固定路径自动引导车(AGV)的控制系统设计.doc
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1、 毕业设计(论 文) 固定路径自动引导车(固定路径自动引导车(AGV)的)的 控制系统设计控制系统设计 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第I页 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
2、。 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。 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:关键词:单片机 ,AGV,红外传感器,PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文)
3、第 II 页 A fixed path Automatic Guided Vehicle (AGV) control system design Author : Jia Lifeng Tutor :Wang Fengwen Abstract As the factory automation, computer integrated manufacturing systems technology, as well as the progressive development of flexible manufacturing systems, AGV(AutomatieGuidedVehi
4、ele) is automatically guided vehicle as an associate and regulation of discrete logistics 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 co
5、ntrol the core, equipped with a non- contact guiding devices, unmanned automatic guided 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
6、, key equipment, AGV has been more and more widely used, the study of the AGV is also 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 moto
7、r as the drive, steering gear as the directional control device, the use of intelligent control to control all modules work together to achieve the automatic guided vehicle automatic navigation. 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 III 页 Key words: microcontroller, AGV, infrared sensors, PID 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第III 页
8、 目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 论文研究的意义与目的.1 1.2 AGV 简介1 1.2.1 AGV 的定义1 1.2.2 AGV 的系统结构2 1.2.3 AGV 的特点与应用3 1.2.4 AGV 的分类及引导方式4 1.3 AGV 的现状与发展5 1.4 论文的主要研究内容及组织结构6 1.4.1 论文的主要研究内容6 1.4.2 论文的组织结构6 第二章 AGV 控制系统硬件组成.7 2.1 AGV 的控制系统总体设计7 2.2 单片机控制系统8 2.2.1 AT89C51 单片机简介.8 2.2.2 外围电路介绍10 2.3 闭环 PWM 调速系统12 2.4 红外反射式光电
9、传感器14 2.5 速度测量系统.16 2.6 电机驱动电路.17 2.7 障碍物检测系统20 2.8 舵机.21 第三章 系统软件设计.24 3.1 PID 控制器在电机调速中的应用24 3.1.1 PID 控制算法简介24 3.1.2 PID 控制器软件实现25 3.2 中断系统设计27 3.2.1 中断的控制27 3.2.2 中断响应28 3.3 系统流程29 第四章总结与展望.31 致谢.33 参考文献.34 附录.35 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第1 页 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
10、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
11、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 AGV 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
12、,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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第2 页 导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,并具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(Au
13、tomatieGuidedVehieleSystem)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
14、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
15、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、拐弯和接近停位点时要求不同的车速,直线行走速度高些,拐弯 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第3 页 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
16、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
17、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,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
18、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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第4 页 1、自动化立体仓库; 2、柔性加工系统; 3、柔性装配系统(以 AGV 作为活动装配平台); 4、机械、电子、卷烟、医疗。食品、造纸、
19、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 PID),又
20、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
21、别和跟踪,实现 AGV 的导引。其主要优点是引线隐蔽、 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。 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第5 页 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
22、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
23、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。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 A
24、GV 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 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第6 页 感器导向方式等。多种导向方
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