1、目录第 1 章 绪 论 .11.1 论文研究的背景及意义 .11.2 自动导引小车的定义及特点 .21.3 AGV 的发展历史 .31.4 自动导引小车的应用现状 .41.5 AGV 的关键内容及本论文的研究内容 .6第 2 章 AGV 中机械部分零件的设计 72.1 设计任务 .72.2 总体结构设计 .72.3 电动机的选择 .82.4 联轴器设计 102.5 蜗杆传动设计 112.6 轴的设计 132.7 滚动轴承的选择计算 19第 3 章 AGV 结构设计以及动力学建模 .243.1 AGV 系统结构设计 243.2 AGV 小车的动力学建模 25第 4 章 控制系统与行走策略 344
2、.1 控制系统 344.2 行走策略 454.3 传感器采样 464.4 控制策略 464.5 动作类型 46第 5 章 总结与展望 485.1 全文总结 485.2 研究展望 49参考文献 .50第一章 绪论内容提要:本章介绍本论文研究的重要意义，综述自动导引小车的基本概念、组成及其发展简史、应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、关键技术，在此基础提出了本论文的研究内容。1.1 论文研究的背景及意义21 世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓住市场机遇开发出新产品将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。繁重制
3、造装各的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。由于机器人具有自主规划、可编程、可协调作业和基于传感器控制等特点，它将成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨越发展提供重要的技术支持。自动导向小车(Automated Guided Vehicle 简称AGV)是移动机器人的一种，是现代制造企业物流系统中的重要设备，主要用来储运各类物料，为系统柔性化、集成化、高效运行提供了重要保证。AGV 主要有两类形式，一种是固定路径 AGV，它的运行路径是固定的，且有轨道，故导引技术相对简单;另一种是自由路径 AGV，由于没
4、有轨道，它为 AGV 自由运行提供了最大可能，但由于技术限制，AGV 沿任意路径自由运行仍是一个有待解决的技术难题。在以往的生产线上，导向式 AGV 是人们经常采用的方式，有导轨式、磁导引式等方法。这些方法都需要预先规划好 AGV 的运行路线，而且生产车间的装置不能随意移动。随着生产车间智能化的提高，导向式 AGV 明显降低了 AGV 的柔性。因此，非导向式 AGV 将成为敏捷制造物流系统中的主要选择。在非导向式 AGV 系统中，AGV 的运行路径不需要由附加设备决定，而且当车间的布局变化后，只要及时改变规划系统的软件参数即可满足路径规划要求。资料显示:在产品生产的整个过程中，仅仅有 5%的时
5、间是用于加工和制造，剩余的 95%都用于储存、装卸、等待加工和输送:在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的 10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的 40%.因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。自动导引小车 AGV 适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。目前，在我国某些汽车、烟草行业，AGV 已投入使用，并取得了良好的经济效益。但从使用形式来看，大都采用属于固定路径导向范畴的电磁导引 AGV，无
6、固定路径自主导向的 AGV 由于诸多问题未能完全解决，还没有达到实用。因此 进行自山路径导向式 AGV 的研究，不仅对敏捷物流设备的研制和应用有现实的工程意义，而且对移动机器人路径规划有重要的理论意义。1.2 自动导引小车的定义及特点根据美国物流协会定义，AGV 是指装备有电磁或光学自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车。AGV 是以电池为动力、装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动运输车。AGVs 是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行的 AGV 组成。AGVs 在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物
7、流系统软件而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。应用 AGV 具有很多特点:(1)AGV 可十分方便地与其它物流系统实现自动连接，如 AS/RS(通过出从库台)、各种缓冲站、自动积放链、升降机和机器人等；实现在工作站之间对物料进行跟踪;对输送进行确认；按计划输送物料并有执行检查记录:与生产线和库存管理系统进行在线连接以向工厂管理系统提供实时信息。(2)采用 AGV 由于人工检取与堆置物料的劳动力减少，操作人员无需为跟踪物料而进行大量的报表土作，因而显著提高劳动生产率。另外，非直接劳动力如物料仓库会计员、发料员以及运货车调度员的工作的减少甚至完全取消又进一步减低了成本。(3)AGV 运输物料时
