固定路径自动引导车AGV控制系统设计.docx

1、固定路径自动引导车AGV控制系统设计 毕业设计(论 文)固定路径自动引导车（AGV）的控制系统设计系 别 自动化工程系 专 业 自动化 班 级 5060307 姓 名 贾立峰 指导教师 王凤文 2010年6月10日固定路径自动引导车（AGV）的控制系统设计摘 要随着工厂自动化、计算机集成制造系统技术的逐步发展以及柔性制造系统、自动化立体仓库的广泛应用，AGV(AutomatieGuidedVehiele)即自动导引车作为联系和调节离散型物流系统以使其作业连续化的必要的自动化搬运装卸手段，其应用范围和技术水平得到了迅猛的发展。AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾

2、驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为AGV的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控制装置，使用单片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。关键词：单片机 ，AGV，红外传感器，PIDA fixed path Automatic Guided Vehicle (AGV) control system design Author

3、: Jia Lifeng Tutor :Wang FengwenAbstractAs the factory automation, computer integrated manufacturing systems technology, as well as the progressive development of flexible manufacturing systems, AGV(AutomatieGuidedVehiele) is automatically guided vehicle as an associate and regulation of discrete lo

4、gistics system to make it necessary for continuous operation automated transport loading and unloading means, its scope of application and level of technology has seen rapid development. AGV is a micro-controller to control the core, equipped with a non-contact guiding devices, unmanned automatic gu

5、ided transport vehicles, its automatic operations basic function is to guide traffic and identifying potential sites and the transfer of load to stop. As a contemporary and effective logistics process automation tools, key equipment, AGV has been more and more widely used, the study of the AGV is al

6、so of great theoretical and practical significance. In the article,a fixed route automatic guided vehicle, using an infrared reflective photoelectric sensor as AGVs search flight testing devices, batteries and DC motor as the drive, steering gear as the directional control device, the use of intelli

7、gent control to control all modules work together to achieve the automatic guided vehicle automatic navigation.Key words: microcontroller, AGV, infrared sensors, PID第一章 绪论1.1 论文研究的意义与目的信息技术和自动化技术的发展及融合，使得在现代物流领域中出现了智能化的物流设备，如自动导向车、自动化立体仓库、自动分拣系统、仓库机器人等。在加工速度快、工件几何尺寸较大的加工车间，对物料的工序流转周期、工件的加工信息存储和生产调度都

8、提出了较高的要求。传统的生产管理和控制技术已经不能适应现代生产的需要，因此研究生产车间级物流自动化流转设备具有非常现实的意义。自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流自动化流转设备之一，分为普通型和智能型两种。智能型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上设置导向信息媒介，AGV小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。本文是设计一台智能型固定路径自动导向搬运车的控制系统，实现上述的功能要求。1.2 A

9、GV简介AGV是以微控制器为控制核心、蓄电池为动力、装有非接触导引装置的无人驾驶自动导引运载车，其自动作业的基本功能是导向行驶、认址停准和移交载荷。作为当代物流处理自动化的有效手段和柔性制造系统的关键设备，AGV已经得到了越来越广泛的应用，对AGV的研究也具有十分重要的理论意义和现实意义。1.2.1 AGV的定义AGV(AutomaticGoidedVehicle)是自动导引小车的缩写，它可以按照监控系统下达的指令，根据预先设计的程序，依照传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置自动驾驶。根据美国物流协会的定义，AGV是装备有电磁式或光学式自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，并具

10、有小车编程与停车选择装置、安全保护以及运载功能的运输小车。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，是现代物流系统的关键设备。它是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移动机器人。主要应用于柔性加工装配系统、自动化立体仓库、易燃易爆物品的运输以及其他行业，作为搬运设备使用。AGVS(AutomatieGuidedVehieleSystem)是自动导引车系统的缩写，由管理计算机、数据传递子系统，若干辆沿导引路径行驶的自动导引小车、地面子系统等组成，用于及时有效的分派AGV到某位置完成指定动作，而巨具有监控管理的系统。1.2.2 AGV的系统结构AGV是融合了电子技

11、术和机械技术的典型机电一体化产品。随着各种AGV新产品不断开发，AGV技术不断发展，先进的传感器、电子电力器件、光电器件、计算机、控制技术、电池技术、机构学等高新技术成果逐渐地集成到AGV新产品及其系统技术中去，使它的技术附加值越来越大。AGV由车体、蓄电池和充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、运动控制器、通信装置、移载系统、和导航系统等组成。车体由车架和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等所组成，它是AGV的基础部分。车架要求从强度和刚度上满足车体运行和加速时的要求，常用钢构件焊接而成，其上层以lmm-3mm的钢板或硬铝板，板下的空间安置与驱动和转向直接有关的硬件控制系统和重量较

12、大的部件(如蓄电池)，以利于机械结构设计和降低车体重心，重心越低越有利于抗倾翻。板上常安置移载装置、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈等。AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池电能为动力。驱动装置由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是两个独立的变量，它们分别由计算机控制。为了安全，制动器的制动力由弹簧力产生，这样在紧急电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接

