一種簡易的磁帶引導(dǎo)式AGV小車的制作

精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電磁引導(dǎo)式AGV小車的制作                                   覃元雷摘要：本文跟據(jù)AGV小車的基本原理試制了一種由磁敏元件和磁帶組成導(dǎo)引系統(tǒng)的、使用電池作為動力源的AGV小車，這種小車能夠跟據(jù)預(yù)先由磁帶鋪設(shè)的軌道運行，能夠跟據(jù)磁帶的鋪設(shè)進行停止，達到自動行進的目的。關(guān)鍵詞：AGV，磁感應(yīng)，自動運行     The production of AGV car    which is guided byMagnetic                                     Qin yuanleiAbstract: In this paper, we trailed a AGV car ,which is made by Magnetic sensors、tape 、battery and  so on, this car can run on the road that lay by the tape ,in the other way ,this car will stop when it meet the information that come from the tape, so this car can run according we set.Key world:  AGV ,Magnetic sensors, Automatic operation1引言AGV是自動導(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫。是指裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車， AGV以輪式移動為特征，較之步行、爬行或其它非輪式的移動機器人具有行動快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)勢。與物料輸送中常用的其他設(shè)備相比，AGV的活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，不受場地、道路和空間的限制。因此，在自動化物流系統(tǒng)中，最能充分地體現(xiàn)其自動性和柔性，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、靈活的無人化生產(chǎn)。1.1AGV小車的優(yōu)點AGV小車有以下幾個優(yōu)點：（1）自動化程度高；由計算機，電控設(shè)備，磁氣感應(yīng)SENSOR,激光反射板等控制。當車間某一環(huán)節(jié)需要輔料時，由工作人員向計算機終端輸入相關(guān)信息，計算機終端再將信息發(fā)送到中央控制室，由專業(yè)的技術(shù)人員向計算機發(fā)出指令，在電控設(shè)備的合作下，這一指令最終被AGV接受并執(zhí)行將輔料送至相應(yīng)地點。（2）充電自動化；當AGV小車的電量即將耗盡時，它會向系統(tǒng)發(fā)出請求指令，請求充電（一般技術(shù)人員會事先設(shè)置好一個值），在系統(tǒng)允許后自動到充電的地方“排隊”充電。另外，AGV小車的電池壽命很長（2年以上），并且每充電15分鐘可工作4h左右。（3）美觀，提高觀賞度，從而提高企業(yè)的形象。（4）方便，減少占地面積；生產(chǎn)車間的AGV小車可以在各個車間穿梭往復(fù)。1.2AGV小車的應(yīng)用AGV在制造業(yè)的生產(chǎn)線中大顯身手，高效、準確、靈活地完成物料的搬運任務(wù)。并且可由多臺AGV組成柔性的物流搬運系統(tǒng)，搬運路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時調(diào)整，使一條生產(chǎn)線上能夠制造出十幾種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的柔性和企業(yè)的競爭力。1974年瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配廠為了提高運輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于AGVS為載運工具的自動轎車裝配線，該裝配線由多臺可裝載轎車車體的AGVS組成，采用該裝配線后，裝配時間減少了20%，裝配故障減小39%，投資回收時間減小57%，勞動力減小了5%。目前，AGV在世界的主要汽車廠，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾等汽車廠的制造和裝配線上得到了普遍應(yīng)用。