王 強， 王高亮

(1 周口師范學院 機械與電氣工程學院， 河南 周口 466001； 2 周口師范學院 物理與電信工程學院， 河南 周口 466001)

引言

AGV—自動導引貨物運載小車自上世紀出現(xiàn)以來，隨著科技的不斷發(fā)展進步，AGV的研發(fā)腳步也在不停的發(fā)展。利用目前最先進的機器算法和人工智能技術，AGV智能小車已經(jīng)成為當代物流倉儲系統(tǒng)、自動化生產車間的不可或缺的重要設備之一。AGV智能導引小車以蓄電池為動力，以單片機組成的嵌入式控制系統(tǒng)為核心 ，以光電傳感器和電磁傳感器為導航檢測設備，可以完成固定路線自主駕駛搬運[1]。目前，以人工智能技術、蜂群網(wǎng)絡算法為基礎的大規(guī)模集成的AGV智能小車在物流倉儲有條不紊的執(zhí)行著分揀任務，該智能小車通過計算機算法，能夠進行貨物運輸、分揀，低電量自動充電等功能。但基于一些大型的AGV系統(tǒng)，在貨物搬運過程中，還未被開發(fā)，還存在著許多未開發(fā)的功能，因此對AGV系統(tǒng)進行進一步的研發(fā)、設計對工廠自動化的生產和物流運輸具有重要意義。

1 AGV系統(tǒng)的構成

1.1 AGV系統(tǒng)各部分組成

AGV控制系統(tǒng)主要由單片機組成的控制系統(tǒng)、車體運輸系統(tǒng)、檢測導航系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、動力來源部分構成[2]。其中驅動部分保證車體運行，檢測導航系統(tǒng)保證小車的方向，控制系統(tǒng)處理信息檢測和控制整個車體的運行。

1.2 AGV的控制系統(tǒng)設計

AGV系統(tǒng)主要由單片機最小控制系統(tǒng)、紅外超聲波檢測傳感器、電機驅動、串行通信芯片組成[3]。最小控制系統(tǒng)主要完成整個系統(tǒng)的信息處理和控制任務；檢測傳感器為該系統(tǒng)提供外界信息的檢測；電機驅動電路是整個系統(tǒng)的動力系統(tǒng)，串行通信模塊主要作用是為單片機控制系統(tǒng)和外接電路進行信息的傳輸、存儲等功能。

1.3 設計的任務和目標

本文設計一臺可以自動導引的AGV小車，能夠在預設的導引線上進行平穩(wěn)的行駛。此設計采用STC89C52單片機最小控制系統(tǒng)通過控制渠道電路來控制小車的方向運動功能。其小車的主要各項參數(shù)如下，依據(jù)這個參數(shù)進行一系列的計算，最終設計一款實用的AGV小車。自動導引小車各項機械參數(shù)和技術要求見表1。

2 機械部分設計

2.1 機械傳動方案的確定

本設計采用四輪機械結構布局，小車后輪作為整車的動力，前輪作為萬向輪，保持整車平衡。當小車需要改變方向，小車通過后輪差速驅動，改變其運動方向。

依據(jù)本次設計的任務目標和功能作為一種負載小車來設計，負載小車需要進行貨物運輸，在運輸過程中要始終保持穩(wěn)定性、運動速度平緩，轉彎誤差小，才能保證任務的完成。四輪布局在貨物運輸方面更具有穩(wěn)定性，尤其在轉彎的時候，三輪布局轉彎半徑過大，在貨物運輸過程中非常不穩(wěn)定。四輪驅動采用兩套直流電機通過蝸輪-蝸桿減速器驅動輪轂，誤差傳動小，轉彎半徑小，速度平穩(wěn)。而三輪布局由于采用萬向輪結構，機械傳動偏大，不利于貨物的運輸。因此本設計采用四輪布局結構，作為本設計的傳動方案。

2.2 直流伺服電機的選定

依據(jù)本次設計，從控制系統(tǒng)和機械設計考慮，依據(jù)電機功率、運動參數(shù)、電機的牽引力及電機的加速性能進行對電機的選型。直流伺服電機選型依據(jù)：以最大參數(shù)為條件進行選擇，當最大參數(shù)確定后，就可以確定電機的選擇。

2.2.1 運動參數(shù)

小車的車輪半徑150 mm,根據(jù)公式計算[4]，當最大行駛速度為120 mm/s時，此時車輪的轉速為：

設計選用蝸輪—蝸桿的減速比為i=1∶60,則電機的轉速比為：

n電=in=80×15.28=1 222.9r/min

2.2.2 電機的牽引力

電機牽引力選擇，根據(jù)小車的自重和載重，對小車的受力分析，進行相關參數(shù)的計算，得出小車自重和載重時需要的牽引力大小，最終確定所需電機牽引力大小的參數(shù)。

以小車的平均密度2.95 g/cm為基準計算該小車的自重受力，則該小車車架重壓力為：

p=ρabhg=2.95×103×0.5×0.3×0.032×

9.8≈138.7 N

小車最大有效載重為30 KG:

