自主式AGV小车设计自主式AGV小车设计Word下载.docx
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ThispapermainlyusesthetapeguidancetechnologytodesignthesoftwareandhardwareoftheAGVsystem.Throughsimulationverificationandsystemdebugging,thedesignedAGVcarmeetsthedesignrequirementsandcanachievebettertrackingeffects.
Keywords:
Automaticguidedcar;
Tapeguidancemode;
Singlechipmicrocomputer
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2主要研究内容和组织结构安排1
2基于磁带引导的AGV控制系统总体方案设计3
2.1AGV控制系统的设计与研究3
2.2各模块控制方案的确定4
2.3AGV引导方式的选择6
2.4本章小结10
3AGV控制系统的硬件设计与研究11
3.1控制系统总体方案设计11
3.2车架结构设计12
3.3系统控制流程图14
3.4主控制器的研究和设计15
3.5其他关键模块的设计17
4AGV控制系统的软件设计和验证20
4.1程序设计流程20
4.2系统调试20
4.3实物结果23
结论26
致谢27
参考文献28
附录29
1绪论
1.1课题研究背景及意义
随着科研的进步,机器人领域发生了翻天覆地的变化,现在可移动型机器人已占据机器人领域的重要地位。
世界上研究、制造出的第一台可自主动作的移动型机器人是斯坦福研究院(StandfordResearchInstitute,SRI)的CharlesRosen和NitsNilssen等人的6年不断地研究与突破的成果[1-3]。
从世界上制造出工业机器人到现在,机器人的使用现已涉及交通、制造、医药、电镀、生产、军事、自动导航等领域。
最近几年,机器人的发展方向越来越数字化、智能化,与此同时,人们的生活方式和生活水平也不断改变。
伴随着社会的发展,科技、科研的不断进步,可对外部环境做出的判断的感知元件成为机器人自行运作的重要组成部分,视觉传感器可作为感知元件,视觉传感器的主要器件是运用电荷进行耦合的器件CCD和摄像管。
电荷耦合器件CCD的价格比较昂贵、体积较大,故当某系统只需要粗略感知事物时,使用模糊视觉传感器,而不采用CCD[4]。
当机器人要完成运作及相关功能操作时,必须要有对外界的感知原件和大脑,大脑相当于机器人的中央处理器,感知原件相当于机器人的传感器。
自动导引小车(AutoGuideVehicle,AVG)的控制系统为本课题研究的可移动型机器人控制系统(朱宏辉,2001)提供了重要的依据,此系统使用两种红外检测传感器来检测障碍物和黑色轨道,然后通过中央处理器进行分析、判断和处理,再控制执行部件完成相应动作,来实现小车的自动躲避障碍和自动识别路线功能[5-9]。
1.2主要研究内容和组织结构安排
1.2.1主要研究内容
本课题主要采用磁带引导技术和单片机控制原理设计AGV控制系统。
主要工作是:
首先对原有的AGV产品进行优缺点分析和制约因素分析;
接着对AGV的路径识别技术进行研究,并提出一个比较稳定的解决方案;
接着然后分析研究单片机的控制原理,实现对AGV运行路径的控制;
最后对AGV系统进行软、硬件设计,同时进行实物设计,使得产品满足设计要求。
1.2.2组织结构安排
第一章为绪论。
首先介绍本设计的背景和研究意义;
接着,提出了本课题的主要研究内容;
最后阐述本论文的章节安排。
第二章为基于磁带引导的AGV控制系统总体方案设计。
本章主要介绍系统的设计要求及设计思路;
接着进行各模块的方案确定;
最后对各引导方式进行选择;
第三章为AGV控制系统的硬件设计与研究。
首先介绍控制系统的总体方案设计,然后进行车架结构设计,最后对主控器和关键模块电路的设计。
第四章为AGV控制系统的软件设计与验证。
首先是进行程序设计流程,然后进行系统调试,最后是实物展示和测试结果分析。
第五章为总结。
对本文所做的工作和实现的功能进行总结。
2基于磁带引导的AGV控制系统总体方案设计
2.1AGV控制系统的设计与研究
2.1.1AGV控制系统的设计要求
