超市自动运货AGV小车的设计

机械工程学院

超市自动运货AGV小车的设计

完成人：赵磊 罗晓康 曹松华 吴桢涛

学科专业：机械工程及自动化 指导教师：徐海波 教授

2013年06月

I

II

目 录

目 录

1 产品构思 .............................................................................................................................. 1 1.1 产品设计背景 ............................................................................................................... 1 1.1.1 1.1.2 1.1.3

AGV的发展概况 ............................................................................................... 1 AGV的结构与种类 ........................................................................................... 2 AGV发展趋势分析 ........................................................................................... 2

1.2 产品设计目的 ............................................................................................................... 3 1.3 产品功能定位 ............................................................................................................... 4 1.3.1 1.3.2 1.3.3

机械结构上的功能 ............................................................................................. 4 控制部分的功能 ................................................................................................. 4 其他人性化的功能 ............................................................................................. 5

2 小车机械结构设计 .............................................................................................................. 7 2.1 自动导引小车轮系结构的机械设计 ........................................................................... 7 2.2 自动导引小车的技术指标 ........................................................................................... 8 2.3 自动导引小车整车机械设计 ....................................................................................... 9 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5

小车货架结构设计 ............................................................................................. 9 货架手动升降结构设计 ................................................................................... 10 小车底盘结构设计 ........................................................................................... 11 小车货物分类结构设计 ................................................................................... 12 小车的整车结构及装潢设计 ........................................................................... 14

3 小车控制系统设计 ............................................................................................................ 15 3.1 控制系统硬件构成 ..................................................................................................... 15 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2.1 3.2.2 3.2.3

控制芯片模块 ................................................................................................... 15 超声波模块 ....................................................................................................... 18 无线通讯模块 ................................................................................................... 20 语音模块的硬件设计 ....................................................................................... 20 陀螺仪模块 ....................................................................................................... 21 其它模块 ........................................................................................................... 21 AGV导引技术的选择 ..................................................................................... 21 AGV组合导引定位技术设计 ......................................................................... 22 AGV运动控制 ................................................................................................. 22

III

3.2 自动导航系统的设计 ................................................................................................. 21

目 录

3.2.4 3.2.5 3.3.1 3.3.2 3.3.3

直线行走纠偏算法 ........................................................................................... 23 AGV导航系统的主要控制流程 ..................................................................... 24 路径规划模块软件设计 ................................................................................... 25 超声波模块软件设计 ....................................................................................... 30 电机PWM调速模块软件设计 ....................................................................... 31

3.3 控制系统软件设计 ..................................................................................................... 25

4 结论与展望 ........................................................................................................................ 33 5 参考文献 ............................................................................................................................ 34 6 致谢 .................................................................................................................................... 35 附录1 AGV小车整体机械结构图 ................................................................................... 37 附录2 小车运动控制部分算法程序 ................................................................................... 39 附录3 小车语音控制部分算法程序 ................................................................................... 41

IV

1 产品构思

1.1 产品设计背景

自动导航车(Automated Guided Vehicles,AGV)又名无人搬运车,出现于20世纪50年代,是一种自动化的无人驾驶的智能化搬运设备,属于移动式机器人系统,能够沿预先设定的路径行驶,是现代工业自动化物流系统如计算机集成制造系统(CIMS)中的关键设备之一。AGV具有灵活性、智能化等显著特点,可以方便地重组系统,达到生产过程的柔性化运输。与传统的人工或半人工的物料输送方式相比,AGV系统减轻了劳动强度,降低了危险性,提高了生产效率,在各行各业均可发挥重要作用。

