CN106639443A - 一种全方位驱动转向的agv小车 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全方位驱动转向的AGV小车，包括承载车体、转向装置、驱动装置以及控制电路；承载车体为上下平行设置的上支撑板和下支撑板，上支撑板上平面安装有转向装置；下支撑板下平面安装有驱动装置；控制电路包括单片机模块、单刀双掷模拟开关以及驱动电路；本发明的优点在于：AGV小车通过采用齿轮齿条结构，满足了立体智能车库空间高利用率及智能控制停取车；主要包括：驱动电机、转向舵机、齿轮齿条转向系统，传动轴及支撑板，齿条通过转向舵机齿轮与齿条啮合实现齿条的水平直线运动，结合电路设计能够实现三种运动状态，（1）直线行走；（2）原地旋转；（3）直角拐弯。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人搬运小车领域，特别涉及一种全方位驱动转向的AGV小车。
背景技术
随着经济的发展和人们生活水平的日渐提高，汽车已经成为人们生活中不可或缺的一部分。然而，随着汽车数量的不断提高，供汽车停放的停车位愈发紧张。虽然很多社区、商场等场所已经配备了数量不少的停车位，但仍不能满足停车需求。即使停车场有车位，但由于停车位置的不对称，停车场地设置的不合理，也会造成汽车入库时空间太小，转弯困难等问题。只有很好地解决城市交通拥挤和停车麻烦的问题，才能进一步提高对现阶段城市的规划建设和提升经济发展。
我国于90年代初开始研究开发智能车库，距今己有十年的历程。尽管我们了解到智能化的停车车库在很多方面都有着不小的优势，然而现今存在的立体车库的停车情况仍是不容乐观，所以智能停车车库的发展道路上仍旧有着不少难关等着我们克服解决，高昂的建造使用费用，智能控制技术的有待完善都是制约其发展的巨大障碍。
自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，简称AGV)，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，安全保护以及各种移载功能的运输小车。一般可通过电脑来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道来设立其行进路线。在智能车库内，AGV小车因为其具有体积小，灵活性强等优点可用于搬运和入库。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现前进后退、原地任意方向转弯、平移的且停车不占用多余空间的全方位驱动转向的AGV小车。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种全方位驱动的AGV小车，其创新点在于：
所述承载车体为上下平行设置的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板上平面安装有转向装置；所述下支撑板下平面安装有驱动装置；
所述转向装置具有对称设置在上支撑板上的两组，每组分别包括转向舵机、齿轮齿条系统及传动轴；所述转向舵机通过齿轮齿条系统与传动轴连接，所述传动轴上端与齿轮齿条系统配合，且同一齿轮齿条分别与两个传动轴配合，该传动轴的下端依次穿过上、下支撑板，并与驱动装置相连；
所述驱动装置具有四组，分别连接在传动轴下端，包括安装板、车轮、电机及联轴器，所述车轮、电机及联轴器分别安装在安装板上，且传动轴下端与安装板固连；
所述控制电路包括依次连接的单片机模块、单刀双掷模拟开关以及驱动电路。
进一步的，所述齿轮齿条系统包括设置在转向舵机输出轴上的转向舵机齿轮、设置在传动轴上端的传动轴齿轮以及与上述两者互相配合的齿条，所述齿条为由齿条A、连接条及齿条B首尾连接而成的Z型齿条，其中齿条A及齿条B齿面相向设置。
进一步的，所述转向舵机通过隔离柱垂直架设在上支撑板上，其输出轴朝下，所述转向舵机齿轮套设在该转向舵机输出轴上。
进一步的，所述安装板为由水平板A及竖直板B组成的L型板，该L型板倒置在下支撑板下方，通过水平板A与传动轴下端固连；所述车轮竖直设置在水平板A及竖直板B组成的夹角内。
进一步的，所述单片机模块包括单片机和引出其所有管脚的电路主板。
进一步的，所述单片机模块与电机和转向舵机之间设置有隔离电路。
