自动导向小车

2015 年春季学期研究生课程考核
（读书报告）
考核科目: 机械制造自动化机构及其应用
学生所在院（系）:机电工程学院
学生所在学科:机械制造及其自动化****:**
学号:14S008094
学生类别:学术
考核结果阅卷人
自动导向小车系统
1自动导向小车系统的构成
自动导向小车的定义为：装有自动导引装置，能够沿规定的路径行驶，在车上具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移栽功能的搬运车辆。

自动导向小车应用在柔性制造系统中，用于搬运原材料、半成品等，可以有效地增加系统的自动化水平，减少人力的投入。

自动导向小车的导向方式主要有地链牵引导向、电磁感应导向、惯性导向、红外线导向、激光导向、光学导向及示教型导向。

与有轨小车相比，减少了轨道的占用空间，更重要的是轨迹改变方便，大大地提高了柔性制造系统的柔性。

自动导向小车系统由自动导向小车和地面制导与管理系统两部分组成，其中地面制导与管理系统包括：①制导/定位系统；②交通管理系统；③调度/操作设备；④通信设备；⑤辅助设备。

2自动导向小车供电技术
2.1传统自动导向小车的供电方式
传统的自动导向小车供电方式一般为蓄电池供电，主要类型有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。

蓄电池供电方式存在许多缺陷，具体如下：（1）对环境的污染。

这是蓄电池供电方式最重要的一个缺陷首先。

无论是在电池的制造过程中还是在废弃后，如果处理不当都会产生大量的污染。

一粒纽扣电池可以污染60万升水，相当于一个人一生的饮水量。

电池中一般含有重金属元素，特别是镍镉电池中的镉元素对环境造成的污染尤其严重，日本发生的震惊世界的骨痛病事件就是由于镉元素污染造成的。

电池的污染具有长期性，一旦污染不易治理。

在世界各地积极倡导实施可持续发展以保护资源与环境的今天，蓄电池越来越不适宜作为自动导向小车的供电方式了。

（2）电池容量的限制。

由于蓄电池容量有限，必须经常性的对电池进行充电。

由于不希望小车离开轨道，这样就需要在小车行驶路线旁建立专门的充电站为其充电，占用了大量的空间。

而且一旦小车行驶线路需要修改，充电站也要相应地进行变动，增加了改造的成本。

（3）电池组重量的限制。

由于自动导向小车一般都需要几百伏的驱动电压和几十伏的控制电压，所以需要许多蓄电池组成电池组才能提供。

但是电池组的
重量比较大，增加了小车的负载，使得小车所能装载的货物量降低。

另外，蓄电池在使用过程中还需要不断地进行维护，增加了成本。

由于蓄电池供电方式具有上面所说的各种缺陷，自然想到开发新的供电方式。

2.2非接触供电在自动小车上的应用
非接触供电技术已经经过了许多年的发展，现在已经逐步的应用到自动导向小车的供电系统中来。

非接触供电在输电电路与用电设备之间进行电能传输时没有物理接触，甚至还具有相对运动。

非接触供电的基本原理是电磁感应原理，其模型与传统的变压器类似，如图1所示。

如传统变压器相比，非接触供电系统的初级线圈和次级线圈分离，初级线圈变成单线圈，次级线圈安装在用电设备中，用电设备沿着初级线圈运动，电能通过次级线圈传输到用电设备中，为其提供电能。