1.1.1 AGV的发展概况

世界上的第一台自主导航车是美国Basrrett电子公司于1953年开发成功的,它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的,带有车兜,在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。在20世纪50年代末到60年代初期时,已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。目前世界上约有2万台各种各样的AGV运行在数千座大大小小的仓库中。海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中,用9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统,成功地完成了每天23 400件出入库货物和零部件的搬运任务。AGV在制造业的应用出现于1973年,瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性,采用基于AGV系统为载运工具的自动轿车装配线。该装配线由多台可装载轿车车体的AGV系统组成,采用该装配线后,装配时间减少了20%,装配故障少了39%,投资回收时间减少了57%,劳动力减少了5%。目前,AGV在世界的主要汽车厂,如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车制造和装配线上得到了普遍应用。早期的AGV主要是自动拖车。在20世纪70年代中期,由于负载AGV(又称自动搬运车)的引入,AGV产业得到了第一次较大的发展。负载AGV能够为物料处理领域提供多功能的服务而被广泛接受,例如工厂里的工作站台、传送设备,以及控制系统和信息系统之间的连接等。目前,已经有许多厂家制造的几百种负载AGV系统,运行于仓库、工厂、作坊、医院以及其它许多领域。在邮局、图书馆、车站、码头和机场等场合,物品的运送存在着作业量变化大、动态性强、作业流程经常调整,以及搬运作业过程单一等特点,AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好地满足上述场合的搬运要求。

不仅如此,在军事以及危险场所,以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备,可用于战场排雷、阵地侦察、危险环境作业,如军用机器人、危险品处理机器人、钢铁炉料运送车、放射性物料搬运车、海底电缆铺设等。

从1954年英国采用地下埋线的电磁感应导向技术开始,早期的AGV都是沿着地面上的信号行驶,AGV上的传感器会根据信号的强度,选择某一频率的电磁信号为AGV提供导引。随着电子技术和微处理器技术的快速发展,AGV的智能化技术得到了普遍发展。20世纪80年代末期,无线式导引技术被引入到AGV系统中,例如利用激光和惯性进行导引,大大提高了AGV系统的灵活性和准确性。计算机技术的引入,使得AGV几乎可以处理所有由人工控制的物料搬运过程。但知道目前为止，AGV小车由于成本和技术的问题主要局限在大型生产线应用领域，并未拓展到超市、餐饮等基础性行业，这块市场具有很好的发展前景，随着产品的更新换代越来越强，在货物的传输和配送上对于智能化的程度要求越来越高，因此AGV小车在这片市场的应用将会是对该领域服务水平和运营效率的极大提高。

1

2 小车机械结构设计

2.1 自动导引小车轮系结构的机械设计

AGV 控制系统中驱动转向系统是一个关键子系统。它直接决定了 AGV 的运动性能。通常 AGV 的驱动转向有中间轮驱动速差转向、前轮驱动转向和前后轮驱动转向这三种方法，如图2-1 所示。

图 2-1 中(1) 中间轮驱动速差转向方案共有两个驱动轮,分别位于 AGV 中轴线的左右两边。前面和后面两个或四个车轮为自由轮。这种结构的 AGV 重心容易掌握；(2)前轮驱动转向把前轮既作驱动轮又作转向轮，即驱动和转向合二为一，后面两个车轮为自由轮，这种结构的 AGV 重心 偏向于 AGV 的前方或后方；（3）前后轮驱动转向是在前轮驱动转向的基础上，针对载重量较大的 AGV 而设置两个驱动转向轮，分别用于实现前后的驱动和转向。

（1）中间轮驱动速差转向 (2)前轮驱动转向 (3)前后轮驱动转向

图 2-1 AGV 驱动转向方法

从本 AGV 设计的基本要求出发，同时考虑到 AGV 运动过程中的平稳性及电源和工控机都需要较大的安置空间，本 AGV 的驱动转向系统采用图 3-5 中的(1)方案，前面和后面各使用两个自由轮。该方案将两驱动轮平行独立地固定于车体的中部左右两边，通过调速控制使两驱动轮产生相同的速度来实现车辆的直线前进或直线后退，通过调速控制使两驱动轮产生不同的速度来实现转向。

考虑到橡胶与地面的摩擦系数大，同时能保证足够的驱动能力, 本 AGV 的车轮选用了橡胶轮胎。同时，我们选用了不充气的实心橡胶轮胎，这样用户不需要给轮胎打气，使用方便。另外，实心橡胶轮胎可以避免由于两个车轮气压不一致而引起两驱动轮直径和离地高度不确定而导致的控制和定位困难等缺点。我们AGV小车的六轮结构CAD模型如图2-2所示。