本发明的另一种分技术方案为：一种全方位驱动转向的AGV小车的控制方法，其创新点在于：
首先，单片机模块产生三路PWM波，其中两路PWM波用于控制四个驱动电机，一路PWM波直接用于控制两个转向舵机；
其次，两路控制驱动电机的PWM波分别导入单刀双掷模拟开关的输入端，每路PWM波对应一个单刀双掷模拟开关，每个单刀双掷开关扩展出第二路相同信号，通过单片机判断运动状态，选择直线行走驱动模式或原地旋转驱动模式或直角拐弯驱动模式；转向舵机也由单片机控制转过与对应驱动模式相匹配的角度；
最后，扩展后的PWM波导入对应的驱动电路，每个驱动电机对应一个驱动电路；控制驱动电机的转向和转速。
进一步的，选择直线行走模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和前右车轮驱动电机为同步电机且后左车轮驱动电机和后右车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机不动作。
进一步的，选择原地旋转驱动模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和后左车轮驱动电机为同步电机且前右车轮驱动电机和后右车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机转动，通过齿轮齿条系统带动各车轮转过一定角度，各车轮所在直线围成一正方形。
进一步的，选择直角拐弯驱动模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和后右车轮驱动电机为同步电机且前右车轮驱动电机和后左车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机转动，通过齿轮齿条系统带动各车轮转过一定角度，各车轮所在直线垂直于小车前进方向。
本发明的优点在于：
（1）为了满足立体智能车库空间高利用率及智能控制停取车的特点，通过采用齿轮齿条结构的全方位驱动转向AGV系统；AGV的部件主要包括：直流驱动电机、转向舵机、齿轮齿条转向系统，传动轴、车板以及一些紧固件，齿条只存在水平方向的2个自由度，通过转向舵机齿轮与齿条啮合实现齿条的水平直线运动。小车的驱动则是通过4组电机实现，电机输出轴与车轮连接组成整体实现四轮驱动转向。能够实现三种运动状态，（1）直线行走；（2）原地的旋转；（3）直角拐弯。
（2）转向舵机垂直固定设置，输出轴朝下，便于和齿条配合。
（3）电路主板的设置，方便对各部分电路进行模块化设计，更合理规范的布置各电路模块。
（4）采用隔离电路，防止单片机被干扰甚至损坏，能够有效提高信号的驱动能力。
（5）在对单电机的控制电路和小车所要完成的运动方式有了充分了解的基础上，利用插接件控制端口每对的两个接口信号是相同的这一特点，对驱动控制电路进行扩展，利用单刀双掷模拟开关，将一路PWM波扩展成两路，从而实现利用8路PWM波控制四电机同步运动的目的。
（6）根据小车的不同运动方式，合理设计小车各轮的驱动状态，以单片机控制PWM波，将四个驱动电机分成两组，不同的运动状态中的同步电机是不同的，进而实现小车的不同运动。
附图说明
图1为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的爆炸图。
图2为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车传动轴齿轮和齿条配合的俯视图。
图3为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车前进后退状态时示意图。
图4为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车原地旋转状态时示意图。
图5为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车纵向行驶状态时示意图。
图6为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车硬件功能模块图。
图7为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路PWM波引脚示意图。
