基于单片机控制AGV小车设计及应用

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所属分类:AGV设计资料
摘要

为了减少人力成本,提高铁路运输业的发展,铁路机车检修部门开始考虑使用无人驾驶小车实现物料自动化搬运,保障生产安全和提高经济效益。通过分析AGV小车的工作原理和铁路机车检修作业特点,设计了一种AGV小车用于铁路机车维修,包括车体机械部分和电气部分的设计,小车能够按照预设地图路线完成直行、倒退、转弯和停止等命令动作,具备目标识别和故障暂停等功能,并且在实践生产中进行了检验和反思。AGV小车相比传统铁路导引车,集合了声、光、电、计算机和机器人技术,降低了工人劳动强度和安全事故发生率,提高了工作效率和铁路机车维修自动化水平,在物流运输行业具备较大开发潜力和市场前景。

铁路机车是铁路运输业发展的基础和支柱,按时提供大量工作状态良好的机车是机务部门的基本任务,是维持铁路运输生产秩序的基本保障。然而,当机车使用一段时间后,发生零部件磨损变形或是由于材料性质而表现出的金属疲劳现象,都会成为机车发生危险事故的诱因。因此在铁路机车定期检修制度中,以机车安全预防为目的的定期检查和专业化、集中化维修是十分必要的。但是,在铁路机车常规检修过程中,经常带来很多问题,诸如投入劳动力多、耗时长和容易发生人身伤害事故等。自动导引车(Automated Guided Vehicle,简称AGV小车)属于一种无人驾驶小车,因为其在现代物流搬运装备中具有的高度自动化和智能化等特点,受到交通运输业越来越多的重视。铁路检修部门应用AGV小车作为一种智能搬运零配件的自动化运输工具,具有节能、环保和柔性运输能特点,能够提高工作效率、降低工作成本,具有很高的使用价值和市场优势。

1 AGV小车的定义和分类

1.1 AGV小车的定义

AGV小车作为无人自动导引运输车,集合声、光、电、计算机技术于一体,应用了自控理论和机器人技术,装配有电磁或光学等自动性导引装置,能够按照使用人员设定好的导引路径行驶,具备完成目标识别、避让障碍物和各种移载功能,同时具有自我安全保护的应急能力。

AGV小车一般由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池等构成。微处理器是控制核心把小车各部分有机联系在一起,通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指合,同时不断地把小车的位置信息、运行状况等数据传回地面站控制整车的运行问。AGV小车首先要根据模拟工作地图进行编程,然后按照预定程序完成行走轨迹,当传感器检测出的位置信号超出预定轨迹位置时,数字编码器把相应的电压信号送给控制器,由控制器根据位置偏差信号调整电机转速,进行纠正儒差从而实现AGV小车行走系统的实时控制。

1.2 AGV小车的分类

AGV小车根据用途和结构分类,包括辊道移载、推挽移载和叉式移载搬运型等。辊道移载搬运型AGV,是通过自身辊道与地面站台辊道对接之后实现装卸货物AGV可准确停靠在地面站台侧面AGV和站台上的辊道对接无误后,两者的输送机同时驱动,同步传动完成物料移载。辊筒输送机的驱动方式是通过在AGV上安装辊筒输送机和摩擦辊筒,在地面上设置无动力辊筒输送机。此类AGV小车可左、右双向装卸托盘货物,作业效率高、安全性好,缺点是站台需要有连锁信号和动力传动,常用于可滚动式托盘或大型木箱、板材、集装箱等重载物料的移载搬运;推挽移载搬运型AGV是通过自身推挽机构的伸缩推拉实现货台货物的装运卸过程。AGV作业时停靠在货台一侧,通过推挽机构侧向移动臂的推拉完成装卸货物,地面货台不需要动力传动,特别适合于同高度站台之间的搬运场合。由于作业点定位精度要求高,故此类AGV小车常用于平面托盘和规则物料的搬运;叉式移载搬运型AGV通过倒车完成移载,托盘存放时必须与地面有一定高度,以保证货叉和下方的两个支腿同时进入实现搬运任务,此类AGV可承担空托盘、带载托盘、纸卷等升降搬运工作,能适应从地面到不同高度范围货架的运输作业场合8列。