图1 传统变压器与非接触供电系统
非接触在自动导向小车中应用时，初级线圈一般沿着小车运行轨迹埋在混凝土下，次级线圈做成车载取电板附在小车彻底。

为了提高系统的能量转换效率，应该使用供电柜向初级线圈供电。

供电柜可以将常规的三相、400V、50Hz的装换成单相高次谐波电流，这样有利于能量的转换。

自动导向小车上的拾电器通过电磁感应将磁能转换为电能，形成交流电。

再通过转换器将交流电转换为直流电。

一般驱动电压需要几百伏，控制电压需要几十伏。

采用非接触供电方式具有许多好处，主要如下：
（1）非接触供电方式在使用过程中无污染，避免了使用蓄电池带来的环境压力。

（2）在建设初期一次性投入，在使用过程中不需要对其进行维护，同时也不涉及电池回收问题，降低了成本。

（3）能源利用效率有所提高。

据了解，非接触供电的效率为70%~75%，而蓄电池的效率为60%~65%。

（4）不受环境影响，可以用在潮湿、严寒等恶略环境下。

但同时非接触供电也存在一些缺陷。

最重要的是初级线圈埋在地下，不方便改变线路，在一定程度上降低了系统的柔性。

相信随着非接触供电方式的发展，初级线圈的安装会有新的方式，非接触供电技术将会更好的应用于自动导向小车中。

3自动导向小车的制导技术
制导技术是自动导向小车系统的核心技术。

自动导向小车的制导技术简介如下：
⑴电磁制导。

电磁制导的原理是电磁感应。

制导电缆按小车的运行路径埋在地下几厘米，接通3～10kHz的电流后，制导电缆产生电磁场，自动小车的耦合线圈产生感应电流。

小车偏离轨道时，左右两个感应线圈感应电流不等，小车根据电流差值调整轨道，使小车始终行驶在轨道上。

⑵激光制导。

激光制导是沿着自动制导小车的运行路线用激光束对小车进行扫描，小车上的激光检测仪检测到激光信号后将其转变为制导信号，控制自动导向小车的运行。

⑶光反射制导。

在自动导向小车的运行了路线上，黏贴反光能力很强的铝带，自动导向小车投射光光源发出的光受到反光带的反射，被感光器接受，经过偏差检测处理，用转换的信号控制小车的运行。

⑷标记跟踪制导。

标记跟踪制导的一般原理是在自动导向小车的运行路线上黏贴导向标记，在自动导向小车上装有摄像机，摄像机通过识别这些标记来判定行进方向，控制小车的运行。

除了上述四种方法外，还有磁制导、三面直角棱镜制导、外景识别制导。

值得一提的是，当自动导向小车运用无线供电时，埋在地下的电缆同时可以用作制导电缆。

4自动导向小车的控制
4.1自动导向小车控制系统的硬件
自动导向小车控制系统是自动导向小车的关键技术。

控制器的主要工作是完成自动控制小车运行指令的接受与执行，运行方向和运动速度的控制，向上位机
反馈自动导向小车运行的状态信息，实现避障等功能。

控制芯片接收转角测量装置的角度信息、避障测控模块的障碍物信息、手动测控模块的输入、从通信装置接受转角控制信息以及驱动电机状态信息，然后向步进电机驱动发送转角驱动信号，向支流点击发送驱动信号。

自动导向小车的控制系统由上位监控、自动导向小车单机、辅助系统组成。

下图2为自动导向小车控制系统的构成框图。

图2 自动导向小车控制系统
自动导向小车控制器采用了美国微软公司的PIC18F452芯片，其内部器件包括：3个外部中断引脚，定时器0模块、2个捕捉/比较/PWM模块、主同步串口模块、兼容的10位模数转换模块、内部E2PROM存储器、上电复位、上电延时定时器和振荡器起振定时器等。

为了丰富系统功能，让操作者更方便地输入各种配置信息和路径信息。

控制系统带有丰富的扩展资源。

利用芯片的I/O口，扩展了触摸屏，便于操作者对系统的设定，也便于操作者读取AGV运行情况。

4.2自动导向小车控制系统的软件
小车控制软件进行了模块化处理。

主函数包括行走路线的确认，路线参数设置等；主程序的执行由系统复位后的键盘扫描开始，此时自动导向小车处于停车待机状态。

当按下按键后，程序将会为这条路线的特征参数赋值，之后开始寻迹前进。

为了简化算法，路径中的交叉口、倒车位及停车位采用了相同的路线标记，小车行至该位置，程序只需对初始设置的路线参数进行判别，便可作出决策。

这之后，各参数应被重新赋值，为下一路线标记做准备。

4.3自动导向小车计算机通信协议
无线通信模块是AGV系统的另一关键部分，利用无线通信模块可以实现对AGV的远程操控，例如通过上位机监控软件，向AGV发送工位选择、停车、返回等命令。

为了实现远程无线操控，无线通信模块采用PTR2000模块，它是微小型、低功耗、高速率、收发于一体的通信模块。

该模块体积小，使用方便，而且工作电压低，功耗少，具有很强的抗干扰能力，频率稳定性好。

同时，可以直接连接CPU串口，编写程序方便。

自动导向小车结束经过多年的发展，现在已经广泛地应用于柔性制造系统。

随着自动导向小车技术的进一步发展，将会应用于更多的现代物流系统中。

参考文献
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