自动移动送料小车设计论文

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

摘 要

本课题所设计的自动移动运送小车采用自动导引技术，应用于本校的模拟

自动生产线上，主要功能是运送托盘。自动移动运送小车属于柔性生产线系统

中的新兴物流设备之一，即自动导引车，英文简称AGV。因此，在本设计中将

充分研究和应用当代的AGV技术。

AGV即自动导引小车，它集声、光、电、计算机技术于一体，综合了当今

科技领域先进的理论和应用技术，属于移动式机器人的一个分支。在柔性制造

系统和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统，可极大的提高生产自动

化程度和生产效率，是一种非常有发展前途的物流输送设备。本文介绍AGV在

国内外发展现状和应用情况，结合实验室实际条件，设计了光学导引式AGV样

机。其主要工作内容包括:小车机械本体设计、 89C51单片机控制系统硬件电

路及检测电路设计、控制系统软件设计。

关键词：AGV； 自动导引； 光学导引； 89C51单片机

I

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

Abstract

This topic is designed to automatically move the delivery of

Automated Guided Vehicles using the technology for the simulation of

our automatic production line, the main function is the delivery tray.

Auto-mobile delivery of flexible production line car belonging to the

emerging system of logistics equipment, that is, automated guided

vehicle, the English referred to as AGV. Therefore, the design will be

fully in the research and application of contemporary AGV technology.

Automatic Guided Vehicle (AGV) covers the technologies of Optics,

Electronics technologies Acoustics and Computer Science and other

advanced theories and in the current scientific and technical fields,

and it is one of the offshoots of mobile robot. AGV can greatly improve

the degree of automatism and the efficiency of production when it is

used to build an effective and speedy system of logistics in the flexible

manufacturing system and automatic factory， and is a promising vehicle

for the transportation of paper studies the applications

and developments of ALJV at home and abroad, and designs a laser guided

AGV under actual conditions of the lab. The main work of the paper is

as follows. The mechanical design of AIJV, the design of control system

of hardware circuit and software based on 89C51 SCM.

Key works: AGV; automatic guide; laser guide; AT89C51 SCM

II

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

目录

摘 要 ..................................................................................................................... I

ABSTRACT ............................................................................................................... 1

目录 ......................................................................................................................... I

1 绪 论 ........................................................................................................... 1

1.1 课题背景及研究意义 ..................................................................................... 1

1.2自动移动送料小车的关键技术——AGV发展现状 ........................................... 2

1.2.1 国外AGV发展的历史及现状 ...................................................................... 3

1.2.2 国内AGV发展的历史及现状 ...................................................................... 5

1.3论文完成的主要工作 ........................................................................................ 6

2 自动移动送料小车AGV技术分析 ..................................................................... 7

2.1AGV的类型 ............................................................................................................. 7

2.2AGV的特点 .......................................................................................................... 8

2.3AGV的导引方式 .................................................................................................. 9

2.3.1 导引方式分类 ............................................................................................. 10

2.3.2 AGV典型的导引方法 ................................................................................. 10

2.4AGV系统的技术组成及调度方法 ................................................................... 14

2.4.1 AGV的技术组成 ......................................................................................... 14

2.4.2 AGV的调度方法 ......................................................................................... 16

3 自动移动送料小车总体结构 ........................................................................... 18

3.1AGV技术指标及运行 ........................................................................................ 18

3.2总体结构设计方案 ........................................................................................... 18

3.3行走系统 ........................................................................................................... 21

3.3.1 行走系统方案设计 ..................................................................................... 21

3.3.2 行走系统的技术设计 ................................................................................. 22

3.4移载系统 ............................................................................................................ 26

3.4.1 移载系统的方案设计 ................................................................................. 26

3.4.2 移载系统技术设计 ..................................................................................... 27

3.5自动移动送料小车的导引方案 ......................................................................... 29

4 AGV驱动控制系统电路设计 ........................................................................... 32

4.1外围电路 .............................................................................................................. 32

4.2传感器检测电路 ................................................................................................ 34

i

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

4.2.1 固定轨迹检测传感器 ................................................................................. 34

4. 2. 2 障碍检测传感器 ....................................................................................... 35

5 控制系统软件设计 ........................................................................................ 36

结 论 .................................................................................................................. 40

致 谢 .................................................................................................................. 41

参考文献 .............................................................................................................. 42

