PAGEIAGV小車硬件系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)摘要本論文主要設(shè)計(jì)AGV小車的硬件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一系列功能。AGV小車對(duì)性能有一定的要求，合理的硬件設(shè)計(jì)會(huì)用盡量低的成本完成性能參數(shù)的指標(biāo)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)始。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車輪的選擇、輪系結(jié)構(gòu)的選擇以及舵輪減震裝置等。電路系統(tǒng)包括主控模塊、無(wú)線通訊模塊、路經(jīng)信息檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、超聲波測(cè)距模塊、電源模塊。主控模塊選用的是STM32F103VET6芯片，該芯片擁有豐富的端口資源，需要和其他電路組合成最小運(yùn)行系統(tǒng)才能工作。無(wú)線通訊模塊讓AGV小車能夠接收上位機(jī)的控制指令，能夠更好的完成任務(wù)。路徑信息檢測(cè)模塊是通過(guò)磁導(dǎo)航模塊配合RFID讀寫模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能夠按照指令路線行駛。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用直流無(wú)刷電機(jī)配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。速度檢測(cè)模塊使用增量式光電編碼器，測(cè)試方式有“M”法、“T”法、“M/T”法。超聲波避障模塊通過(guò)測(cè)量發(fā)出和接收超聲波的時(shí)間間隔結(jié)合聲波，計(jì)算出AGV小車和障礙物的距離。電源模塊選用LM2596芯片和AMS1117芯片達(dá)到將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V電壓的功能。關(guān)鍵詞：AGV小車；機(jī)械結(jié)構(gòu)；磁導(dǎo)航模塊；超聲波測(cè)距目錄TOC\o"1-3"\u第一章緒論 11.1引言 11.2研究背景及意義 11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 31.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 31.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 41.4AGV的導(dǎo)航方式 51.5論文主要工作 61.6本章小結(jié) 7第二章AGV的機(jī)械設(shè)計(jì) 82.1AGV的輪系結(jié)構(gòu)分析 82.1.1車輪結(jié)構(gòu) 82.1.2輪系結(jié)構(gòu) 82.2減震裝置 102.3牽引裝置 112.4保護(hù)裝置 112.5警報(bào)裝置 122.6車體設(shè)計(jì) 132.7本章小結(jié) 14第三章AGV的電路設(shè)計(jì) 153.1主控制器模塊 153.2無(wú)線通訊模塊 173.3磁導(dǎo)航模塊 183.4RFID讀寫模塊 193.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 213.6速度檢測(cè)模塊 223.7超聲波避障模塊 233.8電源模塊 243.9本章小結(jié) 25第四章AGV系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 264.1AGV的性能參數(shù) 264.2AGV視圖 274.3總體功能流程圖 284.4部分功能流程圖 284.4.1通訊功能流程圖 284.4.2RFID定位流程圖 294.4.3升降棒牽引流程圖 304.5潛伏式AGV的優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新 314.6本章小結(jié) 31第五章總結(jié)與展望 32參考文獻(xiàn) 34 -PAGE1-緒論引言自動(dòng)引導(dǎo)車(Automatedguidedvehicle,AGV），在生活中也可叫做無(wú)人搬運(yùn)車，屬于移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，是一種能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息通訊并由上位機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)控，按照人為規(guī)定的路徑和任務(wù)要求自動(dòng)行駛的高度智能化的運(yùn)輸設(shè)備，具有多種高精度的導(dǎo)航方式，確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確無(wú)誤的行駛到目的地，完成例如取貨、送貨等指定任務(wù)。該設(shè)備使用充電電池供電，在電量不足無(wú)法繼續(xù)工作時(shí)，能夠自動(dòng)前往特定充電點(diǎn)自行充電。在現(xiàn)代制造業(yè)工廠中，提升競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素在于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。其中物料的搬運(yùn)是工序之間、車間之間、倉(cāng)庫(kù)與車間之間進(jìn)行產(chǎn)生制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)人工搬運(yùn)的方式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與智能化的需求。而不需要人工干預(yù)，由各種硬件模塊自主配合控制車輛前進(jìn)的AGV小車能夠提高產(chǎn)品生產(chǎn)加工、物料搬運(yùn)、裝配的自動(dòng)化水平，而且達(dá)到了去人工化，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)從傳統(tǒng)人工的低效率高成本向現(xiàn)代工業(yè)高度自動(dòng)化、機(jī)械化的轉(zhuǎn)變，契合企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素。自動(dòng)搬運(yùn)物料的方式逐漸成為現(xiàn)代企業(yè)節(jié)約時(shí)間、人力成本和提高產(chǎn)生效率的必要手段。由此可見(jiàn)，由計(jì)算機(jī)、傳感器、信息通訊、自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科技術(shù)共同構(gòu)成的AGV小車符合現(xiàn)代人對(duì)于快捷、便利生活節(jié)奏的需求，擁有十分可觀的市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，能夠在各種領(lǐng)域，無(wú)論是車間、超級(jí)市場(chǎng)還是自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)以及配送中心，起到十分重要的作用，逐漸成為工業(yè)化的主要標(biāo)志之一[1]。1.2研究背景及意義21世紀(jì)制造業(yè)將進(jìn)入一個(gè)新的階段。德國(guó)在2013年首次明確提出工業(yè)4.0概念，描述了由集中控制向分散式增強(qiáng)型控制轉(zhuǎn)變，最終形成了一個(gè)精簡(jiǎn)、靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的企業(yè)產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)方式。在4.0概念的影響下，今后的制造業(yè)會(huì)更側(cè)重自動(dòng)化和智能化的水平。相比于發(fā)達(dá)國(guó)家高度機(jī)械化與自動(dòng)化的制造業(yè)，我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)仍處于半人工化狀態(tài)，自動(dòng)化水平還十分落后，面對(duì)信息技術(shù)、智能技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的現(xiàn)狀，將會(huì)面臨極大的挑戰(zhàn)?；谖磥?lái)工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，針對(duì)我國(guó)內(nèi)部制造業(yè)存在的諸多問(wèn)題以及發(fā)展困境，我國(guó)結(jié)合自身實(shí)際和當(dāng)前國(guó)情提出了“中國(guó)制造2025計(jì)劃”，通過(guò)大力發(fā)展科技人才同時(shí)培養(yǎng)自主創(chuàng)新意識(shí)來(lái)提高生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)綠色制造、優(yōu)化企業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將過(guò)去落后浪費(fèi)的制造環(huán)境打造成具有中國(guó)特色的制造文化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從原材料到成熟的產(chǎn)品再到銷售的過(guò)程中，大概只有5％的時(shí)間用于產(chǎn)品的加工與制造，95％的時(shí)間用于原材料的存儲(chǔ)、運(yùn)輸以及半成品的存儲(chǔ)與運(yùn)輸[2]。在如今新型制造業(yè)和高科技企業(yè)茁壯發(fā)展的時(shí)代，對(duì)于產(chǎn)品的需求會(huì)大幅度提高，產(chǎn)品的質(zhì)量也需要得到提高，傳統(tǒng)的制造方式用于產(chǎn)品制造的有效時(shí)間大部分浪費(fèi)在了原料的輸送與保存，已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于效率的要求，提高生產(chǎn)效率迫在眉睫，而其中最為關(guān)鍵就是整個(gè)產(chǎn)業(yè)物料運(yùn)輸?shù)哪芰?。如果物料運(yùn)輸設(shè)備自動(dòng)化程度的提升一個(gè)檔次，整個(gè)制造業(yè)的效率和成本都會(huì)受到極大的影響。所以在制造業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)自動(dòng)化來(lái)降低在物料運(yùn)輸過(guò)程中投入的時(shí)間成本與人力成本來(lái)達(dá)到提高效率、降低投入的目的，進(jìn)而提高整個(gè)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力是不可避免的[3]。提高物料搬運(yùn)自動(dòng)化水平最直接最有效的辦法就是通過(guò)具有高技術(shù)水平的機(jī)器人來(lái)取代傳統(tǒng)人力資源，不僅僅提高整個(gè)制造業(yè)流水線工作的速度、減少意外事故的發(fā)生率，有效杜絕以往工人在搬運(yùn)重物與大型物件過(guò)程中因?yàn)轶w力下降而導(dǎo)致的受傷事件，而且能夠有效解決現(xiàn)在的年輕一代不愿意從事低端的體力工作，不愿意接受低報(bào)酬的薪資問(wèn)題。在安全問(wèn)題上，采用自動(dòng)化機(jī)器人代替人工能夠避免許多工作環(huán)境所帶來(lái)的不可避免的健康問(wèn)題。