电磁引导式AGV小车的制作 覃元雷摘要：本文跟据AGV小车的基本原理试制了一种由磁敏元件和磁带组成导引系统的、使用电池作为动力源的AGV小车，这种小车能够跟据预先由磁带铺设的轨道运行，能够跟据磁带的铺设进行停止，达到自动行进的目的关键词：AGV，磁感应，自动运行 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是自动导引运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写。
是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车， AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制因此，在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产1.1AGV小车的优点 AGV小车有以下几个优点：（1）自动化程度高； 由计算机，电控设备，磁气感应SENSOR,激光反射板等控制 当车间某一环节需要辅料时，由工作人员向计算机终端输入相关信息，计算机终端再将信息发送到中央控制室，由专业的技术人员向计算机发出指令，在电控设备的合作下，这一指令最终被AGV接受并执行——将辅料送至相应地点 （2）充电自动化； 当AGV小车的电量即将耗尽时，它会向系统发出请求指令，请求充电（一般技术人员会事先设置好一个值），在系统允许后自动到充电的地方“排队”充电 另外，AGV小车的电池寿命很长（2年以上），并且每充电15分钟可工作4h左右。
（3）美观，提高观赏度，从而提高企业的形象4）方便，减少占地面积；生产车间的AGV小车可以在各个车间穿梭往复1.2AGV小车的应用 AGV在制造业的生产线中大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务并且可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力1974年瑞典的Volvo Kalmar轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了20%，装配故障减小39%，投资回收时间减小57%，劳动力减小了5%目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用 近年来，作为CIMS的基础搬运工具，AGV的应用深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域 3．邮局、图书馆、港口码头和机场 在邮局、图书馆、码头和机场等场合，物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。
瑞典于1983年在大斯得哥尔摩邮局、日本于1988年在东京多摩邮局、中国在1990年于上海邮政枢纽开始使用AGV，完成邮品的搬运工作在荷兰鹿特丹港口，50辆称为“yard tractors”的AGV完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作 4．烟草、医药、食品、化工 对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作 5．危险场所和特种行业 在军事上，以AGV的自动驾驶为基础集成其他探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察，英国军方正在研制的MINDER Recce是一辆侦察车，具有地雷探测、销毁及航路验证能力的自动型侦察车在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，避免了危险的辐射在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料和半成品2 自动导向车(AGV)是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆。
AGV的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通信、机械设计和电子技术等多个学科，成为物流自动化研究的热点之一目前，AGV仍有多项关键技术有待提高和突破，以进一步提高AGV的性能，降低制造成本和减少使用费用本文介绍的AGV主要解决导向及定位问题 综合成本和系统稳定性能考虑，本设计采用磁带导向技术结合霍尔磁敏传感器阵列定位电磁引导介质采用柔性较好的漆包线，可不用专门开敷线槽，在试用阶段可随机根据实际情况设置线路走向(可用胶带固定引导线)霍尔磁敏传感器阵列，是由多个磁敏传感器按等距离分布而成的传感器阵列，由于磁带上有磁性，当磁场强度高到一定值时，磁敏传感器接通，发送信号到控制器，由控制器发出驱动和转向指令，即可实现定位 采用电磁制导方式及霍尔磁敏传感器阵列方式的优点：系统比较简单，易于维护；制造成本比较低；安装简单，引导线理论上可以只用一根完整的线2.1 磁感应器原理及制作2.1.1霍尔效应 霍尔效应（Hall effect）是指当固体导体有电流通过，且放置在一个磁场内，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压除导体外，半导体也能产生霍尔效应，而且半导体的霍尔效应要强于导体。