8、，很少有产品或生产设各的损坏，这是因为 AGV 按固定路径行驶，不易与加工设备和其他障碍物碰撞。(4)绝大多数 AGV 的使用者均证明，2 到 3 年从经济上均能收回 AGV 的投资成本。(5)AGV 通过安装在地面之下的电缆或其他不构成障碍的地面导引物，其通道必要时可作其他用处。(6)系统具有极高的可靠性。AGVs 由若干台小车组成，当一台小车需要维修时，其它小车的生产率不受影响并保持高度的系统可利用性。(7)节约能源与保护环境。AGV 的充电和驱动系统耗能少，能量利用率高，噪音极低对制造和仓储环境没有不良影响。1.3 自动导引小车的发展简史世界上第一台 AGV 是由美国 Barrett 电
9、子公司于 20 世纪 50 年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统，小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以真空管技术为基础的控制器。到了 60 年代和 70 年代初，除 Barrett 公司以外，Webb 和 Clark 公司在 AGV 市场中也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的 AGV 技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了 AGV 的发展。欧洲的主要制造厂家有 Schindler-Digitron, Wagner, HJC, ACS, BT, CFC, FATA, Saxby, Denford 和 Bleehert 等。70 年代
10、中期，欧洲约装备了 520 个 AGV 系统，共有 4800 台小车，1985 年发展到 10000 台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为:汽车工业(57 峋，柔性制造系统FMS(8)和柔性装配系统 FAS(44 % ),欧洲的 AGV 技术 80 年代初通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的 AGVs, 1981 年 John 公司将 AGV 连接到 AS/RS 以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪.1984 年，通用汽车公司成为 AGV 的最大用户，1986 年己达 1407 台(包括牵引式小车。叉车小车和单元装载小车)，
11、1987 年又新增加 1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将 AGV 发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网于 FMS 或 CIMS),运输量更人，移载时间更短，具有在线充电功能，以便 24 小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的 AGV 生产厂商从 23 家(1983 年)骤增至 74 家(1985 年)。日本的第一家 AGV 工厂于 1966年由一家运输设备供应厂与美国的 Webb 公司合资开设。到 1988 年，日本 AGV 制造厂已达 20 多家，如大福、Fanuc 公司、Murata(村田)公司等。到 1986 年，日本累计安装了 2312 个 AGV
12、s,拥有 5032 台 AGV。我国 AGV 发展历史较短。北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、人连组合机床研究所、清华大学、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的 AGV 的研制并小批量投入生产。1975 年北京起重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的 AGV, 1989 年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无信电通信的 AGV。该院已能进行 AGV 的批量生产，己生产的和正在制造的 AGV 达 23 台(截止于 1996 年)。沈阳自动化所在 AGV技术方面己取得了多项研究开发成果和专利，解决了 AGV 车体设计、控制、导航和高度管理
13、等一系列关键技术问题，形成了装配型 AGV 和搬运型 AGV 两大系列产品，成为国内唯一能够提供自主品牌 AGV 产品的单位。其产品性能国内领先，达到国际先进水平，井于 19%年度将搬运型 AGV 系统技术出口韩国三星公司，实现了高技术出口。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了六台 AGV，用于装配线上，可以说是汽车土_业中用得较成功的 AGV。以上的 AGV 均为固定路径导引方式。清华大学独立研制的“自由路径自动导向 AGV属无固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方面具有较高的水平。我国越来越多的工厂，科研机构已采用 AGV 为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如:上
14、海金山化工厂、华宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的 AGV既有国外引进也有国产的。 80 年代，AGV 就已进入我国市场，今后必将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代工业迅速发展的需要，更主要是 AGV 本身所独具有的优越性所决定的。AGV 自动导向车系统，是伴随着柔性装配系统、计算机集成制造系统以及白动化立体仓库产业发展起来的，是物流系统中革命性的换代产品。作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，随着经济的发展，在我国 AGV 的应用领域必将越来越大。1.4 自动导引小车的应用现状由于 AGV 具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，广泛
