基于51单片机控制的避障搬运车.docx

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1、中文题目基于51单片机控制的避障搬运车学生姓名叶仕霖专业汽车服务工程摘要本设计是基于AT89C51单片机为核心进行控制，通过扩展相应的外围接口电路，实现对避障搬运车的设计。通过Keil程序编程软件，编写其避障、循迹的程序，通过Proteus电路设计软件，设计单片机控制电路，根据搬运车工作环境选取合适的配件，从而设计出一款具有循迹、避障功能的简易智能搬运车。关键词：搬运车51单片机避障全向移动循迹第一章绪论11.1 研究背景11.2 避障搬运车国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.3 研究目的和意义2第二章搬运车结构32.1 搬运车参数确定32.2 驱动轮选型与

2、设计32.2.1 驱动轮的选型32.2.2 驱动轮的布局52.2.3 驱动轮运动学分析62.3 电机的选型82.3.1 电机的物理参数82.3.2 电机选型102.4 底盘的选型112.5 传感器的选型112.5.1 传感器的要求112.5.2 传感器的选择12第三章搬运车总体方案133.1 单片机的选型133.2 单片机电路设计143.2.1 晶振电路设计143.2.2 复位电路设计143.2.3 蜂鸣器电路设计153.3 驱动电路设计153.4 电池的选型16第四章搬运车主要程序184.1 搬运车避障程序设计184.2 搬运车循迹程序设计18第五章系统仿真测试与分析205.1 避障程序仿真

3、测试205.2 循迹程序仿真测试21第六章结论和展望236.1 结论236.2 展望23参考文献24致谢25第一章绪论1.1 研究背景随着科技的不断提高，我们的生活也发生了很大改变，科技在给我们带来便利的同时，也注定了他将成为以后的发展方向。搬运车是一个广泛应用于社会各行各业的智能交通运输设备，但是许多超市物流还选用人工的方式搬运，不光费时费力，还增加了成本。所以设计一种能够实现循迹、避障功能的搬运车尤为必要，可以提高劳动生产效率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。搬运车最终将成为未来物流业发展的基调。1.2 避障搬运车国内外研究现状121国内研究现状20世纪50年代，我国开

4、始建造搬运车。随着中国经济的增长，国家开始认识到物流对发展的重要性，运输物流业开始从人工运输转变为机械化运输。在近几年中，我国搬运车需求大幅增长，发展迅速，国家已将物流业列入十大产业振兴计划之中，这表明物流业在提高社会效益方面发挥了巨大作用。目前，在我国，铁路运输中，装卸和处理的运价，约占总运价的20%,而海运的运价约为40%。可见装卸搬运费在整个物流费用当中的比重相当高。降低装卸搬运成本的途径在于采取现代化机械设备，实行科学管理，提高作业效率。搬运车将会是未来运输业的主流，其在物流中起到不可忽略的作用。物流活动中最为常见的是搬运物流和堆叠物流，其中平行运动的为搬运物流，垂直运动的为堆叠物流，

5、都离不开搬运车的参与。搬运车的价值正变得越来越突出，其的主要功能是完成物流活动和运输。李博在对通用性支架搬运车和液压同步升降系统的研究中指出，目前，我国大部分的大型煤矿，都使用了液压支架搬运车，这种车辆可以在井下和地面上运送液压支架。现针对液压支架的地面转运设计一款地面液压支架搬运车。根据通用性原则对液压支架搬运车进行了整车的结构方案总体设计，其动力牵引部分采用现有的重型牵引车，承载部分采用U型框架结构，牵引车与U型框架挂车以半挂方式连接，由液压支架重量对整车进行载荷分配分析，并对液压支架搬运车进行了动力匹配分析，完成了关键部件选型，之后提出了液压系统方案。在此基础上，通过对液力同步升降系统的