近年來，作為CIMS的基礎(chǔ)搬運工具，AGV的應(yīng)用深入到機械加工、家電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個行業(yè)，生產(chǎn)加工領(lǐng)域成為AGV應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。3郵局、圖書館、港口碼頭和機場在郵局、圖書館、碼頭和機場等場合，物品的運送存在著作業(yè)量變化大，動態(tài)性強，作業(yè)流程經(jīng)常調(diào)整，以及搬運作業(yè)過程單一等特點，AGV的并行作業(yè)、自動化、智能化和柔性化的特性能夠很好的滿足上式場合的搬運要求。瑞典于1983年在大斯得哥爾摩郵局、日本于1988年在東京多摩郵局、中國在1990年于上海郵政樞紐開始使用AGV，完成郵品的搬運工作。在荷蘭鹿特丹港口，50輛稱為“yard tractors”的AGV完成集裝箱從船邊運送到幾百碼以外的倉庫這一重復(fù)性工作。4煙草、醫(yī)藥、食品、化工對于搬運作業(yè)有清潔、安全、無排放污染等特殊要求的煙草、醫(yī)藥、食品、化工等行業(yè)中，AGV的應(yīng)用也受到重視。在國內(nèi)的許多卷煙企業(yè)，如青島頤中集團、玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠，應(yīng)用激光引導(dǎo)式AGV完成托盤貨物的搬運工作。5危險場所和特種行業(yè)在軍事上，以AGV的自動駕駛為基礎(chǔ)集成其他探測和拆卸設(shè)備，可用于戰(zhàn)場排雷和陣地偵察，英國軍方正在研制的MINDER Recce是一輛偵察車，具有地雷探測、銷毀及航路驗證能力的自動型偵察車。在鋼鐵廠，AGV用于爐料運送，減輕了工人的勞動強度。在核電站和利用核輻射進行保鮮儲存的場所，AGV用于物品的運送，避免了危險的輻射。在膠卷和膠片倉庫，AGV可以在黑暗的環(huán)境中，準確可靠的運送物料和半成品。2    自動導(dǎo)向車(AGV)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。 AGV的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通信、機械設(shè)計和電子技術(shù)等多個學(xué)科，成為物流自動化研究的熱點之一。目前，AGV仍有多項關(guān)鍵技術(shù)有待提高和突破，以進一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費用。本文介紹的AGV主要解決導(dǎo)向及定位問題。綜合成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性能考慮，本設(shè)計采用磁帶導(dǎo)向技術(shù)結(jié)合霍爾磁敏傳感器陣列定位。電磁引導(dǎo)介質(zhì)采用柔性較好的漆包線，可不用專門開敷線槽，在試用階段可隨機根據(jù)實際情況設(shè)置線路走向(可用膠帶固定引導(dǎo)線)?；魻柎琶魝鞲衅麝嚵?，是由多個磁敏傳感器按等距離分布而成的傳感器陣列，由于磁帶上有磁性，當磁場強度高到一定值時，磁敏傳感器接通，發(fā)送信號到控制器，由控制器發(fā)出驅(qū)動和轉(zhuǎn)向指令，即可實現(xiàn)定位。采用電磁制導(dǎo)方式及霍爾磁敏傳感器陣列方式的優(yōu)點：系統(tǒng)比較簡單，易于維護；制造成本比較低；安裝簡單，引導(dǎo)線理論上可以只用一根完整的線。2.1 磁感應(yīng)器原理及制作2.1.1霍爾效應(yīng)        霍爾效應(yīng)（Hall effect）是指當固體導(dǎo)體有通過，且放置在一個內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)的受到而偏向一邊，繼而產(chǎn)生。除導(dǎo)體外，半導(dǎo)體也能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)要強于導(dǎo)體。力會平衡洛倫茲力。       在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導(dǎo)線中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而往不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，此一電場將會使后來的電子空穴受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得后來的電子空穴能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。方便起見，假設(shè)導(dǎo)體為一個長方體，長度分別為a、b、d，磁場垂直于ab平面。