第2章 AGV的总体设计
2. 1总体设计
AGV一般由车体、蓄电池、充电系统、驱动装置、转向装置、精确停车装置、车上控制器、通信装置、信息采样子系统、移载装置和车体方位计算子系统等组成。车体由车架和相应的机械电气部件如减速箱、电机、车轮等组成，它是AGV的基础部分。车架要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，其外壳为1mm~3mm的钢板或铝合金板，车架空间安置与驱动和转向直接有关或重量较大的部件(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、液压系统、电控系统、按键、显示屏等。车体的前后部分还安装安全挡圈和超声波传感器。
AGV常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。蓄电池供电应达到额定的安培小时值，一般应保证8h以上的工作需要，对二班制工作环境则要求17h以上的供电能力.蓄电池充电可采用随机充电和全周期充电两种方式。随机充电采用可任意充电的汽车免修蓄电池，在AGV的备用停泊站，无时间限制地随时充电。全周期充电则要求AGV退出服务，并进入指定的充电区且当蓄电池电荷降至指定范围时方可充电。此类电池一般执行4h连续充电，2h冷却的规范。也有的AGV采用上述两种充电方式相结合的方式。充电操作有自动、人工和快速更换的可抽拉式三种。
驱动装置由车轮、减速器、制动器、电动机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机发出，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。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，直线行走高速度常达lm/s，拐弯时为0. 2m/s~0. 6m/s,接近停位点时为0. lm/s。
AGV的方向控制是由导引系统的方向信息通过转向装置来实现的。AGV通常被设计成三种运动方式:(1)只能向前;(2)能向前与向后;(3)能纵向、横向、斜向及回转四个方向的运动。
“智能”较高的AGV都有车上控制器，它类似于机器人控制器，用以对AGV进行监控。控制器计算机通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。通常控制器可完成以下工作:手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制和充电接触器等。某些AGV具有编程能力，允许小车离开导引路径，驶向某个示教地点，完成任务后循原道返回到导引路径上来。
AGV的控制指令一般是由地面控制器(车外)发出，AGV的状态也通过通信系统送回地面控制器。通信系统有两种:连续方式和分散方式。连续通信系统允许AGV在任何时候和相对地面控制器的任何位置使用射频方法或使用在导引路径内的通信电缆收发信息。如采用无线电、红外激光的通信方法。分散式系统只是在预定的地点(通信点)如AGV停泊站等，在特定的AGV与地面控制器之间提供通信。一般来说，这种通信是通过感应或光学的方法来实现的。分散通信的一个明显缺点是:如果AGV在两通信点之间发生故障，AGV将无法与地面控制站取得联系。目前大多数AGV系统都是采用分散式通信方式，因为其价格较便宜。
AGV的安全系统既要实现对AGV的保护，又要实现对人，或对其它地面设备的保护。其安全保护方法可归纳为两类:接触式和非接触式两种保护系统。对自由路径(无固定导引路径)型的AGV，还要进行车体方位的计算，它由车体方位计算子系统来完成。AGV的方位，即在总体坐标系中的位置与方向，与车体左右轮的运动有一确定的关系，由此可计算出AGV
的方位。该子系统的功能是根据采样信息，通过积分运算，实时计算出车体方位[x(t)，y(t)和θ(t) ]。根据需要，将计算的方位信息通过串行通信传送给车上控制器，然后再通过无线电通信传送给地面监控系统，以实现对AGV的监控。地面监控系统也可通过这一通信信路，对车体方位计算子系统进行操作，如初始化、重置车体方位以消除累积误差等。完成车体方位计算的基本输入数据是车轮前进或后退的距离，即通过对驱动车轮的电动机转动角度的周期性采样来获取。
AGV的导引方式可分为两大类:(1)车外固定路径导引方式，在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息来得到导引，如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。(2)自由路径(无固定路径)导引方式，AGV上储存着系统布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位，自主地决定行驶路径，这类导引方式也称为车上软件—编程路径方式。
综合AGV的上述特点，再结合本次设计的具体要求，确定本次AGV的研制原则:即以最简单形式、最少的成本、尽可能可靠的动作完成课题要求。
据此，形成机器人的基本控制思路:红外传感器取得反射信号送给单片机，通过单片机对有无反射信号进行处理，同样超声波传感器也将信号传给单片机，通过单片机对感应时间进行处理，结合路径图进行综合分析后输出控制信号，控制信号通过控制电路放大、输出到电机对小车动作进行控制。整个控制流程中不用光电编码器，即没有电机运动状态的信息反馈，所有信息都由传感器输入，属开环控制。逻辑图如图2-1所示。
图2-1 控制逻辑图
开环控制的优点是信息源少，需要单片机分析的数据比较少，比较适合使用单片机作为控制器，而缺点就是由于信息源单一，对输入信息没有纠错能力，只要信息源出现错误就会出现状态误判。使用开环控制的前提就是要确保信息源的可靠性。