AGV叫自動(dòng)引導(dǎo)車，是輪式移動(dòng)機(jī)器人的一種，通過(guò)蓄電池提供工作所需的能源裝，同時(shí)配有自動(dòng)引導(dǎo)裝置實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，能夠在人為規(guī)定的路徑自動(dòng)行駛，完成指定任務(wù)，柔性化程度和智能化程度較高，可以通過(guò)編程控制多輛AGV一起協(xié)同工作。AGV將電、光、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的先進(jìn)理論和應(yīng)用技術(shù)融于一身，是具備高精度自主定位能力、高度的智能化、硬件功能強(qiáng)大的自動(dòng)駕駛機(jī)器人。在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，AGV小車能夠通過(guò)自身攜帶的無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，接收上位機(jī)發(fā)出的命令，時(shí)刻保持著數(shù)據(jù)與信息的流通與交換。AGV具有相當(dāng)程度的靈活性，能夠根據(jù)任務(wù)的需求，用不同的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種對(duì)應(yīng)的功能，還可以同時(shí)由若干輛小車組成一個(gè)完整的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，當(dāng)發(fā)生意外情況其中一輛小車出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，其他小車并不會(huì)受到影響，依舊會(huì)繼續(xù)執(zhí)行自己的任務(wù)，既實(shí)現(xiàn)了小車與小車之間的調(diào)度關(guān)系又保證了各個(gè)小車的獨(dú)立性，提高了系統(tǒng)的可利用性。AGV也可以與其他生產(chǎn)系統(tǒng)配合工作，不僅僅單獨(dú)完成指定任務(wù)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞與共享，AGV的適應(yīng)性與兼容性得到了充分的體現(xiàn)[4]。在AGV運(yùn)送物料的過(guò)程中極少發(fā)生碰撞或者產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，這是因?yàn)锳GV按照事先安排的好的固定路線自動(dòng)行駛，完全可以避免不必要的阻塞和碰撞。在制造業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，AGV可以取代傳統(tǒng)的人工物料運(yùn)輸，更加靈活快捷、高效安全的完成物料搬運(yùn)任務(wù)，并且可以通過(guò)搭載不同的智能傳感器來(lái)適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，AGV在市場(chǎng)中的潛力也因?yàn)橄M(fèi)者需求的擴(kuò)大而日益增加[5]。原本的AGV主要用于汽車產(chǎn)業(yè)的汽車裝配生產(chǎn)線，而現(xiàn)在作為一種自動(dòng)化的搬運(yùn)設(shè)備，AGV已經(jīng)深入運(yùn)用到電力、電器制造、汽車、電商倉(cāng)庫(kù)物流、煙草輸送、食品飲料、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域，也是敏捷制造生產(chǎn)設(shè)備及系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)快速配置各種資源，推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的強(qiáng)大動(dòng)力[6]。AGV小車經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展與改進(jìn)，其核心技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，有了突破性的進(jìn)步，尤其是在導(dǎo)航、控制、安全等關(guān)鍵技術(shù)方面。而且AGV小車的性能會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而得到完善與增強(qiáng)，逐漸在無(wú)人生產(chǎn)車間如柔性加工系統(tǒng)（FMS）、柔性裝配系統(tǒng)（FAS）、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)(AS/RS)等生產(chǎn)制造場(chǎng)合嶄露頭角，幫助物料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源的高效運(yùn)送[7]。在AGV等機(jī)器人領(lǐng)域取得的研究成果將體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的科技水平和自動(dòng)化程度，可以說(shuō)，AGV技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注和研究的關(guān)鍵技術(shù)之一[8]。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在國(guó)外對(duì)自引導(dǎo)設(shè)備的研究重視度很高，很早就展開(kāi)了一系列的研究。1913年，美國(guó)福特汽車公司在汽車底盤生產(chǎn)過(guò)程中創(chuàng)新性地使用了有軌引導(dǎo)小車，放棄了傳統(tǒng)常用的傳送機(jī)，由于缺少當(dāng)時(shí)的有軌引導(dǎo)小車自動(dòng)導(dǎo)航功能，不能定義為現(xiàn)在的AGV，只能稱之為世界上第一臺(tái)AGV的雛形。1953年美國(guó)Basrrett公司利用真空管技術(shù)研制出了第一臺(tái)AGV控制器，并且在牽引式拖拉機(jī)的改造上得到運(yùn)用。原本的拖拉機(jī)被改造成能夠通過(guò)在空中鋪設(shè)導(dǎo)線來(lái)輸送雜貨店貨物的配送機(jī)器。這是真正意義上第一臺(tái)自主導(dǎo)航車。1954年，英國(guó)發(fā)明了使用地下導(dǎo)線引導(dǎo)小車前進(jìn)的電磁式引導(dǎo)AGV，并于1955將這種AGV正式應(yīng)用于生產(chǎn)流水線上。在此之后，AGV技術(shù)在歐洲大規(guī)模發(fā)展，在電磁式AGV的基礎(chǔ)上研制出了各種其他導(dǎo)航方式AGV，之后在各項(xiàng)生產(chǎn)實(shí)踐中投入了220套不同種類，總共1300多臺(tái)AGV。在60年代以后，美國(guó)引入了歐洲的AGV技術(shù)，并且采用更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和路徑引導(dǎo)技術(shù)，極大的增強(qiáng)了AGV的性能，增加了AGV的運(yùn)輸量，提高了AGV的穩(wěn)定性。70年代中期，由于微處理器和計(jì)算機(jī)的技術(shù)更加成熟和普遍，AGV技術(shù)也隨之水漲船高得到不同程度的提高，而這種現(xiàn)象在伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)完善之后更加明顯，具有更加復(fù)雜的控制器以及更加靈活的AGV在那個(gè)時(shí)候被設(shè)計(jì)出來(lái)。1973年，瑞典VOLVO公司在KALMAR工廠汽車裝配作業(yè)中沒(méi)有將AGV看作獨(dú)立的個(gè)體而是一次性使用了上百臺(tái)AGV，獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的同時(shí)也擴(kuò)大了AGV的運(yùn)用范圍[9]。在1983年到1985年短短的兩年之內(nèi)，美國(guó)AGV的生產(chǎn)廠商得到了爆炸式的增長(zhǎng)，從原來(lái)的23家迅速成長(zhǎng)到之后的74家，而且在此期間美國(guó)通用汽車公司通過(guò)購(gòu)入了大量的AGV實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)柔性裝配系統(tǒng)。1990年，瑞典NDC公司在之前AGV技術(shù)的基礎(chǔ)之上，首次將激光技術(shù)作為AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)由于精度較高迅速得到推廣，激光引導(dǎo)系統(tǒng)由此成為了新一代AGV控制系統(tǒng)。2000年，比利時(shí)Egmin公司推出了激光導(dǎo)引與慣性導(dǎo)航、激光測(cè)角與測(cè)距相結(jié)合的導(dǎo)引控制技術(shù)[10]。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，AGV已經(jīng)不再處于萌芽狀態(tài)，經(jīng)過(guò)各種實(shí)踐的檢驗(yàn)，歐美地區(qū)的AGV技術(shù)得到充足的發(fā)展后已經(jīng)逐漸形成一種成熟的產(chǎn)業(yè)。歐美國(guó)家的AGV擁有極高的自動(dòng)化水平，能夠脫離人為干預(yù)，完成自主引導(dǎo)，該特性使得AGV的通用性大幅提高，基本能夠運(yùn)用于各種搬運(yùn)場(chǎng)所。這種AGV不僅僅因?yàn)橄冗M(jìn)的制造技術(shù)具備完善的功能，而且由于不需要擁有精致的外部輪廓，所以可以通過(guò)模塊化的方式用大部件零件進(jìn)行拼裝，使得AGV無(wú)論是在性價(jià)比上還是批次生產(chǎn)的規(guī)模上都有了很大的提高。各種型號(hào)的AGV具有不同的使用功能對(duì)應(yīng)獨(dú)特的運(yùn)用場(chǎng)所，它們?cè)隍?qū)動(dòng)模式和引導(dǎo)方式上擁有各自的特色，功能的多樣性保證了AGV產(chǎn)品在市場(chǎng)上擁有寬闊的覆蓋面，能夠滿足特殊需求的AGV往往銷售價(jià)格也會(huì)大幅增長(zhǎng)。AGV在日本的發(fā)展與在歐美的發(fā)展出現(xiàn)一定區(qū)別和分化。1963年，日本開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)AGV。1966年一家制造運(yùn)輸設(shè)備的廠商與美國(guó)Webb公司開(kāi)始合作，在日本政府的高度重視下合力建成了第一家AGV工場(chǎng)[11]。經(jīng)過(guò)這次成功的嘗試，日本在國(guó)內(nèi)更加關(guān)注AGV的研究與制造，在政府的大力支持下各種AGV制造商開(kāi)始不斷涌現(xiàn)，資本的注入讓日本每年都出現(xiàn)數(shù)十種具有不同優(yōu)勢(shì)的AGV系統(tǒng)。與歐美國(guó)家追求高自動(dòng)化的AGV不同，日本則追求簡(jiǎn)單純粹的AGV，他們的宗旨是簡(jiǎn)略易用，他們的產(chǎn)品不需要面對(duì)錯(cuò)雜復(fù)雜的工作環(huán)境和困難的工作任務(wù)，只需要在工作環(huán)境可控，任務(wù)單一固定的條件下展現(xiàn)出高超的性能。這種設(shè)計(jì)理念極大的促進(jìn)了購(gòu)買者的熱情，他們能夠用較少的投入購(gòu)買功能樸實(shí)卻性能優(yōu)質(zhì)的AGV，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以賺取利潤(rùn)回收成本。