图2-2 六轮结构CAD模型

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从图2-2中我们可以看出，这款小车的轮系结构采用了六轮的底盘，中间两个定向轮为驱动轮，前后四个万向轮为从动轮，这和目前美国研制的火星探测车的结构有点类似。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，如图中所示，两对从动轮分别安装在主动轮轴的两侧，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。但考虑到超市的地面平整性较高，因此这部分的修正可以忽略。

2.2 自动导引小车的技术指标

在确定了小车的轮系结构以后，我们还必须确定小车载重、转弯半径、行驶速度等技术指标。首先我们要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车的重量之间存在以下关系：

P???m?g?v 式（2-1）

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/s），v 为小车的最大速度。按照小车的最大重量（承重加自重）为 100kg，摩擦系数按照 0.25，最大行驶速度为 0.5m/s 计算，电机总的最大输出功率为 73.5W，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 37W。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 40W，转速为 128 圈每分钟的直流减速电机。小车的最小转弯半径与小车重量存在以下关系：

F向心力???m?g 式（2-2）

2 式（2-3） F向心力?mvrr?v2?g 式（2-4）

式中 F 为小车转弯时由摩擦力提供的向心力，v 为小车的最大行驶速度，r 为小车的最小转

弯半径，其它参数同式（2-1）。根据上面三个公式，可以得到小车的最小转弯半径为 0.53m。从图

图2-3小车转弯轨迹图

2-3 中可以看出，在设计小车尺寸时，其宽度 W 不能大于 2 倍的最小转弯半径，即 1.06 米，否则小车就无法达到这个转弯半径。

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：

v?n?d 式（2-5） 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70mm。在确定了

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小车的几个关键的技术指标后，根据小车的设计要求我们得出一张如表2-1 所示的小车机械指标表。

表2-1 小车各项机械技术指标

项目

小车控制方式可选

导航方式 轮系结构 驱动方式 接收负载方式 负载能力 自重（含蓄电池）

行驶方向

内容 自动/手动 陀螺仪导航 六轮结构 双轮差速驱动

手动 40-50kg 50kg

双向（前、后）、转弯 项目

最大行驶速度 最小转弯半径 车轮直径 工作时间 电池池组 蔽障方式 卸货方式 车体尺寸 内容 0.5m/s 0.53m 70mm 连续

天能 24V/10Ah（免维修）

超声波 手动

800*600*200mm(长宽高)

2.3 自动导引小车整车机械设计

2.3.1

小车货架结构设计

货架结构的设计非常重要。如果设计不恰当，或者会浪费材料，增加自重，提高成本，或者会因局部结构强度不够而埋下安全隐患。一般的小车货架是直接加载在小车车身上，这样的话会造成小车的承载能力受限，且容易造成局部强度的不够等问题。而我们设计的AGV小车则采用4个支柱将货架支撑在小车底盘上，这样就将货架的重量均匀地分配到小车底盘上，增加了小车的承载能力和提高了结构强度。同时便于货架的拆卸、更换和维修。小车货架的CAD模型如图2-4所示，货架与小车的连接如图2-5所示。

图2-4 小车货架的CAD模型

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图2-5 货架与小车的连接图

2.3.2 货架手动升降结构设计

在搬运前后的上货和卸货过程中，根据操作人员的自身因素和货物位置（仓库位置和最终货架位置）适当调节货架的高度，既是人性化的需要，又是高效的要求。在开始时，货架升降我们打算采用自动控制，可是考虑到以下情况：

一般自动控制升降有两种形式：一种是电机驱动通过齿轮齿条进行升降运动的执行，但是这就需要在车身上再添加驱动电机和传动装置，小车的体积和重量都会增加，成本也会较大程度提高，再者对于超市这种形式经济性较差，因此我们舍弃了这种方案；另一种是液压驱动升降，成本的话和体积都比较小，但液压的污染比较严重，对于超市这种对卫生洁净度要求很高的场所来说这种方案同样不可取。

因此我们进行了手动升降结构的设计，在这里我们参照了帐篷支撑杆的升降结构，具体结构形式如图所示，操作人员手摁下结构突出的半球形固定弹簧卡销，用力拖动货架，到一定位置孔让弹簧卡销弹出即能完成新位置的固定。这种结构简单、经济，可靠性高，在操作上也能满足对快捷性的要求。货架手动升降结构如图2-6所示，手动升降结构在小车中实际位置如图2-7所示。