1.3 AGV小车的激光导航技术

导航技术是衡量AGV小车技术水平的重要标志。传统导航方式以电磁导航和磁带导航为主适用于简单的工作环境,使用物理路径,无需地图创建和目标识别技术。当前随着激光传感器、图像传感器开始应用到AGV小车中激光雷达导航技术得到成功推广四。激光导航与传统导航方式相比较具有定位精度高、路径柔度高无需对地面进行改造等诸多优点。首先不需要创建物理路径,AGV小车通过激光雷达采集环境数据,通过处理后与预先创建好的环境地图进行比对获得位置信息,即作为定位信息。其次,激光导航使用的工作地图具有明显测度信息其精确度会影响AGV小车的自身定位精确度AGV小车可通过激光自动地创建精确地图,与人力绘制地图信息相比,节省了大量人力和时间。最后,激光导航可以通过环境感知技术从大量环境数据中,提取和构建更高层次环境信息,作为地图创建与目标定位的基础提升AGV小车的智能性。

2 AGV小车的设计

2.1 AGV小车控制系统的设计

结合以上技术和功能特点,设计一种单片机AGV小车用于铁路机车维修按照预先设定的地图路线行驶,能够完成小车的直行、倒退、转弯和停止等连贯动作同时具备目标识别、故障暂停等功能AGV小车控制系统示意图如图1所示。

基于单片机控制AGV小车设计及应用
系统使用AT89C51单片机作为核心控制器,数字编码器在电机运转时发出的脉冲信号,经过脉冲鉴向电路,向电机传发方向信号;来自鉴向电路的正反方向脉冲信号进入到两块8253计数器进行计数,以获得电机的旋转速度和位移;经过AT89C51单片机控制程序的运算比较后,输出的控制量经过两块DAC1208数模转换器变成模拟量输出到两块UC3637直流电动机脉宽调制器通过H桥开关放大器,作为执行机构的速度或者位移给定值从而控制电机A和B的运转带动AGV小车完成动作任务。

2.2 AGV小车的机械设计

AGV小车主要由机械和电气两部分组成。如图2和图3所示机械部分包括车架、车轮、执行机构、固定板、电机、驱动器、驱动轮装置、从动轮装置、蓄电池、运动控制器和电源保险杠和充电连接器等。
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执行机构安装在小车主体的下方,用于驱动AGV小车运行,包括分别设置在左侧和右侧的固定板、左执行机构和右执行机构;驱动机构包括车轮、马达、驱动器和旋转编码器,车轮主轴与马达主轴连接,左执行机构中的车轮和右执行机构中的车轮产生速度差,促使执行机构转弯;马达与驱动器电连接,驱动器与下位机系统电连接,驱动器用于控制马达运转;旋转编码器的输入轴与马达的主轴连接,并且与下位机系统连接,向下位机反馈马达的转速和转角数据。

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2.3 AGV小车的电气设计

AGV小车的电气部分包括激光扫描仪、角度传感器、旋转编码器、上位机系统、下位机系统、执行机构、输入输出装置、触摸屏、无线电台和电源等。AGV小车电气控制原理,如图4示激光扫描仪与上位机系统连接,当接收反射激光信号后转换为电信号,传送给上位机系统;上位机系统接收到扫描仪的信号后构建工厂模拟地图,并进行轨迹路径规划;上位机与下位机电连接,与之发送控制指合;输入输出装置与下位机系统连接输入装置用于接收操作人员发送的控制指合,而输出装置显示AGV小车的工作状态信息输入装置包括按钮、遥控器和触摸屏,输出装置包括声音输出设备和障碍物传感器分别与下位机系统电连接。按钮用于开闭AGV小车,声音输出设备用于提示运行工作状态,障碍物传感器用于AGV小车的避障报警,遥控器与上位机系统、下位机系统无线连接用于工人手动远距离操控AGV小车。