這類AGV大多數(shù)采用較為簡(jiǎn)單的磁帶引導(dǎo)，只具有最基本的搬運(yùn)功能，不具備自動(dòng)裝卸的能力，被日本和臺(tái)灣的廠商大肆采購(gòu)用于基礎(chǔ)的配送任務(wù)。對(duì)于日本本來(lái)就發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)工業(yè)來(lái)說(shuō)，制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能純粹、用途單一的AGV成本十分低廉，能夠?qū)⑵鋸V泛的運(yùn)用到生產(chǎn)制造的各個(gè)方面。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)AGV的研究和應(yīng)用較晚。我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)六十年代以后從歐美國(guó)家引入AGV系統(tǒng)技術(shù)，在國(guó)外研發(fā)的AGV系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，經(jīng)過(guò)大量的嘗試和實(shí)踐，現(xiàn)在已經(jīng)能夠掌握較為核心的技術(shù)，逐漸拉近與歐美國(guó)家的技術(shù)差距。由于我國(guó)接觸AGV技術(shù)的時(shí)間較晚，經(jīng)過(guò)差不多十年的時(shí)間，1975年北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所為瓦房店軸承廠研發(fā)出了我國(guó)第一臺(tái)電磁制導(dǎo)的自動(dòng)引導(dǎo)車[12].1988年原郵電部北京郵政科學(xué)技術(shù)研究院成功將AGV應(yīng)用于郵政領(lǐng)域，研發(fā)出了第一臺(tái)郵政樞紐AGV。1990年中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所首次將自行研發(fā)的六臺(tái)AGV應(yīng)用到汽車生產(chǎn)轉(zhuǎn)配的流水線上，該AGV在1996年榮獲了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。經(jīng)過(guò)這次成功在生產(chǎn)實(shí)踐中使用AGV的案例，清華大學(xué)和浙江大學(xué)在內(nèi)的等國(guó)內(nèi)高校也開(kāi)始了對(duì)AGV技術(shù)的研究，并成功研發(fā)出了基于視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的軍用室外自主車。2007年吉林大學(xué)燕學(xué)智、王樹(shù)勛等人基于超聲波傳感器設(shè)計(jì)了自動(dòng)引導(dǎo)車輛的定位系統(tǒng)，提出了一種高精度測(cè)量超聲波信號(hào)傳播時(shí)間的方法，該方法采用雙超聲波發(fā)射傳感器依照一定的時(shí)序進(jìn)行工作，解決了信號(hào)相互干擾問(wèn)題。我國(guó)越來(lái)越多的工廠、科研機(jī)構(gòu)采用AGV為汽車裝配、郵政報(bào)刊分揀翰送、大型軍械倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)。如:上海金山化工廠、華寶空調(diào)器廠、哈爾濱飛機(jī)制造廠、上海新車站郵政樞紐等,所采用的AGV國(guó)外引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)的均有。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,AGV在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來(lái)越大。1.4AGV的導(dǎo)航方式AGV具有多種導(dǎo)航方式。導(dǎo)航能夠讓AGV在可控的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)人為設(shè)置好的規(guī)劃路線，由原本的著陸地點(diǎn)行駛到需要的指定位置。除了上述根據(jù)指定路線的導(dǎo)航之外，AGV也能通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式來(lái)自動(dòng)判斷行駛路徑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航的目的。目前主要的導(dǎo)航技術(shù)包括電磁導(dǎo)航技術(shù)、磁條導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)和激光導(dǎo)航技術(shù)等。電磁導(dǎo)航技術(shù)電磁導(dǎo)航技術(shù)運(yùn)用的原理是法拉第的電磁感應(yīng)定理。需要根據(jù)事先計(jì)劃好的AGV行駛軌道鋪設(shè)對(duì)應(yīng)的金屬導(dǎo)軌，在金屬導(dǎo)軌中通入特定低頻率的交流電。電磁感應(yīng)定理指出變化的電流會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，而AGV所裝備的磁傳感器會(huì)識(shí)別與檢測(cè)金屬導(dǎo)軌磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且將監(jiān)測(cè)信息傳回到主控制模塊，最終由主控制模塊控制AGV根據(jù)磁場(chǎng)按照預(yù)設(shè)的路徑形式行駛，達(dá)到導(dǎo)航的目的。由于電磁導(dǎo)航技術(shù)的金屬導(dǎo)軌全部鋪設(shè)在地下，外界的油漬、廢料、飛塵不能侵蝕導(dǎo)軌，該技術(shù)的抗干擾能力大大提高，同時(shí)成本較低。但是面對(duì)AGV行駛路線不固定的場(chǎng)合，電磁導(dǎo)航技術(shù)的軌道想要根據(jù)變動(dòng)更改需要重新鋪設(shè)軌道，過(guò)程十分繁瑣，整個(gè)系統(tǒng)總體的柔性較差。磁條導(dǎo)航技術(shù)磁條導(dǎo)航技術(shù)需要將樹(shù)脂與鐵氧磁體構(gòu)成的磁帶鋪設(shè)在事先規(guī)劃好的路徑上，通過(guò)磁導(dǎo)航感應(yīng)器來(lái)感應(yīng)鋪設(shè)的磁帶，工作原理與電磁導(dǎo)航相似，相比于電磁導(dǎo)航將金屬導(dǎo)軌埋在地下，磁條導(dǎo)航則是把需要被感應(yīng)的磁條鋪設(shè)在地面上。該技術(shù)能夠分析感應(yīng)到的磁條位置信息，通過(guò)對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行處理和換算得到AGV的當(dāng)前位置信息，還能在磁條的基礎(chǔ)上配合RFID標(biāo)簽加強(qiáng)導(dǎo)航的精度以及準(zhǔn)確度，成本較低，導(dǎo)航路徑容易鋪設(shè)與構(gòu)造，能夠適應(yīng)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)環(huán)境。缺點(diǎn)是磁帶容易受到損傷，由于磁條裸露，外界環(huán)境隨時(shí)都可能影響到磁條的做工性能，導(dǎo)致磁條導(dǎo)航出現(xiàn)誤差。慣性導(dǎo)航技術(shù)慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種自主導(dǎo)航方式，在AGV的機(jī)體上安裝陀螺儀，同時(shí)在AGV工作環(huán)境的周圍設(shè)置定位磁釘之類的定位標(biāo)志[13]。在車輛前進(jìn)的過(guò)程中，不斷通過(guò)自身的陀螺儀測(cè)量驅(qū)動(dòng)輪的偏轉(zhuǎn)角速度等信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和積分運(yùn)算，得到機(jī)體的位置信息、速度與加速度，并通過(guò)定位標(biāo)志來(lái)進(jìn)行不斷更正和調(diào)整。該技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性，能夠與其他導(dǎo)航方式進(jìn)行組合和兼容，但是精度跟陀螺儀的性能有較大關(guān)系，并且開(kāi)發(fā)成本較高。視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)能夠較好的通過(guò)對(duì)圖像的采集來(lái)達(dá)到AGV的自主導(dǎo)航[14]。對(duì)周圍環(huán)境圖像的采集需要在通過(guò)在AGV上裝配CCD攝像頭。攝像頭將信息與存儲(chǔ)在AGV中的軌跡地圖圖像進(jìn)行比對(duì)，得到AGV的當(dāng)前位置信息，通過(guò)圖像處理判斷車體中線與引導(dǎo)中線的偏差，進(jìn)行一定程度的調(diào)整，使AGV在允許的偏差范圍內(nèi)行駛[15]。當(dāng)圖像采集設(shè)備得到進(jìn)一步發(fā)展后，圖像識(shí)別技術(shù)的精度和分辨率不斷提高，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)精度也隨著水漲船高，外界環(huán)境光線變化、地面污染等不再嚴(yán)重影響視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的正常工作。但高精度的圖像采集設(shè)備會(huì)使AGV的成本大大提高，在一般的民用AGV系統(tǒng)未得到較為大規(guī)模的運(yùn)用。激光導(dǎo)航技術(shù)激光導(dǎo)航技術(shù)的主要工作原理是通過(guò)激光發(fā)射器周期性向周圍發(fā)射激光，布置在AGV頂部的激光接收器在接收到被提前安裝在各個(gè)位置的激光反射板阻擋并反射的激光后將信息傳回到主控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，得到當(dāng)前AGV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及位置信息。該技術(shù)導(dǎo)航精度較高，不需要像電磁導(dǎo)航和磁條導(dǎo)航鋪設(shè)固定軌道，但成本較高且激光發(fā)射版與激光接收器之間不能有遮擋，對(duì)環(huán)境有一定要求。1.5論文主要工作根據(jù)AGV硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)論文結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下布局。第一章：介紹了現(xiàn)代制造業(yè)在科技快速發(fā)展的背景下，對(duì)于生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化的需求，分析了國(guó)內(nèi)外AGV研究發(fā)展情況以及現(xiàn)在常用的幾種AGV導(dǎo)航方式，概述了論文的研究?jī)?nèi)容和文章的結(jié)構(gòu)安排。第二章：對(duì)AGV的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出大致規(guī)劃，選擇合適的輪系結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)舵輪減震裝置、牽引裝置、保護(hù)裝置、警報(bào)裝置和車體，提高車身的平衡性能和安全可靠性能。第三章：AGV硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型，包括主控制器模塊、無(wú)線通訊模塊、磁導(dǎo)航模塊、RFID模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、電源模塊。