图2-6 货架手动升降结构

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图2-7 手动升降结构在小车中实际位置

2.3.3 小车底盘结构设计

1.从动轮，2.车架，3.控制系统电路板，4.驱动轮，5.天线，6.蔽障超声波传感器，7.扬声器，8.直流

伺服电机，9.测速超声波传感器，10.蓄电池组

图2-8 自动导引小车的车体结构示意图

如图所示，小车的四个角上分别安装了一个橡胶万向轮作为小车的从动轮， 由直流减速电机驱动的驱动轮同轴线平行独立地固定于车体中部两端。这里我们采用直流伺服电机取代直流电机和减速机的组合是为了节省成本，减轻重量，同时也是为了便于安装和控制。

蓄电池组和工控箱主要放置在车体底部中轴线上，这样是为了降低车体重心保持车体的平衡，以提高小车的抗侧翻能力。在小车底部前后两端均装有超声波传感器。在安装超声波传感器时要保持其水平向前，以保证其测障。小车底盘布局的CAD模型如图2-9所示。

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图2-9 小车底盘布局的CAD模型

2.3.4 小车货物分类结构设计

超市里的货物比较多，为了一次便捷性地搬运而又能将它们较好的分类，我们采用了柔性较高地且简易方便的活动式插板分类，根据活动插板的形式货架可以进行1、2、3、4四种货物的划分，这样的分类结构使得小车搬运的货物大小尺寸种类上基本满足了超市的要求。同时对于一些易碎物品，小盒的划分更便于他们的固定和保护。货物的2级、3级、4级分类分别如图2-10、2-11、2-12所示。

图2-10 货物的2级分类

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图2-11 货物的3级分类

图2-12 货物的4级分类

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2.3.5 小车的整车结构及装潢设计

小车采用矩形钢管骨架式焊接车架，在保证其强度和刚度满足小车的承载能力的条件下，应尽量减少车架自重，以提高有效载重。各个机械部件都与车体分离，只用螺栓螺钉连接固定，这样既保证车架的刚性强度，又便于装拆调试。所有覆盖件都可以分拆独立制作处理，特别是免去对车架的整体加工，使工艺大为改善。

车体的外饰设计也是不容忽视的一个环节，结构形式和安装方法应考虑维护和修理的方便性。小车的外壳面板由 2mm 厚的 PVC 塑料板构成，不但方便加工，易于安装，而且也可用于固定硬件电路板。此外，车体的外廓不应有突出部分，以免碰撞其它物体和造成人员伤害。车体颜色以载物台，底盘和车架三大部分为区分，其中车架以警示醒目的黑色为主色调，其余用适合室内效果的柔和浅暖的黄色为主色调。小车的整体结构及装潢图见附录1。

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3 小车控制系统设计

3.1 控制系统硬件构成

3.1.1

控制芯片模块

? 主控芯片

经过小组成员的讨论，我们的小车将选用Freescale半导体公司08系列中资源较丰富的MC68HC908MR32 MCU(以下简称MR32)作为本设计的主控芯片。该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块符合设计要求，而且本设计中所需驱动的电机达四个之多，而该芯片正是Freescale公司推出的专门驱动电机的新型MCU，因此选用这款芯片还是比较合适的，MR32的内部管脚如图3-1 所示。

图3-1 MR32的内部管脚

单片机的运行需要一个支撑电路的支持才能工作起来，一般支撑电路包括电源、时钟电路等。图3-2所示为即为主控芯片MR32的支撑电路。

主控芯片的支撑电路设计好后，接下来需要解决用户程序的写入问题，Freescale半导体公司为08系列的MCU提供了监控ROM ，但是它存在着两大缺陷：一是需要一个Flash编程高电压，且其它引脚还需要满足特定的设置才能进入监控方式，操作非常不方便；二是程序的下载是半双工的，且是单线通信方式，下载速度较慢。为了解决上述问题，我们一般都需要自己设定一个带有串口通信和支撑电路的系统，即就是一个能完成程序下载、调试和运行的最小系统。MR32最小系统的硬件连线如图3-3所示。