电场力会平衡洛伦兹力 在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子空穴受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应而产生的内建电压称为霍尔电压方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a、b、d，磁场垂直于ab平面当电流经过ad平面的方向，电流I = nqv(ad)，而n为电荷密度设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a设磁场强度为B，详见下表：Fe = FmqVH / a = qvBVH / a = BI / (nqad)VH = BI / (nqd)2.1.2 A3144E型霍尔磁敏传感器相关参数A3144E型霍尔磁敏传感器是应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏高温电路，它是由电压调整器，霍尔电压发生器、差分放大器，施密特触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁信号，输出是一个数字电压信号其相关参数见下表：极 限 参 数 参 数号量值单位电源电压VCC4.5～24V输出截止态电压VO不限V输出电流IO 25mA工作环境温度TA-40～85℃贮存温度S-55～150℃ 表1：A3144E型霍尔磁敏传感器极限参数表电 特 性 TA=25℃ 参 数符号测试条件量 值单位最小典型最大源电压VCCVCC=4.5V～24V4.5-24V出低电平电压VOLVCC=4.5V ,VO=24VIO=25mA,B≥ BOP-100400mV输出漏电流IOHVo=24V, B＜BRP-＜110μA源电流ICCVCC=24V, VO开路-5.59.0mA出上升时间trVCC=12VRL=820Ω CL=20Pf-0.22.0μS出下降时间tf-0.182.0μS 表2：A3144E型霍尔磁敏传感器电特性参数表磁 特 性 单位：mT 参 数型 号 及 量 值CS3144E最小典型最大工作点磁感应强度(BOP)TA=25℃7.0-25.0全工作温度范围3.5-30.0释放点磁感应强度(BRP)TA=25℃5.0-20.0全工作温度范围2.5-25.0回 差(BH)TA=25℃2.05.5-全工作温度范围2.05.5-表3：A3144E型霍尔磁敏传感器磁特性参数表 图1 ：霍尔传感器功能图2.1.3 霍尔传感器阵列基本原理 霍尔传感器阵列探测方法如图1所示。
该传感器阵列由16个A3144E型霍尔磁敏传感器等10mm间隔分布而成，当传感器阵列经过磁导带上方时，相应的传感器接通，输出高电平，反之则不输出；小车根据信号可判定传感器的位置，并对小车方向做出相应的调整，使磁导带始终保持在传感器阵列的中间位置，这样就达到了导向的目的 图2：霍尔传感器阵列示意图2.1 .4制导线路 制导线路的设置是本设计的关键部分，如果线路没有设置好，后续的所有工作将不能完成制导线路如图3所示，其中虚线部分是屏蔽部分由于电磁场是矢量，当电流方向大小相同且是平行的两条线时，周围的电磁都会相互抵消，故需要将虚线部分屏蔽该布线的关键就是要将虚线部分的屏蔽工作做好，只有这样，小车才能很好地完成寻线工作 图3：传感器感应原理2.2小车控制核心MCU MCU用一片STC89C51单片机来实现，51系列单片机其价格便宜、功能强大、且易学易用，唯一不足的是容易受到外界脉冲信号的干扰但可以采用如下方式来消除脉冲信号的干扰：(1) 硬件处理。
首先要注重电源设计，电源要稳定可靠；其次是在单片机的电源引脚与地引脚之间加去耦电容，两个不同的电源电路连接用光电耦合隔开等2)软件处理可采用指令冗余技术、拦截技术、软件看门狗等处理技术，使程序能够自动回到正常位置执行程序2.2.1STC89C51相关参数89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机其相主要特性包括以下：1. 与MCS-51 兼容2 .4K字节可编程闪烁存储器 3 .寿命：1000写/擦循环4 .数据保留时间：10年5 .全静态工作：0Hz-24MHz6 .三级程序存储器锁定7 .128*8位内部RAM8 .32可编程I/O线 9 · 两个16位定时器/计数器10. 5个中断源11 .可编程串行通道12 .低功耗的闲置和掉电模式13 .