哈工大-制造系统自动化- 作业一_自动导引式物料搬运小车系统设计(完美高分版)

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、小车轮系结构的设计与分析……………………………………………………..….4二、自动导引方案的设计及传感器的选择与分析……………………………….……..6三、小车驱动及运动控制方案的设计与分析……………………………………………8四、控制流程的设计以及控制程序的编写………………………………………………8参考文献…………………………………………………………112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一、自动导引搬运小车功能示意图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。AC250500起始边线返回边线2000mm20线宽5000CBA200070070050003四、设计内容及说明（1）根据要求选择合适的传感器，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。第二部分设计说明书一、小车轮系结构的设计与分析；1、常用自动导引小车机械结构分析AGV的轮系结构是整个机械部分的核心，也是整个AGV非常关键的部分。轮系结构设计的合理性不但会影响小车的循迹精度，而且还决定了小车的最小转弯半径、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的几款同类小车的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的轮系结构。轮系结构一般由驱动轮、从动轮和转向机构组成，目前市场上常见的同类AGV的轮系结构按照不同的性能要求主要有三种：三轮结构、四轮结构和六轮结构等，其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。(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的方式，其机械结构视觉图如图所示。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。①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所示。4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。②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。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，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，其机械视觉图如图所示。从图中可以看出，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。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,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首先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5车的重量之间存在以下关系：Pμmgv,式中P为电机功率，μ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：nπdv60,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。根据小车的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、自动导引方案的设计及传感器的选择与分析1、常见的AGV特点及其设计方案的分析①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。②激光引导式AGV这种方法是在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。③视觉引导式AGV6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。①主控板主控板主要是由8位嵌入式MCUMC68HC908MR32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