G=mg=30×9.8=294N

為了保證小車的前后輪受力平衡，建立三軸坐標系，列出平衡方程得出該小車的最終受力。前輪和后輪對稱設計，得：

FA=FB，F(xiàn)C=FD

∑Fz=0， 2FA+2FC-P-G=0

由選擇方案一作為本次的傳動方案，則在小車運行過程中，后輪的實際稱重大于前車輪的稱重，因此為了計算整體的牽引力大小，根據(jù)查找資料以系數(shù)0.17[5]計算在前車輪FC=FD的受力。根據(jù)平衡方程則：

∑Mx=0, -0.075G-0.17P+2×0.3×FC=0

解出FA=FB=176.93 N,FC=FD=39.42 N

由于整個車的動力來源為后輪驅動，為計算后車輪電機的牽引力,經(jīng)查表取得滾動摩擦阻力偶矩Mf為δ=5 mm,則最大受力為：

Mmax=δFN=0.005×176.93=0.884 N·m

牽引力F為:

2.2.3 瞬時加速性能

最大空載加速轉矩發(fā)生在自動引導小車攜帶工件，從靜止以階躍指令加速到伺服電機最高轉速nmax時[6]。此時最大空載加速轉矩便是伺服電動機的最大輸出轉矩Tmax。

0.41N·m.

2.2.4 電機的選定

依據(jù)上述三項條件，最終選擇直流電機伺服電機為MDF K3520 ?80mm 石墨電刷 120 W。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)總方案

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為本次控制系統(tǒng)的核心部分，對小車的信息進行采集、運算處理。為了保證小車時刻平穩(wěn)運行，控制系統(tǒng)方案采用閉環(huán)控制，實時獲得小車運行狀態(tài)，對小車的運行狀態(tài)解析，然后根據(jù)解析結果對小車的整體運行狀態(tài)進行調整。為了實現(xiàn)小車的閉環(huán)控制，小車電機選用數(shù)字編碼電機，當電機運轉時，兩個編碼電機發(fā)出不同相位的脈沖信號，然后對數(shù)字編碼器發(fā)出的脈沖信號進行鑒相,可以獲得電機的運轉信息。經(jīng)過鑒相電路后得到正負相反的脈沖信號送至8253計數(shù)器對其計數(shù)，可獲得電機運轉的方向和轉速，最后輸入STC89C52單片機進行解析算法處理[7]，發(fā)送控制指令給電機驅動器，控制電機的運轉，控制小車進行一系列的運輸工作。

3.2 鑒相原理

伺服電機通過數(shù)字編碼器向控制系統(tǒng)發(fā)送當前的電機轉速和方向。數(shù)字編碼器安置在電機的旋轉軸上，當電機帶動編碼器運轉，編碼器可以產生相位相差90°的兩路脈沖信號，經(jīng)過鑒相電路進行處理分析之后，即可得到電機的旋轉方向[8]。

當伺服電機正轉時，B相脈沖滯后于A相脈沖180°，在cp端進行反向，輸出一個正向計數(shù)脈沖。當電機反轉時，A相脈沖滯后于B相脈沖180°，在cp端進行反向，輸出一個反向計數(shù)脈沖。

電機的轉速信息可以通過對編碼電機的脈沖數(shù)進行計數(shù)得到，本次使用的電機數(shù)字編碼器500P/R,電機每旋轉一周即可輸出500個脈沖信號，電機與車輪的減速比為60∶1，因此車輪每次旋轉一周，即可產生500×60=30 000個脈沖信號，通過對脈沖信號的鑒相，輸出差動脈沖信號，最后輸入計數(shù)器進行計數(shù)，得出電機轉速。

3.3 計數(shù)的擴展

為了簡化控制系統(tǒng)的設計，避免輸入過多的信息對單片機的處理造成壓力，干擾系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)中使用兩塊8253計數(shù)器對鑒相之后的脈沖進行計數(shù)，對其脈沖進行處理，緩解單片機處理壓力，簡化程序設計。該芯片具有3個16位計數(shù)器，2塊芯片共計6個獨立計數(shù)器，使用其中4個獨立的計數(shù)器分別用于對后輪2個電機進行正反轉脈沖的計數(shù)。

3.4 電機驅動芯片選擇

電機驅動原理可通過脈沖寬度調制技術驅動直流伺服電機。PWM脈沖調制技術可以通過單片機定時器進行程序編程輸出，也可由專門的芯片產生去驅動電機。本次采用UC3637專門驅動芯片驅動電機運轉，該芯片是一款專門的電機驅動器，其內部可有專門的PWM芯片產生PWM波和H橋功率放大器[9]。該芯片驅動原理是:單片機控制電路向驅動芯片發(fā)出帶有電機轉動信息的控制信息，控制PWM芯片產生周期不同的波形[10]，經(jīng)放大器放大之后，驅動電機的轉速和方向。該芯片電感小、功率大、功耗低、效率高，可滿足本設計需求。UC3637原理如圖1所示 。

圖1 UC3637原理圖

4 結束語

本文對AGV小車系統(tǒng)進行了設計，通過機械設計、控制系統(tǒng)組成和實現(xiàn)原理方面介紹了該系統(tǒng)各部分的組成和原理。重點介紹了控制系統(tǒng)的組成和小車自動行駛的算法原理，完成了直流伺服電機的選型和系統(tǒng)軟件程序的設計，最終設計出完整的兩輪獨立后驅、前輪引導的小車系統(tǒng)。該小車可以完成按照預定設計路線的自動行駛，機械部分可與控制系統(tǒng)相互配合，達到運送貨物的目的。