6、设计，对其工作原理进行了分析，通过曲轴一连杆升降装置的结构设计，实现了液力同步升降装置的关键液压元件的选择，并对其进行了深入的分析和研究，构建了液力同步升降装置的电液比例阀控单个液压缸闭环环路的数学模型，从而得到了液力同步升降装置的主要参数。利用Simulink软件对有和无PID算法情况下的电液比例阀控单个液压缸进行了性能比较，结果表明：采用PID算法时，电液比例阀控单个液压缸具有较快的反应速度和较高的稳定性。最后，以液压同步提升系统原理为基础，构建出了液压支架同步提升系统AMESim仿真模型，并将PID控制算法引入到电液比例阀控制的液压同步系统中，对液压支架的装卸过程进行了模拟，对有和没有P

7、lD控制算法时，提升系统四个液压缸的位移同步精度进行了比较，结果显示，在加入PlD控制算法之后，同步误差得到了明显的改善，同步精度达到了0.47%,可以更好地满足设计要求。同时分析了系统运行压力曲线，验证了本液压系统及元件选型合理。1.2.2国外研究现状1985年，日本第一次引进了欧美的无人运输机，因为技术的原因，运输机主要是用拖拉机来驱动的，随着运输机的不断改进，从拖挂变成了自动，中小型运输机才开始使用。目前，为适应各类小批量生产，已开发出可前后移动的手动移载式和自动移载式搬运车，以提高工作效率。手工搬运车主要是用来搬运货盘或直接搬运货物的，其行走和提升均依靠人工完成。升降采用人工反复升降的

8、液压缸，完成货物的升降。近几年，无人搬运车的应用领域从车间扩大到超市、农场、甚至家庭当中，中小型机种在同一系统中使用多台小车的例子也越来越多。1.3研究目的和意义为了解决人工搬运的问题，设计一款具有避障功能的搬运车，从而达到减少人力，提高效率的目的。避障搬运车可以代替人进行自动搬运作业，可以直接减少人力，同时搬运车可以24小时不间断工作，能更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产，以提高生产效率。在比较重、比较大的物件搬运过程中，往往会发生倾斜、翻倒等安全事故，用搬运车代替人工进行作业，可以避免这些安全事故发生。第二章搬运车结构搬运车要想实现行走、避障、循迹等功能，首先要解决的就是驱动部分

9、的设计，要有一定的引导方案。一款避障搬运车，最基础的零部件有驱动轮、电机、传感器、底盘以及一些连接部件等等。其次是搬运车的程序编写，通过Keil程序编程软件对搬运车的程序进行编写，从而达到其行走、避障、循迹的功能。2.1 搬运车参数确定本设计主要用于超市，考虑到超市的工作环境,搬运车的尺寸设计不要过大,设计底盘长800mm,宽50Omm比较合适。此外负载要求100kg,可实现全向移动，每个驱动轮的额定负载为25kg,为了防止搬运货物过重损坏车轮，实际最大负载应该高于额定负载，设单轮最大负载为45kg。2.2 驱动轮选型与设计2.2.1 驱动轮的选型考虑到超市场地的情况，驱动轮选取麦克纳姆轮全向

10、轮，这样既能够完全消除转向半径，也可以在无需转向装置的条件下实现小车的直行、斜行、自转等全方位移动。相比于普通的四轮，麦克纳姆轮具有其独特的灵活运动优势，可以在狭小的空间自由穿梭，从而极大地减小作业空间，从而提高空间利用率，提高工作效率。麦克纳姆轮的边缘有一圈小滚柱，这些滚柱呈对角线排列，这样，滚柱就可以侧向滑动，它的特征是，沿着轮毅圆周排列着一圈与滚柱呈一定角度的滚柱，这些滚柱可以绕着自己的轴线转动。依靠车轮的方向和速度，产生的合力可以在不改变车轮自身方向的基础上自由移动，麦克纳姆轮的实物图如图2-1所示。图2-1麦克纳姆轮实物图根据设计的负载要求，要求每个轮的最大承载质量不小于25kg,表

11、2-1为某厂家定制的麦克纳姆轮型号参数表，当轮胎直径为75mm时，车轮达不到所预期的负载能力，当轮胎直径为127mm时，此时虽然达到了预期的负载能力，但是提高了成本，所以选择轮胎直径为100mm的最为合适，即达到了预期的负载能力，又兼顾了经济成本。表2-1麦克纳姆轮型号参数表麦克纳姆轮参数表轮胎直径60mm75mm100mm127mm重量（4个）0.35kg0.45kg1.55kg2.0kg负载能力（1个）15kg15kg45kg70kg厚度32mm32mm51mm51mm支撑轮直径3mm3mm4mm4mm支撑轮数量810912麦克纳姆轮的布局方式主要分为以下几种：X长方形、X正方形、O长方形

