【正文】 學研究生院 機電學院Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Mechanical and Electrical EngineeringDesign and Realization of Controller on Auto Guided Vehicle in FMSA Thesis inMechanical Engineeringby Sun XiaoyanAdvised byProfessor Yun NaizhangSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of EngineeringAugust, 2022承諾書本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 基于 FMS 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)ii學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。在 FMS 中為實現(xiàn)生產(chǎn)線的完全自動化和最終實現(xiàn)工廠無人化，自動導引車作為物料輸送工具得到迅速發(fā)展和推廣應用。 自動導引車在國內(nèi)外的技術發(fā)展及應用1. 自動導引車國外發(fā)展歷史1953 年，美國制造了世界上第一臺采用埋線電磁感應式的跟蹤路徑自動導向車，也被稱作“無人駕駛牽引車” ，小車跟隨一條鋼絲索導引的路徑行駛，并具有一個以真空管技術為基礎的控制器。1973 年，瑞典 VOLVO 公司在 KALMAR 轎車廠的裝配線上大量采用自動導引基于 FMS 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)2車進行計算機控制裝配作業(yè)。3. 自動導引車應用領域隨著科學技術的突飛猛進和經(jīng)濟的全球化，現(xiàn)代物流已應用于世界各國經(jīng)濟生活的各個領域，自動化物流系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化工廠不可缺少的重要部分，隨著倉儲、運輸、分揀、配送等的技術水平、自動化水平及系統(tǒng)化水平不斷提高，應用前景也越來越寬廣，自動化物流技術和成套設備的開發(fā)研制已經(jīng)發(fā)展成了一個龐大的產(chǎn)業(yè)。目前，工業(yè)級自動導引車在煙草、印鈔、汽車、新聞紙等行業(yè)已有大規(guī)模應用，呈日益上升的勢頭，并突破傳統(tǒng)行業(yè)，出現(xiàn)了一些新的技術和行業(yè)應用趨勢，以下是其主要應用領域：（1）倉儲業(yè)：倉儲業(yè)是自動導引車最早的應用場所，1954 年，世界上首臺自動導引車在美國 South Carolina 州的 Mercury Motor Freight 公司倉庫投入運營，用于實現(xiàn)出入庫貨物的自動搬運。瑞典于 1983 年在大斯德哥爾摩郵局，中國于 1990 年在上海郵政樞紐開始使用自動導引車完成郵品的搬運工作。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，自動導引車技術日臻完美，可以預測，未來的幾年，因為巨大的經(jīng)濟和社會效益，自動導引車的應用范圍和形式會進一步拓寬擴大。自動導引車的控制模式將不再是單一的集中控制管理，而是將大多數(shù)管理功能直接下放到自動導引車車載控制系統(tǒng)，單機之間實現(xiàn)相互通信交流，其優(yōu)越性具體表現(xiàn)在路徑選擇及交通管理方面，將現(xiàn)代控制理論（模糊控制）與古典理論（圖論、拓撲）有機地結合起來，可確保自動導引車系統(tǒng)的高效運行。圖 電磁導引的工作原理圖 是光學導引的原理圖，在明亮的地面上用黑色色帶，在黑暗的地面上用白色色帶，光學導引利用地面顏色與色帶顏色的反差來識別導引目標。 圖 激光導航導引原理圖目前，該類自動導引車的應用越來越普遍。本自動導引車具有如下主要技術特點。2. 根據(jù)自動導引車系統(tǒng)的控制和工藝要求，確定控制系統(tǒng)的總體框架結構。?光路系統(tǒng)：前后各采用十六個平行排列的光敏電阻及特殊處理電路。? 電氣控制系統(tǒng)：采用上位機﹑單片機控制，進行功率放大。升降及叉手放置在稍前位置以保持車身平衡。如圖 所示，本課題所設計的控制系統(tǒng)由前后四個碰撞開關、前后兩組光電傳感器、前后兩個條形碼掃描、前后兩個導向輪、左右兩個驅(qū)動輪及電器控制盒、電瓶等組成。其運行指令由計算機或人工控制器發(fā)出，運行速度、方向、制動的調(diào)節(jié)分別由計算機控制。通常根據(jù)調(diào)整方向的原理不同可將車輪式移動機構分為兩大類：舵機調(diào)整式和差速調(diào)整式。兩輪的轉(zhuǎn)動方向相同，當vr vl 時，車輛左轉(zhuǎn)；當 vr vl 時，車輛右轉(zhuǎn)。