片内振荡器和时钟电路 对于STC89C51的各管脚，作用见下VCC：供电电压GND：接地 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流这是由于内部上拉的缘故P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST：复位输入当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效 /PSEN：外部程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP） XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2：来自反向振荡器的输出 图4： 89C51引脚图（图片由厂家提供）2.2.2 电路设计 MCU引脚链接如图7所示，因为计算定时器初始值比较容易，MCU的时钟信号是用一只12 MHz晶振提供C_MOTOR1、C_MOTOR2是电机控制信号输出端，single1~single3是电磁信号经过处理后的输入端，P0中即D0~D7是LED数码管显示的数据端，K0、K1是键盘接口。
IO口可用作以后系统扩展时用这样MCU既满足了当前系统的要求，也为以后的扩展升级留有空间 2.2.3 软件设计 软件设计分为初始化模块、读卡器读卡模块、位置计算模块、小车行走模块(内含故障处理机制)其程序流程如图8所示 各模块基于结构化程序设计的思想，为了保证得到结构化的程序，可采用以下方法：自顶向下、逐步细化、模块化设计、结构化编程在软件设计中选用了通用性比较强的C语言作为系统驱动程序的编写语言 当从设备(PS/2)向主设备(MCU)发送数据时，首先检查时钟线，以确认时钟线是否为高电平，如果是高电平，从设备就可以开始传输数据；反之，从设备要等待获得总线的控制权，才能开始传输数据传输的每一帧由11 bit组成，发送时序及每一位的含义如图9所示 在PS/2通信过程中，MCU在时钟信号为低时发送和接收数据信号因为MCU向键盘发送的是指令，需要键盘回应，所以这部分程序采用查询方式I而MCU接收键盘数据时，数据线上的信号在时钟为低时已经稳定，所以这部分程序采用中断方式，且不需要在程序中加入延时程序3测试结果 虽然电磁信号接收处理部分能够接收并处理信号发生器所产生的磁场信号，但是频率调节的效果并不理想。
因此将信号发生器做成频率可调的，以便于信号发生器与电磁信号接收处理部分握手，以及达到在演示时能体现出电路的选频特性 用示波器观察信号发生器的其输出波形发现，输出波形并不是很完好，有很多谐波在里面，如图10所示由于这些谐波存在，使得该波形的带宽BW比较宽，不能很好地体现出电路的选频作用这是因为三极管开关速度及电路焊接的问题 电磁信号接收转换电路存在的问题：(1)不能很好地转过所有弯道其主要原因是探头安装不能完全避免所有死角实验时发现，小于等于90°的角很难转过去，而大于90°的角特别是圆弧却很容易转过去而在实际应用时，可以人为地将引导线布成锐角来解决这一问题2)BW比较宽， 本文设计的系统软硬件都已通过各种测试，与同类产品相比，该系统的突出优点是安装方便、使用成本低、引导路径的更改比较随意，这也是使用成本低的关键因素参考文献[1] OGATA K.现代控制工程[M].美国：普伦蒂斯-霍尔公司，1997.[2] KASHIWABARA K， FUKUSHIMA Y， OSHINOYA Y， et al.非接触式的指导行钢板[M].电气学会研究会， 2003：49-54.[3] NONAMI K， TIAN H.滑模控制的柔性转子-磁轴承系统使用的鲁棒降阶的VSS监控[M].日本：机械C工程师学会60(571)，(1994)：897-905.[4] KASHIWABARA K， FUKUSHIMA Y， OSHINOYA Y， et al.垂直振动的磁力边缘钢板有应用[J].东海大学学校运动工程，2004，44(1)：75-81.[5] UTKIN V I.滑模的控制和优化[M].德国：施普林格出版社，1992.0.000000[6]郭天祥 新概念51单片机C语言教程[7] AGV小车的设计与研究[8]AGV小车设计[9]基于单频电磁制导方式AGV小车的制作[10] 凤俊翔 AGV小车TCP/IP通讯功能的设计与实现[11] AGV小车锥齿轮的设计和选取[12]王智勇 姬婧媛 AGV小车的控制系统的设计与开发[13]卯彦 电磁导引AGV单机控制研究及软件实现 2006[14]Takakuwa.S Efficient.module-based modeling for a lane-scaleAS/RS-AGV system[15]魏晓涛 AGV移动机构控制研究 [学位论文] 2004[16]张智勇;关宏 AGV整体集成系统结构设计 [期刊论文] -物流技术2004(04)[17]叶菁 磁导式AGV控制系统设计与研究 [学位论文] 2006[18]P.MARTINETA}DC;THIBAUD Automatic Guided Vehicles:Robust Controller Design in Image Space 200021 / 21。