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3 AGV小车的应用

3.1 AGV小车在工业环境中的应用

AGV小车在工业环境下的具体操作程序如图5所示,首先通过遥控器设定遥控模式,在手动遥控操作下控制AGV小车在既定工作区域演戏运行一次在此过程中AGV小车上的激光扫描仪连续向外界环境发出激光经过四周墙体或者区域内障碍物反射回来后转换为电信号,上传至上位机系统,上位机接收到电信号后,计算由发射激光到接受到反射激光的时间以及发送激光的角度信息,由此推算出物体距AGV小车的距离和角度位置信息;当AGV小车初次运行完工作车间的全部区域后,上位机系统根据上述信息建立绘制工作场地的初始地图随后操作人员可对原始地图进行设定,得到安全运行地图,如图6所示。
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AGV小车在安全运行地图中设定为自主运行模式,当操作工人在车间通过电脑发送料单到配料车间配料车间控制平台得到指合后,下发指合给配料机配料机开始配料,同时AGV管理系统根据配料单指派AGV小车到配料位接料;当系统设定起始点和目标点后,上位机根据地图进行路径规划得到最佳路径,并发送控制指合至AGV小车的执行机构从而控制AGV小车的运行送料。在此期间旋转编码器捋通过下位机向上位机传送转速等数据从而实现对执行机构的反馈控制,进一步调整执行机构中车轮的转速,直至到达设定的目的地。
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3.2应用特点

经过对AGV小车现场工作情况的跟踪与测验总结了设计经验和问题,为后续改进AGV小车提供依据。

3.2.1优点

1)设计的灵活性。通过修改AGV小车导向程序就可以改变、修正或扩充小车的移动路线。如果改变固定的传送带运输线或有轨小车的轨道相比之下改造的工作量要大很多。

2)能实时监控及控制。由于控制平台能够对AGV进行实时监视,如果工厂车间要求改变进度表或作业计划则可以重新计算小车路线。此外还可以添加紧急服务,向计算机报告负载失效、零件错放等事故。如果采用无线电控制,可以实现AGV和计算机之间的双向通讯。

3)更加安全可靠。AGV具有智能控制单元,同工作区域的控制器通讯,采取了多级保护措施具体分为软件保护和硬件保护。当发生运动异常、位置丢失、偏离导航线路通讯故障等问题时,软件保护系统启动自我解决模式;硬件保护设置有状态提示、故障提示、运行提示等,例如设置有非接触式激光防碰感应器在车身四周安装有保险杠,并且设有应急停开关,可以防止小车相互碰撞AGV安装定位精度传感器,可保证定位精度达到+300mm在良好环境下最高可达到+30mm,从而避免了发生碰撞和工件卡死等现象网。

3.2.2存在的问题及改进措施

1)必须有定位参照物。AVG小车在长距离、大面积场景或者无参考物环境下会定位失效在室外运行且有强风情况下,工作路径旁花草或其他杂物的随风运动会导致定位不准确而迷路。需要加强激光定位准确度,引进远距离(80m以上)激光扫描测距系统问。

2)高温环境下易失控。AGV小车中电子元器件的工作温度为-10℃~50℃,相对湿度≤80%在夏天的高温环境下,室外地表温度达到60℃,高温导致部分电子元件失灵,使AGV小车发生急停、启动按钮失控等现象。建议更换耐高温元器件,或者加装散热装置。

3)恶劣路况下会自行停机。AGV小车未对过轨道功能做专门设计,而实际工作情况下由于为方便铁路机车运输便利,工作车间的运行路线分布有20余处横跨路面的机车轨道(轨道槽宽90mm、槽深70mm),当AGV小车经过轨道时,伴随颠簸、卡车轮等现象及由此带来的瞬间过电流会熔断电源保险丝。可以替换橡胶轮或履带式车轮,或者重新设计和装配大直径车轮。

4 结论

本文以无人驾驶自主移动导引车(AGV)为研究对象,在调查和分析了铁路机车维修用AGV小车原理和类型的基础上,设计了一种基于单片机控制AGV小车,包括车体机械部分和电气部分的设计,并且应用到实践环境中,能够按照预先设定的地图路线,完成小车的直行、倒退、转弯和停止等连贯行驶动作,同时具备目标识别和故障暂停等功能。AGV小车作为生产辅助的搬运工具集合了声、光、电和计算机技术于一体,应用了自控理论和机器人技术相比传统铁路导引车AGV小车极大程度降低了车间工人的劳动强度和安全事故发生率提高了铁路机车维修的自动化水平和工作效率在物流运输行业具备较大开发潜力和市场前景。

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