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图3-2 MR32的支撑电路

图3-3 MR32最小系统的硬件连线

? 电机驱动芯片

因为电机驱动电流较大，因而不能简单地利用芯片引脚进行驱动，必须用专门的驱动芯片来驱动。经过对电机特性的分析决定采用ST半导体公司推出的L298芯片来实现电机驱动，它的驱动电压最高可达46V，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，是一款理想的直流电机驱动芯片， L298芯片的内部管脚如图3-4所示。

图3-4 L298的内部管脚

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电机驱动模块主要完成对小车轮子的驱动和载物台卸货装置的驱动，该模块的硬件电路图如图3-5所示

图3-5 电机驱动模块

如图所示，芯片的6脚（Enable A）和11脚（Enable A）连接，生成Enable脚用于控制电机的 运转和停止；芯片的5脚（INPUT 1）和12脚（INPUT 4）连接，生成IN1脚，7脚（INPUT 2）和10脚（INPUT 3）连接，生成IN2脚，用于控制电机的转向；芯片的2脚（OUTPUT 1）和14脚（OUTPUT 4）连接，生成OUT1脚，3脚（OUTPUT 2）和13脚（OUTPUT 3）连接，生成OUT2脚，此两脚是驱动器的输出端，用来连接负载。由于电机是感性负载，所以需要在L298的输出端接四个快速二极管IN5822组成续流电路，将电机产生的感应电流消耗，防止对电路产生影响。L298还提供了两个负载电流的反馈引脚：1脚和15脚，将它们同时接一个0.1欧姆，1～2W的电流检测电阻，再接地，此时就可以通过对1脚或者15脚进行A/D采样，来得到电路中负载电流，实现恒流控制。L298有4脚（VS）和9脚（VSS）两个电源引脚，4脚为电机驱动电源输入端，该电压需要比9脚输入电压大，否则将会影响芯片的正常工作，而9脚为芯片工作电压输入端。 另外由于电机驱动电路工作时电流非常大，为了避免烧毁主控电路，需要在这两个电路之间加一个主控芯片保护电路，如图3-6所示。

图3-6 主控芯片保护电路

? LCD显示从属芯片

路径显示以及规划采用JP1TFT-40触摸屏显示模块，配合该模块我们选用了单周期的高速单片机STC12LE5A60S2作为液晶及触摸屏的控制器，同时做为系统的从单片机系统负责液晶的显示，触摸屏数据的采集，语音模块的数据管理和调用以及向主控制器方向的数据传输。JP1TFT-40的内

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部管脚如图3-7所示， STC12LE5A60S2的内部管脚如图3-8所示，其最小系统连接图如图3-9所示。

图3-7 JP1TFT-40的内部管脚

图3-8 STC12LE5A60S2的内部管脚 图3-9 STC12LE5A60S2的内部管脚

3.1.2 超声波模块

超声波模块主要完成AGV的蔽障功能，其硬件电路主要由控制芯片电路、发射电路和接收电路三部分组成。 1. 控制芯片电路

超声波模块中选用了Freescale半导体公司推出的8位单片机MC68HC908QT4（以下简称QT4）作为控制芯片。该芯片主要有以下特性：

? 8引脚双列直插封装

? 总线频率最高可达8MHz

? 4K的片内FLASH和128字节的内部RAM ? 双通道16位定时器 ? 5个双向I/O口

如图3-10所示，其外围电路主要包括电源滤波电路和晶振电路。QT4的7脚输出5V，频率为40KHz的方波；6脚用于捕捉声波反射信号；5脚与主控芯片MR32相连，输出测障结果信号。

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图3-10 超声波控制芯片QT4外部电路

2. 发射电路

超声波的发射电路如图3-11所示。首先由QT4的定时器模块引脚输出电压为5V，频率为40Khz的方波，一路直接输入IR2110，另一路经过非门芯片74HC04后输入IR2110，这样就得到两路互补的方波。芯片IR2110是对方波信号进行升压，产生一对频率不变、电压为12V的互补方波。在输出至发射传感器之前，需要经过两个0.1uF的滤波电容，这样是为了滤去方波中的直流分量，得到稳定的方波。滤波后的两路互补方波信号输出至超声波发射传感器，此时，传感器就可以进行声波发射。

