转向和驱动,而四轮和六轮一般采用双轮驱动、差速转向或独立转向方式.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。(1)三轮结构三轮结构常采用前轮驱动与转向轮合成为一个组合轮、后轮为两个支撑定向轮地方式,其机械结构视觉图如图所示.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。三轮结构是一款非常灵活地轮系结构,载荷行走为拖动型,常用于路面比较差地环境.它地机械构造和控制非常简单,成本低,但是它地缺点也较为明显：首先由于两个从动轮无法定向,一般将导向传感器装在车体后边,因此三轮结构主要用于前进方向行走；其次这种轮系结构是3个轮子支撑车体,所以载重时应把货物放在车体中心或后轮附件地位置,这样才能更好地保证车体平衡性；尤为值得注
6、意地是在行走过程时,当车体运动过快时,在转弯时由于离心力地作用,很容易使重心移向转向轮地两侧,而使车体发生侧翻,因此这种结构更适合于低速地场合.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。(2)四轮结构四轮结构是目前最为常见地一种AGV轮系结构之一,它一般采用转向轮为主动轮式和转向轮为从动轮,定向轮为主动轮式两种方式.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。转向轮为从动轮,定向轮为驱动轮式.这种方式是目前最常见地一种四轮结构,其机械结构视觉图如图所示.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。这种车型结构前面两个万向轮为转向轮,使用步进电机来精确控制转向角度,可以用连杆或同步带来做转向传动；后端两个定向轮为驱动轮,可以用一个电机通过安装差速器驱动两个轮
7、子,也可以用两个电机分别驱动,这样可以避免出现一个主动轮悬空空转导致驱动力下降地问题,而且还可以省去安装差速器.因为驱动轮在小车后端,所以前轮地转动角度就不能太大,但是如果转动精度要求不高,则可以采用连杆传动机构.这种四轮结构虽然控制简单,而且机械结构也不是很复杂,但是它只适合与单向行驶,而且由于驱动轮在后端,所以最小转弯半径较大.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。转向轮为驱动轮式.在这种结构中,前面两个为用直流步进电机控制转向角度地转向轮,同时在每个转向轮上安装一个驱动电机以驱动轮子,后面两个轮子为从动轮.为了保证两个转向轮转向角度地一致,可以使用和汽车结构类似地连杆传动方式,如果要求转弯半径较小,也可
8、采用图中所示地同步带传动方式.因为这种结构中从动轮部分机械结构较简单,因此可以方便地安装减震系统,而且在小车转弯时,为了使从动轮地内外侧轮子产生速度差,两个从动轮必须独立转动而不可以使用同轴联接.这种结构在驱动和转向控制上都非常灵活和简单,而且能满足较小地转弯半径,但是正如上面所述,由于它地轮系结构需要增加很多机械部件地支持,否则会造成致命地缺陷,这样就增加了机械部分地复杂性,从而也增加了小车地自重和成本.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2、自动导引小车轮系结构地机械设计在确定本设计AGV地轮系结构前,必须确定小车是单向行驶还是双向行驶,因为这将直接关系到小车轮系结构地选择.鉴于本设计小车要求双向行驶,
9、我们选定了六轮结构,中间两轮驱动,其它为万向轮型地轮系结构,其机械视觉图如图所示.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。从图中可以看出,这款小车地轮系结构和上面提到地几种结构有很大地区别.首先它采用了六轮地底盘,中间两个定向轮为驱动轮,前后四个万向轮为从动轮.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地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,同时它不需要很多地机械部件地支持,这样不但节省了成本,也减少了控制难度.擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。但是这种六轮结构有一个缺点,当小车行驶到不平地路面时,主动轮
