本科毕设论文-—基于agv的自动化物流系统设计.doc

基于AGV的自动化物流系统设计四川省TI杯大学生电子设计竞赛 基于AGV的自动化物流系统摘 要本设计是一套基于自动导向车（automatic guided vehicle ，以下简称 AGV）完成自动装载、搬运、卸载货物功能的物流系统。系统包括多功能AGV和监控中心。整个系统由监控中心实现监测与控制，AGV按照预先设定的路线行驶，完成定位停车和搬运货物的功能并且能实现智能充电。本系统稳定可靠，能够广泛应用于汽车、家电等自动化装配线，以及机械、电子、纺织、卷烟、食品等行业。是构建无人化车间、自动化立体仓厍，实现仓储物流自动化管理的理想选择。关键字：自动导向车 自动装载 智能充电 自动化目录摘 要1目 录2绪 论41 设计任务51.1设计要求51.2 总体设计62 方案比较与论证72.1 中央处理器的选型72.2动力及转向系统82.3 AGV引导方式的设计方案与论证82.4装卸货物点的检测82.5障碍物的探测92.6装货和卸货系统对AGV的监测93 系统硬件设计103.1装货和卸货模块设计103.2 电路设计113.2.1 AGV的中央处理单元113.2.2 黑白线信息采集和停车标识识别模块设计123.2.3 自动循迹控制模块设计133.2.4 智能充电模块设计143.2.5 障碍物检测模块设计153.2.6 声光报警模块设计164 系统软件设计174.1AGV主程序控制流程图174.2装卸货模块流程图174.3自动充电模块程序设计185系统测试195.1 系统的各项指标测试195.2 系统的测试方案195.3 测试结果196 结论207 参考文献21附录22绪论自动化物流系统是一个新兴的现代化高科技产业，是集光、机、电为一体的系统工程。相对于传统的运输机构，如传送带，滑板车等固定传输机构投资大，占空间，不易升级等缺点，自动化物流系统不仅能大大提高工厂生产的自动化效率，更能降低投入成本，实现无人化工厂，提升公司形象，提高公司利润。系统安全可靠，能够广泛应用于汽车、家电等自动化装配线，以及机械、电子、纺织、卷烟、食品等行业。是建设无人化车间、自动化立体仓厍，实现仓储物流自动化管理的最佳选择。目前，国内生产线大多采用单轨小车或传送带等固定传输设备，此类设备投资大，占空间，工作不灵活，不易升级等缺点。为了克服这个缺点，我们设计了自动导向车（automatic guided vehicle）以代替目前的传输设备。同时，让AGV小车同装卸货设备一起工作，共同构成一个有机整体整个系统采用自动化控制技术，可以在无人的情况下工作；采用传感器技术，利用红外传感器和超声波传感器，采集各种数据信息，实现智能导航和障碍检测；运用模数转换，采集电量信息，自动执行智能充电，保证系统全天候自动运行。运用将无线通信技术，实现AGV与装卸货系统通讯，保证装卸货过程精确无误。国内自动化物流技术刚刚起步，具有广阔的市场前景。但是，自动化物流的关键技术仍为国外所掌控，国内需要自主研发并发展推广自动化物流系统，大范围普及自动化物流系统势在必行。基于AGV的自动化物流系统1 设计任务本系统设计要求AGV能够精确平稳地自动沿着预定轨道行驶，在无人操作的情况下准确无误地在指定地点同装卸货设备共同完成自动装载货物和卸载货物的功能。1.1设计要求设计要求如图1-1所示：装货标记装货区域卸货标记充电区域卸货区域图1-1 设计要求图例工厂内部机组内部机组物控中心AGV具体设计要求：1. 小车能够自动沿着黑色的轨道行驶。2. 当小车到达在指定的装货区域时，小车能够识别装货标记自动停车，装货平台把货物装载到小车上；3. 小车装货完毕后继续沿预定轨道行驶，当到达指定的卸货区域识别到卸货标记时自动停车，卸货平台自动把小车上的货物卸载下来。1.2 总体设计系统总体设计分析如图1-2：图1-2 系统总体设计分析送货请求停车卸货请求小车完成一次装卸货后进入下次装卸货循环执行卸货执行装货向送货系统发出卸货命令向送货系统发出送货命令接受请求，向中央处理器报告卸货后开走停车等待卸货系统中央处理器空车货车送货系统货车空车空车空车接受卸货请求，向央处理器报告从设计分析图可以看出装货和卸货系统可以组成一个控制系统，由于AGV的自由灵活性，易用另外一个控制系统进行控制。这样，两个系统之间需要经过硬件或是软件联系起来成为一个整体。根据系统的总体设计分析，我们制定出如下的总体设计框图：液晶屏显示装货停车程序无线发射智能充电AD转化装货卸货AD转化障碍信息检测路况信息采集电量信息采集状态指示灯卸货停车程序无线接收小车信号采集液晶屏显示状态指示灯AGV中央处理器装货系统中央处理器器图1-3 系统总体设计框图2 方案比较与论证2.1 中央处理器的选型可行性方案：1、采用笔记本计算机控制，编程灵活，多种软件均可实现。但成本较高。2、采用FPGA作为处理器，可靠性强，运算速度快，各种接口可以使用。