图3-11 超声波发射电路

3. 接收电路

超声波的接收电路如图3-12所示。被反射的声波将被超声波接收传感器接收，但是由于接收传感器的感应信号通常是mV级，必须经过上百近千倍的增益放大，然后再整形才能被有效的捕捉。

图3-12超声波接收电路

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3.1.3 无线通讯模块

目前AGV中用的无线通讯主要有无线局域网和无线数传模块两种方式。在工业自动化中，大量的现场设备采用RS232或RS485通信，考虑到本AGV要能够在不增加其他硬件模块的同时能方便地与整个现代物流系统中其他自动控制设备如PLC进行通信，我们选用了无线数传模块实现AGV与主控机的无线通信。

当无线数传模块接收到上位机要发送的数据后，先将要发送的数据送到发送缓冲区，并同时将模块的状态由接收状态转换成发射状态，状态转换完成后启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区中的数据转换成适合无线发送的数据包，并将一些控制信令动态地插入到数据包中。然后将这个数据包的数据送到模块中的数据调制口发射出去。 当无线数传模块接收到上位机需要的数据后，它按规定的串口帧格式及串口速率传送给上位机。无线数传模块通常提供标准RS-232，RS-485和UART（TTL电平）3种接口方式，可与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件直接连接使用。 选用的无线数传模块具有如下特点： ? 微功率发射，最大发射功率10mW。

? 载频频率433MHz，也可提供315/868/915MHz载频。无需申请频点。 ? 高抗干扰能力和低误码率。

? 传输距离远,在视距情况下，天线高度>2米,可靠传输距离可达300m（该距离完全满足了现

代物流实训系统的环境要求）。

? 提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。 该无线数传模块与终端设备的连接示意图如图3-13所示。

图3-13无线数传模块与上位机的连接示意图

3.1.4 语音模块的硬件设计

小车语音提醒模块拟采用语音芯片ISD-1760，该芯片具有体积小，采用CMOS 技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列可分段录放，掉电储存时间久，音质好，外围电路简介，操作方便，ISP接口与单片机兼容等优点，并且录音时间可最长可达16分钟，故本系统采用其搭建多址语音提醒模块。芯片所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI 或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和\金属声\。采样频率可为 4.0、5.3、6.4、8.0kHz,频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100 年(典型值)，反复录音10 万次。ISD-1760的内部引脚如图3-13所示。

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图3-14 ISD-1760内部引脚

3.1.5 陀螺仪模块

考虑到目前已经能够以较低的价格得到重量较轻、体积较小且安装方便的微机械陀螺仪，本AGV主要选用低精度石英微机械陀螺来检测AGV的方向角。其实物如图3-15所示。

图3-15 微机械陀螺仪

3.1.6 其它模块

在自动导引小车的硬件部分中还包括了红外检测（识别人体）、测速、电量检测、指示灯、电源等模块，这些模块组成比较简单，此处不再赘述。

3.2 自动导航系统的设计

3.2.1

AGV导引技术的选择

AGV的导引技术是AGV控制的核心技术。不同类型的AGV系统中采用的自动导引技术各不相同。AGV导引方式不仅决定着由其组成的应用系统的柔性，同时它也影响着系统运行的可靠性和组态费用。采用何种导引技术将直接影响到自动导引系统各方面的性能。了解各种自动导引技术的工作原理和特点，懂得不同导引技术构成AGV系统的优缺点，对于AGV的研制和选用都十分重要。

AGV导引方式按照有无导引线路的形式主要分固定路径导引和自由路径导引两大类。固定路径导引的方式有：电磁导引、光学导引(巡线导引)以及磁带导引；自由路径导引的导引方式有：惯性导引、激光导引、超声波导引、视觉导引以及GPS导引等。根据超市运货实际情况，首先我们不可能选择固定路径导引，因为超市的货架是经常性变动的，而在自由路径方式中，GPS导引精度太差，且一般应用于室外；激光导引虽然导引精度高，但是成本高昂；超声波导引不能适用于复杂的周围环境；视觉导引技术难度高，处理数据量大，一般嵌入式控制芯片无法胜任。