本文设计的AGV控制系统主要应用我们最熟悉的物流系统中,设计该系统主要是为了提高物流系统中的工作效率和可靠性的保障。
本文的设计是在研究AGV系统工作原理的基础上,完成硬件和软件两个方面设计。
其中硬件平台主要包括路径识别装置、无线通信模块和磁带引导模块等。
磁带引导系统由磁敏元件和磁带组成,这个控制系统采用单片机控制,实现设计要求。
在设计中,必须做以下几方面的工作:
(1)对AGV系统设计相关文献进行检索、分析;
(2)运用微控制器及数据通信等相关工程原理,与我们现在熟悉的经济还要市场的安全技术进行结合,然后设计出一个可靠性高的控制方案,来实现对AGV小车的控制。
(3)根据解决方案,实现系统数据通信、工作路径识别等模块设计以及路径识别算法等软件设计;
(4)对所有的数据进行采集和处理,并进行编程操作,同时实现软件设计和后续的系统的调试工作。
(5)对整个系统所采集到的数据进行整合、分析,然后得出对应的结论,并进行报告的撰写。
(6)最终的整个系统仿人功能要实现,路径的识别和硬件系统的设计,同时能在物流运输系统中得到一个准确的定位,也就是所研究的算法必须精度尽可能的高。
2.1.2AGV控制系统的设计思路
首先,在完成本设计的时候先是进行总体方案的一个设计和评估,确定好要做一个通过单片机控制的基于磁带导引技术的AGV,确定所要设计的模块包括:
电源模块、主控模块、电机驱动模块、无线通信模块等。
然后,对所设计到的技术进行分析和选择,通过查阅相关资料,对所有的导引技术进行优缺点对比,选择出自己所要采用的技术。
接着,对模块采用的技术进行方案对比,选择所要的实施方案;
其次,进行硬件电路设计,对主控电路和关键模块电路进行设计。
最后,进行软件设计,并进行实物设计和测试分析。
2.2各模块控制方案的确定
2.2.1控制系统模块的选择
根据课题设计要求,经过分析,此控制系统是一个多变量输入的复杂控制系统,其实现控制的方法有很多,下面介绍两种方案并进行比较论证。
方案一:
仅采用复杂可编程逻辑器件CPLD
此方案是使用CPLD来担任小车系统的大脑(控制中心),来实现本设计所要求的简单功能。
CPLD是一种数字集成电路,人们可根据他们的不同需求而进行不同的逻辑功能构造,其可使用HDL和VHDL等硬件描述语言来进行开发利用。
虽然CPLD对信息的判断、分析、处理的速度很快,但是智能小车系统对信息处理的要求并不高,采用MCU(微控制单元)就可以,若使用复杂可编程逻辑器件CPLD作为该系统的主要控制器,一定会给之后的控制电路搭建和软件程序编写添加不必要的麻烦,故不采用该种方案,且提出方案二。
方案二:
仅采用基于微控制单元MCU的单片机作
如图1,使用基于微控制单元MCU的单片机来担任该小车系统的控制中心,来实现本设计所要求的的简易功能。
该小车的主要控制包括遥控控制和自动控制,而单片机有控制快捷、方便、简单、稳定性好、可位寻址等优势,故可采用单片机进行控制。
图2.1以单片机为控制中心的原理框图
经过反复分析、推敲可知:
该系统是一个多变量输入的复杂控制系统,故所选单片机必须是能进行多变量分析、决策、处理的单片机,而不能用简单输入输出口、存储空间比较小的单片机。
基于以上分析,因为51单片机有多位的位操作指令能进行多变量分析、决策与处理,其所有I/O口全部能按照位来进行寻址,并且51单片机价格低廉。
所以,通过对比分析,本文将会选择STC89C52RC单片机作为本次的课题的核心控制器。
通过两种方案的对比可以知道:
在小车的控制问题上,基于微控制单元MCU的单片机比复杂可编程逻辑器件CPLD更方便、有效,所以选用方案二,即采用一片STC89C52RC单片机进行小车控制。
2.2.2供电模块
要使小车能够行驶,则需要给本课题所设计的智能小车进行电力提供。
下面介绍两种常用方案并进行比较:
运用12V的可充电蓄电池进行电力提供
虽然蓄电池有着供电稳定、可重复性使用的特点,但考虑到小车要轻便、高效行驶,其车体在进行设计的时候不能过大,而蓄电池的体积相对较大,其使用在该小车上非常不合适,因此放弃此方案,并提出方案二。
运用锂电池形成的电池组进行电力提供
当利用多个锂电池形成的锂电池组进行电力提供时,电路电压、电流比较稳定,主控制器和感知元件能够正常、稳定运行;
电池组体积相对于蓄电池来说,体积较小,可满足小车的车体要求。
综上所述,在使小车轻便、高效行驶前提下,选择方案二,即运用锂电池形成的电池组进行电力提供。