据此确定机器人的设计总体思路:通过红外传感器作为导航，单片机为控制器，电机差动式实现转向，根据预设路线，实现AGV导航定位策略的方式及用最简单的设置、最少的器械部件完成比赛的任务。需要部件如下表所列。
表2-1
名称 超声波传感器 红外传感器 车体 直流电动机 蓄电池 数量 1 4 1 2 2 电源稳压模块 控制电路 单片机 1 1 1 2. 2小车运动分析
车轮机构的运动分析是指己知车轮的驱动速度条件下，确定车体的移动速度和旋转角速度。AGV的驱动系统和导向系统是密不可分的，又都跟采用何种类型的小车底盘的结构形式有关。本AGV采用四轮底盘、后两主动轮差速驱动/导向。两主动轮分别由两个直流伺服电动机驱动，通过控制电机电压可以控制车轮的转速。利用两轮的速差可以实现转向。该机构还包括一制动器，当需要紧急停车时，按制动器开关来制动车轮。导向系统采用红外导引技术。下面对小车的转弯运动作初步分析：
小车在转弯时的状态：小车以速度V匀速转弯；小车两主动轮间的距离为D；小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的转速分别为N1、N2；车重为G；小车与行驶路面的摩擦系数为?。则有：
R?V2?rN2?rN212/(?g)?(2R?D)V/2R
?(2R?D)V/2R系统中，V取1m/s；小车质量G约为150kg；取摩擦系数?=0.2；取R=1000mm
图2-2 小车状态示意图
2.3 传感器的选用
2.3.1 红外传感器寻迹原理
利用地面颜色与色带颜色的反差，在明亮的地面上用黑色色带，在黑暗的地面上用白色色带。导引车的下面装有光源，用以照射色带。由色带反射回来的光线由光学检测器（传感器）接受，经过检测和运算回路进行计算，将计算结果传至驱动回路，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，传感器检测到的亮度不同，经过运算回路计算出相应的偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态进行及时修正，使其回到导引路径上来。因此，AGV能够始终沿着色带的导引轨迹运行。红外反射式光电传感器，包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。
图2-3 光学导引原理图
2.3.2红外寻迹方案选择
方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。
当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。 方案二：采用光敏电阻接受可见光检测。
该电路采用T性网络，可避免使用太大的反馈电阻，并且便于提高输入阻抗。六组光敏电阻用于检测可见光信号。但光敏电阻检测到黑带时，输出端为低电平，但用光是电路输出端显示为高电平，信号返回给单片机，通过单片机控制前轮的转向。但由于需要正负电源，同时光敏电阻易受环境影响，稳定性也很差。
方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。
采用六组红外光敏耦合三极管发射和接受红外信号，外面可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔离。接收的红外信号转换为电压信号经LM339进行比较，产生高电平或低电平返回给51单片机。 2.3.3具体设计与实现
根据方案经济实惠，易于实现，可靠性好等原则，因此采用方案三。稳定性能得到提
升。当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为低电平，反之为高电平。结合中断查询方式，通过程序控制小车往哪个方向行走。
根据传感器应用场合不同选择不同，感觉的距离范围不同，可从几毫米到几米。选用FS-359F反射红外传感器，048W型封装。该封装形状规则，便于安装。激光传感器虽然性能不错，但价格较贵。从需要5—10cm垂直探测距离的要求来看，普通的红外反射式传感器又很难胜任。在对６个型号的传感器测试后，选用了价格、性能基本适合的043W封装的反射红外传感器。在使用约40ｍA的发射电流，没有强烈日光干扰（在有日光灯的房间里）探测距离能达８cm，完全能满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了下图的电路形式。 2.3.4超声波传感器避障原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和
接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如下图所示。
图2-4 超声波测距原理框图
2.3.5超声波测距模块实物图片
2.3.6超声波模块具体功能简介
（1）三种测距模式选择跳线J1（短距、中距、可调距）： ?短距：10cm~80cm左右（根据被测物表面材料决定）。 ?中距：80cm~400cm左右（根据被测物表面材料决定）。 ?可调：范围由可调节参数确定。
（2）单/多模组的两种使用方法（单传感器、阵列式传感器）：
?单模组使用：单模组就可完成测距实验，一般只用来做测距/障碍物方面的应用。 多模组配合使用：模组上提供接口J5、J6，可将几个模组串联起来，组成阵列式的传感器组。
（3）应用领域:
为方便进行单片机接口方面的学习专门设计的模块，超声波测距模组可以方便的和61板连接，可应用在小距离测距、机器人检测、障碍物检测等方面，可用于验证方车辆倒车雷达以及家居安防系统等应用方案验证。 2.3.7规格参数
超声波传感器谐振频率：??40KHz 模组传感器工作电压：???4.5V~9V 模组接口电压：??????4.5V~5.5V 尺寸：??????????6.48cm*4.07cm