15、地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达到百米/分钟，运输能力可以从几千克到儿十吨。AGV 是一种非常有前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统(FMS)和柔性装配系统(FAS)中被认为是最有效的物料运输设备。随着电子和控制技术的发展，AGV 的技术也在不断进步，正在朝着性能更优越、更廉价、自由度更高、超大型化和微型化方向发展。其应用领域也在不断扩展。这种十儿年前只是用作工厂内的物流输送设各，现在己经不仅仅局限于工厂之内，己成功地应用到办公室、饭店、医院和超级市场等诸多部门，并且取得了很好的效果。AGV 的应用领域主要在制造业
16、，在重型机械及部分非制造业中也有应用。AGV在制造业中主要用于物料分发、装配和加工制造二个方面411。其中装配作业中AGV 用量最大，而汽车工业又是 AGV 的应用大户。美国通用汽车公司 90%的 AGV 用于汽车装配线，西欧各国用于汽车装配的 AGV 占整个 AGV 数量的 57 Yo。物料分发主要是指生产工序间的物料移送和仓库作业中的物料移送。随着电子工业的进一步发展，电子工业中 AGV 的使用极具市场潜力。其原因在于消费者需求的变化日益加快，生产系统必须适应市场的变化要求，其中 FMS(柔性制造系统)即为以灵活的生产方式适应市场变化的制造方式，对于 FMS 来说，各加工单元之间的中(小)
17、批量元器件的送发效率要求极高，而 AGV 能提供柔性最好的输送，AGV 可以很方便地对 AGV 的输送工艺路线进行编程，使之按要求的路径和方式到达装配线的指定位置。在净化室中，AGV 更可大显身手，它可满足净化耍求极高的操作。在重型机械行业中，AGV 主要用来运送模具和原材料(如成卷带钢等)。因而AGV 要求承载量人，通常为 2.22-4.5t,最大者可达 6.3t。配各了功率较大的移藏装置也是这类 AGV 的特点。在 AGV 上配备大型机器人用以对大型金属构件进行喷漆(如屹机骨架的喷漆)是 AGV 在重型行业中的应用之一在非制造业中，AGV 的应用越来越普遍。现代化的庆院安装 AGV 系统，
18、把取样从门诊部自动运送到中央化验室;把药物、医疗用品、食品、衣着用品从中央物料管理中心输送到医院的各个部门。邮政部门也广泛采用 AGV，如将邮件进台区的邮件输送到处理区，将处理区的邮件输送到邮件出台区。为了加大运输量，使用了牵引式 AGV 系统，一次可以牵引多台邮件车。大型的办公大楼也开始安装 AGV系统，用以运送邮件、电文和包裹到各个分区部门。宾馆业采用 AGV 把食品从厨房运送到客房。AGV 也可作为机器人的“脚” ，使机器人可在更大范围内自动完成作业，如在 AGV 上配各机器人用于光整水泥地面。在具有核辐射危险的地方，常使用 AGV 机器人用于核材料的搬运。15 AGV 的关键技术及本论
19、文的研究内容1.5.1 自动导引小车的关键技术为使自动导弓小车成功地完成一项任务，最主要的是如何使小车在复杂的环境中以较小的代价到达目的地。这就涉及到如下几个问题的解决，即：(1)如何从环境中得到自动导引小车周围的障碍物信息及其它相关信息；(2)如何根据内部及外部传感器来回答小车当前处于环境中的什么位置；(3)如何根据小车的当前位置和当前信息确定行动策略；(4)如何产生合适的驱动信号使小车运动在预定的轨迹上。这四个问题的解决对于在实时环境中运动的小乍来说是缺一不可的，与此相对应的技术即为传感器技术、自定位技术、规划决策技术和运动控制技术。1.5.2 本论文研究的主要内容:(I)激光导引 AGV
20、 模型的总体结构设计；(2)激光导引 AGV 的总体结构分析；1.6 本章小结本章介绍了本论文研究的重要意义，综述了自动导引小车的基本概念、组成及其它的发展简史和应用现状和前景，并分析目前自动导引小车的主要引导方式、关键技术，在此基础上提出了本论文的研究内容。激光导引具有精度高、柔性好的特点，本论文研究中用其来实现 AGV 的引导。第二章 AGV 中机械部分设计内容提要：本章主要介绍了这次 AGV 机械部分设计中的一些主要部件的选取。比如说有私服驱动电动机的选取、控制转向的电动机的选取，传动齿轮的选取等。介绍其选取方法只要结构及其主要的参数问题。2.1 设计任务设计一台自动导引小车 AGV，可
21、以在水平而上按照预先设定的轨迹行驶。本设计采用AT89C51 单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现小车的左、右转弯，直走，倒退，停止功能。其设计参数如下:自动导引小车的长度:500mm自动学引小车的宽度:300mm自动导引小车的行驶速度:100mm/s2.2 总体结构设计AGV 的机械结构主要由车架，移载装置，驱动部件三大部分组成。其中驱动部件是机械部分的核心部分，它主要完成小车的行走，导向等任务。本设计中的小车使用的是三轮二驱，即后面两个为电机驱动的定向轮，前面为万向轮。移载装置是由几根滚筒组成，将这些滚筒间隔的固定在小车，然后通过一个步进电机带动它们转动，这样就可以将货物自动的卸载