ii

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

随着工厂自动化、计算机集成制造系统、柔性制造系统、现代物流、自动

化立体仓库等系统的快速发展和广泛应用，自动移动送料小车作为AGV（英文

Automatic Guided Vehicle 的缩写）的一种， 即自动导引车。这些系统的辅

助设备，其应用范围和技术水平也要得到快速的发展和提高，本课题就是在这

样的背景下，根据 AGV 的应用设计了一个模拟货物分拣的小型 AGV 系统。

AGV 是指装备有自动导向系统，按设定的路线自动行使或牵引货台至指定地

点，实现物料的自动装卸和搬运，与其它物流设备自动接口，全过程自动化的

无人驾驶输送设备。按日本 JISD6801 的定义，AGV 是以电池为动力源的一种

自动操纵的工业车辆。自动导引车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时

化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通讯系统、安全系统、管理系统

等构成自动导引车系统 AGVS（Automatic Guided Vehicle System）才能真正

发挥作用。AGVS 则是指 AGV 在中央控制计算机的管理下协调工作，并同其它

物流设备实现高度集成，具备相当的柔性，而且可以通过车载计算机和网上主

机与其它设备进行通讯的自动化物流输送系统。AGV 是集人工智能、信息处理

和图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计、电子技术

等多个学科的物流自动化研究和应用的热点之一，是自动化搬运系统、物流仓

储系统、柔性制造系统（FMS）和柔性装配系统（FAS）的重要装备。它除了在

柔性制造系统和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统外，AGV 还广泛

用于工厂的货物转运，尤其适用于人员不宜进入的工作场所。AGV 的应用可极

大地提高生产自动化程度和生产效错误！未找到引用源。。 AGV 还广泛应用

在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电 厂、电子行

业的超净车间等诸多行业。其运行速度可达百米/分钟，运输能力可以从几千

1

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

克到几十吨，是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统中

被认为是最有效的物料运输设错误！未找到引用源。。 作为一种高效物流输

送设备和工厂自动化的理想手段，80年代AGV 就已经进入我国市场，今后必将

得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是

AGV 本身所独具的优越性（能实现自动运输、效率高、可以在比较恶劣的环 境

下工作等）所决定的。因此研究 AGV 控制系统有着非常广阔的应用前景和重

要的意义。

1.2 自动移动送料小车的关键技术——AGV发展现状

AGV 是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动

化立体仓库而产生并发展起来的。从 20 世纪 80 年代中期开始，57%的 AGV

用于汽车制造业，而在德国则高达 64%。从对国外公司物料搬运系统装配类型

的统计可以看出，采用自动导引车、有轨搬运车、起重机、辊子输送机和悬挂

运输机的分别占 41%、29%、9%、10%和 11%。 目前，从国内总体来看，AGV 的

应用刚刚开始，相当于国外 80 年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面

非常广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、

仓库、邮电部门等，这说明 AGV 有一个潜在的广阔市错误！未找到引用源。。

AGV 从技术的发展来看，

2

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

主要是从固定线路向可调整线路；从简单车载单元控制向复杂系统计算机

控制；从原始的段、点定期通讯到先进的实时通讯等方向发展；从落后的现场

控制到先进的远程图形监控。从领域的发展看，主要是从较为集中的机械 制

造、加工、装配生产线向各行各业自动化生产、物料搬运、物品仓储、商品配

送等行业发错误！未找到引用源。。

1.2.1 国外AGV发展的历史及现状

世界上第一台 AGV 是美国 Basrrett 电子公司于 20 世纪 50 年代开发

成功的，它是一种牵引式小车系统，小车采用埋线电磁感应式的跟踪路径自动

导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。到了 60 年代和 70 年代初，除

Basrrett 公司以外，Webb 和 Clark 公司在 AGV 市场也占有相当的份额，在

这个时期，欧洲的 AGV 技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸

与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了 AGV在欧洲得到迅速发展和

推广应用，并被引入美国用于自动化仓储系统和柔性装配系统的物料运输。此

时欧洲约装备了 520 个 AGV 系统，共有 4800 台车，1985 年发展到一万台

左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布为：汽车工业（57%），柔性制造

系统 FMS（8%）和柔性装配系统 FAS（35%）。从 80 年代初开始，新的导向

方式和技术得到更广泛研究和开发。主要有电磁感应引导、激光引导、磁铁陀

螺引导等方式，其中以激光引导方式发展较快，但电磁感应引导和磁铁陀螺引

导方式占有较大比例。1981 年 John 公司将 AGV 连接到 AS/RS 来提供在制

造过程中物料自动输送和跟踪。1984 年， 通用汽车公司便成为 AGV 的最大

用户，1986 年已达 1407 台（包括牵引式车、叉式车 和单元装载车），1987

年又新增加 1662 台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进

的水平。他们采用更先进的计算机控制系统（可联网 PMS 或 CIMS）， 运输

量更大、移载时间更短、具有在线充电功能(以便 24 小时运行)、车和控制器

可 靠性更高。此时美国的 AGV 生产厂商从 23 家（1983 年）骤增至 74 家

（1985 年）。90 年代以来，AGV 从仅由大公司应用开始向小公司单台应用转

3

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

变，而且其效率和效益更好。到 90 年代，全世界已拥有 AGV10 万台以上。

时至今日，AGV 技术日趋成熟，生 产 AGV 的公司也越来越错误！未找到引用