惯性导航具有技术先进、灵活性好、便于组合、柔性好、成本低廉等特点。所以，我们的小车

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图3-32 PWM模块第一个子程序流程图

图3-33所示为PWM模块第二个子程序流程图。作者采用PWM模块的两个通道分别控制小车两个驱动电机，因此当小车偏离轨道时就可以通过调节两个PWM通道的占空比实现转弯，使小车继续沿轨道行驶。在小车偏离轨道时，为了避免调节占空比至0，因此需要设置一个最小占空比，当通道占空比小于这个值时，电机将维持此时的速度比继续行驶；而当大于这个值时，系统将继续调整占空比。

图3-33 PWM模块第二个子程序流程图

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4 结论与展望

我们设计的AGV小车主要用于超市货架的自动上货，在机械结构上，小车采用了6轮系结构，中间两个驱动轮，周围四个自由轮，这样的轮系结构可以使小车在转向时转向半径最小；采用了货架与车身分离式的结构，既减轻了小车的实际承重量，又方便货架的随时更换；小车的货架的高度是可调的，能随着工作人员身高的不同而变化；小车还具备货物分类功能，提高了工作效率。

在控制系统上，小车采用了基于陀螺仪定向的惯性导航方式；运用电子地图法进行路径规划；运用超声波传感器进行智能避障；运用PWM直流脉宽调制法进行电机调速；另外我们的AGV小车还具备智能语音提示、人机交互等功能。

虽然我们的AGV小车已经初具模型，但是依然还有许多工作需要完善，比如在小车的结构上，我们有些地方还是设置的不合理，比如小车的货架在调节其高度时需要几个人同时操作，另外在控制系统方面也有待完善的地方，比如我们的小车暂时还没有多家防触碰装置，另外我们的避障算法、电子地图路径规划算法还有待优化等。但是，我们AGV小车设计不会因为“机电一体化”课程的结束而结束，我们的小组成员会在接下来的暑假里继续我们小车的设计工作，在下学期的“课程设计”选修课中争取能够做出AGV小车的实物模型。

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5 参考文献

[1] 卢冬华. 计算机控制自动导向小车（AGV）的设计与实现[D]. 上海交通大学 2006 [2] 张辰贝西,黄志球. 自动导航车(AGV)发展综述[J]. 中国制造业信息化. 2010(01) [3] 徐清. 自动导引小车系统的设计与实现[D]. 苏州大学 2006

[4] 黄霞. 嵌入式自动导引小车（AGV）系统研究与设计[D]. 南京理工大学 2009 [5] 王振宇. 基于视觉的AGV控制算法研究[D]. 昆明理工大学 2008 [6] 王孙安. 机械电子工程原理[M] 北京：机械工业出版社，2009.11

[7] 冯博琴. 吴宁微型计算机原理与接口技术[M] 北京：清华大学出版社，2011.6

[8] 罗建军，朱丹军，顾刚，刘路放. C++程序设计教程[M] 北京：高等教育出版社，2007.4 [9] David J. Kruglinski(著)，潘爱民，王国印(印). Visual C++技术内幕(第四版)[M]. 北京：清华大学出版社，1998.5

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6 致谢

一学期的机电一体化课程很遗憾只有短短的8节课，但在老师和我们组成员的共同努力下，我们的大作业也终于圆满完成，在此首先要感谢指导老师徐海波教授。在徐老师的谆谆教诲下，我们不但学会了如何独立思考问题、分析问题、解决问题，而且还学会了如何去实践应用。徐老师在仅有的八节课中给我们较为详细的讲解了产品设计开发的知识，还热心教会我们几种机电设计开发所用到的软件。徐老师渊博的知识、严谨的治学态度、孜孜不倦、敢于突破的教学精神以及豁达的待人态度，都将让我们终生受益。

感谢机自07班的同学，这篇报告能够完成与他们的帮助和支持是分不开的。 最后，感谢所有给予我们支持和鼓励的老师和同学。

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