3、采用TI公司生产的MSP430单片机控制，处理速度较快，并且成本低廉。决策方案：采用方案3。本次系统设要求使用TI公司生产的基本元器件，并且msp430单片机价格便宜功能齐全，具有其独特的功耗低特点。采用msp430单片机作为控制器能够满足设计要求。2.2动力及转向系统驱动电机的可选方案：1、使用带有减速器的直流电动机，采用PWM控制器调速。2、使用步进电机，能够精确控制位移量，可实现精确定位。3、采用伺服电动机，转速稳定可靠且调速方便。4、采用舵机控制，可以精确控制角度。决策方案：AGV的动力系统采用常见的直流电动机：小车运行要求平稳，对于速度要求不高，不需要精确地控制停车与启动，常见的直流电动机满足设计要求。故选择方案1。2.3 AGV引导方式的设计方案与论证1. 电磁感应引导： AGV的自动控制系统根据电磁信号的强度差来控制车辆的转向，连续的动态闭环控制能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。2. 激光引导： AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接受由四周定位标志反射回的激光束来控制运动的方向。3. CCD视觉引导：CCD完成图像采集，单片机储存并处理来转向， 4. 红外传感器引导：红外传感器引导方式类似于最早的电磁感应引导，同样需要在地面铺设预定轨道。轨道可以在地面贴黑带铺设完成，或者直接用白漆或者黑漆刷到地面即可完成轨道铺设。AGV机身左右的红外对管即可监视小车对中心线的偏移量，从而自动控制小车纠正行走路线。决策方案：采用方案3由于红外传感器使用方便、价格低廉、引导精确、响应速度快等优点，能够满足本次设计的要求。2.4装卸货物点的检测 可行性方案：1）霍尔传感器检测：在预定装卸货物点安装强磁硅钢以制造磁场。该方法定位依赖于磁场的强弱。定位精确，易受电机影响，灵敏度较低。2）红外传感器检测：在预定停车点做标识，红外对管感应电压变化，并反应。此方法成本低。灵敏度较高。但易受外界光线干扰。决策方案：采用方案2。再利用msp430内置AD转换，将采集的电压模拟信号转化为数字信号进行处理，可降低外界光线干扰，提高精确度。2.5障碍物的探测可行性方案：1、采用红外线反射管，可靠性高，但探测距离较近，在5cm以内。2、采用反射型红外光电开关，投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应。3、采用超声波传感器：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出，遇到障碍物便反射回来，被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。决策方案：采用方案3。由单片机产生40KHz的方波信号来工作，反应灵敏迅速，利于AGV及早做出判断，发出警报。2.6装货和卸货系统对AGV的监测装卸系统不能以孤立时间轴做装卸货运动，必须与AGV进行通信，实现实时检测，确保AGV车体已经到达停车点，装卸系统才能执行装卸过程。无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。可行性方案：1. 用DF无线数据收发模块。DF超再生式接收模块通讯方式为调频AM，接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。2. 用DF无线数据收发模块与红外传感辅助检测：采用DF无线收发，使小车运行状态时刻反馈给装卸系统，让装卸系统起到监控小车的功能，同时当小车到达指定运货地点时发出无线信号准备装货，装卸系统另外辅助采用红外传感器检测小车是否停稳。决策方案：DF无线收发模块以其优良的特性和低廉的价格而被广泛应用于工业及日常商品中，同时用红外传感辅助检测使性能更加完备，即使通讯过程中出现错误也能自动进行纠正，因此我们优先考虑使用方案2。3 系统硬件设计3.1装货和卸货模块设计 装货模块装货系统有目前比较先进的机械手，传送带，和简易推送装置。因本系统重在演示功能，故我们自行设计了一个用舵机控制的推货装置。俯视图货物车体货物正视图图3-1 装货曲柄滑块机构设计车体当小车到达装货地点时，传送带传送过来的货物正好位于曲柄滑块机构的挡推板前，通过控制舵机转过的角度，就可以控制推杆将货物推上小车的货厢上。卸货模块 我们采用磁吊技术模拟物流业中大部分集装箱的运送。当货物到达卸货地点后，启用电磁铁将货物吊起，控制步进电机运行将货物移动到指定地点。图3-2 卸货机构设计电磁铁物货物3.2 电路设计3.2.1 AGV的中央处理单元 因系统的AGV模块和自动装卸货模块对功能的实现有所不同，故分别针对其功能实现，分别选取不同单片机。小车的功能强大，要求处理系统处理速度快，具低功耗特点。