【文章內(nèi)容簡介】 行處理，同樣超聲波傳感器也將信號傳給單片機(jī)，通過單片機(jī)對感應(yīng)時(shí)間進(jìn)行處理，結(jié)合路徑圖進(jìn)行綜合分析后輸出控制 信號，控制信號通過控制電路放大、輸出到電機(jī)對小車動(dòng)作進(jìn)行控制。整個(gè)控制流程中不用光電編碼器，即沒有電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息反饋，所有信息都由傳感器輸入，屬開環(huán)控制。邏輯圖如圖 21所示。 圖 21 控制邏輯圖 開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是信息源少，需要單片機(jī)分析的數(shù)據(jù)比較少，比較適合使用單片機(jī)作為控制器，而缺點(diǎn)就是由于信息源單一，對輸入信息沒有糾錯(cuò)能力，只要信息源出現(xiàn)錯(cuò)誤就會出現(xiàn)狀態(tài)誤判。使用開環(huán)控制的前提就是要確保信息源的可靠性。 據(jù)此確定機(jī)器人的設(shè)計(jì)總體思路 :通過紅 外傳感器作為導(dǎo)航，單片機(jī)為控制器，電機(jī)差動(dòng)式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，根據(jù)預(yù)設(shè)路線，實(shí)現(xiàn) AGV 導(dǎo)航定位策略的方式及用最簡單的設(shè)置、最少的器械部件完成比賽的任務(wù)。需要部件如下表所列。 表 21 名稱 數(shù)量 超聲波傳感器 1 紅外傳感器 4 車體 1 直流電動(dòng)機(jī) 2 13 蓄電池 2 電源穩(wěn)壓模塊 1 控制電路 1 單片機(jī) 1 2. 2 小車運(yùn)動(dòng)分析 車輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析是指己知車輪的驅(qū)動(dòng)速度條件下，確定車體的移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角速度。 AGV 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)是密不可分的，又都跟采用何種類型的小車底盤的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。本 AGV 采用四輪底盤、后兩主動(dòng)輪差速驅(qū)動(dòng) /導(dǎo)向。兩主動(dòng)輪分別由兩個(gè)直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制電機(jī)電壓可以控制車輪的轉(zhuǎn)速。利用兩輪的速差可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該機(jī)構(gòu)還包括一制動(dòng)器，當(dāng)需要緊急停車時(shí)，按制動(dòng)器開關(guān)來制動(dòng)車輪。導(dǎo)向系統(tǒng)采用紅外導(dǎo)引技術(shù)。下面對小車的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)作初步分析： 小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀態(tài)：小車以速度 V 勻速轉(zhuǎn)彎；小車兩主動(dòng)輪間的距離為 D；小車兩主動(dòng)輪中心（假設(shè)小車質(zhì)量分布均勻）與轉(zhuǎn)彎圓心的距離即轉(zhuǎn)彎半徑為 R；車輪半徑為 r；兩輪的轉(zhuǎn)速分別為 N N2；車重為 G；小車與行駛路面的摩擦系數(shù)為 ? 。則有： RVDRrNRVDRrNgVR2/)2(22/)2(2)/(122???????? 系統(tǒng)中， V取 1m/s；小車質(zhì)量 G 約為 150kg；取摩擦系數(shù) ? =；取 R=1000mm 圖 22 小車狀態(tài)示意圖 14 傳感器的選用 體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 根據(jù) 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好 等原則 ,穩(wěn)定性能得到提升。當(dāng)小車 底 部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時(shí)輸入電平為低電平，反之為 高 電平。結(jié)合中斷查詢方式，通過程序控制小車往哪 個(gè)方向行走 。 根據(jù) 傳感器應(yīng)用場合不同選擇不同，感覺的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。選用FS359F反射紅外傳感器， 048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。激光傳感器雖然性能不錯(cuò)，但價(jià)格較貴。從需要 5— 10cm垂直探測距離的要求來看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對６個(gè)型號的傳感器測試后，選用了價(jià)格、性能基本適合的 048W封裝的反射紅外傳感器。