源。，图 1-1～1-6 是 AGV 应用的一些实例。

图 1-1 应用于药料收集的 AGV

图 1-2 应用于汽车工业的 AGV

图 1-3 应用于医院的 AGV

图 1-4 应用于造纸业的 AGV

4

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图 1-5 应用于卷烟厂的 AGV

图 1-6 应用于钢铁工业的 AGV

1.2.2 国内AGV发展的历史及现状

AGV 在我国的研究及应用起步较晚，北京起重运输机械研究所、清华大学、

中国邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、

国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的 AGV 的研制并小批量投入生

产。1975 年北京起重运输研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的 AGV，

1989 年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线通信的 AGV，该院

已能进行 AGV 的批量生产，已生产和正在制造的 AGV 达 23 台（截至 1996

年）。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了 6 台 AGV，用于装配线上，可

以说是汽车工业中用得较成功的 AGV。成都卷烟厂利用 AGV 用于仓库运输，

沈阳新松公司研制的 AGV 已经通过了 ISO9001 国际质量认证，安徽合力股份

有限公司制造的 AGV 在市场上占有很大份额。以上的 AGV 均为无固定路径导

引 方式。清华大学独立研制的“自由路径自动导向 AGV”属于无固定路径导

引的类型， 在路径跟踪研究方向具有较高的水平。清华大学计算机系研发出

了用于邮政中心的 AGV，昆明船舶设备研究所研制了激光导向式 AGV 以及吉

林工业大学为汽车装配线研制了视觉导向 AGV 等。我国越来越多的工厂、科

研机构采用 AGV 为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓

储系统服务。随着经济的发展，AGV 在我国的应用领域必将有广阔的应用前错

误！未找到引用源。。

5

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

1.3 论文完成的主要工作

本课题设计了一个用于运送模拟生产线托盘的小型 AGV 系统，即自动移

动送料小车。控制系统选用的核心控制器是CS51单片机，AGV 采用的导引方

式是激光束导引，采用永磁直流减速电机驱动 AGV，在此基础上完成整个 AGV

驱动控制系统的软、硬件设计。论文完成的主要工作包括以下几个方面：

（1）总体方案的设计

分析国内外先进的 AGV 的特点，结合我国的实际情况及实验室的现有条

件，进行系统总体方案的设计。

（2）机械结构部分的设计

根据具体的工作条件和要求，遵循总体方案设计，进一步设计了自动移

动送料小车的机械结构。其机械结构可以分为两部分，第一部分是移载机构，

即负责在小车和生产线之间转移托盘。第二部分是行走底盘，顾名思义，这部

分结构的主要功能是支撑上层构建和行走驱动。

（3）控制系统的硬件电路的设计

控制系统硬件电路设计包括嵌入式控制系统的主控制电路部分的设计、直

流电机 驱动电路设计、导向电路设计、障碍物检测电路的设计、测速电路设

计、工位检测电 路设计。

（4）系统软件的设计

考虑到实验条件和工作要求以及系统的资源情况实，系统软件设计主要包

括 AGV 寻迹导向、外部中断两部分功能。

6

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

2 自动移动送料小车AGV技术分析

本课题所设计的自动移动送料小车是自动化生产线中的物流设备，在自动

化生产线中又将这种具备自动导引能力的物流设备成为自动导引车，即AGV。

据此，本设计的关键技术即为AGV技术。下文将对国内外的AGV进行技术分析，

并以此引出自动移动送料小车的设计思路。

2.1 AGV的类型

按照自主程度划分，AGV 可分为智能型和普通型两类：

智能型 AGV：每台 AGV 的控制系统中通过编程都存有全部运行路线和线

路区段控 制的信息，AGV 只需知道目的地和到达目的地后要完成的任务就可

以自动选择最佳路 线完成规定的任务，这种方式下，AGV 系统使用的主控机

可以比较简单，主控机与各 台 AGV 之间通过无线电或导引线进行连续通讯，

控制系统可以实时监视所有 AGV 的工 作和运行位置。即使通讯中断，AGV 仍

能以各种降格方式工作。对于 30 台以内的 AGV 构成的系统，多数采用这种

工作方式。

普通型 AGV：这种类型的 AGV 的控制系统一般比较简单，其本身的所有

功能、路 线规划和区段控制都由主控机进行控制。因此主控机必须有很强的

处理能力。AGV 每隔一段距离通过地面通讯站与主控机交换数据，AGV 在通讯

站之间的误动作不能及时通知主控机，当主控机出现故障时，AGV 只能停止工

作，此类 AGV 一般用来组成包含 50～200 台 AGV 的 AGV 系统。 从系统扩

充的角度看，不论是增加 AGV 数量还是改变运行路线，智能型 AGV 系统都较

普通型 AGV 系统简单。 从用途和结构来分，AGV 主要有以下几种；

承载型 AGV：这是最为通用的一种 AGV 形式，大多为平台式结构，承载

7

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

型 AGV 结构紧凑，运行较灵活，一般具有双向运行能力，易于与其它自动化

设备接口，可方便地实现物料搬运全过程的自动化，用于搬运线路不长，物料

通过量较大的场合，比如可以用于自动化立体仓库—仓库收发站之间进行物料

搬运，或在各加工中心之间搬 运。承载型 AGV 可以用作移动式机器人的载体，

以扩大机器人的工作范围，也可用作移动式装配台以提高自动化装配过程的灵

活性。

牵引型 AGV：这种形式的 AGV 以主体牵引挂车进行运输，在自动方式下

只能单方 向运行，如需增加反方向运行能力，则必须设置专门的安全保护装

置。其挂车上钩和脱钩均需人工操作。由于挂车长度不同，所以对最小转弯半

径有限制，当一次搬运的 距离超过 60m，并且搬运量较大时，可以使用牵引

型 AGV。

叉车式 AGV：此类 AGV 又称自动叉车，有高度变化的货叉，可以直接存

取处于不同高度的货架和装卸站上的货物，一般需要使用辅助托盘或专用容

器。由于不易定位等原因，自动叉车装卸物料的周期通常较长错误！未找到引

用源。。

2.2 AGV的特点

AGV的特点主要有如下几种：

（1）无人驾驶，AGV上装有自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引

航的情况下就能够沿预定路线自动行使，将货物或物料自动从起始点运送到目

的地。

（2）柔性好，自动化程度高和智能化水平高，AGV的行使路径可以根据仓

储货位的要求、生产工艺流程等改变而灵活改变，并且路径改变的费用与传统

的输送带和刚性的传送带相比非常低廉。