當電流經(jīng)過ad平面的方向，電流I = nqv(ad)，而n為。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場為VH / a。設(shè)磁場強度為B，詳見下表：Fe = FmqVH / a = qvBVH / a = BI / (nqad)VH = BI / (nqd)2.1.2 A3144E型霍爾磁敏傳感器相關(guān)參數(shù)A3144E型霍爾磁敏傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理，采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏高溫電路，它是由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器，施密特觸發(fā)器、溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁信號，輸出是一個數(shù)字電壓信號。其相關(guān)參數(shù)見下表：極 限 參 數(shù)               參  數(shù)號量值單位電源電壓VCC4.524V輸出截止態(tài)電壓VO不限V輸出電流IO 25mA工作環(huán)境溫度TA-4085貯存溫度S-55150        表1：A3144E型霍爾磁敏傳感器極限參數(shù)表電 特 性              TA=25 參    數(shù)符號測試條件量    值單位最小典型最大源電壓VCCVCC=4.5V24V4.5-24V出低電平電壓VOLVCC=4.5V ,VO=24VIO=25mA,B BOP-100400mV輸出漏電流IOHVo=24V, BBRP-110A源電流ICCVCC=24V, VO開路-5.59.0mA出上升時間trVCC=12VRL=820 CL=20Pf-0.22.0S出下降時間tf-0.182.0S        表2：A3144E型霍爾磁敏傳感器電特性參數(shù)表磁 特 性              單位：mT 參  數(shù)型號及量  值CS3144E最小典型最大工作點磁感應(yīng)強度(BOP)TA=257.0-25.0全工作溫度范圍3.5-30.0釋放點磁感應(yīng)強度(BRP)TA=255.0-20.0全工作溫度范圍2.5-25.0回差(BH)TA=252.05.5-全工作溫度范圍2.05.5-表3：A3144E型霍爾磁敏傳感器磁特性參數(shù)表        圖1 ：霍爾傳感器功能圖2.1.3 霍爾傳感器陣列基本原理  霍爾傳感器陣列探測方法如圖1所示。該傳感器陣列由16個A3144E型霍爾磁敏傳感器等10mm間隔分布而成，當傳感器陣列經(jīng)過磁導(dǎo)帶上方時，相應(yīng)的傳感器接通，輸出高電平，反之則不輸出；小車根據(jù)信號可判定傳感器的位置，并對小車方向做出相應(yīng)的調(diào)整，使磁導(dǎo)帶始終保持在傳感器陣列的中間位置，這樣就達到了導(dǎo)向的目的。                                       圖2：霍爾傳感器陣列示意圖2.1 .4制導(dǎo)線路制導(dǎo)線路的設(shè)置是本設(shè)計的關(guān)鍵部分，如果線路沒有設(shè)置好，后續(xù)的所有工作將不能完成。制導(dǎo)線路如圖3所示，其中虛線部分是屏蔽部分。由于電磁場是矢量，當電流方向大小相同且是平行的兩條線時，周圍的電磁都會相互抵消，故需要將虛線部分屏蔽。該布線的關(guān)鍵就是要將虛線部分的屏蔽工作做好，只有這樣，小車才能很好地完成尋線工作。                                              圖3：傳感器感應(yīng)原理2.2小車控制核心MCUMCU用一片STC89C51單片機來實現(xiàn)，51系列單片機其價格便宜、功能強大、且易學(xué)易用，唯一不足的是容易受到外界脈沖信號的干擾。但可以采用如下方式來消除脈沖信號的干擾：(1) 硬件處理。首先要注重電源設(shè)計，電源要穩(wěn)定可靠；其次是在單片機的電源引腳與地引腳之間加去耦電容，兩個不同的電源電路連接用光電耦合隔開等。(2)軟件處理?？刹捎弥噶钊哂嗉夹g(shù)、攔截技術(shù)、軟件看門狗等處理技術(shù)，使程序能夠自動回到正常位置執(zhí)行程序。2.2.1STC89C51相關(guān)參數(shù)89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。其相主要特性包括以下：1. 與MCS-51 兼容2 .4K字節(jié)可編程閃爍存儲器  3 .壽命：1000寫/擦循環(huán)4 .數(shù)據(jù)保留時間：10年5 .全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz6 .