在使用約 40ｍ A的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測距離能達(dá)８ cm，完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調(diào)試 方便，我們采用了下圖的電路形式。 聲波傳感器避障原理 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t,然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理。其系統(tǒng)框圖如下圖所示 。 圖 24 超聲波測距原理框圖 15 聲波模塊具體功能簡介 （ 1） 三種測距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距： 10cm~80cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 中距： 80cm~400cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）。 可調(diào)：范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定。 （ 2） 單 /多模組的兩種使用方法（單傳感器、陣列式傳感器）： 單模組使用：單模組就可完成測距實(shí)驗(yàn)，一般只用來做測距 /障礙物方面的應(yīng)用。 多模組配合使用：模組上提供接口 J J6，可將幾個(gè)模組串聯(lián)起來，組成陣列式的傳感器組。 （ 3） 應(yīng)用領(lǐng)域 : 為方便進(jìn)行單片機(jī)接口方面的學(xué)習(xí)專門設(shè)計(jì)的模塊，超聲波測距模組可以方便的和 61板連接，可應(yīng)用在小距離測距、機(jī)器人檢測、障礙物檢測等方面，可用于驗(yàn)證方車輛倒車?yán)走_(dá)以及家居安防系統(tǒng)等應(yīng)用方案驗(yàn)證。 規(guī)格參數(shù) 超聲波傳感器諧振頻率： 模組傳感器工作電壓： 模組接口電壓： 尺寸： 16 第 3 章 AGV 機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) AGV 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì) AGV小車結(jié)構(gòu)示意圖 31。小車采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向，兩前輪為萬向輪的四輪結(jié)構(gòu)形式。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器后通過驅(qū)動(dòng)輪提供驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)兩輪運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。 1后輪， 2減速器， 3電瓶， 4光感應(yīng)器， 5前輪， 6單片機(jī)， 7車架， 8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 9步進(jìn)電機(jī) 圖 31 AGV 結(jié)構(gòu)示意圖 車架 車架是整個(gè) AGV 小車的機(jī)體部分，主要用于安裝輪子、光感應(yīng)器、步進(jìn)電機(jī)和減速器。車架上面安裝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、 PCD 板和電瓶。對于車架的設(shè)計(jì)，要有足夠的 強(qiáng)度和硬度要求，故車架材料選用鑄造鋁合金，牌號為 6061。其中 6061 質(zhì)量比較輕，焊接性好。 車輪 車輪采用實(shí)心橡膠輪胎。車體后面兩主動(dòng)輪為固定式驅(qū)動(dòng)輪，與輪轂式電機(jī)相連。前面兩個(gè)隨動(dòng)輪為旋轉(zhuǎn)式隨動(dòng)輪，起支承和平衡小車的作用。 載荷傳送裝置 17 AGV的載荷傳送裝置為一平板，其作用為運(yùn)輸箱體類零件到指定工位。主要用來裝載箱體類零件，運(yùn)送物料等。 4. AGV 的自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用的光電傳感器 型 號為 EESPY402， 屬于 反射型光 電 感測器，入光 時(shí) ON， 偵 測距離約 5mm， 并 附 動(dòng) 作 指示燈電源電壓為 DC5~24V，控制 輸 出 80mA。光 電 感測器 電源電壓5V， 當(dāng)偵 測到前方有反射物 體時(shí) ， 動(dòng)作指示燈 亮， out 端 與負(fù) 端形成通路，且 out 端由 4V高 電 位降 為 0V低 電 位 。 此反射型光 電 感測器所 偵 測到前方的反射物 體 以白色 為標(biāo)準(zhǔn)。 單片機(jī)與光電感測器連接電 路如 圖 33所示，分別 將七組 光 電 感測器的 out端接至 單片機(jī) 的 P0 口 ，供 應(yīng) 5V電壓 ，且 負(fù)端輸出與單片機(jī) 共接地； 單片機(jī) 一 次讀取 P0 口的狀態(tài) ，組合成 二 進(jìn) 位 系統(tǒng) ， 經(jīng)過程序處理與判斷 ， 獲得當(dāng)時(shí) AGV 的 位 置 。 