图8A为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中输入为IN11的单刀双掷开关示意图。
图8B为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中输入为IN12的单刀双掷开关示意图。
图8C为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中输入为IN21的单刀双掷开关示意图。
图8D为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中输入为IN22的单刀双掷开关示意图。
图9为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中隔离电路示意图。
图10A为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中驱动电机控制小车前右轮驱动电路。
图10B为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中驱动电机控制小车前左轮驱动电路。
图10C为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中驱动电机控制小车后右轮驱动电路。
图10D为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中驱动电机控制小车后左轮驱动电路。
图11为本发明一种全方位驱动转向的AGV小车的控制电路中CON控制信号示意图。
具体实施方式
自动引导小车AGV作为现代工业的结晶，使得企业的自动化和柔性化生产的水平得到了提高，特别是在一些空间大小有限，狭窄通道内，AGV具有不可比拟的优势。本发明论证运用于智能立体车库的AGV系统，研究AGV机械传动部分，设计出可以实现AGV小车满足前进后退，纵向行驶以及原地旋转三种运动方式的驱动转向机构。
如图1所述，具体结构包括承载车体、转向装置及驱动装置；
承载车体为上下平行设置的上支撑板3和下支撑板10，主要用于安装电路板，转向装置及驱动装置，两板之间通过连接件连接固定，上支撑板3上平面安装有转向装置，下支撑板10下平面安装有驱动装置；
转向装置具有对称设置在上支撑板3上的两组，每组分别包括转向舵机1、齿条及传动轴6；转向舵机1通过转向舵机齿轮与齿条配合；转向舵机1的输出轴竖直向下，由隔离柱支撑；如图2所示，齿条为由齿条A51、连接条52及齿条B53首尾连接而成的Z型齿条5，两组转向装置中的Z型齿条5对称设置，其中齿条A51及齿条B53齿面相向设置，转向舵机1驱动Z型齿条5前后滑动，Z型齿条5附近设置供其滑动的滑轨2，Z型齿条5相较于直型齿条最大不同便是齿分布在两个不同的平行平面上，能满足在两端齿条出啮合的齿轮，当齿条进行直线运动的时候齿轮的转向相反；对称设置的Z型齿条5与传动轴6上端通过传动轴齿轮4相互配合，同一Z型齿条5的齿条A51及齿条B53分别与一传动轴6配合，这种齿轮齿条结构能够将直线运动转化成旋转运动，结构相对简单且转化精度高，且在操作时，只需改变转向舵机1的PWM信号，通过改变Z型齿条5运动位置来实现AGV小车四轮的角度调整。该传动轴6的下端依次穿过上、下支撑板3、10，并与驱动装置相连，将旋转运动传递给驱动装置。
驱动装置具有四组，每组连接在传动轴6下端，包括安装板、车轮7、驱动电机9及联轴器，车轮7、驱动电机9及联轴器分别安装在安装板上，且传动轴6下端与安装板固连；安装板为由水平板A及竖直板B组成的L型板8，该L型板8倒置在下支撑板10下方，通过水平板A与传动轴6下端固连；车轮7竖直设置在水平板A及竖直板B组成的夹角内。
本发明的AGV小车能够实现三种功能，分别是无障碍直线行走、原地旋转、直角拐弯。三个功能分别是利用转向舵机1的三种不同角度实现的。如图3所示，当转向舵机1处于复位状态时，四个驱动电机9驱动的车轮7与前进方向保持一致，即满足AGV小车直线行走；如图4所示，当转向舵机1处于45度状态时，四个驱动电机驱动的车轮7与前进方向形成一个45度夹角，每个驱动电机9的运转都与以小车为中心的圆相切，能够满足小车在原地旋转需求；如图5所示，当转向舵机1处于90度时，四个驱动电机9驱动的车轮7与原前进方向呈90度，从而实现AGV小车左右方向的直线运行。三种不同的运行方式，其中箭头方向表示车轮7默认的前进方向；在不同运动方式中，主要通过PWM波实现前进方向的控制，从而获得相应的运动方式。