2.2.3电机选择
要使小车行驶,则本课题所设计的智能小车就必须有机械执行部件,本设计的机械执行部件是电机,下面介绍两类部件并进行比较论证:
把步进电机当做小车的机械执行部件。
此方案中的执行部件是一种能把脉冲形的电信号变成角位移的开环数模转换器。
在正常情况下,输入脉冲不受负载的影响,执行部件的位移数、位移速度只由输入脉冲信号的脉冲个数和频率决定,而每一步电机转子会转过一个角度,这个角度为“拍距角”(也叫步距角,计算公式为齿距角/步数)。
步进电机的输出力矩与转速呈现负相关,当输出力矩较小时,步进电机转速较大,而该设计对速度有相关要求,故提出方案二。
把直流电机当做小车的机械执行部件。
据我们查阅相关资料,我们了解到直流电机的控制对我们来说是非常容易的,转矩比较大,调速的范围也是比较宽的。
所以只需要给直流电机的控制线加上一个合适的电压,这时候电机就会转动。
根据学习到的有关电机方面的知识了解到,我们所加的电压越大的话,电机的转速也就会非常大的快。
直流电机的转子速度调节有:
改变电枢回路电压、改变励磁电流和PWM调速等。
综合以上分析,采用直流电机作为小车的机械执行部件。
2.2.4电机驱动模块
以上有了控制器、供电装置和电机以外,小车还是不能行驶,而电机驱动模块能把控制器输出的电信号转变为电机的控制信号,其是控制器与电机之间的桥梁,其可以驱动小车轮子转动,是小车行进,下面介绍两类驱动方法并进行比较论证:
使用继电器开关的切换对电动机的转速及转向进行控制驱动。
采用继电器开关的切换对电动机的转速及转向进行控制时,此驱动方法所需要的电路搭建起来相对简单,其控制方式比较灵活,但是继电器的开关切换需要花费一定的时间,从而使得其控制电机的效率相对低下,又继电器的使用场合较多造成机械结构特别容易损坏,故提出方案二。
使用达林顿管构成的H桥式电路对电动机进行控制驱动。
达林顿管工作时,其占空比可以进行调节,因此,电机转速可以进行人为改变。
如下图2所示,H桥式电路是工作在三极管的饱和、截至状态下的,其能够对电机的转向和转速进行调节。
H桥式电路组成的电子开关比继电器的开关速度快,其控制效率比继电器强,故可采用H桥式电路进行驱动。
经过研究和深入分析后,我们发现L298N这个器件采用的是两个H桥来实现所说的驱动功能的,并且这个可以接收逻辑信号,也就是所说的TTL级别的信号,并且这个驱动在工作的时候,可以使得电机的额定电压固定下来,也可以使得电流满足整个系统的设计要求,并且这个驱动也可以实现对功率的放大。
因此,本课题的设计中所以采用L298N作为一个主要的驱动器件。
图2.2H桥式电路
综上所述,方案二控制简单、高效,性能优越,故本设计选择基于大功率MOS管的H桥驱动集成芯片L298N作为电机的驱动器件。
2.2.5无线通信模块
要是小车能够工作在遥控模式下,就必须有无线通信模块,现有以下两种无线通信方式,进行比较论证如下:
使用红外协议进行无线通信
红外协议的无线通信的信息传递通道是信道,其是一种波段为950nm的红外线。
通信过程中,首先发送端把二进制的数字信号变换为一连串的光脉冲信号,再通过红外发射管发射。
然后接收端把光脉冲信号变换成电信号,再经过放大、整流、滤波等操作处理后,最后通过解调电路来解调,从而把电信号转变为二进制数字信号输出。
因为红外通讯在通讯程过中,其不能移动,通讯距离比较短,且遇障碍物通讯会中断,所以红外通讯不适合用于智能小车的遥控,故提出方案二。
使用蓝牙协议进行无线通信
蓝牙通信是语音传输和无线数据的开放式标准,其运用2.4GHz的ISM频段完成跳频、调频,并使用权向纠错编码、自动重传请求(AutomaticRepeatRequest,ARQ)、时分双工TDD和基带协议。
蓝提能够供持每秒64kb的数据、语音传输,语音编码是间连不断的可改变斜率增量调制(ContinuousVariableSlopeDelta
Modulation,CVSD)。
智能小车的遥控要求通讯距离远,稳定可靠,使用蓝牙协议就可满足要求,并可以通过智能手机的应用程序向智能小车发送指令,实现智能小车的远程控制,体现出智能科技的便利。
综上所述,无线通信模块采用方案二,即用插针式HC-05蓝牙协议进行通信。
2.3AGV引导方式的选择
本文所提到的AGV实现自主运行的关键就是对引导信息的识别和处理。
由于现在所设计的AGV控制系统必须考虑很多因素,考虑现在所设计的导引技术必须具备柔性设计,同时成本还要低,所以我们在确定导引技术方案的时候,必须充分考虑各种导引技术的优缺点,通过对比分析,然后结合本课题选择出最后的方案。
