1、哈工大制造系统自动化大作业自动导引式物料搬运小车系统设计方案自动导引式物料搬运小车系统设计课程名称：制造系统自动化学生姓名：XXXX学 号：10908104XX班 级：0908104作业一自动导引式物料搬运小车系统设计一）任务书一、自动导引搬运小车功能示意图图1 自动导引搬运小车结构示意图图2 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。小车主要实现的功能是自动寻迹并且完成物料的搬运。如上图所示，小车首先在A区装载物料，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的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
2、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的黑色边界线，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）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）小车轮系结构的设计与分析；2）自动导引方案的设计及传感器的选择与分析；3）小车驱动及运动控制方案的设计与分析；4）控制流程的设计以及控制程序的编写；5）设计说明书一份。四、设计内容及说明1）根据要求选择合适的
3、传感器，设计搬运小车的自动导引系统，并进行可行性分析，保证小车能够沿着给定的路径运动。2）确定小车的轮系结构，如主动轮与从动轮的个数以及转向方式。设计小车的驱动方案，确定电机的个数与类型，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的合理性，满足设计要求。3）小车控制系统设计，包括确定控制方案、控制核心器件的选择、自动导引功能的实现原理、绘制控制流程框图、编制控制程序。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的方式，其机械结构视觉图如图1-1所示。图1-1 三轮结构机械示意图图中小车后端的两个即为同轴定向的从动轮，前端主动轮为可以转180度
4、的万向轮。主动轮上需装备两个电机，一个是用于控制方向的，一般使用精度较高的步进电机；另一个用于驱动小车，一般使用直流减速电机。三轮结构是一款非常灵活的轮系结构，载荷行走为拖动型，常用于路面比较差的环境。它的机械构造和控制非常简单，成本低，但是它的缺点也较为明显：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的位置，这样才能更好的保证车体平衡性；尤为值得注意的是在行走过程时，当车体运动过快时，在转弯时由于离心力的作用，很容易使重心移向转向轮的两侧，而使车体发生侧翻，因此这种结
5、构更适合于低速的场合。(2四轮结构四轮结构是目前最为常见的一种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。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的一种四轮结构，其机械结构视觉图如图1-2所示。图 1-2 转向轮为从动轮，定向轮为主动轮式机械效果图这种车型结构同普通汽车一样，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的问题，而且还可以省去安装差速器。因
6、为驱动轮在小车后端，所以前轮的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。转向轮为驱动轮式。这种方式的四轮结构也是目前市场上较为常见的一种轮系结构，工业生产中使用的叉车就类似于这种结构，其机械视觉图如图1-3所示。图 1-3 转向轮为驱动轮式机械效果图在这种结构中，前面两个为用直流步进电机控制转向角度的转向轮，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的一致，可以使用和汽车结构类似的连杆传动方式，如
7、果要求转弯半径较小，也可采用图中所示的同步带传动方式。因为这种结构中从动轮部分机械结构较简单，因此可以方便的安装减震系统，而且在小车转弯时，为了使从动轮的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，而且能满足较小的转弯半径，但是正如上面所述，由于它的轮系结构需要增加很多机械部件的支持，否则会造成致命的缺陷，这样就增加了机械部分的复杂性，从而也增加了小车的自重和成本。(3其它结构以上叙述的三轮结构和四轮结构其实是最简单，也是最常见的两种轮系结构，在它们的基础上可以演变出其它的轮系结构：如三轮结构往往会在转弯过程中侧翻，因此可以在转