七組光電感測器排成H 型來檢測 AGV 的當(dāng)前位置 。 圖 33 AT89C51 單片機(jī)與光電感測器的連接 車體尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車體框架是裝配 AGV其他零部件的主要支撐裝置，是運(yùn)動(dòng)中的主要部件之一，主要分為主框架和副框架兩個(gè)部分。主框架為立體型框架結(jié)構(gòu)，用于安裝各種控制和通訊設(shè)備。副框架則安裝輪子、各種傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主框架和副框架用可拆卸聯(lián)接，便于安裝和拆卸，總的來說 AGV車架相當(dāng)于汽車底盤，是 AGV 機(jī)械部分的關(guān)鍵。車架設(shè)計(jì)及工藝的合理性直接影響 AGV 的定位精度，應(yīng)滿足的主要條件如下 : (1) 車體的強(qiáng)度 和剛度必須滿足小車承載及運(yùn)行加速時(shí)的要求 . (2) 在保證車體有足夠剛度的條件下，盡量減輕車體的重量，以提高有效承載重量 . (3) 盡量降低車體重心，提高整車的抗傾翻能力． (4) 車體的外廓不應(yīng)有突出部分，以防止碰撞其他物體． 18 根據(jù)以上所述要求，并能更好地滿足實(shí)際任務(wù)的需要， AGV 整體尺寸設(shè)計(jì)為 m(長寬高 )。除 AGV 車體以外的其他輔助系統(tǒng)的安裝直接影響著小車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。 AGV 車體重心越低，越有利于抗傾翻。如圖 34 為車體實(shí)物外型。 圖 34 小車車體實(shí)物外型 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 AGV 驅(qū)動(dòng)的方式大致可分成兩種，一種為兩臺電機(jī)各置于左、右兩邊，利用兩臺電機(jī)的動(dòng)作與兩輪差速的方式達(dá)到左右轉(zhuǎn)，前進(jìn)或停止，即差速型。另一種方式則類似汽車的轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)方式，即前輪為轉(zhuǎn)向輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，稱為舵輪型。前輪利用電機(jī)控制連接前輪的連桿，帶動(dòng)前輪左、右轉(zhuǎn)向，而后輪直接利用步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承載車前進(jìn)或停止。 傳感器接受 信 號判斷位置達(dá)到要求位置利用兩獨(dú)立電機(jī) 以差速方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向 圖 35差速型轉(zhuǎn)間流程圖 這兩種傳動(dòng)方式有不同的控制流程，第一種利用兩個(gè)左、右電機(jī)差速轉(zhuǎn)彎，因此控制流程圖如圖 35所示。經(jīng)由傳感器感應(yīng)地面軌道回傳轉(zhuǎn)向訊號后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉(zhuǎn)向位置，當(dāng)位置正確時(shí)承載車則繼續(xù)前進(jìn)，反之，電機(jī)即會繼續(xù)轉(zhuǎn)向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號。此種傳動(dòng)方式當(dāng)承載重量過大時(shí)，可能會因電機(jī)扭力不足無法 19 動(dòng)作。而第二種則類似汽車轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)方式，如圖 36 所示。本課題中我們所選的驅(qū)動(dòng)移載機(jī)構(gòu)就為差速型，即小車的前面兩輪為萬向輪，而后面兩輪分別由兩個(gè)直流電 機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制． 傳感器接受 信 號判斷位置達(dá)到要求位置步進(jìn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向 圖 36舵輪型轉(zhuǎn)向流程圖 傳感器的布置 傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是使 AGV 沿固定的路線行駛。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用寬為 l .5cm 的白色導(dǎo)引帶作為 AGV 的航向標(biāo)志。本導(dǎo)航系統(tǒng)采用紅外傳感器作為導(dǎo)航傳感器，通過多個(gè)傳感器組合使用進(jìn)行對 AGV 的航向?qū)б? 利用地面顏色與色帶顏色的反差，在明亮的地面上用黑色色帶，在黑暗的地面上用白色色帶。導(dǎo)引車的下面裝有光源，用以照射色帶。由色帶反射回來的光 線由光學(xué)檢測器（傳感器）接受，經(jīng)過檢測和運(yùn)算回路進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果傳至驅(qū)動(dòng)回路，由驅(qū)動(dòng)回路控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作。