第四章：AGV的性能參數(shù)以及視圖，總體和各個(gè)部分的工作流程圖，潛伏式AGV的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新。第五章：總結(jié)與展望。1.6本章小結(jié)本章節(jié)首先闡述了在工業(yè)4.0背景下，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)于物料運(yùn)輸自動(dòng)化和智能化的需求，然后分析了AGV所具備的廣泛使用價(jià)值和市場(chǎng)潛力，介紹了國(guó)內(nèi)外AGV是如何一步一步發(fā)展到一個(gè)成熟的階段，概括了本文的大致內(nèi)容和后續(xù)章節(jié)的排布。第二章AGV的機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)是整個(gè)AGV設(shè)計(jì)過(guò)程中最開(kāi)始的部分也是最為基礎(chǔ)的部分。機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)秀與否將會(huì)影響到整個(gè)機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能以及后續(xù)軟件控制和電氣系統(tǒng)的安裝，同時(shí)也決定了整個(gè)產(chǎn)品的工作性能與使用年限。所以整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在各種限制條件下，使用有限的資源和預(yù)算，做出盡可能滿足性能指標(biāo)與足夠安全的機(jī)械，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.1AGV的輪系結(jié)構(gòu)分析2.1.1車輪結(jié)構(gòu)AGV常用的車輪結(jié)構(gòu)有定向輪、轉(zhuǎn)向輪、萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同起到不同的作用。定向輪：顧名思義定向輪的方式是恒定的，不可改變。其方向和速度與車體的運(yùn)動(dòng)方向與速度保持一致，輪子較大相對(duì)比較結(jié)實(shí)，能夠適應(yīng)各種路況。轉(zhuǎn)向輪：帶有轉(zhuǎn)向電機(jī)，可以隨意轉(zhuǎn)變方向，功能是改變AGV的運(yùn)動(dòng)方向，速度與車體速度保持一致。如果在轉(zhuǎn)向電機(jī)的基礎(chǔ)上帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在之前基礎(chǔ)能夠使AGV反向，并提供一定動(dòng)力。萬(wàn)向輪：輪子能夠在一個(gè)水平面進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)，速度與車速一致，能夠保持車體的平衡狀態(tài)，同時(shí)分擔(dān)一定的承載重量。驅(qū)動(dòng)輪：具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要功能使為AGV行駛提供動(dòng)力，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，速度與車速相同。圖2-1舵輪圖2-2萬(wàn)向輪2.1.2輪系結(jié)構(gòu)根據(jù)不同AGV對(duì)于運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向方式和驅(qū)動(dòng)方式在各種需求上差異，AGV具有多種不同的底盤輪系結(jié)構(gòu)，大致根據(jù)輪數(shù)的不同，可以分為三輪、四輪、六輪等結(jié)構(gòu)。而三輪較多以單舵輪驅(qū)動(dòng)和差速驅(qū)動(dòng)的方式存在，而四輪和六輪可以使用雙舵輪驅(qū)動(dòng)或者多舵輪驅(qū)動(dòng)。不同的輪系結(jié)構(gòu)會(huì)采取不同的驅(qū)動(dòng)方式，也有著三輪、四輪和六輪的區(qū)別，本文著重介紹在使用舵輪情況下的三輪和四輪輪系結(jié)構(gòu)。(b)(c)舵輪（轉(zhuǎn)向+驅(qū)動(dòng)）2-定向輪3-萬(wàn)向輪4-舵輪（轉(zhuǎn)向）5-驅(qū)動(dòng)輪圖2.3舵輪AGV常用的輪系結(jié)構(gòu)型舵輪AGV輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了單個(gè)舵輪和兩個(gè)定向輪的三輪結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)選用了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向型舵輪，具有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)，能夠在AGV小車行駛的過(guò)程中提供驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向功能，所以將其前置。后方的兩個(gè)定向輪能夠保持行駛過(guò)程中的平衡，使車身更加穩(wěn)定，被舵輪帶動(dòng)前進(jìn)。型舵輪AGV輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了雙舵輪和萬(wàn)向輪的四輪結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的雙舵輪也選用了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向型舵輪，與之前三輪結(jié)構(gòu)相比，雙舵輪能夠提供充足的驅(qū)動(dòng)力而且控制更加靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)平移旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。萬(wàn)向輪能夠保證車體的平衡穩(wěn)定，分擔(dān)整個(gè)車身的重量，完成任意的轉(zhuǎn)向。型舵輪AGV輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了單個(gè)舵輪加兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的三輪設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)選用了只具有轉(zhuǎn)向功能的舵輪，并不具備驅(qū)動(dòng)功能。該舵輪為AGV提供了轉(zhuǎn)向能力，控制車頭前進(jìn)方向。雙驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱排布能夠增強(qiáng)整個(gè)體系的平衡，同時(shí)為AGV提供驅(qū)動(dòng)能力[16]。本設(shè)計(jì)在(b)型舵輪AGV輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上作出了一些改進(jìn)，將原本位于中間部分的兩個(gè)萬(wàn)向輪分別更改到兩個(gè)舵輪的一左一右，重心由原本的中間位置分散到前后兩邊，使AGV行駛的更加平穩(wěn)。當(dāng)AGV接收到轉(zhuǎn)向的命令時(shí)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的舵輪開(kāi)始改變車身的方式，而跟舵輪位于同一水平線上的萬(wàn)向輪會(huì)比原先位于中間位置的萬(wàn)向輪反應(yīng)更加靈敏，從動(dòng)能力增強(qiáng)，使AGV完成轉(zhuǎn)向更加迅速，能夠更好的配合舵輪。2.2減震裝置由于整個(gè)AGV車體的重量集中分布在舵輪和承重萬(wàn)向輪上，而且AGV主要的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于舵輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如果在AGV的行駛過(guò)程中遇到不平整的道路，缺少減震裝置的舵輪很容易造成懸空使車體重心不穩(wěn)，甚至整個(gè)車體不能保持平衡造成翹起或者翻到，所以舵輪需要裝配特定的減震裝備來(lái)為舵輪減少因?yàn)橥獠凯h(huán)境所帶來(lái)的震蕩和沖擊，增強(qiáng)AGV的穩(wěn)定性和舵輪的抓力能力。減震裝置主要由舵輪緩沖固定板上的三根鋁合金軸組成，每個(gè)鋁合金軸外部有兩根減震彈簧。每根減震彈簧在AGV還沒(méi)開(kāi)始行駛時(shí)就處于一定的壓縮狀態(tài)，在不同的地面環(huán)境下，減震彈簧形變的程度會(huì)根據(jù)車體重心的偏移發(fā)生改變，導(dǎo)致舵輪帶動(dòng)車身做出輕微的調(diào)整，讓舵輪能夠與地面進(jìn)行有效接觸防止某個(gè)舵輪發(fā)生懸空的情況。減震裝置除了能夠緩解地面平整度帶來(lái)的影響之外，在AGV遇到意外情況，例如遇到障礙物需要緊急停車的時(shí)候，減震彈簧能夠極大的緩沖由于急停帶來(lái)的巨大慣性沖力，再加上鋁合金軸保證了減震彈簧受壓方向都是垂直于車體使得減震彈簧的緩沖能力得到加強(qiáng)。三根鋁合金軸三角形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得舵輪和車體受力方向在減震裝置的重心，減少左右搖晃的可能，提高了整體的穩(wěn)定系數(shù)，同時(shí)讓舵輪與地面之間保有極大的抓地力，降低電機(jī)的動(dòng)能因?yàn)榕鲎捕鴵p失的可能性，為AGV提供了足夠的驅(qū)動(dòng)力，增強(qiáng)負(fù)載能力[17]。圖2-4舵輪減震裝置2.3牽引裝置AGV在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中需要通過(guò)牽引裝置來(lái)搬運(yùn)貨物。本文設(shè)計(jì)的AGV使用升降棒來(lái)完成于貨物的連接和分離。升降裝置主要由安裝支架、升降電機(jī)、上到位電動(dòng)開(kāi)關(guān)、下到位電動(dòng)開(kāi)關(guān)、升降棒構(gòu)成。升降棒通過(guò)安裝支架固定在AGV小車的頂部，升降棒下端有著一圈又一圈的螺紋通過(guò)配套的螺孔與AGV車體進(jìn)行連接。升降電機(jī)安裝在升降棒另一側(cè)的動(dòng)力裝置固定板上，受到控制器的控制，能夠控制升降棒進(jìn)行升降，在需要的時(shí)候來(lái)拖掛貨架。圖2-5升降棒2.4保護(hù)裝置由于AGV內(nèi)部由許多元器件和硬件電路，為了防止因?yàn)殡姎夤收习l(fā)生的意外和事故，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要加入一定的保護(hù)裝置。斷路器是指能夠在正?；芈窏l件下起到電路電流的開(kāi)斷關(guān)合，在異?；芈窢顟B(tài)下，例如電路發(fā)生短路導(dǎo)致電流過(guò)大時(shí)，斷路器能夠在規(guī)定時(shí)間斷開(kāi)電路，很快就將意外控制在輕微的狀態(tài)，杜絕事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。本設(shè)計(jì)選用的是空氣開(kāi)關(guān)，又名空氣斷路器。如果電路中的電流過(guò)大超過(guò)額定電流，空氣開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，能夠有效降低和杜絕AGV內(nèi)部發(fā)生的短路、欠電壓或者嚴(yán)重過(guò)載的可能性，起到保護(hù)電路的作用。