8、向轮两侧安置两个贴近地面的轮子，这种轮系结构也是目前市场上常见的改进性三轮结构。其它的轮系结构其基本原理都和上述轮系结构相似，因此不再详述。2、自动导引小车轮系结构的机械设计在确定本设计AGV的轮系结构前，有一个重要的技术指标必须确定：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的选择。鉴于本设计小车要求双向行驶，我们选定了六轮结构，中间两轮驱动，其它为万向轮型的轮系结构，其机械视觉图如图1-4所示。图1-4 六轮结构机械效果图从图中我们可以看出，这款小车的轮系结构和上面提到的几种结构有很大的区别。首先它采用了六轮的底盘，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
9、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。3、自导引小车的性能要求在确定了小
10、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为小车的最大速度。按照小车的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，电机总的最大输出功率为22.05W，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11W。考虑到为了便于其它控制电路的取电，电机的额定
11、电压取24V，这样两个12V10Ah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15W，转速为128圈每分钟的直流减速电机。在确定了电机型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0.075m。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1-1所示的小车机械指标表。表 1-1小车各项机械技术指标小车
12、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、自动导引方案的设计及传感器的选择与分析1、国内常见的几款AGV特点及其设计方案的分析在设计前期我们对目前国内市场上常见的几款AGV进行了调研，对它们的性能、特点和设计方案作了详细的分析和比较。这些AGV按照其自动行驶过程中的导引方式，主要分为以下三款：电磁感应引导式AGV，激光引导式AGV，视觉引导式AGV，现对这三款AGV的设计思路
13、和方案及特性进行简要的介绍。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的导引方法，也是目前无轨AGV主要采用的导引方式。该方式需要在预先设定的行驶路径上埋设专门的电缆线，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车体两端的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的远近程度可产生强度不同的电磁信号，因此系统可以通过采样传感器的电磁信号，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的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，该方式实现的成本也很高。激光引导式AGV这种方
14、法是在AGV上安装有可旋转的激光扫描器，在运行路径沿途的特定位置处安装高反光性的反射镜面，AGV在运行途中，不断用激光扫描器发射的激光束照射这些镜面，利用入射光束与反射光束提供的夹角信息、入射光束与反射光束的时间差信息等，根据数学模型计算出AGV当前的位置以及运动的方向，通过和内置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现导引。这种导引方式的特点是当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后，AGV导引与定位精度十分高，且提供了任意路径行走和规划的可能性。但是该方式成本昂贵，传感器电路、反射装置的安装都十分复杂，且算法也很复杂。视觉引导式AGV视觉引导方式是一种正在快速发展和成熟的AGV导引方式，这种
15、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的图像数据库。在AGV行驶过程中，摄像机动态的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。这种AGV由于不要求人为设置任何物理路径，因此具有最佳的引导柔性，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，一般的8位，16位MCU都无法进行开发。由此可见，目前市场上存在的几款AGV虽然各有特点，但是由于他们造价高昂、维护困难、柔性