在PWM調(diào)速時，占空比a 是一個重要參數(shù)，改變占空比的值主要有三種方法：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)寬法，但由于定寬調(diào)頻法和調(diào)寬調(diào)頻法在調(diào)速時改變了控制脈寬的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此目前在直流電動機的控制中主要使用定頻調(diào)寬法，規(guī)則為：如果小車相對于導引線沒有偏移，那么它應該直行（即左右輪轉(zhuǎn)速差為零）；如果小車相對于導引線左偏，那么它應該向右轉(zhuǎn)（即左右輪轉(zhuǎn)速差為負?。?；如果小車相對于導引線向嚴重左偏，那么它應該向右轉(zhuǎn)的幅度大一些（即左右輪轉(zhuǎn)速差為負大）；如果小車相對于導引線右偏，那么它應該向左轉(zhuǎn)（即左右輪轉(zhuǎn)速差為正?。?；如果小車相對于導引線嚴重右偏，那么它應該向向左轉(zhuǎn)的幅度大一些（即左右輪轉(zhuǎn)速差為正大）。IR2110 內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸基于 FMS 的自動導引車控制器設計與實現(xiàn)18出保護。尤其是高端懸浮自舉電源的設計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。左行走電機：LPWM 脈沖：P3A0，方向：P3A2=0 ，正轉(zhuǎn)，P3A2=1，反轉(zhuǎn)；右行走電機：RPWM 脈沖：P3A1，方向： P3A3=0，正轉(zhuǎn)，P3A3=1 ，反轉(zhuǎn)。圖 舵機調(diào)整式 圖 差速調(diào)整式2. 電機及電機驅(qū)動根據(jù)自動導引車的車體自重及載重，確定行走驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機、執(zhí)行電機的功率；如有液壓系統(tǒng)，還應確定液壓電機功率。一般這種結構將操舵機構和驅(qū)動機構都集中在前輪上，2個后輪只起支撐從動作用，該結構形式在高速循線前進時有一最小轉(zhuǎn)彎半徑的限制，理論上可繞2個后輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但這樣在循線時通常會偏出預定軌道，一般循線前進時前輪偏轉(zhuǎn)角度以不大于45176。考慮到小車必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活轉(zhuǎn)向，在左右兩輪各裝一臺電機分別驅(qū)動，通過左右輪兩個電機轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn)小車的前進、倒退、轉(zhuǎn)彎等功能。當小車運行到所要求工位附近時，自動減速行駛，并且糾正運行方向偏差，當小車的傳感器接收到停止信號時，小車停止移動。 自動導引車軟件設計方案自動導引車嵌入式工控機及其上位機都安裝有用于分布式控制系統(tǒng)的 CORBA 軟件，兩者都作了 IDL 接口定義，通過編程，自動導引車能實時接受上位機管理系統(tǒng)給出的路徑運行指令及叉手動作指令，經(jīng)車載機軟件處理后，可直接變?yōu)樽詣訉б嚨膱?zhí)行指令。其中，有升降導桿 叉手 行走小車 圖 自動導引車總體結構示意圖鏈式傳動升降機構 4 及前后移動機構 5。工作過程為：當接收到貨物搬運指令后，自動導引車控制器就根據(jù)預先設置的行駛路線，通過軟件自動控制自動導引車的行駛和轉(zhuǎn)向，到達裝載貨物目標點，準確定位后，移載機構動作，完成裝貨過程。對自動導引車移載機構，則在原先設計的基礎上利用單片機進行步進電機的驅(qū)動并進行系統(tǒng)軟硬件電路的設計、仿真和調(diào)試。無線通訊：為實現(xiàn)自動導引車上工控機與上位控制機及系統(tǒng)內(nèi)其他計算機聯(lián)網(wǎng)通信，在工控機上安裝無線網(wǎng)卡，借助無線接入點 AP 與有源接線器 HUB，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)局域網(wǎng)有線、無線的無縫集成。它幾乎概括了一個自動化車間生產(chǎn)的所有基本活動。另外，視覺引導式自動導引車也正在快速發(fā)展和成熟，該類自動導引車上裝有 CCD 攝像機和傳感器，在車載計算機中設置有自動導引車欲行駛路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)據(jù)庫。當自動導引車偏離導引路徑時，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運算回路計算出相應的偏差值，然后由控制回路對自動導引車的運行狀態(tài)及時修正，使其回到預定導引路徑上來。隨著傳感器技術的飛速發(fā)展，各種各樣的傳感器被使用在自動導引車中，自動導引車利用傳感器感知周圍事物的信息，控制機車的運動，從而實現(xiàn)真正意義上的自動導引。而目前國內(nèi)自動導引車系統(tǒng)應用與發(fā)達國家（歐美、日本）相比還存在巨大的差距，應用的局限性主要在于：國內(nèi)相當多的潛在用戶對自動導引車系統(tǒng)不了解，不知道自動導引車是什么，能做什么，以及使用自動導引車有什么好處等。（4）煙草、醫(yī)藥、食品、化工：對于搬運作業(yè)有清潔、安全、無排放污染等特殊要求的煙草、食品、化工等行業(yè)中，自動導引車的應用也受到重視。