13、近停位点时要求不同的车速，直线行走速度高些，拐弯时要减速，接近停位点时速度要小。紧急停车继电器独立于微型计算机之外。AGV的方向控制是接受导引系统的方向信息通过转向装置来实现。AGV有三种工作方式:(1)全自动方式。当AGV设定在全自动运行方式时，操作者根据规划路径输入相应指令，启动之后自主车在无人操作模式下工作。(2)半自动方式。操作者可直接通过小车上按钮，辅助小车完成工作。(3手动方式。操作者也可完全手动，板将小车开在任何所需的地方。小车与一般电瓶车搬运车功能样，可用控制.1.2.3 AGV的特点与应用AGV是采用先进控制技术的现代物流设备，随着现代技术水平的进步，AGV朝着智能化和自主化

14、方向发展，主要具有如下的特点。:(l)无人驾驶:AGV上装备有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工导向的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地，方便快捷。(2)柔性好:AGV自动化程度和智能化水平高，行驶路径可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且运行路径改变的费用与传统的输送带和刚性的传送线相比非常低廉。(3)运载能力强:载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式，能满足不同产品运送和加工的需要，物流系统的适应能力强。(4)安全性能好:可装备多种声光报替系统，能通过车载障碍探侧系统在碰撞到障碍物之前自动停车。当其队列行驶或在某一区域交叉运行时，

15、具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人为差错。因此，AGVS比他物料搬运系统更安全。(5)利用率高:AGV组成的物流系统不是永久性的，而是在给定的区域内设置。与传统物料输送系统在车间内固定设置二且不易变更相比，现代物流系统的设置柔性更强，并可以充分的利用人行通道和叉车速遭公从而改善车间地面利用一率。(6)环保性能好:AGV依靠自带的蓄电池提供动力，运行过程中无噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。由于AGV具有的这些应用特点，AGVS已经成为许多制造企业提高生产效率和系统智能化水平的重要手段。具体使用领域如下1、自动化立体仓库; 2、柔性加工系统;3、柔性装配系统(以AGV作为活动

16、装配平台);4、机械、电子、卷烟、医疗。食品、造纸、纺织、化工等行业的物料输送;5、在车站、机场.邮局的物品分捡中作为运输工具;6、也有用在办公室、医院、宾馆的AGV:7、危险场所和特种行业。AGV被用于物品运送，这样就减轻了工人的劳动强度，避免了危险环境对人的伤害。1.2.4 AGV的分类及引导方式AGV是一种用于物流系统的运输小车。根据有无固定导向线可分为固定路径型和自由路径型两大类。对固定路径型AGV，其典型设计思路是采用传感器获得AGV方位信息，并与预定方位比较，得到AGV方位角的偏差和对于路径的横向偏差信号，以此为基础而对AGV转角和驱动轮速度进行控制。具体设计既有常规设计(如优化P

17、ID)，又有自适应和模糊控制设计。自由路径AGV控制设计与其类似，不过，自由路径型AGV确认方位较难获得。目前对自由路径型AGV的研究重点不在控制方面而在导向技术与定位方式上，其中，以光码盘作为传感器通过检测车轮回转的方法确定AGV是种较经济的导向与定位技术，但缺点是跟踪精度受车轮打滑、变形以及累积误差的影响。引导方式是AGV单机控制系统的核心技术，根据导航方式将AGV分为以下几类型。1)电磁导引AGV。电磁导引是传统的导引方式之一，它是在AGV的行驶路径埋设金属导线，并加载低频、低压导引电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导引磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。其主要优点是

18、引线隐蔽、不易污染和破损、导引原理简单可靠、制造成本较低。其主要缺点是路径的复杂性有限、扩充或更改很麻烦、易受干扰。2) 光学导向的基本原理和方法同电磁导向相似。一般是在运行路径上铺设一条具有稳定反光率的色带。车上设有光源发身和接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方向。3）惯性导引AGV。惯性导引是在AGV上安装惯性陀螺仪，在行驶地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向，从而实现导引。其主要优点是技术先进、定位准确性较高、灵活性强、便于组合和兼容。缺点是陀螺仪对振动较敏感、地面条件对AGV的可靠性影响很大、后

19、期维护成本较高。5)激光导引AGV。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，并采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向，实现AGV的导引。其主要优点是定位精度高、地面无需其它定位设施、能够适应复杂的路径条件及工作环境、可快速变更行驶路径和修改运行参数。缺点是车型构造需首先保证激光扫描器的视场要求、AGV抗光干扰的纠错能力有一定局限。6)视觉引导AGV。视觉导引控制是利用图像传感器采集路面上条带状路径标线的图像信息，通过计算机处理、识别，计算出车辆与路径标线之间的相对位置偏差从而控制运行方向，保证AGV沿着路径标线运行

20、。优点是引导路径的设置和变更简单方便，成本低，易维护。缺点是容易受到光线的干扰。1.3 AGV的现状与发展五十年代，第一台自动导引车是由Barrett电子公司在美国开发成功。但在六十年代和七十年代AGV技术主要在欧洲得到发展。八十年代，发展中心又转移到美国目前在国内AGV的应用逐渐开始推广。从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业、飞机制造业.家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等。这说明AGV在我国有一个潜在的广阔市场。随着社会科技的发展和市场需求水平的提高，AGV技术也有其自身的主要发展方向。1）AGV的市场正向二极化方向发展，一个是向自动化程度高的高档市场发展;另一个是向