16、较低、工艺复杂，导致它们不能在国内企业中得到广泛的应用。对于本次设计的小车，这里采用红外导引的方式，应用红外模块完成小车的循迹。该模块主要由一对红外收发传感器组成。红外信号在碰到深色如黑色）的物体时将被大部分吸收，而碰到浅色如白色）的物体时将被大部分反射，利用这一特点，将小车行驶地面设置成浅色调，而轨迹设置成深色调。红外发射传感器发射的红外信号在深色轨迹上产生微弱的反射信号，而在浅色地面上产生很强的反射信号；红外接收传感器根据接收到的反射信号强度的不同，产生不同的输出电压；主控芯片采样该电压值，从而调节小车左右电机的速度差，使小车能够沿着轨迹行驶。2、控制硬件及传感器的选择 硬件部分主要由主控
17、板，超声波模块，红外模块，重力加速度模块，测速模块，电机驱动模块，电量检测模块，指示灯模块等部分组成。硬件部分的每个模块都和机械部件有紧密的联系，它们必须结合机械部件进行设计和调试。以下简要介绍硬件部分各个模块的功能。主控板主控板主要是由Freesclae半导体公司推出的一款基于CPU08核心的8位嵌入式MCU MC68HC908MR32构成的最小系统。该芯片具有功耗低，功能多，体积小等优势，主要用于汽车电子，工业控制等领域，比较适合开发带有电机驱动的嵌入式系统开发。主控板上还留出和其它功能模块的接口，便于系统的改进。超声波模块超声波模块是用来检测小车行驶途中是否有障碍物，该模块主要由一对超声
18、波收发传感器和控制芯片MC68HC908QT4组成。当超声波发射传感器发射的声波在传播途中碰到障碍物时会发生反射，而被反射的声波信号将被超声波接收传感器接收，同时控制芯片利用声波发射和接收的时间差来计算障碍物与小车的距离，从而决定小车的运行状况。该模块保证小车在行驶途中避免和障碍物碰撞影响小车的正常行驶。红外模块上面已提及，这里不再赘述。重力加速度模块重力加速度模块利用重力加速度芯片MMA1260D来检测小车行驶途中是否碰到太过陡峭的坡度。因为如果坡度过大不但会使小车上的货物掉落，而且如果货物过重，会使得爬坡能力下降，这样就会无法正常行驶。测速模块测速模块是由一个光电编码盘和一对红外对管组成，
19、码盘固定在电机转动轴上，而其边缘位于对管中间。当码盘旋转时，红外接收传感器输出一定频率的方波，而根据码盘旋转一周输出方波所需要的时间，即可得到电机转速。该模块主要完成对驱动轮转速的检测，这样就能保证两个驱动轮能够达到完全的同速行驶，使小车在直道上尽量保持直线行驶，而且在设计前期也需要通过该模块来测试电机的最大转速，从而确定系统相关参数。电机驱动模块电机驱动模块主要是用来驱动两个定向轮上的直流减速电机和载物台上的涡轮减速电机，该模块主要由电机驱动芯片L298、电流检测电路和主控芯片保护电路组成。电量测试模块电量检测模块主要是用来检测蓄电池是否需要充电，该模块利用简单的电压检测法来测试电量。由于蓄
20、电池提供的工作电压为24v，因此在主控芯片MR32进行A/D采样之前，需要先经过分压电阻分压。采样到的AD值通过内部换算与电压阀值比较，从而得到蓄电池电量状态。当蓄电池电量不足时，提醒用户立即给蓄电池充电。指示灯模块指示灯模块主要用来指示小车各个功能模块的运行状况，同时还指示各个硬件电路的运行状况。三、小车驱动及运动控制方案的设计与分析1、驱动方案设计驱动部件是机械部分的核心部分，它主要完成小车的行走，导向等任务。本设计中的小车使用的是六轮二驱，即中间两个为电机驱动的定向轮，前后四个万向轮。载物台是由十多根矩形空心钢管组成，将这些铁棍间隔的固定在链条上，然后通过一个涡轮减速电机驱动齿轮来带动它
21、们平动，这样就可以将货物自动的卸载。2、运动控制方案设计在嵌入式产品设计中，硬件选型的合理性、可行性以及可靠性将直接影响着产品开发周期，同时也决定了产品的性能，还可能会影响到产品成形后的生产。因而硬件选型是嵌入式产品设计的一个重要环节。在硬件选型时应该综合考虑产品的应用领域，成本问题，开发的难易程度问题，元件购买途径问题，用户需求问题等等。而硬件选型主要是主控芯片的选型，选择一种功能强大但又不浪费资源的主控芯片是十分重要的。以下将以主控芯片选型为例从技术角度来阐述一下对硬件选型时所需要综合考虑的几个因素：1）是否有合理的RAM和Flash大小；2）是否有足够的I/O引脚数目；3）内部是否包含所
22、需的功能模块；4）芯片的封装形式是否适合设计的需要；5）与芯片相关的写入器，编译器和集成开发环境是否具有可开发性，或者是否能从第三方得到；6）是否能够购买到，或者能够申请到样片；7）语言体系与熟悉程度。在选型时，应尽量避免芯片资源的浪费造成产品成本增加，所以RAM和Flash大小以及I/O引脚数目应该能足够满足设计的需要，同时芯片内部功能模块也应该尽量包含设计时的大部分需要。芯片的封装形式主要是出于对设计的前期实验和产品的后期生产的考虑。通常我们采用的封装形式有双列直插和贴片形式，其中双列直插封装体积相对庞大，但是其易于插拔，在实验时较方便；而贴片封装虽然焊接麻烦，但是其体积小，节约空间，因此
23、比较适合产品体积较小的设计。在芯片选型过程中必须要考虑与之紧密相关的写入器，编译器和集成开发环境的问题，通常一个通用写入器少则几千，多则几万，对于开发低成本实验性工程明显不适合，所以就需要自主开发，降低成本。而且同一类芯片往往其其写入器开发流程相似，所以易于移植，这样也为将来同类芯片开发工程奠定了基础。在对本设计需求分析后，发现16位单片机不适合用户需求，主要表现在以下几点：1）本设计中使用到的I/O引脚数目不多于30个，而一般16位单片机其I/O引脚数目往往多达50个，如选用将会造成大量引脚闲置；2）本设计中芯片片内Flash的要求为不超过20K，而一般16位单片机的片内Flash容量往往都
