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