最终设计中主要采用TI公司出品的MSP430F247单片机，以AT89s51作为辅助驱动LCD液晶显示。MSP430F247单片机是一个具有强大处理功能的16位单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。片上外围模块丰富，12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用，实现两路的 12 位 D/A 转换；当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。超低功耗 MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。系统采用的MSP430F247的最小系统电路图：图3-3 MSP430F247的最小系统电路3.2.2 黑白线信息采集和停车标识识别模块设计本系统设计中AGV自动循迹及停车标识识别都是采用反射式红外光电传感器ST188来实现其功能。其极限参数值和实物图如下:极限参数图3-4 ST188实物图由于只要求判断出简单黑白线，因此使用较简单的红外反射式光电传感器实现小车寻迹和停车是可行的。为了简单起见，系统中使用了七个红外反射式光电传感器，其中五个用于寻迹，以完成对路面信息的采集；一个用于停车标识检测；一个用来检测外界光，排除其干扰，低功耗模式下用作充电区域判断。 图3-5 反射式红外检测电路从OUT输出的电压信号连接到MSP430F247单片机的P6端口，利用MSP430内部模数转换模块直接将模拟信号转化为数字信号。3.2.3 自动循迹控制模块设计动力驱动设计 图3-6驱动电机控制电路 3-7控制驱动电机正反转电路本设计中使用一个场效应管IRFZ44N通过从单片机系统2.4脚输出PWM控制直流电机转速，P2.4脚输出高低电平控制继电器正反转，实现小车前进与后退。转向驱动设计小车的转向是用舵机来驱动的。我们通过编程用软件输出标准PWM信号来驱动舵机，一般PWM控制信号的周期为20ms,其调制波如图所示。当给舵机输入脉宽为0.5ms，即占空比为0.5/20=2.5%的调制波时，舵机右转90度；当给舵机输入脉宽为1.5ms，即占空比为1.5/20=7.5%的调制波时，舵机静止不动；当给舵机输入脉宽为2.5ms，即占空比为2.5/20=12.5%的调制波时，舵机左转90度。可以推导出舵机转动角度与脉冲宽度的关系计算公式为：注：其中t为正脉冲宽度（ms）；为转动角度；当左转时取加法计算，右转时取减法计算结果。PWM脉宽与舵机转角的对照关系如下：因此，在软件上是通过算法对PWM波占空比进行实时设置，对应舵机转角发生变化，从而使小车实现预定的转向。 3.2.4智能充电模块设计AGV车体电池并不能长久正常供电，工作一段时间后就会电压下降，造成工作不稳定。为了实现无人化车间，小车的充电需要自主完成。AGV所采用的镍镉可充电电池是用6 节相同型号的电池串连起来从而得到7.2V 的电池组，其标称容量为2000mAh可以在2A 的供电电流下持续供电1小时。放电曲线如图所示（在3A的大电流放电条件下得到的结果）。图3-8 镍镉电池供电曲线小车能正常工作所需的电压在7V到8.5V之间,我们采用AD转换将电池电压通过电位器分压的电压与AD转换所需标准电压+REF进行比较，就能设定小车在电池电压大于6V时，进行自动循迹搬运货物；当电池电压小于6V时自动进入低功耗模式，寻找充电区进行自动充电.右边是我们采用的电压检测电路，通过可调电位器可以自行设定比较电压值。AGV在低电压的触发下进入充电寻轨模式，进入充电轨道。小车驶入充电区后，外置的充电金属触点与固定充电电极接触。当两端完全稳定接触后，充电端口向中央处理器发出高电平，控制小车停车充电。小车电池的理想充电时间是6小时。我们采用快速充电，演示过程中程序设置小车在充电区停车充电20分钟。若中途停电或者其他外部因素致使小车充电未完成，小车自动计算与标准饱满电源电压的差值，把差值转化为对应时间后再次进入充电区进行相应时间的充电直至电池饱满。之后，小车自动退出充电区，驶入工作区域，恢复正常的工作模式。3.2.5 障碍物检测模块设计超声波检障原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，接收端受到反射回来的方波后从输出脚输出一个下降沿触发单片机进行障碍物判断。超声波检障电路的设计我们采用单片机的P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号，如图所示:图3-9 超声波发射电路图3-10 超声波接收电路使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波，其总放大增益80db。