24、很大，这样易造成资源的浪费；作为本设计的主控芯片。该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块全部符合设计要求，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。本设计中要选择的另一款芯片是电机驱动芯片。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。MR32微控制器MR32 MCU是Freesc
25、ale半导体公司于2001年上半年推出的一款低功耗、高性能的，专门用于电机控制的08系列芯片。该款芯片的主要特征如下：1）最高可达8MHz的内部总线频率2）32K片内FLASH，可以进行在线编程，768B片内RAM，240B监控ROM3）FLASH数据保密功能4）12位，6通道的PWM脉宽调制）输出模块5）16位，4通道的定时器接口模块TIMA）6）16位，2通道的定时器接口模块TIMB）7）10位，10通道的A/D模拟/数字）转换模块ADC）8）6个并行输入输出端口，共有37个输入输出引脚和7个输入引脚。11）系统保护措施包括：看门狗复位模块，低电压检测复位模块，PWM故障检测MC68HC9
26、08MR32 MCU采用64脚QFP封装，体积小，可靠性高，适合高频低功耗应用，各引脚功能分布如下：1）电源类引脚VDD、VSS40脚、41脚）：电源供给端；VDDA、VREFH、VSSA、VREFL9脚、10脚、11脚、12脚）：内部A/D转换器的电源供给及参考电压输入端；VDDA、VSSA50脚、54脚）：时钟发生器模块CGM）的电源供给端。2）控制类引脚RST49脚）：外部低有效复位输入或输出脚，有内部上拉电阻；IRQ48脚）：外部中断输入脚，有内部上拉电阻。3）I/O类引脚PTA7PTA06255脚）：8位通用I/O口；PTB7/AD7PTB0/AD050脚，63脚）：8位通用双向I/
27、O口，也可作为8路8位A/D转换输入脚；PTC6PTC078脚，1317脚）：有两路可以作为A/D转换引脚，同时PORTC可以作为7位I/O口；PTD6/IS3PTD4/IS1，PTD3/FAUL4PTD0/FAUL12418脚）：为7为通用输入口，同时有4路可以用做PWM模块的FAULT输入引脚；PTE7/TCH3APTE0/TCLKB3932脚）：为8位通用I/O口，同时包含定时器模块5个引脚；PTF5/TXDPTF1/SS4742脚）：有6路输入输出，4路可以用于SPI模块，2路用于SCI模块。4）PWM引脚PWM6PWM12531脚）：6路PWM通道，用于控制占空比的变化。5）其它CG
28、MXFC51脚）：CGM的外部滤波电容连接脚；OSC1、OSC25352脚）：片内振荡器引脚。电机驱动芯片L298L298是ST公司生产的一款高电压、大电流、小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈給控制电路。其具有以下电气特性：1）电源驱动电压Vs可达5V46V，逻辑支持电压Vss为4.5V7V；2）输入高电压Vih为2.3
29、Vss，输入低电压为0V1.5V；3）峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A；4）响应速度快，提供纳秒级的响应速度；5）提供过温保护，工作温度范围可达-25130，正常工作温度为1335。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。L298采用的是15脚的Multiwatt封装，各引脚功能分布如表3-1所示：3、主控芯片最小系统硬件设计1）MC68HC908MR32支撑电路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3-1所示为即为主控芯片MR32的支撑电路。在图3-1中，引脚OSC1和OSC2分别为芯片内振荡器输入引脚和输
30、出引脚，该电路所需要的元件有：4.92Mhz的石英晶振，20P的晶体固定电容与OSC1相连），20P晶体微调电容与OSC2相连）及10M的反馈电阻。因为晶振电路是非常敏感的模拟电路，是整个硬件电路的核心，它的稳定性将直接影响到整个电路的稳定运行，因此要格外注意该电路的布线方式。一般晶振与单片机引脚应尽量靠近，且将晶振电路的外接器件都用地线围绕起来，如果电路板空间允许，晶振应该采用卧式安装，将外壳焊接在地线上，最大限度地减小对外的电磁干扰。VDD和VSS为芯片的电源引脚，其中VDD接+5V，VSS接电源地，为了提高电源电压的稳定性，在VDD与VSS间并联两个滤波电容。完成支撑电路的搭建以后，应该使用万用表和示波器等工具检测一下电