（3）AGV一般配备有装卸机构，可以与其它物流设备自动接口，实现货物

8

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

或物料的装卸与搬运全过程自动化。

（4）可装备多种声光报警系统，能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍

物之前自动停车，当其列队行使或在某一区域内交叉运行时，具有避免相互碰

撞的自控能力，不存在差错。因此，AGV比其它物料搬运系统更安全。

（5）AGV具有清洁生产的特点，依靠自带蓄电池提供动力。运行过程中无

噪声、无污染，可以应用在许多要求工作环境清洁的场所。

（6）与其它物料输送方式相比，初期投资大，但可以大幅度降低运行费

用，特别是在产品类型和工位较多时。

2.3 AGV的导引方式

导引方式是 AGV 的关键技术之一。针对 AGV 的工作环境，用以下性能指

标评价各种导引技术：

运行范围：由于多数导引技术在运行路线超过一定长度后，系统的效率或

性能会随着路线的增长而不断下降，所以运行范围是指保证系统的效率和性能

不下降的情况下，AGV 的最大运行距离范围。

运行精度：由于运行路线设置时可能存在的误差，及不同导引技术由于传

感器等因素而引起的固有误差，AGV 实际运行时不可能精确地沿着预定的路线

行使，通常AGV 在物料装卸站点处需与其它的自动化物流设备进行自动接口，

所以 AGV 在站点处必须有较高的运行和定位精度。

灵活性：AGV 大多是跟其它生产设备和工作人员处于同一工作环境中，因

此 AGV的导向系统应保证有较好的可靠性，导向系统的可靠性主要包括系统发

生失灵的可能性，导向机构本身影响或阻止系统发挥正常功能的可能性。

可控制性：AGV 的可控制性是指在一定的导引方式下，AGV 启/停控制、

弯道运行、岔道选择等实现的难易程度，另外，还应考虑特定导引方式下，AGV

与中央控制系统之间数据通讯的实现方法和性能水平。

9

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

系统成本：AGV 导向系统包括车载装置和地面装置两部分，各部分的成本

主要由相应装置的复杂性及其维护要求决定。

2.3.1 导引方式分类

根据 AGV 系统中 AGV 运行路线的性质，导引系统可分为固定路径导引、

自由路径导引、组合路径导引。固定路径导引是指 AGV 运行路线是以某种具

体的形式规定的。自由路径导引是指 AGV 的运行路线是无任何具体形式的运

行轨道，AGV 沿虚拟的路线运行。 组合路径导引是指 AGV 在多数工作区间内

沿某种具体形式的固定路线运行，而在某些区域可沿控制系统指定的虚拟路线

运行。

2.3.2 AGV典型的导引方法

电磁感应导引：早期的AGV 均采用埋线导向方式，电磁感应导引原理图如

图 2-1 所示，即将电缆线按所设路线埋于地下，通以一定频率（3～8KHz）的

电流后产生感应磁场，由装在 AGV 车体下的电磁传感器检测磁场，导引 AGV

按预定路线行使。有分支路径时，通过改变诱导电缆频率，并在程序中指定分

支时应追踪的频率，AGV 即可按正确的路线行使。

探头

转向机构

导向电缆

探头 导向电机

车体

导引电缆

控制器

图 2-1 电磁感应导引原理图

这种导引方式的优点是：可控制性好，可靠性高，不怕尘土污染，电缆埋

在地面下不易遭破坏，适用于一般工业环境，同一沟槽可铺设多股电缆，有利

于分支管理和通讯。其缺点是：铺设工作量较大，改变和扩充路线较困难。这

10

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

种导引方式在车数太少时，地面费用相比太高。 电磁感应导引是传统的导引

技术，1954 年出现在美国的第一台 AGV 采用的就是 这种技术，目前已十分

成熟，应用最为广泛，上海金山石化、泰山核电站、沈阳自动 化所以及上海

交通大学机电工程系与合肥叉车总厂合作开发的 AGV 采用的都是这种导引方

式。

磁导引：磁导引是沿着运行路线贴上磁条，AGV 通过时依靠车上磁力传感

器，检测磁场的存在，并不断纠正 AGV 的位置偏差，使 AGV 沿规定路线行走。

磁导引原理图如图 2-2 所示。

磁传感器阵列

磁界

磁带或磁条

图 2-2 磁导引原理图

磁导引的优点是：运行范围大，可靠性高，地面费用较电磁感应导引低，

增设、变更路线较容易，不受污染物的影响，磁条和磁感应传感器无时效变化，

稳定性好，所以应用比较广泛，在磁导引方面，日本的研制和应用走在前列。

其缺点是：费用比较高，维护比较困难。

光学导引：光学导引的导向路线是用反光材料涂成的反光带，反光带颜色

一般与地面反差较大，以使两者反光程度有一定不同，便于识别。光学导引原

理图如图 2-3 所示。当光源发出的光照射到反光带上，光学传感器接受反射

光线，并把光信号转换成电信号，经 AGV 上的信号单元处理与识别单元处理

后，来判断 AGV 的运行是否偏离导向路线，调整两轮的转速，使 AGV 沿由反

光带铺设的路线运行，反光带也可以为铝带或不锈钢带，为适应路线柔性变化，

11

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

采用多根反光带，并在其上附有代码标识，根据不同代码给出直线、曲线等运

行信息。另外在路线交叉点和转弯处，近来一般不贴反光带，采用自由路径行

走方式，即在路线上设置光标，用装在AGV 上的 CCD 视觉传感器，同时捕捉

两个光

A在两

图2-3 光学导引原理图

光学导引的优点是：运行范围大，运行精度高，地面费用低。缺点是：要

求工作环境清洁，对办公室等污染小的地方不失为一种很好的导引方式。上海

铁道大学机械工程系开发的行李包裹自动分拣 AGV 即采用了光学导引方式。

激光导引：原理图如图 2-4 所示。导引方法是把激光光束扫描产生的轨

迹定为直线路线，安装在 AGV 上的光电探测器，检测光束的感光位置，并测

量偏离路线的偏移量，以此进行引导。这种导引与地面形状无关，所以在由于

地面原因而不能采用电传感器磁导引和光学导引时是非常有效的。

光电探测器

光束

激光器

微型电机

扫描范围

导向路线

12

扫描反射镜

镜

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图2-4 激光导引原理图

计算机视觉导引：计算机视觉导引通过 CCD 摄像机或超声波扫描仪生成

AGV 周围场景的图像，与计算机系统中存储的环境地图进行特征匹配，从而确

定 AGV 当前位置和路线偏移的信息。这种导引的优点是运行精度高、灵活性

好，缺点是可控制性、AGV 费用方面不理想。这种方式是目前最为先进的导引

技术，天津理工学院机械系研制的全方位视觉导引自动车采用的就是这种技

术。

超声波导引：超声波测量导引方法类似于激光测量方法，不同之处在于需

要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而，

在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案，属于自由路线方式。但由于

反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难，此种方法多用于集装箱码头，