圖2-6空氣開(kāi)關(guān)2.5警報(bào)裝置AGV工作環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，難免可能會(huì)發(fā)生一些AGV不能夠自主處理的特殊情況時(shí)，需要發(fā)出警報(bào)通知附近的工作人員來(lái)進(jìn)行人工處理。當(dāng)AGV在行駛過(guò)程中遇到車體側(cè)翻、與障礙物發(fā)生碰撞等意外情況導(dǎo)致不能夠按照指令完成任務(wù)時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)工作發(fā)出紅色的警報(bào)，表示車體出現(xiàn)故障，無(wú)法正常工作。揚(yáng)聲器能夠配合報(bào)警燈使用，報(bào)警燈發(fā)出紅光的同時(shí)揚(yáng)聲器開(kāi)始工作，發(fā)出警報(bào)鈴聲。圖2-7報(bào)警燈圖2-8揚(yáng)聲器2.6車體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的AGV為雙舵輪萬(wàn)向潛伏式AGV.潛伏式AGV主要適用于有許多限制的生產(chǎn)環(huán)境，尤其是高度受限。這導(dǎo)致潛伏式AGV不像叉車式的AGV擁有能夠大幅度升降使用貨叉的車身，潛伏式AGV的車身高度十分有限，而且整體呈現(xiàn)為平整長(zhǎng)方形。這種類型的構(gòu)造使得潛伏式AGV能夠在十分狹窄、高度有限的間隙環(huán)境中較高速和靈活的穿梭行駛，平整的車體有效減少了與周遭環(huán)境發(fā)生碰撞的可能性。在滿足對(duì)于車體高度的限制下，作為AGV主要的車體部分，同時(shí)也需要具有一定的強(qiáng)度和剛度來(lái)支撐AGV的承載重量和加速時(shí)收到壓力，還需要降低車身的重量來(lái)提高AGV工作過(guò)程中的靈活程度以及有效承重，提升AGV的性能。車身的重心需要盡量居中以及降低，保證AGV在行駛過(guò)程中重心不發(fā)生動(dòng)蕩，增強(qiáng)平衡性和穩(wěn)定性。為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，車體外部輪廓需要做到平整，不應(yīng)有凸出部分，防止和其他物體發(fā)生無(wú)必要的碰撞。綜合一系列要求和約束，本論文使用鋁合金來(lái)制造車身的骨架和輪廓?？紤]到鋁合金相比于其他鋼材來(lái)說(shuō)具有較好的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)可塑造性較強(qiáng)、密度較低，而且力學(xué)性能和抗腐蝕能力較強(qiáng)，能夠滿足AGV車身絕大部分的要求。車體的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)80cm，寬50cm,高20cm。圖2-9車體結(jié)構(gòu)圖2-10總體結(jié)構(gòu)2.7本章小結(jié)本章節(jié)介紹了AGV小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了AGV最基礎(chǔ)的性能參數(shù)。了解定向輪、轉(zhuǎn)向輪、萬(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)輪的作用后，采用雙舵輪和雙萬(wàn)向輪的四輪輪系結(jié)構(gòu)。為了防止在行駛過(guò)程中車體震動(dòng)懸空，采用舵輪減震裝置增強(qiáng)車體的平衡性與穩(wěn)定性。第三章AGV的電路設(shè)計(jì)3.1主控制器模塊AGV的主控制器模塊是整個(gè)AGV硬件系統(tǒng)的核心。它如同人類的神經(jīng)中樞系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)上位控制系統(tǒng)所發(fā)出的命令進(jìn)行接受和執(zhí)行，控制著各個(gè)模塊的工作，使AGV完成對(duì)應(yīng)的任務(wù)和指令。所以一個(gè)優(yōu)秀的AGV硬件系統(tǒng)對(duì)主控芯片有很高的要求。PLC、單片機(jī)和工控機(jī)是一般AGV比較常用的控制方式，它們都具有各自的特點(diǎn)[18]。表3-1不同控制方式之間的對(duì)比控制方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)PLC用于邏輯控制、I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、易于擴(kuò)展。不能實(shí)現(xiàn)多線處理、處理任務(wù)較為單一、不利于調(diào)試。單片機(jī)成本低、功耗小、體積小需要配套的外部電路和底層算法、處理器處理能力較差、處理速度較慢工控機(jī)處理器處理能力強(qiáng)，能夠多線程處理、資源豐富、能夠適用于惡劣環(huán)境成本高、能耗大、體積大綜合上述的特征，從AGV的成本、性能參數(shù)以及工作環(huán)境等多個(gè)方面全面考慮，單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)主控模塊的全面功能需求，同時(shí)極大降低開(kāi)發(fā)的成本和研發(fā)的周期。STM32F103VET6是意法半導(dǎo)體公司推出的控制芯片。STM32代表ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器，F(xiàn)103代表增強(qiáng)型，V代表100引腳，其中有80個(gè)引腳可以用于IO的輸出輸入端口，E代表內(nèi)部集成了512KB的Flash和64KB的SRAM，T代表LQFP封裝，6代表工作溫度范圍在-40℃-85℃。其次之外，STM32F103VET6的最高工作頻率可以達(dá)到72MHz，電源電壓在2V-3.6V之間，具有3個(gè)通用定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2個(gè)16通道12位的同步模數(shù)采集器，2路SPI接口、2路T2C接口、3路USART接口、1個(gè)USB設(shè)備接口、1個(gè)CAN接口。該芯片適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，例如GPS平臺(tái)、報(bào)警系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)和游戲外設(shè)等，而且充足的接口資源和優(yōu)秀的性能可以很好的滿足AGV對(duì)于主控芯片的需求[19]。STM32芯片如果沒(méi)有外圍電路是無(wú)法正常工作的，一個(gè)STM32的最小運(yùn)行系統(tǒng)通常包括晶振、供電、復(fù)位和下載電路等。晶振電路的振蕩器通常由石英晶體充當(dāng)主要組成部分。普通的多諧振蕩器會(huì)受到許多因素的影響，當(dāng)電壓發(fā)生波動(dòng)、溫度出現(xiàn)變化或者RC參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí)，多諧振蕩器都會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。選擇采用石英晶體作為振蕩器的最主要的優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)樗軌虮３趾芎玫念l率穩(wěn)定性。振蕩器是通過(guò)運(yùn)用石英晶體的壓電效應(yīng)來(lái)達(dá)到起振的目的。具體原理是當(dāng)石英晶體的兩極連接恒定電壓之后，晶體會(huì)發(fā)生一定程度的形變，而將恒定電壓換成交變電壓后，形變就會(huì)變成機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱但穩(wěn)定的交變電壓。其中當(dāng)外界施加的交變電壓的頻率與晶體本身固有頻率相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種名為壓電諧振的特殊情況，此時(shí)壓電效應(yīng)的振動(dòng)幅度會(huì)有顯著的擴(kuò)大。晶振電路會(huì)產(chǎn)生8MHz的振蕩頻率再通過(guò)PLL鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻后達(dá)到穩(wěn)定工作頻率72MHz。而所有的主控器外部設(shè)備和CPU的正常工作都要基于這個(gè)工作頻率，也稱之為時(shí)鐘信號(hào)。晶振電路通過(guò)OCSIN和OSCOUT端口與芯片連接。由于STM32芯片的正常工作電壓在2V-3.6V之間，所以給芯片供電的電源選用VCC3.3V比較合適，由LDO低壓差線性穩(wěn)壓器將5V換變?yōu)?.3V。復(fù)位電路的端口是NRST，當(dāng)NRST端口輸入低電平時(shí)，整個(gè)芯片進(jìn)行復(fù)位，各個(gè)器件初始化。在程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，一般采用SWD或者JTAG的方式來(lái)解決需要下載bin或者HEX文件以及在線仿真調(diào)試。SWD模式跟JTAF模式相比較，在高速模式下更加可靠，而且只需要4個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)功能，與芯片的JTMS和JTCK端口相連。圖3-1晶振電路、復(fù)位電路、下載電路圖3-2STM32F103VET6引腳圖3.2無(wú)線通訊模塊AGV在實(shí)際使用的過(guò)程中，往往需要接受上位機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)同時(shí)多臺(tái)AGV機(jī)器參與任務(wù)的分配與實(shí)施，構(gòu)建一個(gè)完整全面的調(diào)度系統(tǒng)，所以一個(gè)無(wú)線通訊模塊能夠使AGV更好的接受命令，完成更加復(fù)雜的任務(wù)。GC433-TC007是硅傳科技推出一款無(wú)線數(shù)傳模塊。該模塊屬于UART硬件模塊，通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行無(wú)線通訊，大大降低了開(kāi)發(fā)成本和研發(fā)周期。具有AT指令模式和透?jìng)髂Ｊ?。在AT指令模式下，用戶可以設(shè)定串口的波特率和網(wǎng)絡(luò)IP等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在透?jìng)髂Ｊ较拢K能夠?qū)⒋谳敵龅臄?shù)據(jù)傳送到目的端口，不管傳輸業(yè)務(wù)的內(nèi)容如何，不對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容做出任何改變。通訊距離可達(dá)800m，覆蓋面積相比于其他無(wú)線傳輸模塊相對(duì)較大，大大提升了AGV的可控制范圍。以下是該芯片的接口功能表。表3-2GC433-TC007端口功能表序號(hào)接口名功能0RESET復(fù)位信號(hào)，低電平有效，正常使用拉高或懸空1VCC電源+3.3V2GND地3RXDUARTRX4TXDUARTTX5GND地6ANT天線接口，等效阻抗約50Ω7GND地該模塊的供電電壓為3.3V，STM32的PB10和PB11引腳與模塊的UART_TX和UART_RX相連接。為確保RESET引腳為高電壓，將RESET引腳通過(guò)電阻與VDD引腳相連接。電路中的電容是起到濾波作用，使直流信號(hào)輸入模塊時(shí)更加平滑和穩(wěn)定。圖3-3GC433-TC007引腳圖3.3磁導(dǎo)航模塊AGV磁導(dǎo)航模塊選用的是廣州聯(lián)網(wǎng)科技的D-MNSV6-X16。該模塊具有16個(gè)固定間隔排列的微型磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器，每個(gè)磁場(chǎng)傳感器都是一個(gè)磁場(chǎng)的探測(cè)點(diǎn)。