而目前,据我们查阅先关资料了解到,AGV的引导方式主要有:
视觉引导、磁带引导、光学引导、激光引导、惯性引导、电磁感应引导和磁带引导等。
接着,详细分析每种引导方式的优、缺点[10-12]。
2.3.1视觉引导技术
现现在所了解到的AGV的视觉牵引小车说白了就叫图像-识别-导引,这种引导分位无线式和有线式两种。
所谓的有线的视觉的导引的技术其实就是凭借路面上画的路标线,通过车上的摄像头收集图像采集然后处理,拍摄的硬件产品配置也和采集系统的精度有关[13]。
视觉引导优点:
有丰富的引导信息和柔性,铺设轨迹使用色带完成,以后的维护和在改造很便宜;
相应的缺点就是图像的处理技术算法不够事实准确。
2.3.2惯性引导技术
惯性引导是使用一些特别的磁性物质,地面上的小磁铁,再利用陀螺仪技术来把控操作小车的行驶轨迹[14]。
惯性导引优点:
技术相对来说较为先进、灵活性强、便于扩充、柔性较高;
但是它的缺点是:
陀螺仪有累计误差没法进行累计,得使用其他传感器帮助定位,成本高。
2.3.3电磁感应引导技术
电磁感应引导是使用低频率的电缆产生的磁场和特定的传感器装置来控制无人小车完成特定运动[15]。
电磁感应引导优点:
原理非常简单、操作技术成熟、引导准确性高、价格成本低;
相应的它的缺点是:
安装时要破坏地面,以后的修理和维护代成本高,不适合一些交通复杂的地方。
2.3.4激光引导技术
我们也比较熟悉这个激光引导技术,这个技术的主要就是利用激光进行扫描和识别的,采用这种方式进行定位,在一个固定的范围内进行识别和工作,从而去引导AGV小车的运动轨迹。
每一个引导技术都有自己独特的优点和缺点,那么这个激光引导技术主要是定位的精度和其他的引导技术相比较,比较的高,适应性相对来说比较强,这个技术可以适应比较复杂的路面和通道。
但是,任何一个再好的技术也存在不足,这个技术的不足就是激光技术的使用比较的贵,成本比较高,一般不在低成本的设计中不被采纳。
2.3.5磁带引导技术
带导航技术,其实在我们学习和实验室中是比较常见的一种引导技术。
这个技术主要用的就是采用我们熟悉的磁感应原理进行设计和控制AGV小车的运动轨迹的。
磁带引导技术就是当我们确定好了AGV小车的运动轨迹之后,我们在地面上贴一些特定的磁条,使得我们设计好的小车按照这个磁条的位置进行运动。
对于小车来说,它自己肯定也会存在一个和地面上相同的此条,该磁条一般我们会贴在小车的车身下面,这样的的近距离感应才会比较靠谱。
设计中,根据查阅资料和阅读文献,了解到,小车的磁条位置一般我们会设置在距离地面30mm左右的位置,磁条的宽度也应该取得合适,不能过宽,同时也不能过窄,一般会选择50mm左右。
内部的传感器的监测点之间的位置大概就是10mm左右,这样就能对磁条进行监测,并把对应的信息反应给控制系统进行处理和判断。
系统采用的传感器其实就是具有一些特定功能的传感器,我们这个传感器就是可以进行故障的一个自动监测功能。
当系统发生故障时,这个时候传感器就会做出对应的判断,然后反馈给控制器,防止小车不按照轨迹进行乱动作,防止小车进行脱轨工作,造成比较严重的后果。
该制技术是应用最为广泛的引导技术,这个技术的优点就是,原理比较简单,容易掌握和控制,结构也简单,成本非常低,在进行引导的时候,可靠性较高,这个也比较容易扩充;
缺点和不足就是获得的信息比较单一,抗干扰的能力稍微差一点。
因此,综上所述,根据不同导引方式的优缺点和适用范围,同时也考虑到成本的一些问题和稳定性的问题,所以本文采用磁带引导技术设计小车的路径识别信息。
2.4本章小结
本章是基础章节,本章首先介绍了AGV控制系统的设计要求和设计思路;
接着,对各模块的控制方案进行分析和确定;
最后介绍本文采用的导引技术。
本章的介绍主要是为第三章的系统硬件设计和实现奠定基础。
3AGV控制系统的硬件设计与研究
3.1控制系统总体方案设计
在进行整体方案的设计时,我们必须考虑到驱动控制和整个系统的控制。
在驱动和它的控制系统中,控制模块就是该系统最重要的部分,不仅需要提供电机运动所需的操作的信号,还需要整个操作系统的逻辑部件。
安全的模块、人机交互的模块、安全的模块与通讯定位的模块都和控制的模块相互
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- 自主 AGV 小车 设计