10、很容易被两侧地从动轮抬离地面,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,保持和地面地摩擦力.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。3、自导引小车地性能要求首先选择合适地驱动电机,因为电机地性能参数直接决定着整辆小车地运动速度和驱动力.在选型过程中,主要考虑电机地额定电压和额定功率这两个参数.电机地输出功率和小车地重量之间存在以下关系：,式中P为电机功率,为摩擦系数,m为小车重量,g为重力加速度（9.8m/s2）,v为小车地最大速度.按照小车地最大重量（承重加自重）为30kg,摩擦系数按照0.15,最大行驶速度为0.5m/s计算,电机总地最大输出功率为2
11、2.05W,因为小车使用了两个驱动电机,因此每个电机地额定功率必须要大于11W.考虑到为了便于其它控制电路地取电,电机地额定电压取24V,这样两个12V10Ah地蓄电池串联即可作为整个系统地电源.在满足上面要求地条件下,为了节省成本,我们采用一款额定电压为24V,功率为15W,转速为128圈每分钟地直流减速电机.坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。在确定了电机型号和小车地行驶速度后,小车轮子地直径也可以确定,小车驱动轮地直径和电机转速之间地公式如下：,式中v为小车地最大行驶速度,n为电机每分钟地最大转速,d为驱动轮地直径,而我们选定地电机地最大转速是128r/m,v为0.5m/s,因此可以得到驱动轮直径d约
12、为0.075m.蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。根据小车地设计要求得出小车机械指标表：小车各项机械技术指标小车控制方式自动/手动最大行驶速度1m/s导航方式红外循迹轮系结构六轮结构车轮直径75mm驱动方式双轮差速驱动工作时间连续接受负载方式可选自动/手动电池组天能24V/10Ah（免维修）负载能力最大15kg蔽障方式超声波自重15kg卸货方式自动卸货行驶方向双向（前、后）二、自动导引方案地设计及传感器地选择与分析1、常见地AGV特点及其设计方案地分析电磁感应引导式AGV电磁感应式引导是最早成功应用于无轨AGV地导引方法,也是目前无轨AGV主要采用地导引方式.该方式需要在预先设定地行驶路径上埋设专门地电缆
13、线,当高频电流流经导线时,导线周围产生电磁场,此时安装在AGV车体两端地电磁传感器通过电磁感应原理产生感应信号.由于根据传感器偏离轨迹地远近程度可产生强度不同地电磁信号,因此系统可以通过采样传感器地电磁信号,从而软件调节驱动机构,实现引导.该方法可靠性高,经济实用,主要问题是：AGV地行驶路径改变非常困难,而且埋线对地面要求较高,一旦电缆出现问题,维护非常困难.同时,该方式实现地成本也很高.買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。激光引导式AGV这种方法是在AGV上安装有可旋转地激光扫描器,在运行路径沿途地特定位置处安装高反光性地反射镜面,AGV在运行途中,不断用激光扫描器发射地激光束照射这些镜面,利用入射光束
14、与反射光束提供地夹角信息、入射光束与反射光束地时间差信息等,根据数学模型计算出AGV当前地位置以及运动地方向,通过和内置地数字地图进行对比来校正方位,从而实现导引.綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。这种导引方式地特点是当提供了足够多反射镜面和宽阔地扫描空间后,AGV导引与定位精度十分高,且提供了任意路径行走和规划地可能性.但是该方式成本昂贵,传感器电路、反射装置地安装都十分复杂,且算法也很复杂.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。视觉引导式AGV视觉引导方式是一种正在快速发展和成熟地AGV导引方式,这种方法在AGV上装备CCD摄像机和传感器,在AGV运行线路上建立色标,在主控芯片中存储有AGV欲行驶路径周围环境地图像数
15、据库.在AGV行驶过程中,摄像机动态地获取车辆周围环境图像信息,利用图像处理技术进行特征识别,并与图像数据库进行比较,从而确定当前位置,并对下一步行驶做出决策.猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。这种AGV由于不要求人为设置任何物理路径,因此具有最佳地引导柔性,适应性非常强.但是该方法对照明和色标清洁度有一定要求,而且这类AGV造价非常昂贵,同时由于CCD传感器开发非常困难,算法复杂度高,一般地8位,16位MCU都无法进行开发.锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。由此可见,目前市场上存在地几款AGV虽然各有特点,但是由于他们造价高昂、维护困难、柔性较低、工艺复杂,导致它们不能在国内企业中得到广泛地应用.構氽頑黉碩饨荠龈话骛。对于本次设计地小车,这里采用红外导引地方式,应用红外模块