利用规律摆放的集装箱反射超声波，可以很好地达到自动导引的目的，而且价

格十分低廉。由于本课题是在实验室环境下完成的，不宜对环境进行比较大的

改造，且考虑到实验成本的问题，鉴于对以上导引技术的分析，采取寻迹光学

导引方式是比较合适的。这是因为：实室的地面环境比较平整，场地比较理想，

光反射规律比较规范，且环境亮度符合要求，光学传感器检测信号不易产生错

误动作。 AGV 一旦接到命令，则按程序进行工作。AGV 的行使路线由导引系

统引导，并有专门的检测装置检测 AGV 的运行位置。为了均衡各工作站的负

荷，保证物料的及时供应或输出，一个系统往往有多台 AGV，车上和地面要有

可靠的导引设施、通讯设备和控制管理软件，才能获得安全运输优化调度的效

果。

13

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

2.4 AGV系统的技术组成及调度方法

AGV系统由AGV和地面导引及管理系统组成，其中AGV由于应用范围很广，

具体的 应用目的和工作环境差别很大，因此有很多的形式，但从功能看，重

要包括：行走驱动系统、导向系统、动力系统、安全系统、控制系统、车载辅

助机构、车体等。地面导引与管理系统包括：调度/操作设备、通讯设备、导

引/定位设备、交通管理系统、 辅助设备等。

2.4.1 AGV的技术组成

行走驱动系统：包括转向和驱动部分，由于使用场合的不同要求，AGV 的

行走驱动机构形式繁多。

（1）按行走方向区分：单向、双向和全方位式；

（2）按转向原理区分：铰轴式转向和差速式转向；

（3）按传动配置方式区分：转向轮与差动轮合一或分开；前轮与后轮驱

动、对角式

中间驱动；三轮、四轮、五轮、六轮等不同配置形式。

三轮移动机构是目前应用最多的基本机构，车体结构一般是前轮利用两轮

独立驱动，通过两轮的速度差实现转弯，后轮为辅助轮。这种机构的特点是机

构组成简单，而且旋转半径可从零到无限大。 四轮的驱动机构和运动基本上

与三轮的相同，两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式。 由于能绕车体中心

旋转，所以有利于在狭窄场所改变方向。当然还有依据使用目的， 使用六轮

驱动车和车轮直径不同的轮胎车。与四轮车相比，六轮车结构相似，只不过 有

更大的承载能力和稳定性。

（4）按传动电机分：伺服电机驱动、步进电机驱动或普通直流电机驱动；

14

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

导向系统：AGV 完全依赖于导向系统指引其从一个工作点到达另一个工作

地点，导向系统的性能与采用的导引方式有关，根据不同的导引方式，AGV 可

自动沿着指定的路线运行。

动力系统：AGV 是以蓄电池为动力源的，一般为通用的工业蓄电池或汽车

蓄电池，要求电池容量满足8 小时的工作需要，当电力不足时，AGV 能自动行

使到指定位置充电。

安全系统：AGV 常常是在人机共存的环境下工作，因此必须对人员的安全

性进行充分的考虑，一般 AGV 上装有红外线或超声波检测装置，对检测装置

的要求是：在车前急停区前识别物体，以便在此前停车或减速，或启动避让措

施以及优化搬运线路，另外在车架四周还设置带机械微动开关的缓冲器，万一

缓冲器撞上了障碍物仍能及时控制AGV 停车，由于AGV 系统是多台 AGV 同时

工作的，为了增强对系统交通的可控性，一般需要在地面另外设置一些指示各

段运行路线被占用情况的辅助装置。

通讯系统：在 AGV 系统中，为了使各台AGV的工作不发生冲突（任务冲

突、路线 冲突等），所有 AGV 以及系统中的其它自动化物流设备都是由主控

机进行统一控制， AGV 需要从主控机获得下一步工作的指令，同时需要将自

身的状态报告主控机，这些都是通过通讯系统来完成。有固定运行路线的 AGV

可以通过在运行路线上埋设的导线进行感应通讯，而全方位运行的 AGV 只能

采用无线通讯，当干扰源较多时，通讯系统必须有较强的可靠性，以保证系统

正常工作。 控制系统：每台 AGV 上都配置车载机以控制 AGV 本身的工作，

由数台 AGV 构成 AGV 系统时，整个系统由主控机进行监视与控制，主控机一

方面与更上一级控制系统（如 车间级控制系统）进行通讯，接受物料搬运任

务并报告AGV 系统的工作情况，另外还与各台 AGV 进行通讯，根据具体的物

料搬运任务进行规划，并向各台 AGV 布置任务， 同时收集各 AGV 发出的信

息以监视系统的工作情况，并相应地进行交通管理，车载机 与主控机通过通

讯系统交换信息。 车载辅助机构：主要指各种类型的辅助物料装卸机构（如

15

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

机械手、有动力和无动 力的辊道、推杆、油缸、升降台）和精确定位机构，

以保证在 AGV 和其它装置之间自动传送物料。这些辅助机构可以和其它的物

流设备自动接口，实现物流装卸和搬运过程的自动化。

2.4.2 AGV的调度方法

AGV使用中的路线优化和实时调度是当前AGV领域的一个研究热点，实用

中，人们采用的方法主要有如下几种。

（1）数学规划方法

为AGV选择最佳的任务和最佳路径，可以归纳为一个任务调度问题。数学

归纳方 法是求解调度问题最优解的传统方法，该方法的求解过程实际上是一

个资源限制下的寻优过程。实用中的方法主要有整数规划、动态规划、Petri

方法等。在小规模调度的情况下，这类方法可以得到较好的结果。但随着调度

规模的增加，求解问题耗费的时间呈指数增长，限制了该方法在负责大规模实

时线路优化和调度中的应用。

（2）仿真方法

仿真方法通过对实际的调度环境建模，而对AGV的一种调度方案的实施进

行计算 机模拟仿真，用户和研究人员可以使用仿真手段对某些调度方案进行

测试、比较和监控，从而改变和挑选调度策略。实用中采用的方法有离散事件

仿真方法、面向对象的仿真方法和三维仿真技术，有许多软件可用于AGV的调

度仿真，其中Lanner集团的 Witness软件可以快速建立仿真模型，实现仿真

过程的三维演示和结果的分析处理。

（3）人工智能方法

人工智能方法把AGV的调度过程描述成一个满足约束的解集搜索最优解的

过程。 它利用知识表示技术将人的知识包括进去，同时使用各种搜索技术力

求给出一个令人满意的解。具体的方法有专家系统方法、遗传算法、启发式算

法、神经网络算法。其中，专家系统方法在实际应用中较多采用，它将调度专

家的经验抽象成系统可以理解和执行的调度规则，并且采用冲突消解技术来解

16

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

决大规模AGV调度中的规则膨胀和冲突问题。由于神经网络具有并行运算、知

识分布存储、自适应强等优点。因此，它成为求解大规模AGV调度问题的一个

很有希望的方法。目前，用神经网络方法成功求解了TSP-NP问题。遗传算法

在求解AGV 的优化调度问题时，首先通过编码将一定数量的可能调度方案表示

成适当的染色体， 并计算每个染色体的适应度（如路径最短），通过重复进

行复制、交叉、变异寻找适应度大的染色体，即AGV调度问题的最优解。单独

用一种方法来求解调度问题， 往往存在一定的缺陷。目前，将多种方法进行