海爾集團于 2022 年投產(chǎn)運行立體倉庫，9 臺自動導引車組成了一個柔性庫內(nèi)自動搬運系統(tǒng)，成功地完成每天 23400 件出入庫貨物和零部件的搬運任務。自動導引車是一種用電池供電、無人駕駛的工業(yè)貨車，可以通過編程進行路徑選擇和定位，通常與其他自動化系統(tǒng)集成起來使用（如 CNC 機床、工業(yè)自動導引車） ，從而獲得集成、柔性自動化的綜合效益。新的導向方式和技術也得到更廣泛研究和開發(fā)，如電磁感應引導、激光引導、磁鐵陀螺引導等方式，其中以激光引導方式發(fā)展較快，但電磁感應引導和磁鐵陀螺引導方式仍占有較大比例。1959 年，自動導引車用于倉庫自動化和工廠作業(yè)上，開始在歐洲得到推廣應用。該自動導引車控制系統(tǒng)可以通過車載計算機，利用無線網(wǎng)卡，并借助無線接入點 AP 與有源接線器 HUB，通過微機控制，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)局域網(wǎng)有線、無線的無縫集成；并配備完善的控制軟件，方便的操作界面，能夠根據(jù)實際情況靈活、方便地控制操作對象，對自動導引車移載機構的驅(qū)動，在原來設計的基礎上，利用單片機控制步進電機，并進行了系統(tǒng)的軟硬件電路的設計、仿真和調(diào)試。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權　　 　 　大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。自動導引車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準時化的要求，在中央控制計算機的管理下協(xié)調(diào)工作，并同其他物流設備實現(xiàn)高度集成，具備相當?shù)娜嵝裕彝ㄟ^車載計算機和網(wǎng)上主機與其他設備通訊，構成自動導引車系統(tǒng)，才能真正發(fā)揮作用。由于自動導引車的高效和靈活性，使得自動導引車系統(tǒng)在工業(yè)先進國家獲得了廣泛的應用。2. 自動導引車國內(nèi)發(fā)展歷史自動導引車在我國的研究及應用起步較晚。（3）具有投資少、運行費用低、經(jīng)濟效益高的特點。目前，自動導引車在世界的主要汽車廠，如通用 、豐田、大眾等的制造和裝配線上得到了普遍應用。在鋼鐵廠，自動導引車用于爐料運送，減輕工人的勞動強度。這是一種具有巨大潛力的導引技術，但將其應用到自動導引車上還只停留在研究中，目前還未出現(xiàn)采用此類技術的實用型自動導引車。圖 是電磁導引的工作原理，它一般是在地面上沿預先設定的行駛路徑埋設導向電線1，通以 3～10KHz 的低壓、低頻信號，該交流電信號沿電線周圍產(chǎn)生磁場，自動導引車上裝設的信號檢測器 3 可以檢測到磁場的強弱，并通過檢測回路以電壓形式表示出來。圖 為激光導航導引原理圖，是在導引車頂部裝置一個沿 360176。 本課題的研究背景及意義隨著經(jīng)濟一體化，競爭全球化時代的到來，傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)已不能滿足多樣化、競爭差異化的市場，迫使傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)方式發(fā)生改變，批量生產(chǎn)時代正逐漸被適應市場動態(tài)變化南京航空航天大學碩士學位論文 7的生產(chǎn)系統(tǒng)所替換，這就使制造系統(tǒng)的柔性越來越重要。該自動導引車主要用于在指定的工作站完成工件搬運或裝配等工作，移動定位精確穩(wěn)定，可實現(xiàn)遠程控制，具有一定的智能。尋跡準確可靠：采用差動調(diào)速控制小車行走驅(qū)動輪按軌跡行走，算出對應 1μs 的計數(shù)器頻率，建立微秒級函數(shù)以便程序調(diào)用。3mm，橫向177。其主要系統(tǒng)構成包括 :? 充電過、欠壓保護及電瓶系統(tǒng)：整機的能源供給系統(tǒng)，并對電瓶實行保護，電瓶為免維護電瓶。其中有條形碼掃描器 光電傳感器 工控機及電瓶 碰撞開關 升降及叉手部分 啟動及停止信號接受 驅(qū)動輪 7 及導向輪 8。 本章小結本章結合自動導引車的工作運行環(huán)境，介紹了其系統(tǒng)工作原理，機構分布、總體控制方案和軟件設計方案。 控制器相關硬件設計與開發(fā)自動導引車嵌入式工控機及其上位機都安裝有用于分布式控制系統(tǒng)的 CORBA 軟件，兩者都作了 IDL 接口定義，通過編程自動導引車能實時接受上位機管理系統(tǒng)給出的路徑運行指令及叉手動作指令，經(jīng)車載機軟件處理后可直接變?yōu)樽詣訉б嚨膱?zhí)行指令。車輪移動機構是最常用的一種移動機構，優(yōu)點是能高速穩(wěn)定地移動，機構和控制都比較簡單；但它也有一定的限制：對地面的要求較高，只適用于平整的硬質(zhì)路面。：這種移動機構通常為4輪結構，中間為兩個獨立驅(qū)動輪，前后各一萬向從動輪，成菱形布置。直流電動機由磁極、電樞、電刷及換向片組成，具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。該芯片采用 HVIC 和閂鎖抗干擾制造工藝，集成 DIP、SOIC 封裝