在磁導(dǎo)航模塊工作時(shí)，各個(gè)探測(cè)點(diǎn)會(huì)檢測(cè)到磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)，在霍爾效應(yīng)下磁場(chǎng)中的每個(gè)霍爾元件都會(huì)根據(jù)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生不同的電壓，這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給主控模塊,主控模塊經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算和轉(zhuǎn)換判斷AGV與事先在路徑上鋪設(shè)好的磁條的相對(duì)位置。當(dāng)探測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，代表磁條在正下方的中間位置，AGV此時(shí)在直行。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不同時(shí)，代表磁條偏左或偏右，就會(huì)向主控模塊發(fā)送信息，通過(guò)主控模塊調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，讓AGV實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)回到中心位置[20]。圖3-4磁導(dǎo)航引腳圖3.4RFID讀寫模塊磁導(dǎo)航通常需要3連續(xù)的磁條塊來(lái)給AGV提供信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的目的，具有一定的局限性而且容易受干擾導(dǎo)致精度下降，所以需要配合RFID模塊，RFID模塊識(shí)別速度較快、使用壽命較長(zhǎng)、可以動(dòng)態(tài)更改標(biāo)簽數(shù)據(jù)和通信，能夠容納較大數(shù)據(jù)，兩者共同作用提高導(dǎo)航的精度，增強(qiáng)AGV的性能。RFID射頻技術(shù)也就是無(wú)線電和射頻數(shù)據(jù)識(shí)別交換技術(shù),它也是射頻自動(dòng)識(shí)別的主要技術(shù)之一，通過(guò)無(wú)線電以射頻的形式與儀器表面的媒體之間進(jìn)行非接觸雙向的射頻數(shù)據(jù)通訊。射頻儀表上的媒介例如無(wú)線電子標(biāo)簽或者無(wú)線射頻卡上的控制線圈能夠接收射頻解讀器自動(dòng)傳來(lái)的無(wú)線射頻識(shí)別信號(hào),產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的射頻感應(yīng)電流,從而用戶可以對(duì)射頻芯片內(nèi)存中的射頻信息數(shù)據(jù)進(jìn)行閱讀和數(shù)據(jù)寫入,達(dá)到射頻識(shí)別的主要目標(biāo)和射頻數(shù)據(jù)交換的主要技術(shù)目的。整個(gè)RFID閱讀系統(tǒng)中包含了閱讀儀、應(yīng)答器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)等部分。閱讀器就是將一個(gè)標(biāo)簽中一些信息和內(nèi)容自動(dòng)讀出或者將標(biāo)簽內(nèi)部所缺少的關(guān)鍵信息重新寫入標(biāo)簽當(dāng)中的一種裝置。通常的主要部分為信號(hào)收發(fā)天線、頻率信號(hào)產(chǎn)生器、鎖相環(huán)、微處理器、存儲(chǔ)器、調(diào)節(jié)控制電路及其他外設(shè)硬件接口。應(yīng)答器通常來(lái)看就是一個(gè)電子標(biāo)簽,它擁有一個(gè)唯一的電子標(biāo)簽編碼,通常由收發(fā)天線、AC/DC控制電路、解調(diào)控制電路、邏輯信號(hào)控制電路、存儲(chǔ)器和調(diào)制電路等部分共同構(gòu)成。應(yīng)用程序軟件管理系統(tǒng)需要能夠?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行實(shí)時(shí)搜集并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。RFID模塊選用的是廣州晨控的CK-G06。CK-G06的工作頻率為125KHZ，同時(shí)它還可以支持對(duì)EMID和FDX-B兩種不同格式數(shù)據(jù)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)讀取,通過(guò)它的RS232通信接口可以直接進(jìn)行各種數(shù)據(jù)流的傳輸。該傳感器內(nèi)部自帶了Auto-turning自動(dòng)調(diào)諧控制電路,在不同的工作環(huán)境中和運(yùn)行時(shí)間內(nèi)都能夠輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整調(diào)諧電路的相關(guān)參數(shù),使得各種外界環(huán)境對(duì)于讀卡距離的擾動(dòng)影響減少到最低程度,進(jìn)一步大大提升了自身的抵抗外界干擾能力,具備了使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、性能穩(wěn)定和可靠性好等四大特征。產(chǎn)品的主要參數(shù)如下：工作電壓：12V-24V/DC;工作電流：<200mA；功耗：2W;電路保護(hù)：帶極性接反保護(hù)；讀卡距離：15cm（跟標(biāo)簽類型與應(yīng)用環(huán)境有關(guān)）；支持標(biāo)簽類型：FDX-B、EMID；通信接口：RS232；工作溫度：-25℃-85℃；當(dāng)RFID傳感器接通了電源之后,紅色的LED燈常亮,傳感器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入信號(hào)調(diào)諧的工作狀態(tài),并且可以根據(jù)身處的工作場(chǎng)景和使用環(huán)境來(lái)對(duì)相關(guān)參數(shù)做出一個(gè)對(duì)應(yīng)的調(diào)諧。當(dāng)傳感器檢測(cè)到RFID標(biāo)簽的存在時(shí),讀卡器會(huì)對(duì)標(biāo)簽上的信息進(jìn)行解碼，解碼成功后綠色的LED燈會(huì)自動(dòng)亮起,同時(shí)由RS232接口將讀取的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送給給數(shù)據(jù)接收器。傳感器可以支持兩種通訊模式：Autosendmodel和Resendmodel。在Autoread模式下當(dāng)一個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)入到能夠被傳感器檢測(cè)到的感應(yīng)地帶時(shí),傳感器就會(huì)發(fā)出射頻信號(hào)對(duì)其進(jìn)行編碼處理,然后自動(dòng)向接收器發(fā)送標(biāo)簽編碼的數(shù)據(jù)。如果一個(gè)標(biāo)簽一直存在于感應(yīng)區(qū)域,讀卡器連續(xù)向它發(fā)送兩次編碼的數(shù)據(jù)后將不會(huì)繼續(xù)發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù),直到一個(gè)標(biāo)簽被移動(dòng)并離開(kāi)感應(yīng)區(qū),或者是傳感器從另外的地方檢測(cè)到一個(gè)新的標(biāo)簽。該模式信號(hào)輸出的格式為:起始碼+標(biāo)簽碼類型+十進(jìn)制卡號(hào)+RCC校驗(yàn)+結(jié)束碼。在Resend控制模式下,控制主機(jī)可以直接通過(guò)向傳感器發(fā)送Resend命令,請(qǐng)求再次接收標(biāo)簽的相關(guān)數(shù)據(jù),傳感器接收到指令后就會(huì)再次發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)控制主機(jī)接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)未能成功接受到標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí),可以通過(guò)這個(gè)命令再次獲取。在Reread模式下,控制主機(jī)可以通過(guò)向傳感器發(fā)送一個(gè)Reread命令,請(qǐng)求傳感器重新對(duì)之前的區(qū)域進(jìn)行掃描,從而重新讀取該感應(yīng)區(qū)內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。該編碼模式下信號(hào)輸出的編碼格式定義為:起始信號(hào)碼+命令碼+結(jié)束碼。RFID模塊需要通過(guò)RS232串口進(jìn)行通信，而主控制器模塊上的UART串口并不能直接與RS232進(jìn)行信息的交互，因?yàn)镽S232是一個(gè)反邏輯也稱之為負(fù)邏輯，即低電平-3V到-15V代表邏輯1而高電平+3V-+15V代表邏輯0。所以需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解決兩個(gè)端口電平不統(tǒng)一的情況。圖3-5RFID接口與MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?yàn)锳GV的行駛提供充足的動(dòng)力，是硬件系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。一般的AGV驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、直流無(wú)刷伺服電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)：依賴于自由旋轉(zhuǎn)的電磁鐵，當(dāng)氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)開(kāi)始工作，步進(jìn)電機(jī)接收到電信號(hào)之后，但轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較小。直流有刷電機(jī)：內(nèi)含電刷裝置，能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能，控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行較為平穩(wěn)，但是可靠性不高、工作壽命短，不容易更換[21]。直流無(wú)刷電機(jī)：在原來(lái)的有刷電機(jī)上發(fā)展，將傳統(tǒng)的機(jī)械換向用先進(jìn)的電子換向取代，性能更加可靠，不會(huì)磨損，使用壽命得到提高，屬于靜態(tài)電機(jī)，空載電流小。但是成本較高，容易形成共振，產(chǎn)生嗡嗡聲。直流無(wú)刷伺服電機(jī)：伺服電機(jī)可以通過(guò)脈沖來(lái)定位，當(dāng)伺服電機(jī)接收到脈沖之后，就會(huì)旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的角度完成位移，而伺服電機(jī)自身具有發(fā)送脈沖的功能，所以可以通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)將旋轉(zhuǎn)的度數(shù)告訴系統(tǒng)，這樣就與系統(tǒng)發(fā)出的脈沖形成了閉環(huán)，通過(guò)發(fā)送的脈沖與接收到的脈沖，實(shí)現(xiàn)了高精度的定位。