2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。本设计中选用参数为R1=4.7，C1=1F，R=200k，OUT为输出端连接单片机P0.1，没有接收到返回信号时该端输出为高电平，接收到则产生下降沿。1.2.3.3.1.3.2.3.2.1.3.2.2.3.2.3.3.2.4.3.2.5.3.2.6.3.2.6 声光报警模块设计声光报警模块设计采用图所示电路：图3-11 声光报警电路从系统P2.3输出高低电平控制NPN型三极管S8050通断控制报警器和发光二极管进行声光报警。4 系统软件设计4.1 AGV主程序控制流程图 否否否是是初始化数据采集监控中心检验是否到装/卸货区寻轨道检测障碍物智能充电停车装卸货物报警电池是否充足是图4-1 AGV主程序设计思路4.2 装卸货模块流程图检测与控制系统程序设计流程图如图4-2。否否无信号卸货请求信号装货请求信号是是初始化执行装货等待接收无线信号执行卸货红外确认小车是否在卸货区红外确认小车是否在卸货区图4-2 监控系统程序流程图4.3 自动充电模块程序设计小于大于充电6小时检测电池电压U继续充电t退出充电区，驶入工作区工作将电压差值U转化为充电时间t电池电压U与标准电压7.8V比较图4-3 自动充电模块程序设计5系统测试5.1 系统的各项指标测试1) 测试AGV自动导航性能：测试MSP430输出PWM对舵机的控制，其周期和正电压占空比反应小车转弯角度。2) 测试信息采集灵敏度：主要测试从AD0809对红外反射式传感器对黑白线反馈回来不同电压转换的数据值。3) 测试AGVD定位精度：主要测量小车同装货与卸货装置偏移距离。5.2 系统的测试方案测试方案框图实验室测试信息采集灵敏度设定循迹参数AGV循迹性能测试小车检测功能测试室外测试信息采集灵敏度设定循迹参数AGV循迹性能测试小车检测功能测试图5-1 系统测试方案框图5.3 测试结果不同环境下采集的模拟信号AD转换值及对应电压值：信息采集端电压检测黑色轨道（最小值）黑色轨道（最大值）底 板（平均值）实验室环境2439522311对应电压值（V）4.7651.8634.3730.216水泥地环境2438322243对应电压值（V）4.7651.6274.3530.843基于AGV的自动化物流系统技术指标测试结果（实验室）：AGV控制方式全自动运行速度0-30m/min，无级变速AGV处理器MSP430F247导航精度±4°通讯方式DF无线收发定位精度±1.3cm导航方式红外传感器引导负载能力0-4.3kg驱动方式直流电机驱动/舵机驱动监视台控制方式控制站集中监视、调度充电方式自动充电/更换电池装货精度±2cm运动方向前进、后退、左转、右转卸货精度±2cm6 结论小车在电量充足状态时，能沿着黑色的轨道自动平稳行驶，当到达在指定的装货区域时，小车自动识别装货标记停车发出装货请求，等待装货系统自动把货物装载到小车上；装货完毕后，小车继续沿预定轨道行驶，当到达指定的卸货区域识别到卸货标记时自动停车，发出卸货请求，卸货系统自动把小车上的货物卸载下来。当小车在电量不足的情况下，小车自动进入低功耗模式下继续沿轨迹行驶，当寻找到充电区域，自动进行充电。充电完毕后，小车自动倒车回到原工作轨道继续装运货物。整个设计基本符合原先预定的要求，并且，我们在原有基础上自行发挥，增加了以下功能：1、自动检障系统实现障碍物的自动检测，发现障碍物自动停车报警， 应对紧急和意外情况。2、充分利用TI单片机低功耗特点，电量不足时小车运行于低功耗模式，自动完成智能充电。3、增加液晶显示模块，使系统各模块状态明朗化，即使出现故障，能从液晶显示数据很快找到引起故障的原因，使整个系统易于调试和维修。7 参考文献1 沈建华.杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践D. 北京航空航天大学出版社.2008(7) 2 王智勇.姬婧媛. AGV 小车的控制系统的设计与开发J . 中国航天四院401 所3 彭传圣.集装箱码头的自动化运转J港口装卸，2003，(2)：l一64 郭剑毅.车文刚等. 智能机器人在烟草行业中的应用前景D. 云南工业大学5 刘志平等. 自动化集装箱码头中的AGV技术D. 武汉理工大学6 张毅坤等单片微型计算机原理及应用M西安电子科技大学出版社，1998 7 张智勇.关宏,等.AGV 整体集成系统结构设计J . 物流技术,2004 (4) 8 姜勇等.基于各种传感器的自动导引车的制导方式D. 南京航空航天大学.20069 詹跃乐.黎英等.国有智能机器人技术研究和应用于烟草行业的策略J. 云南工业大学1999（2）10 何彤.仓储AGV的移动路线规划D. 广东经济管理学院.200711 楼然苗.李光飞单片机原理课程设计指导D. 北京航空航天大学出版社.2007(7)附录附录1 AGV系统电路总图附录2 AGV系统电路总图22