22、。在进行小车的机械设计时需要在小车上面预留一些位置用来放置红外模块，超声波模块，磁检测传感器，主控板和蓄电池等设备。控制结构主要由主控板、超声波避障模块、红外定位模块、磁检测传感器引导模块、步进电机驱动模块、电量检测模块、指示灯模块等部分组成。控制结构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。以下简要介绍硬件个模块的功能第三章 AGV 系统结构设计以及动力学建模型内容提要：设计了一辆前后轮分独立驱动的小车，后轮用步进电机驱动，实现动力源，前轮由私服电机驱动，实现转向。并建立其动力学方程。3.1 AGV 系统结构设置所设计的 AGV 小车的模型如图 2.1 所示。小
23、车采用前后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。前轮有电机带动直推轴焊接横轴来实现转向。四轮结构与三轮结构相比有较大的负载能力和平稳性。1. 蓄电池组 2. 伺服交流电动机 3. 激光扫描仪 4. 车载控制器5. 无线通讯装置 6. 伺服交流电动机 7. 减速器 8. 驱动车轮图 2.1 AGV 小车的模型图由于采用了两轮独立驱动差速转动的方式，因此两个驱动车轮的速度的同步性成，成为车辆稳定运行的一个重要指标。鉴于此，齿轮减速结构与车轮通过柔性连轴器来连接。3.2 AGV 小车的动力学建模自从 A G V 问世以来，人们在自动导引车的控制过程中一般满足于基于运动学的控制模
24、型，而很少有人进行基于动力学的控制设计等方面的内容。事实表明，根据 AGV 车体动力学模型，可以得到直接的电机输入与行走、导向车轮转速的非线性的耦合关系，将对指导车体机械结构设计、路径规划以及合理的路径跟踪控制规律设计有重要而且深远的意义。由于 A G V 在实际问题中有较严格地面要求的环境中运动，车速较低，限定了加速度的问题，而不会发生明显的车体“上跳”运动的现象出现，故可以在二维空间来研究其动力学模型。现以我以后轮为电机带动齿轮来实现动力驱动的方式传达力矩，前轮则为由电机直接带动轴的转动从而达到转动的方式来实现转向的 AGV 为例建立动力学模型。AGV 由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、
25、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、超声探障保护子系统、移载装置和车体方位计算子系统等等组成。“智能”较高的 AGV 都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对 AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常监控器可完成以下监控:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些 AGV 具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后路原道返问到导引路径上来根据上述的介绍，我们可以不难看出同步行进的四轮 AG V 机械结构分为以下几个部分:车体部分：包括车架、蓄
26、电池、驱动电机、转向电机和齿轮减速机构等，车体受到由后轮传动来的驱动力和前轮的反作用力的作用。驱动后轮：所受的外力可能有两部分组成。一部分是地面的作用力：另一部分是来自车体给于的外力。其中这部分力包括自身的支撑反力和电机产生的等效驱动力矩等。通过齿轮改变转速来调节速率可以得到不用的转速，从而改变 AGV的的运动行进方向，已经更好的做到预定的线路跟踪。前轴和连轴：起到支撑作用，同时车轮和竖轴是同轴的，前轮的转动有地面给于的摩擦力也有电机传递的力矩。3.2.1 车体运动建模车体受力的示意图见图 2.2。图中 L、A 为驱动左后轮、和驱动右后轮与车体的连接处。图中的 R、B 为导向左前轮和导向又前轮
27、与车架连接处的垂直点。车体在 L、R、A、和 B 处分别是受到图示沿 X、Y 方向的阻力和沿 Z 方向的扭矩。C 则为车体的重心，通过 C 建立起瞬时惯性坐标系 O-XYZ,X 轴则平行于 L=R 的连线，Z轴垂直于车体的平面。 为车体集合参数， 分别表212121cab、 xvwy、 和示的是车体质心的 X 向、Y 向的速度和 Z 向的角速度。在经过了上述的假设的基础之上，我们不难可以得到车体动力学方程如下： (2.1)cxAXBLXRmvFF(2.2)yYY1cAZBRZAXYjwMbc(2.3)12222XYLRXYFbcFaa上面式子中 分别为车体质心的质量和转动惯量。车体的前轮 A、
28、B 处的cmj和运动方程为1AXxvbw（2.4）1AYyc（2.5）1BXxvw（2.6）2BYyc（2.7）21AXxvbw（2.8） 21AYyc（2.9）21BXxvbw（2.10） 221BYyc（2.11） 车体 L 和 R 处运动的方程为：2LXxvbw（2.12）1LYya（2.13）221LXxvbw（2.14）21LYyvawb（2.15）2RYx（2.16）2RYxvaw（2.17）22RXxb（2.18）22RYyvaw(2.19)3.2.2 驱动后轮的运动建模左后轮受力图见图 2.3 所示，图中瞬时惯性坐标系 L- 与图 2.2 的方LZYX向是一致的，可以认为是由 O-XYZ 平移到 L 点从而形成的坐标系，相对应，他们是车体与左轮之间大小相2.LxyLzLXYZFMFM、 、 与 图 中 的 、 、等方向相反的作用力（力矩）和反作用力（力矩） 。 是驱动电机经过齿轮减L速后传递给左轮的驱动力矩， 是轴承对左轮的摩擦阻力矩， 是滚动阻力SL LVM矩， 是地面对左轮的侧滑动摩擦力， 是轴承对左轮的滚动摩擦力，LXFSLF是地面对车轮的扭矩摩擦力矩， 是左后轮的转动角速度（ 为转动轴） 。ZMwLX