12、、O-正方形。其中X和0代表的是四个轮子的滚轮与地面接触点所包围的图形，图22为X型排布，图23为O型排布。即相同的麦克纳姆轮（左旋轮或右旋轮）放在底盘对角线。考虑到本设计工作环境平坦，选择O-长方形排列方式,因为轮子转动可以产生yaw轴转动力矩，而且转动力矩的力臂也比较长，在搬运车设计时会更加方便且易于控制，也是最常见的安装方式。图2-2X型布置方式图2-3O型布置方式2.2.3驱动轮运动学分析麦克纳姆轮是一组旋转根子，围绕着轮毂均匀排列，轮毂的轴心与滚轮的轴心呈45度角，旋转时，使滚轮受到一个作用力，使滚轮相对于地面的移动，使滚轮在这一时刻的转速，其中一个转速与轮毂的轴心平行，而另一个转速

13、则与轮毂的轴心正交，这两种转速的幅值都是一样的，这两种转速都是一样的。在此基础上，选择了4只麦克纳姆轮，以实现3个自由度的运动。两只右手和两只左手的转轮，这两只转轮是对称的。三自由度的安装模式有四种，在前面对安装模式进行了分析的基础上，选择了O-矩形（也就是4个轮子的滚轮与地面接触所形成的图形）的安装模式，对避隙车的逆运动学模型进行了分析，其中避障车的运动模型如图25所示。1右上轮；2左上轮；3左下轮；4右下轮以搬运车底盘中心O点为原点建立坐标系XOyo取为麦克纳姆轮的轮毂轴与小根子转轴的夹角，假设夹角为45,将速度方向分解，其中，VB为底盘沿X轴方向的速度；%为底盘沿y轴方向的速度；如为底盘

14、沿Z轴自转的角速度为。根据小车的运动模型，设车轮轴心处&的速度为匕；轮绕轮轴转动的角速度为力辐子速度为典；i=l,2,3,4分别对应车轮的右上轮、左上轮、左下轮、右下轮。之后再对车轮的轴心速度进行分析,这里我们选取右上轮为例如图2-6所示。图中M为原点0点的速度，Vr为轮子轴心速度沿垂直于方向的速度分量，也就是切线方向的速度；r为。点到右上轮中心点4点的距离，V为轮子的轴心处G速度；为原点0点的角速度。图2-6右上轮轴心速度分析即V=V+r,其在X,y轴方向的速度分量为。V=V+ryrK场y（2-i）Vy=Vty+drx算出在x,y轴方向上的速度分量后，然后用上述方法计算其他三个轮子沿x、y轴

15、方向在轴线中心的分速。将轮子轴心速度沿着滚筒方向和垂直于滚筒方向进行分解，其中沿着滚筒方向的速度被设为：VI和垂直与根子方向的速度设为,垂直与辐子方向的速度为0。故可以得出。Vl=V=(Vt.iVrJ.-i-j)=(2-2)根据小车的运动模型，设轮子轴心速度V沿辑子方向的单位矢量为右轮轴角度3与辐子的速度关系式为。匕=-匕Vvfi=cos450(2-3)根据公式可以算出底盘与轮子角速度的关系，要想实现避障车不同的移动方向，只要改变每个轮子的转速即可，避障车的逆运动方程式为。=Vy-VxfiX1.l+1.2)1=Vy+Vx-6X1.l+1.2)3=Vy-Vx-y(1.1+1.2)%=V,+Vj矶1.+1.2)(24)2.3 电机的选型2.3.1 电机的物理参数对电机的选取要考虑到搬运车的转速和扭矩的大小，因为搬运车的工作环境对车辆的转速要求不高，所以只需计算搬运车的扭矩即可，根据汽车的行驶方程式，先计算出搬运车的阻力，由于是在室内作业，所以可以忽略空气阻力、加速阻力、以及坡度阻力。以表2-2汽车