融合来求解AGV的调度问题是一个研究热点。如将专家系统与遗传算法融合，

把专家的知识融入到初始染色体群的形成中，加快求解速度和质量。

17

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

3 自动移动送料小车总体结构

3.1 AGV 技术指标及运行

本课题针对“现代物流集散控制系统”项目而提出的，研制一套自动导

引车系统。该自动导引车系统的性能指标要求为：

能够沿一条固定的激光导引束行走，实现自动起停和转移托盘等操作，并

能够调整移载机构的伸出量，以增强小车的移载能力和适应能力。

3.2 总体结构设计方案

根据实际需要的不同，设计也有很大差别。本课题所研究的是在室内环境

下能够自主行走、运送托盘、自动调节的小车。根据这个需求，本设计为圆传

送带式轻型，激光束导引方式沿固定路径进行托盘运输。整个系统的结构框图

如图2-1，其中包括主控制模块、光敏元件检测光信号电路、直流电机的驱动

器和速度控制控制器以及电源模块，这些构成了整个车载控制系统。

图3-1 总体方案图

自动导引小车车体主要由车架和相应的机械电气结构如蓄电池、电机、减

18

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

速部分、车轮等所组成。资料显示，现有的AGV按照轮子数量多少，一般可以

分为三轮、四轮或 者六轮结构。二轮AGV结构简单，能够满足常规性的需要。

四轮结构比较复杂，但稳定性好，承载能力比较大。六轮AGV和四轮AGV在结

构和设计思路上都基本类似，不过具有更大的承载能力和稳定性，因此后面主

要分析四轮情况。AGV的转向装置通常有以下两种结构形式：

1)铰轴转向式：设置转向轮以控制旋转方向，转向轮装在转向铰轴上，

转向电机通过减速器和机械连杆等结构控制铰轴，从而实现对转向轮的方向控

制。转向轮可以和驱动轮合而为一，也可以单独设置。

2)差速转向式：为AGV的左右两个驱动轮分别设置两个独立的驱动电机，

通过控制左右轮子的转速比，产生速度差，来实现车体的转向，在这种模式下，

非驱动轮应为自由轮综合轮子数量和转向轮的形式等。

AGV的运行机构通常有以下几种常见方式：

1)三轮铰轴转向式：如图2.2(a)所示，其中轮1为铰轴转向轮，同时也是

驱动轮，即前轮装配有驱动电机、转向电机以及减速设备等，在功能上即驱动

也转向，后两个轮子仅作随动运动，起承载作用，而没有导向能力。当然只给

轮子1配置转向电机，不作为驱动轮使用，而将轮2、轮3作为驱动轮也是可 行

的。

2)三轮差动转向式：如图2.2(b)所示，其中轮1为随动轮，可以自由转

动，而轮2和轮3是驱动轮，由不同的电机控制，靠两个轮子的不同转速实现

车子 转弯。

3)四轮铰轴转向式：图2.2(c)所示的就是前轮转向，后轮驱动的四轮模

型，其中轮1和轮2为转向轮，它们之间有同步轮转向连杆，轮3、轮4为驱

动轮，由同一个驱动电机带动。

4)四轮差动转向式：如图2.2(d)、图2.2(e)所示，这是两种不同结构的

四轮模型，但控制模式基本一致，其中轮1和轮2为自由轮，可以自由转动，

而轮 3和轮4都是驱动轮，由不同的电机来驱动，通过两驱动轮的速度差进行

19

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

转向。

5)四轮独立导向式：如图2.2(}所示，四个轮子都为驱动轮，主要应用其 变

结构功能，根据环境的变化实时地控制各轮的转速和转向，从而使其能够适应

更恶劣的工作环境，控制更灵活，不过这种方式控制也相对来说复杂一些。

图3-2 AGV 行走系结构

考虑到本课题设计的AGV主要用于实验室中的模拟生产装配线，单次

运输重量有限，一般不超过2公斤，转角允许半径比较大、导引线定位偏差要

求不高，总体工作要求不是很苛刻。中间轮驱动差速转向四轮结构的运行精度

虽然不是很高，但是结构设计和控制方法简单，因此经过对技术路线反复比较，

最终决定采用前后轮自由、中间驱动的四轮式结构。为了增加驱动能力，采用

较大驱动转矩的直流电机作为行走驱动装置， 前轮采用万向轮，整车采用差

速转弯，最小转弯半径可为零。

AGV的具体结构如图2-3所示，车体底部设有驱动轮、万向轮，车体

内设有行走驱动电机，传送带驱动电机，螺纹丝杠驱动电机。在车体外部设置

有限位开关，接近传感器。在车体前段装有小车的“眼睛”，一组线阵排列的

光敏晶体管。小车的移载系统采用圆皮带做为传送带，移载系统可以进行水平

20

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

移动，可以微调与与托盘之间的距离，从而增加了小车的灵活性和适应能力。

3.3 行走系统

3.3.1 行走系统方案设计

（1）四轮底盘结构

系统设计方案为四轮结构，如图所示，其中前后两轮为从动轮，是直径为

50 向自由轮，中间两轮为驱动轮，相互独立，通过差速进行方向控制，两驱

动轮直径均为100mm，可通过20mm高障碍物。四个车轮成对称分布这样的对称

性有益于车体的前后左右转向，也容易对车体姿态进行计算与控制。

万向轮

减速电机

车轮

图 3-2行走系统结构简图

（2）防止“架空“

所谓“架空“现象就是因路面不平导致四轮不能同时与路面接触，在行驶

过程中驱动轮无法与地面紧密接触。由于本设计采用的是中间轮驱动，这样一

来，“架空”将会使小车失去动力，详细如图3-3所示。

21

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图3-3 架空现象

尽管小车的工作路面是比较平整的，但如果小车四轮在同一水平面上，架

空现象仍然不可避免。本设计为了有效而简单的解决这个问题，设计了如3-4

图所示的偏距结构。这样的设计可以使小车在具备一定平整度的路面上行驶过

程中，始终保持三轮接地，而且其中有两轮为驱动轮，这样小车就不会产生架

空现象。

图3-4 架空式设计

3.3.2 行走系统的技术设计

如何使小车沿着固定的轨迹行驶，这是本设计的一个关键性问题。在前文

的介绍中，已经详细的分析了各种导引方式的特点和应用。立足于这些技术的

基础上，本设计独特的设计了激光束导引方式。这种导引方式与反光带导引方

式既相互联系又相互区别，在设计中考虑到了反光带的优缺点和实验条件，同

时结合了激光束的亮度高和直线性好等特点，创新的设计出了激光束导引方

式。下文将从小车的运动分析起，逐步介绍激光束导引方式。

（1）自动移动送料小车的运动分析

本课题中，自动导引小车采用两前轮独立驱动，以差动方式实现转弯，从

动轮随动的结构，故将两驱动轮连线中心位置作为小车本身的标志位置。那么，

在运行过程中，对小车行走轨迹的控制就转变为对该点的轨迹控制问题。小车

22

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

在转向时的运动学分析如图3.3所示。设左侧车轮速度为代，右侧为V，车辆

的运动速度：

错误！未找到引用源。

（3-1） 错误！未找到引用源。

（3-2）

式子错误！未找到引用源。为车轮的转动速度，B为两驱动轮之间的距离。

两轮中心的运动速度在X，Y坐标方向的分量为：

错误！未找到引用源。

（3-3）

错误！未找到引用源。

（3-4）

对式子(3—2)(3—3)(3—4)分别积分得:

错误！未找到引用源。

（3-5）

错误！未找到引用源。

（3-6）

错误！未找到引用源。

（3-7）

式子中x0,y0为车的初始位置,A0为车的初始方位角。由式(3—5)(3—

6)(3—7)可以看出，只要正确标定小车的初始位置，控制左右两驱动轮的速度，

便可使两轮的中心跟踪任何给定的运动轨迹。

23

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图3-3 两轮独立驱动自动导引车运动学分析

（2）确定传动方案

直流减速电动机是将原动机和齿轮减速器集成为一起的动力源，其特点是

结构紧凑，输出转矩大，成本低廉。为缩小车身空间和降低设计成本及设计工

作量，本设计中所涉及到的电机都将采用这种直流减速电机，并使电机输出轴

和车轮直接相联。

（3）选择电动机

小车采用差速转向控制，每个驱动轮都有独立的驱动电机。根据所要承载

的负荷、系统的自重以及车速要求，电机功率确定如下：

小车车身重量：N=200N

小车最高行驶速度：V=0.5m/s

车轮与地面摩擦系数：u=0.2

电动机功率：P=N·u·V·S=4w

其中的s为小车驱动电机的富裕度，取S=2。根据以上的计算，本设计将

采用型号为ZGB60R的直流减速电机，该型电机具有体积小、效率高、惯量低、

寿命长的优点，并且有无齿槽效应，加速性能高、电磁干扰小、线性的电压速

度曲线，线性的负载速度曲线、线性的负载电流曲线、转距波动小、可短时过

载、结构紧凑的特点。驱动电机外形和技术参数如图3-5。

24

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图3-5 驱动电机的外形和技术参数

（4）行走系统底盘架的结构设计

考虑到小车结构特点和应用场合，小车属于单件小批生产。因此，车身底

盘将采用钢板焊接形式。同时考虑到小车的行驶安全性，车轮的安装采用内藏

式。小车的底盘零部件图可参看附录，下面图3-6是底盘的二维剖视图

。

图3-7 底盘剖视图

考虑到底盘需要承载移载系统、电源和电路等附件，所以它除了要具备一

定的承载能力外还须具备一定的容纳空间。小车底盘尺寸为450×250×70，钢

板最薄处为5mm，小车车身重不超过200N，强度足够。结构设计主要考虑的是

保证车轮为内藏式和充足的装载控制系统空间，图3-6的底盘结构解决了这一

问题。在驱动电机安装位置的两边，有容量充足的附件安装空间，且位于承载

25

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

轮的中间，使轮的受力更加合理。

3.4 移载系统

3.4.1 移载系统的方案设计

本课题所设计的移载系统安装在上车体，设计要求为可移载2Kg的货物。

机械部分是由同步带传动带动传送带机构构成，其方案如图3-3所示：

圆皮带

←导轮

同步带

直线运动导轨副→

←外循环埋入式微型滚珠丝

杠

图 3-3移载系统机构简图

移载系统采用的是传送带式，所用带型式聚氨酯圆皮带，这种设计是参考

了模拟生产线的托盘传送机构。这种方式的优点是重量轻、清洁、可调整圆周

长度，适用于轻载荷传送。

与其他形式AGV移载系统相比，本移载系统的创新之处除了采用圆皮带传

送外，更具特色的是它能够双向水平移动100mm。这一独特设计的好处在于它

能够调整移载系统与生产线的接近程度，在移载失败或环境发生改变的时候能

够调节工作能力，从而增加了移载能力和小车的适应性。水平移动的原动机为

直流减速电机，传动机构滚珠丝杠。这种传动机构的优点一方面在于它可实现

较大的传送比，另一方面在于他的安装尺寸小、噪音低、磨损小，适合于本小

车的设计要求。

传送机构的动静连接采用的是滚动直线导套副即直线运动球轴承，这种导

套副的特点在于它的摩擦因数小、微量移动灵活、造价低廉、维修润滑方便，

使用如本小车的轻载情况。

26

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

3.4.2 移载系统技术设计

（1）选择电动机

电动机功率确定如下，

带速：V=50mm/s

传送力：F=30N

传送效率：错误！未找到引用源。

电机功率：P=F·V·S/错误！未找到引用源。=4W

移栽系统采用永磁直流减速电机，其性能参数如下所示：

图3-4 电机技术参数

(1)同步带设计

因为小车为轻载情况，所以本设计将以结构需要优先选择带型XL型，考虑

到传动系统的整体结构紧凑，传送比选择i=1，直流减速电机转速为20rpm，

据此，同步带的设计步骤如下。

初始条件： 电动机额定功率P=7w，小带轮转速错误！未找到引用源。

=20rpm，传动比i=1，轴间距错误！未找到引用源。=185mm，工况系数K=1.2；

带型：XL；

设计功率：错误！未找到引用源。 =K·p=8.4W；

节距：错误！未找到引用源。=5.08mm；

节圆直径：小带轮齿数错误！未找到引用源。=22，大带轮齿数错误！

未找到引用源。=22，带轮直径错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

=错误！未找到引用源。=35.57mm；

27

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

实际轴间距：a=错误！未找到引用源。185.43mm(轴间距可调)；

许用工作拉力：F=50N；

（2）滚珠丝杠螺旋传动设计

滚动螺旋副循环方式：内循环；

初始条件：工作长度S=400mm，平均角速度错误！未找到引用源。=300r/min，

平均工作载荷F=20N，轴向载荷与运动方向相反，端部结构为一段固定一段自

由，两支撑轴间支撑距为150，螺杆材料选择50Mn，螺母材料为GCr15；

计算载荷：载荷系数KF=1.1，短行程系数KL=1.3，硬度影响系数KH=1.0，

F=28.8N

初选螺旋副参数：公称直径dm=8，导程p=3

额定寿命：运转寿命错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=1.35

×错误！未找到引用源。r(Lk为使用寿命取20000h)，疲劳寿命L=错误！未

找到引用源。=3.3×错误！未找到引用源。r，疲劳寿命（h）Lh=1.67×错误！

未找到引用源。=1.8×错误！未找到引用源。；

螺杆强度校核：驱动力矩T=0.0073Nm，当量应力错误！未找到引用源。

=0.9MPa＜103MPa；

螺杆稳定性：临界载荷Fr=2333N＞28N，合格

选择滚珠丝杠型号：外循环埋入式微型滚动螺母副，规格代号0803

（3）直线滚动导套副稳定性校核

因直线滚动导套副所受力为两点径向力，需要对其稳定性进行校核，所选

直线滚动到套副型号为标准型滚动直线导套副，型号规格为GTB13,直径

d=13mm，长度l=400mm

受力图如下：

F1=20N F1=20N

125mm

28

125mm

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

400mm

图3-5 直线运动导轨副受力图

式子中a=125mm，经计算的错误！未找到引用源。，在允许范围内。

3.5 自动移动送料小车的导引方案

作为AGV的一种，导引方式自然成为自动移动送料小车的一个关键技术。

在总结国内外AGV产品导引方式的基础上提出的激光束导引方式是本设计的一

个创新点，下面介绍激光束导引方案的基本原理和具体应用，硬件电路将在第

四章节中介绍。

自动移动送料小车的工作环境为实验室，不宜对环境进行比较大的改造，

且考虑设计成本的问题。鉴于对国内外AGV导引技术的分析并结合光学控制带

导方式的优缺点本课题，创新设计了激光束制导方式。小车可按着激光束的投

射方向进行导引，其原理与光学反射带导引方式类似。它们的不同之处在于，

本课题采用的导引方式可以避免环境对光学带的影响，架设更为简单，更适用

于小型简单路径AGV使用。

其基本原理如图3-所示，系统采用线阵光敏元件感应激光斑点位置，因

光敏元件具备反应灵敏且对系统要求较低等优点，所以比较适合本设计。

29

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图3-6 激光束导引原理图

如图3-6将光敏晶体管线性排列到电路板上，为避免激光束相对晶体管线

阵发生垂直方向上的错动，激光束将采用竖条形式。只根据激光斑点在光敏晶

体管阵列上的位置是无法判断小车状态的，系统是通过不断读取阵列上每个晶

体管状态，并根据两次状态的对比得到激光在晶体管阵列上的偏移量（如图

3-7）。根据偏移来判断小车的状态，从而做出调整。

图3-7 激光束导航原理图

30

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

4 AGV驱动控制系统电路设计

在实际应用中，小车车体上部需安装装载货物的托盘等辅助机构，故控制

系统安装在小车底板的下面。由于车下空间比较狭小，所以小车的控制系 统

应尽量结构紧凑，体积小，本课题设计控制系统硬件印刷电路板实际尺寸，完

全满足空间要求。控制系统硬件主要包括89C51单片机控制系统及其外围电路、

电机驱动电路和传感器检测电路。

4.1 外围电路

（1）电源

89C51单片机正常工作时，其 40脚接+SV电源，20脚接地。本系统采用直

流稳压集成电路芯 片7805将蓄电池提供的+12V直流电 压变换成十SV直流电

压。电路原理图如图4-1

图 4-1 系统电源原理图

（2）复位电路

通过某种方式，使单片机内各寄存的值变为初始状态的操作称为复位。 为

31

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

使单片机正常工作，必须保证良好的复位。复位可分为上电复位和外部复位两