當(dāng) AGV 偏離導(dǎo)引路徑時(shí)，傳感器檢測到的亮度不同，經(jīng)過運(yùn)算回路計(jì)算出相應(yīng)的偏差值，然后由控制回路對 AGV 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)修正，使其回到導(dǎo)引路徑上來。因此， AGV 能夠始終沿著色帶的導(dǎo)引軌跡運(yùn)行。 紅外反射式光電傳感器，包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 本設(shè)計(jì)采用五個(gè)紅外傳感器 (1號～ 5 號 )按“ U”字型排開，整個(gè)“ U”型支架寬，如圖37。其中中 間的 2號、 3號和 5號紅外傳感器用于跟蹤白色導(dǎo)引線之用，考慮到導(dǎo)引線寬為 100mm，取 2號、 3 號和 5號灰度傳感位置相互距離為 100mm。 1號和 4 號紅外傳感器用于判斷是否為垂直交叉或直角拐角路口，如圖 38 所示。 20 右前輪左前輪號灰度傳感器黑色引導(dǎo)帶 圖 37制導(dǎo)系統(tǒng)安裝位置示意圖圖 圖 38制導(dǎo)系統(tǒng)局部放大示意圖 3. 2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的選擇與校核 AGV 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電源、直流電動(dòng)機(jī)和減速器組成。電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)及咸速器的規(guī)格型號的確定直接決 定整車的動(dòng)力性，即車輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力直接決定整車的動(dòng)力性，即車輛的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力。 電機(jī)的選擇 自動(dòng)引導(dǎo)車是電動(dòng)車的一種，而電機(jī)是電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)源，出于直流電機(jī)本身具有控制系統(tǒng)簡單，調(diào)速方便，不需逆變裝置等優(yōu)點(diǎn)，并且本課題設(shè)計(jì)的 AGV 不需要工作在高速大功率之上，因此，在本文仍采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源 。 我們設(shè)計(jì)的 AGV 原理樣車載重總質(zhì)量為 250kg，最高時(shí)速設(shè)定為 ，正常運(yùn)行時(shí)速設(shè)定為 ～ 。 初步選擇電機(jī)的種類為直流伺服電機(jī)，型號為 130SZD， 相關(guān)的參數(shù)如表 31所示。 在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)的輸入電壓為 48V，該電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)，根據(jù)其功率特性圖，電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約為 600r/min，以下計(jì)算就按照上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 表 31電機(jī)相關(guān)參數(shù)表 參數(shù)名稱 相關(guān)數(shù)據(jù) 額定轉(zhuǎn)矩 11N?m 額定轉(zhuǎn)速 1000r/min 21 額定功率 額定電壓 90v 額定電流 15A 峰值轉(zhuǎn)矩 88N?m 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 重量 14kg 行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置 小車采用差速轉(zhuǎn)向控制，故每個(gè)驅(qū)動(dòng) 輪都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了使系統(tǒng)運(yùn)行可靠且維護(hù)方便，本系統(tǒng)采用兩個(gè)無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，為了安裝、操作方便，選用了低速性能較好的外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，將其外轉(zhuǎn)子直接作為車輪，且無需配備減速機(jī)構(gòu)。 根據(jù) AGV 所要承載的負(fù)荷、系統(tǒng)的自重以及車速要求，本系統(tǒng)選用了直流電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中，主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速和啟動(dòng)特性好，轉(zhuǎn)矩大。 無刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成，它的原理框圖如圖 39。 直流電源 開