根據(jù)AGV小車的性能參數(shù)、成本預(yù)算、電源類型和電機(jī)力矩等因素，決定選用直流無(wú)刷電機(jī)60DH200和直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器BLD15LB。該直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器采用12V-56VDC電源供電具有低溫升、低噪音、速度/電流雙環(huán)驅(qū)動(dòng)和多種調(diào)速模式等特點(diǎn)，而且能夠面對(duì)各種意外情況提供過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、摩爾錯(cuò)誤保護(hù)等安全措施。電機(jī)的參數(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的端口功能如下表所示:表3-3直流無(wú)刷電機(jī)參數(shù)表參數(shù)數(shù)值額定電壓DC24V額定電流10A額定功率200W額定轉(zhuǎn)速3000RPM額定力矩2.01表3-4電機(jī)驅(qū)動(dòng)器端口功能表端子信號(hào)信號(hào)種類信號(hào)說(shuō)明DC+電源連接直流電源接入正極。DC-直流電源接入負(fù)極。W電機(jī)連接直流無(wú)刷電機(jī)W相。V直流無(wú)刷電機(jī)V相。U直流無(wú)刷電機(jī)U相。REF+霍爾信號(hào)直流無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)電源線。HW直流無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)HW。HV直流無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)HV。HU直流無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)HU。REF-直流無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)接地線。SV控制信號(hào)調(diào)速信號(hào)輸入端口，與外部電位器中間引出端相連，電位器另外兩側(cè)與REF+端口和COM端口相連。COM公共端口。F/R控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，與COM端口配合使用，兩者斷開(kāi)時(shí)為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)兩者短接時(shí)，電機(jī)更改為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。EN停止信號(hào)控制端，EN端口與COM端口斷開(kāi)為電機(jī)緩慢停止，短接閉合為正常運(yùn)行。BRK電機(jī)快速剎車信號(hào)端口，BRK端口與COM端口斷開(kāi)時(shí)電機(jī)為快速剎車，短接閉合為正常運(yùn)行。SPEED輸出信號(hào)輸出速度信號(hào)，根據(jù)電機(jī)在行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)。ALM輸出報(bào)警信號(hào)，正常時(shí)表現(xiàn)為電平5V，出現(xiàn)故障時(shí)電平為0V。3.6速度檢測(cè)模塊為了對(duì)AGV小車在行駛過(guò)程中的速度有一個(gè)更精確的控制，所以需要增加一個(gè)速度檢測(cè)模塊。一般的測(cè)速可以通過(guò)測(cè)速傳感器，例如光電編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。本文選用的是增量式光電編碼器。增量式光電編碼器主要由發(fā)光二極管、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、檢測(cè)光柵也稱固定光柵、棱鏡、光電檢測(cè)器件光敏管、碼盤也稱光柵板組成。碼盤上刻有許多等節(jié)距的徑向輻射狀的間隙，每?jī)蓚€(gè)相鄰的間隙就代表一個(gè)信號(hào)。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出光線透過(guò)棱鏡時(shí)，只有一部分光線能夠通過(guò)碼盤的間隙照到固定光柵上。固定光柵上具有A、B兩組和碼盤上等節(jié)距可以透光的間隙，這兩組間隙在相對(duì)位置上相差1/4節(jié)距，這會(huì)導(dǎo)致從碼盤上透過(guò)間隙的光在穿過(guò)固定光柵的A、B后產(chǎn)生90°的相位差。在增量式光電編碼器工作開(kāi)始隨著部件旋轉(zhuǎn)時(shí)，光信號(hào)通過(guò)碼盤和固定光柵后被光敏管等光電檢測(cè)器件轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波信號(hào)，對(duì)這些數(shù)字方波信號(hào)進(jìn)行處理就能得到旋轉(zhuǎn)軸的一系列數(shù)據(jù)，例如角速度和位置等[22]。增量式光電編碼器跟其他數(shù)字式傳感器類似，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度越快，產(chǎn)生的脈沖頻率就越高。所以可以通過(guò)數(shù)字式測(cè)速法對(duì)小車的速度進(jìn)行測(cè)量。最基本的測(cè)量原理就是在對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理之后，測(cè)量固定的時(shí)間間隔內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。根據(jù)對(duì)脈沖信號(hào)的不同處理方式，可以分為“M”法、“T”法和“M/T”法[23]?！癕”測(cè)量法又稱為定時(shí)測(cè)角法。該法是在給定高頻的時(shí)鐘間隔下測(cè)量增量式光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。“M”法的分辨率跟編碼器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，跟給定時(shí)間間隔和編碼器輸出脈沖分辨率成負(fù)相關(guān)?！癕”法在中高速轉(zhuǎn)速下的測(cè)量精度較高，在低速的情況下，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較高的誤差[24]?！癟”測(cè)量法又稱為定角測(cè)試法。該法通過(guò)高頻的時(shí)鐘對(duì)編碼器一個(gè)脈沖周期（例如兩個(gè)相鄰上升沿之間的時(shí)間間隔）進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算得到編碼器旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。“T”法的分辨率與編碼器輸出的脈沖分辨率、高頻時(shí)鐘脈沖的脈沖周期和脈沖計(jì)數(shù)負(fù)相關(guān)。“T”不適用于較高速的測(cè)量，因?yàn)橹懈咚匐A段編碼器脈沖輸出較快，脈沖周期較小會(huì)導(dǎo)致需要更高的采集頻率，不然會(huì)引起誤差，所以更適合低速的測(cè)量?！癕/T”法原理跟“T”法相似，只不過(guò)“M/T”法是選擇一定數(shù)量的編碼器輸出脈沖周期來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。“T”法可以看過(guò)是選取一個(gè)脈沖周期的特殊“M/T”法?！癕/T”法的分辨率跟選擇脈沖周期的個(gè)數(shù)成正相關(guān)，與編碼器輸出的脈沖分辨率、高頻時(shí)鐘脈沖的脈沖周期和脈沖計(jì)數(shù)負(fù)相關(guān)。雖然“M/T”法解決了“T”法在高速階段對(duì)于高頻采樣頻率的需求，但是在低速階段由于編碼器輸出脈沖周期較大，導(dǎo)致檢測(cè)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性比較差[25]。根據(jù)AGV的性能參數(shù)、行駛速度、測(cè)速精度、測(cè)速實(shí)時(shí)性等需求，采用“M”法測(cè)速比較合適。3.7超聲波避障模塊為了避免AGV執(zhí)行任務(wù)行駛過(guò)程中碰撞到障礙物，需要使用避障模塊來(lái)探測(cè)前方是否存在需要回避的阻礙。常用的避障方式有紅外線避障、激光避障和超聲波避障等。紅外線避障通過(guò)發(fā)出紅外光波和接收發(fā)出的光波來(lái)感知周外的障礙物，但是探測(cè)距離有限，難以得到障礙物的實(shí)際距離，不能提前做出有效的減速，而激光避障通過(guò)測(cè)量激光脈沖經(jīng)過(guò)障礙物反射回小車來(lái)計(jì)算記錄，測(cè)量速度快、精度高，但是成本較高，所以綜合考慮超聲波避障比較適合[26]。超聲波避障的原理：超聲波發(fā)射器會(huì)向周圍發(fā)出頻率高于20KHz的聲波，如果在聲波前進(jìn)的方向上存在障礙物，在遭遇到阻礙之后部分聲波會(huì)發(fā)生反射，聲波接收器能夠接收到反射回來(lái)的聲波。根據(jù)發(fā)射聲波跟接收聲波的時(shí)間距離和聲波的傳播速度得到障礙物的大致距離。超聲波避障模塊選用的式Risym的US-100超聲波測(cè)距模塊。該模塊具有DC2.4V-5.5V的工作電壓，2ma的靜態(tài)電流，能夠在-20℃到70℃范圍內(nèi)工作，支持UART通信。最大探測(cè)范圍可達(dá)4.5m，探測(cè)精度能夠達(dá)到0.3cm±1％。圖3-6US-100引腳圖3.8電源模塊電源模塊是AGV系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分，它能夠起到提供電源和穩(wěn)定電壓的作用，它能夠?yàn)椴煌哪K根據(jù)需要提供不同的電壓[27]。直流無(wú)刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片、磁導(dǎo)航模塊、RFID讀寫模塊需要輸入DC24V，主控芯片、無(wú)線通訊模塊需要輸入DC3.3V，超聲波避障模塊需要輸入DC5V。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)12V28AH的鉛蓄電池串聯(lián)成24V電壓來(lái)為部分模塊供電。為了滿足所有硬件的供電需求，需要通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路將24V電壓源分別轉(zhuǎn)換為3.3V和5.5V。本設(shè)計(jì)選用LM2596芯片將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，再通過(guò)AMS1117芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。圖3-7LM259624V轉(zhuǎn)5V電路圖3-8AMS-11175V轉(zhuǎn)3.3V電路3.9本章小結(jié)本章節(jié)詳細(xì)介紹了AGV硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型，包括主控制器模塊、無(wú)線通訊模塊、磁導(dǎo)航模塊、RFID讀寫模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、速度檢測(cè)模塊、超聲波避障模塊和電源模塊，各個(gè)模塊的功能基本實(shí)現(xiàn)，同時(shí)給出了各種器件的詳細(xì)參數(shù)和原理圖。