种方式。上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部

脉冲上电复位方式。复位电路如图5.2。

图 4-2 复位电路

上电瞬间，由于电容C两端电压不能突变，所以电容正极电压为低，经过

74LS14反相施密特触发器反相后，单片机RESE脚保持高电平。随着电容正极

电压的逐渐上升，RESET脚的电压逐渐下降。只要合理选择电容的容量值使

RESET脚上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位，

电容C3、C4起滤波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作。

(3)时钟电路

单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内

的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。本课题采用内部时钟

方式(如图5.3 所示)，片内高增益反相放大器通过XTALI 30PF 图5.3时钟电

路 和XTALZ外接作为反馈元件的晶体(呈感性)与电容组成的并联谐振回路构

成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。AT89C51工作的时钟频率为

24MHz本课题选择12MHz的石英晶振与30pF的电容构成并联谐振电路。

32

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图4.3 时钟电路

采用外部时钟方式时按不同工艺制造的单片机芯片有不同的接法如表4-1

所示

表 4-1 不同工艺单片机芯片接法

芯片类型 接 法

XTAL1 XTAL2

HMOS型 接地 接片外振荡脉冲输入端

CHMOS型 接片外振荡脉冲输入端 悬空

4.2 传感器检测电路

小车自主运行时，获得外部环境信息是至关重要的，而获得外部环境信息

唯一的途径就是依靠传感器。同人一样，如果不了解周围环境的情况，小车就

不能灵活的适应环境，所以精确、灵敏的传感器检测电路的设计是非常必要的。

4.2.1 固定轨迹检测传感器

本课题采取的导引方式为小车沿激光束运行，所以固定轨迹检测传感器应

对激光斑点做出明显的判断。因为激光的斑点较小亮度较大，因此考虑用光敏

元件作为传感器的敏感元件。

经比较，本实验采用光敏晶体管作为传感器，因为它体积小、重量轻、性

能稳定、价格便宜。当接收不到激光信号时，光敏晶体管基极开路，基极与发

射极处在反置状态下，集电极与发射极之间没有电流流过，相当于开路状态；

33

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

当激光照射到光敏晶体管的N结处，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流

相当于普通晶体管的基极电流，基极与发射极正向偏置，集电极与发射极之间

导通。寻迹传感器主要由光敏元件与双电压比较器LM393组成，其原理如图4-4

所示。当激光投射到光敏晶体管的PN结处时，其集电极与发射极导通，LM393

同相输入端3被拉低(接地)，低于反相输入端2(反相输入端电压由电位计R22

给定) ，集电极LM393输出为0;当没有接收到激光信号时，基极与发射极开路，

LM393的同相输入端3经上拉电阻R24被拉至5V，高于反相输入端2，则LM393

输出为1。将数个光明晶体管阵列呈线性，并将LM393的输出接到单片机的I/0

口上，单片机即可根据传感器的检测值判别小车与导引线的相对位置。

图4-4 激光束导引电路原理图

4. 2. 2 障碍检测传感器

当小车运行路线上出现障碍时，小车障碍检测传感器应在小车与障碍物

保持一段安全距离时，向小车发出提示，故障碍检测传感器检测方式应为非 接

触式。本课题障碍检测传感器选用的是直接反射型光电开关，它采用光电开关

集成电路、传感器与放大器合成一体，具有体积小、性能可靠，安装使用方便

等特点。其工作原理为：当被检测物体经过时，将足够量的发光器所发射的光

线直接反射回受光器， 光电开关产生检测开关信号。所以该传感器能以非接

触方式检测出前方一定 范围内的物体，并转换成高电平信号输出。

当检测到障碍时，开关动作通过负载构成回路，只需将此开关信号提供给

单片机即可。由于该光电开关采用12V电源供电，所以需经过电平转换将其转

变为TTL电平才能将信号送给单片机。电平转换是通过光电耦合器TLP521完

34

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

成的，当光电开关检测到障碍，则TLP521 前向通路导通，后向通路中的光敏

晶体管随即导通，输出由高电平(+5 V ) 拉至低电平(接地)。把3组光电开关

经电平转换后的输出输入给三输入与门74LS11 ，74LS 11的输出端接AT89C51

的外部中断请求引脚上，将这三路光电开关并排安装在小车前方，一旦任何一

路开关检测到障碍，都会触发AT89C51的外部中断，小车立刻停车，确保小车

自身安全。

图4-9 障碍检测传感器电平转换原理图

5 控制系统软件设计

小车的单片机控制系统软件作用主要是根据寻迹传感器和避障传感器检

测到的信号，做出判断来改变电机驱动器的输入信号，调节电机转速，使左右

驱动轮电机产生差速或停车，从而达到寻线、转弯、纠偏、避碰等自主控制的

目的，其程序流程图如图5-1所示。

35

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

图5-1 行驶程序流程图

36

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

小车控制程序可分为主程序和中断程序，主程序包括转弯、寻迹两种主要

功能，中断程序包括报警、到位、托盘调整和运送几大功能。触发小车发成转

弯调整的外部信号是激光束与小车发生偏斜，判断的根据是对比两次激光斑点

位置。当小车与激光束垂直，但激光束不通过小车对称中心时，小车不做调整。

小车到位时，系统将判断小车是否处于中心位置，并做出相应调整。这样的工

作程序有利于提高小车行进速度，不过于“敏感”。

37

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

触发主中断程序来源于两方面，一方面是遭遇障碍物，另一方面是小车到

位。当小车到位时，通过碰触开关向系统发出到位信号，进入中断程序。运送

托盘前，小车会判断身位置，并作出调整。对正后，启动运送托盘程序。运送

托盘时，小车会检验运送托盘是否成功，并作出调整。调整三次失败后，小车

会发出故障警告。

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

结 论

本文综述了目前国内外自动导引小车技术研究现状和发展方向，在现有条

件基础上，针对实验室的具体情况的设计了光学导引式自动导引小车。

本课题主要完成了以下几个方面的工作：

1. 总结了国内外AGV的发展现状，并结合课题任务和现有条件进行了技术

分析；

2. 充分调研够进行了机械结构和导引方式的三大创新设计；

3. 设计了小车车体结构，绘制出整车装配图和主要部件零件图，创新设计

了水平移动式移载系统，对其实用性进行了理论分析；

4. 使用89C51作为控制核心器件，设计了包括路径检测，防撞，复位，电

源电路，与此同时创新的提出并设计了激光束导引方式。

5. 设计了小车的动作流程。

不足和尚需完善之处在于本课题所设计的自动移动送料小车还只适合于

单车作业，需要扩展多车协调作业能力。

39

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

致 谢

这次论文的完成过程中，老师认真负责的工作态度、严谨的治学风格，使

我深受启发；在此我要感谢陈东海老师给予我悉心的指导，同时也感谢同学们

给我提供的良好的学习环境以及在我遇到瓶颈时给我的帮助，在他们的帮助

下，我才能独立的完成这个系统。再次感谢所有给予了我帮助的老师、同学们！

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文

参考文献

[1] 唐文伟.AGV在物流领域中的应用前景分析.物流技术.2001 (3)

[2] 贾永星. AGV及其应用.实用物流技术.1997 (6)

[3] 董平，赵海伶.AGV及AGVS方案研究.组合机床与自动化加工技术.2002

[4] 郭峰，袁星军，余达太等.自动导引车系统关键技术的研究.北京科技大学

学报.1999, 21 (2): 220页

[5] 汪达开.AGV控制系统.机械工业自动化.1997, 19

[6] 孙宇，张世琪，崔康吉.AGV自动导引技术的研究.中国机械工程.1996,

7(6):31页

[7] 白小波，王宏玉，卞瑰石，张雷，李凤君，汪询. AGVS系统技术应用.

物流技术.2000(2)

[8] 张智勇.AGV地面系统设计及开发.西北工业大学硕士学位论文.2002:2一3

页

[9] 王会丽.自动导向小车路径规划算法的研究及仿真.西安理工大学硕士学位

论文.2002:3-5页

[10] 黄卫平.国外几种新型的AGV(自动导向车).仓储管理与技术.2002 (4)

[11] 白井良明.王棣棠译.机器人工程.科学出版社，2001: 97-99页

[12] Weisbin C R, Rodriguez G. NASA robotics research for planetary surface

exploration[J].IEEERobotics & Automation Magazine. 2000,7(4):25-34

41