21、流通领域、办公室等大多数以人为接点的低档市场发展。2）AGV正向多导向方式、智能化发展。要实现预定的搬运计划、发挥无人搬运车的优势，关键取决于导向系统。电磁导向方式是最先开发的AGV导向方式，目前应用的范围最为广泛。但由于电磁导向方式的缺点，相继出现了光学导向方式、磁石导向方式、激光导向、标记追踪导向及图像传感器导向方式等。多种导向方式充分体现了无人搬运系统高柔性、高效率、高可靠性、低成本的发展特点，并正向智能化方向发展，使AGV技术达到新水平。3）对AGV进行工程可行性分析验证时，愈来愈多的使用系统仿真方法。专用仿真语言将使用户使用方便，仿真费用将不断降低，一般仿真系统包括有彩色图形输入与显

22、示系统，仿真处理机和仿真语言。4）AGV/AGV模块化设计研究，由于不同的AGV/AGV之间有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采用模块化的设计方法，将AGV的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。5）AGV系统控制结构愈来愈多地具有跟踪物料和储存信息的功能，以支持“准时制”生产，以便允许与AGV间或任何其他控制器进行通信。6）把AGV和移动机器人的能够进行灵活操作的优点结合起来，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用。7）AGV在工业领域中的应用将继续增长，并进入生活服务行业，其中包括办公室、医院、宾馆、邮政部门、超级

23、市场和高尔夫球场等。1.4论文的主要研究内容及组织结构1.4.1论文的主要研究内容自动导向搬运车（AGVAutomated Guided Vehicle）是生产车间级物流自动化流转设备之一，为普通型和智能型两种。智能型AGV在车载计算机控制系统中储存有全部运行路线和线路区段控制的信息，小车只需要知道目的的和所要完成的任务，便可以自动选择最佳路线完成规定的任务。固定路径导向是指在固定的线路上设置导向信息媒介，AGV小车检测出其导向信息，然后按此导向信息控制其行驶方向。本文设计了一台固定路径自动引导车，采用了红外反射式光电传感器作为AGV的寻航检测装置，蓄电池和直流马达作为驱动装置，舵机作为方向控

24、制装置，使用单片机作为控制器来控制各个模块协同工作，以实现自动导航。1.4.2论文的组织结构第一章首先讲述了AGV的的定义、特点、应用，然后对AGV的分类及其导引方式进行了论述，最后说明了AGV的现状与发展。第二章介绍了本文设计的AGV的控制系统的硬件组成。首先是介绍了AGV控制系统的总体设计，然后分别介绍了AGV的单片机控制系统，闭环PWM调速系统，导航系统，速度测量系统，驱动电机装置，避障系统以及转向舵机。第三章介绍了系统的软件设计，首先讲述了PID控制器在电机调速中的应用，然后对单片机中断系统进行了论述，最后阐明了系统的控制流程。第四章对论文进行了总结，指出设计的不足之处及改进。AGV控

25、制系统硬件组成2.1 AGV的控制系统总体设计本文设计的AGV采用的是最常用的四轮机构,车载控制系统如图2-1所示，结构如图2-2所示，前轮为转向轮，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。后桥有差速器，当车辆转向时，两后轮能自动改变转速，以减小轮胎和地面之间的滑动。在实际应用中，小车车体上部需安装装载货物的托盘等辅助机构，故控制系统安装在小车底板的下面。控制系统硬件主要包括AT89C51单片机控制系统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。 图2.1 车载控制系统框图图2.2 AGV模型图2.2单片机控制系统单片机控制系统是车载控制系统的核心，其稳定性决定了整个车载控制系统性能的优劣。单片机的最小

26、系统由电源系统、复位系统、时钟电路等组成，相关元件的选择及电路板抗干扰能力的设计应高度重视。2.2.1 AT89C51单片机简介AGV的控制系统采用的是AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图2.3为AT89C51单片机的引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻

27、的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址

28、数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.

29、6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOV

30、X，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入

31、。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。图2.3 AT89C51引脚图2.2.2外围电路介绍（1）复位电路复位操作有手动复位和上电自动复位，图2.4为一种上电自动复位电路，图2.5为具有上电自动复位和手动复位两种操作方式的复位电路。图2.4 上电自动复位电路图2.5复位电路（2）时钟电路AT89C51芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式，如图2.6。也可使用外部振荡器，有外部振荡器产生的信号直接加到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式，如图2.7。图2.6 使用片内振荡器接法图2.7 使用片外振荡器接法2.3

32、闭环PWM调速系统本文设计的AGV采用了最常用的四轮机构，后轮为驱动轮，由直流电机驱动。根据要求后轮驱动系统应有较好的调速性能。无刷直流电动机的调速方法有多种，如通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制(PulsewidthModulation)，简称PWM。图2.8 是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ui，t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电