AGV系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)4.1AGV的性能參數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的根本目的是需要達(dá)到AGV小車在工作過(guò)程中的性能要求從而高效、準(zhǔn)確、安全的完成相應(yīng)任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的潛伏式AGV適用在空間狹小、高度受限的環(huán)境下工作，滿足以下要求。表4-1AGV的性能參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)導(dǎo)航方式磁導(dǎo)航和RFID標(biāo)簽行走功能前進(jìn)后退、左右橫移、轉(zhuǎn)彎通訊方式無(wú)線通訊驅(qū)動(dòng)方式舵輪加萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)行走速度行走平均時(shí)速40m/min載重能力<300kg引導(dǎo)精度±10mm充電方式蓄電池自動(dòng)充電或手動(dòng)充電報(bào)警方式報(bào)警燈聲光報(bào)警安全防護(hù)超聲波避障系統(tǒng)、急停按鈕運(yùn)行環(huán)境溫度：-5-45℃潛伏式AGV小車性能參數(shù)指標(biāo)主要根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境而制定。該類AGV主要用于工業(yè)制造場(chǎng)生產(chǎn)車間的物料搬運(yùn)，工作環(huán)境主要包括生產(chǎn)制造區(qū)域、物料擺放區(qū)域、工作人員行走區(qū)域和專門的AGV行駛區(qū)域等。這類環(huán)境下，AGV的主要任務(wù)是將物料擺放區(qū)域的物料經(jīng)由AGV行駛區(qū)域運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)制造區(qū)域，其間還要避開(kāi)有工作人員行走的區(qū)域。AGV的行駛路線較為固定，所以使用磁導(dǎo)航和RFID標(biāo)簽，并且精度能夠達(dá)到±10mm。潛伏式AGV使用舵輪加萬(wàn)向輪來(lái)加強(qiáng)移動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)前后左右之外多方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)是為了應(yīng)對(duì)物料擺放區(qū)域和生產(chǎn)制造區(qū)域復(fù)雜的地形以及各種推擠物之間彎彎扭扭的狹窄通道。潛伏式AGV需要具備無(wú)線通訊能力來(lái)接收控制信息和發(fā)送完成情況。考慮到安全性和工作的需求，時(shí)速40m/min和最大承重300kg能夠在不發(fā)生碰撞和故障的同時(shí)完成絕大多數(shù)的物料搬運(yùn)工作，而且當(dāng)AGV電量耗盡時(shí)可以采用自動(dòng)充電或者手動(dòng)充電。超聲波避障系統(tǒng)和急停按鈕能夠防止AGV與障礙物發(fā)生磕碰與摩擦，如果出現(xiàn)故障或者意外情況無(wú)法繼續(xù)工作，潛伏式AGV的報(bào)警燈和揚(yáng)聲器就會(huì)分別發(fā)出紅色和警報(bào)聲。-5℃-45℃的工作溫度能夠讓潛伏式AGV在夏天和冬天的惡劣天氣下也可以繼續(xù)保持工作。4.2AGV視圖潛伏式AGV不同角度的視圖如下圖所示：圖4-1俯視圖圖4-2底盤視圖圖4-3側(cè)視圖4.3總體功能流程圖AGV整體功能實(shí)現(xiàn)流程圖如下：圖4-4總體設(shè)計(jì)流程圖AGV未工作時(shí)在待命區(qū)等待命令，檢測(cè)是否接收到任務(wù)指令。直到接收到命令并取得任務(wù)信息后，AGV小車才會(huì)開(kāi)始啟動(dòng)。在開(kāi)始工作后，AGV如果不在工作區(qū)域就會(huì)朝著指定工作區(qū)域前進(jìn)，到達(dá)目的地之后進(jìn)行自動(dòng)裝貨或者人工裝貨。完成裝貨后，目的地會(huì)更改為卸貨區(qū)域，AGV就會(huì)按照地面上磁條的引導(dǎo)到卸貨區(qū)域自動(dòng)卸貨或者人工卸貨。當(dāng)AGV沒(méi)有正在執(zhí)行的命令時(shí)，會(huì)返回到起始的待命區(qū)等待下一次任務(wù)。4.4部分功能流程圖AGV總體功能的實(shí)現(xiàn)需要各個(gè)部分進(jìn)行合理有效的配合，其中最主要的三個(gè)部分分別是通訊功能、RFID定位、升降棒牽引。4.4.1通訊功能流程圖AGV的通訊功能實(shí)現(xiàn)流程圖如下：圖4-5通訊功能流程圖通訊功能使得AGV能夠被遠(yuǎn)程控制。當(dāng)控制臺(tái)需要AGV進(jìn)行物料運(yùn)輸時(shí)，會(huì)發(fā)出物料運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)指令，當(dāng)通訊模塊檢測(cè)到相應(yīng)的命令后就會(huì)發(fā)送給AGV的主控制器，主控制器開(kāi)始控制AGV完成任務(wù)。如果檢測(cè)到?jīng)]有發(fā)送成功，則會(huì)繼續(xù)發(fā)生直到AGV接收到。4.4.2RFID定位流程圖RFID定位實(shí)現(xiàn)流程圖如下：圖4-6RFID定位流程圖RFID模塊在工作過(guò)程中需要對(duì)電子標(biāo)簽卡進(jìn)行掃描從而讀取到標(biāo)簽卡上的ID卡號(hào)。ID卡號(hào)需要使用寫卡器燒寫到電子標(biāo)簽當(dāng)中，每次只能保留一個(gè)數(shù)字。不同的卡號(hào)具備著不同的信息，這些對(duì)應(yīng)的關(guān)系會(huì)被錄入到系統(tǒng)當(dāng)中去，而不同的信息代表AGV在此時(shí)需要執(zhí)行不同的操作。卡號(hào)數(shù)字對(duì)應(yīng)的功能有：分岔路口轉(zhuǎn)向功能。在一些需要轉(zhuǎn)向的分岔路口會(huì)設(shè)置電子標(biāo)簽卡，當(dāng)讀取到卡號(hào)時(shí)，就能判斷出此時(shí)是需要左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。行駛方向選擇功能。因?yàn)闈摲紸GV具有雙向行駛的能力，通過(guò)對(duì)應(yīng)的卡號(hào)控制AGV前進(jìn)還是后退。行駛速度選擇功能。根據(jù)實(shí)際工作的需求，在不同的地區(qū)和不同的時(shí)間,對(duì)潛伏式AGV有不同的速度需求，具有低速、中速、高速三種模式。升降棒控制功能。當(dāng)潛伏式AGV達(dá)到指定工作地點(diǎn)時(shí)，會(huì)掃描貨物下方的電子標(biāo)簽卡，判斷出此時(shí)執(zhí)行上升或者下降升降棒的操作，完成裝貨或者卸貨的任務(wù)。4.4.3升降棒牽引流程圖升降棒牽引實(shí)現(xiàn)流程圖如下：圖4-7升降棒牽引流程圖升降棒的控制是通過(guò)RFID讀取到指定的卡號(hào)而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)AGV到達(dá)指定的位置時(shí)，RFID讀取ID卡號(hào)。在執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作之前，AGV小車會(huì)先判斷出當(dāng)前升降棒處于什么狀態(tài)。只有需要執(zhí)行的操作與當(dāng)前狀態(tài)不同時(shí)，才會(huì)驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)。這樣操作的好處是不需要執(zhí)行重復(fù)性的動(dòng)作，只在有需要時(shí)才會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，提升AGV的工作效率，在整個(gè)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中節(jié)約時(shí)間，提高整個(gè)車間的產(chǎn)量。在升降棒執(zhí)行上升命令時(shí)，控制器會(huì)通過(guò)升降電機(jī)控制升降棒的運(yùn)動(dòng)，直到收到上到位電動(dòng)開(kāi)關(guān)的信號(hào)，表明升降棒已經(jīng)上升到位，此時(shí)電機(jī)停止運(yùn)作，AGV與貨物相勾連。執(zhí)行下降命令時(shí)也是同理，控制器驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)，直到收到下到位電動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，電機(jī)停止工作,AGV與貨物完成分離。運(yùn)輸任務(wù)完成，等下執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。4.5潛伏式AGV的優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新AGV按照結(jié)構(gòu)一般可以分為叉車型、搬運(yùn)型、裝配型、潛伏型。叉車型AGV，顧名思義使用開(kāi)放的貨叉結(jié)構(gòu)，能夠直接使用貨叉運(yùn)送貨物。搬運(yùn)式AGV是功能最普通的AGV，主要通過(guò)將直接貨物放置在車體上進(jìn)行運(yùn)輸。裝配型AGV則是在搬運(yùn)式AGV的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了功能的復(fù)雜化，能夠裝貨和卸貨等操作。潛伏式AGV的運(yùn)輸方式是行駛到貨物下方，上升升降棒掛鉤牽引貨物，將貨物牽引到指定的卸貨地點(diǎn)之后，升降棒下降，潛伏式AGV與貨物完成分離。與之前三種AGV相比，潛伏式AGV具有體積小、操作靈活、能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，極大提高了AGV系統(tǒng)整體的工作效率。潛伏式AGV創(chuàng)新性的使用了高度極低且光滑平坦的車身結(jié)構(gòu)和升降棒的牽引結(jié)構(gòu)，既有效的降低了與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞的可能又使得車體可以從貨物下方進(jìn)行托運(yùn)。4.6本章小結(jié)本章節(jié)介紹了潛伏式AGV的性能參數(shù)和選取依據(jù)，給出了潛伏式AGV各個(gè)角度的視圖，并且通過(guò)一系列流程圖闡述了AGV總體的工作過(guò)程和各部分功能的執(zhí)行。通過(guò)與其他不同形式AGV的對(duì)比，體現(xiàn)了潛伏式AGV的優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新之處。第五章總結(jié)與展望本論文主要設(shè)計(jì)了一種基于磁傳感器導(dǎo)航技術(shù)與RFID定位技術(shù)的雙舵輪雙向潛伏式AGV。在開(kāi)始著手設(shè)計(jì)AGV小車的硬件系統(tǒng)之前，我對(duì)于AGV的認(rèn)識(shí)只停留在它是自動(dòng)導(dǎo)航車也是輪式機(jī)器人的一種，對(duì)它的構(gòu)成與功能了解的十分粗淺。也正是這份無(wú)知驅(qū)使我在設(shè)計(jì)的過(guò)程中查閱大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)和資料，不斷增強(qiáng)我腦海中AGV的概念，讓我對(duì)AGV的各個(gè)部分有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改與琢磨，最終運(yùn)用我之前