三級程序存儲器鎖定7 .128*8位內(nèi)部RAM8 .32可編程I/O線  9 · 兩個16位/計數(shù)器10. 5個中斷源11 .可編程串行通道12 .低功耗的閑置和掉電模式13 .片內(nèi)振蕩器和時鐘電路  對于STC89C51的各管腳，作用見下VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/ 地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。                 圖4：  89C51引腳圖（圖片由廠家提供）2.2.2 電路設(shè)計                            MCU引腳鏈接如圖7所示，因為計算定時器初始值比較容易，MCU的時鐘信號是用一只12 MHz晶振提供。C_MOTOR1、C_MOTOR2是電機控制信號輸出端，single1single3是電磁信號經(jīng)過處理后的輸入端，P0中即D0D7是LED數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)端，K0、K1是鍵盤接口。IO口可用作以后系統(tǒng)擴展時用。這樣MCU既滿足了當前系統(tǒng)的要求，也為以后的擴展升級留有空間。2.2.3 軟件設(shè)計軟件設(shè)計分為初始化模塊、讀卡器讀卡模塊、位置計算模塊、小車行走模塊(內(nèi)含故障處理機制)。其程序流程如圖8所示。各模塊基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想，為了保證得到結(jié)構(gòu)化的程序，可采用以下方法：自頂向下、逐步細化、模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編程。在軟件設(shè)計中選用了通用性比較強的C語言作為系統(tǒng)驅(qū)動程序的編寫語言。當從設(shè)備(PS/2)向主設(shè)備(MCU)發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查時鐘線，以確認時鐘線是否為高電平，如果是高電平，從設(shè)備就可以開始傳輸數(shù)據(jù)；反之，從設(shè)備要等待獲得總線的控制權(quán)，才能開始傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)拿恳粠?1 bit組成，發(fā)送時序及每一位的含義如圖9所示。在PS/2通信過程中，MCU在時鐘信號為低時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信號。因為MCU向鍵盤發(fā)送的是指令，需要鍵盤回應(yīng)，所以這部分程序采用查詢方式I。而MCU接收鍵盤數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)線上的信號在時鐘為低時已經(jīng)穩(wěn)定，所以這部分程序采用中斷方式，且不需要在程序中加入延時程序。3測試結(jié)果雖然電磁信號接收處理部分能夠接收并處理信號發(fā)生器所產(chǎn)生的磁場信號，但是頻率調(diào)節(jié)的效果并不理想。因此將信號發(fā)生器做成頻率可調(diào)的，以便于信號發(fā)生器與電磁信號接收處理部分握手，以及達到在演示時能體現(xiàn)出電路的選頻特性。用示波器觀察信號發(fā)生器的其輸出波形發(fā)現(xiàn)，輸出波形并不是很完好，有很多諧波在里面，如圖10所示。由于這些諧波存在，使得該波形的帶寬BW比較寬，不能很好地體現(xiàn)出電路的選頻作用。這是因為三極管開關(guān)速度及電路焊接的問題。電磁信號接收轉(zhuǎn)換電路存在的問題：(1)不能很好地轉(zhuǎn)過所有彎道。其主要原因是探頭安裝不能完全避免所有死角。實驗時發(fā)現(xiàn)，小于等于90°的角很難轉(zhuǎn)過去，而大于90°的角特別是圓弧卻很容易轉(zhuǎn)過去。而在實際應(yīng)用時，可以人為地將引導(dǎo)線布成銳角來解決這一問題。(2)BW比較寬，本文設(shè)計的系統(tǒng)軟硬件都已通過各種測試，與同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點是安裝方便、使用成本低、引導(dǎo)路徑的更改比較隨意，這也是使用成本低的關(guān)鍵因素。參考文獻1 OGATA K.現(xiàn)代控制工程M.美國：普倫蒂斯-霍爾公司，1997.2 KASHIWABARA K， FUKUSHIMA Y， OSHINOYA Y， et al.非接觸式的指導(dǎo)行鋼板M.電氣學(xué)會研究會， 2003：49-54.3 NONAMI K， TIAN 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