要实现AGV小车在上述三种运动状态之间的转换，必须为智能小车的系统设计专门的电机驱动电路和与之相应的控制电路，这样才能很好地发挥小车的功能。
电机驱动电路的主要包括下面四个功能模块，转向舵机驱动模块、电机驱动模块、嵌入式单片机模块、电源模块，其功能模块示意图如图6所示，其中，在该AGV小车上还可安装传感器模块等其他模块。
各模块的作用如下所示：
（1）转向舵机驱动模块：转向舵机1的控制模块也是智能小车软硬件设计的重要部分之一，通过一定占空比的脉冲信号控制转向舵机1转过的角度，力矩大，响应速度快；
（2）电机驱动模块：由于单片机输出的电压和电流有限，无法直接驱动电机，往往达不到电机所需的电压，通过专用的电路和驱动芯片对电源电压进行升压处理，便可控制驱动电机9工作；
（3）嵌入式单片机模块：嵌入式单片机的选择往往要根据使用的传感器和控制策略而定。由简单一点的51单片机到使用性能高点的的AVR系列单片机，再到性能更强MSP43或者S12单片机，种类繁多，本专利中采用的是AVR系列单片机；
（4）电源模块: 电源模块是小车稳定运行的前提，通过不同电路的稳压芯片将电池输入电压转换为相应驱动电机9、转向舵机1、系统板、传感器等所需的供电电压；
该AGV小车的控制电路主要包括单片机模块、单刀双掷模拟开关以及驱动电路；
单片机模块：产生三路PWM波，其中引出的两路PWM波用于控制四个驱动电机9，一路PWM波用于控制两个转向舵机1；
单刀双掷模拟开关：两路控制驱动电机9的PWM波导入该模拟开关的输入端，进行判别并产生出对应的双路信号，每路PWM波对应一个模拟开关，将单片机模块输出的两路PWM波变为四路；
驱动电路：每个驱动电机9及转向舵机1分别对应一个驱动电路；驱动电路采用双极性H桥电路，通过输入的PWM波改变加到基极上脉冲的正负和导通率，从而改变电机的转向和转速。
选用 K60P144作为微处理器，为了对各部分电路进行模块化的设计，也是为了更合理规范的布置各电路模块，将K60芯片的所有管脚引出并将其做成单独的一块电路主板，这样就为之后智能小车的调试带来了极大的便利。如图7，单片机引出四路用于控制驱动电机9的PWM波。
PWM波经过滤波步骤，PWM11、PWM12、PWM21、PWM22变为对应的单刀双掷模拟开关输入量IN11、IN12、IN21、N22，进入单刀双掷模拟开关，如图8A、图8B、图8C及图8D所示，单刀双掷开关选用74LVC 3157-DBV模拟开关，将单片机输出的两路PWM波转换为四路，可顺利得到四个驱动电机9所分别需的四路控制信号，成功的将两路PWM波转换成四路PWM波，为后续控制系统中软件实现对电机的控制提供了基础。
本发明中选用脉宽调制（PWM）技术来控制驱动电机9和转向舵机1，在实际的运用过程中，可能会产生较大的电流；而且在工作过程中随着负载的变化，供给驱动电机9，转向舵机1的电流和电压都可能会产生一定的波动。显而易见，如果是这样直接将从单片机中输出的信号输入给驱动电机9和转向舵机1，就会产生干扰，影响单片机的信号。至少会引起单片机的复位，更甚者会导致单片机烧毁的。因此，设计信号传输间的隔离电路，从而防止这情况的发生。如图9所示，选用74LVC245A作为单片机和电机的隔离芯片，因为这种芯片能够有效提高信号的驱动能力，隔离BTN7971和单片机，并防止BTN7971损坏后将电压直接输入到单片机，进而烧坏单片机控制引脚。
选用BTN7971芯片形成驱动电路，四组驱动电路如图10A、图10B、图10C、图10D所示，其集成度很高，使用起来不需要与三极管搭建的H全桥电路一样的复杂。每一片BTN7971便可以自成一个半桥，所以使用两片BTN7971即可组成一个所需要的H全桥的电机驱动电路，既经济又适用。
综合上述电路，小车三种运动状态的控制方式如下：
（1）直线行走：控制信号CON1和CON2信号互异（CON1为高电平时，CON2为低电平），实现模拟开关对不同驱动轮的控制；给PWM1、PWM2、PWM3、PWM4输入正向运转信号，此时可控制小车前进；反之，给PWM1、PWM2、PWM3、PWM4输入反向运转信号，则小车后退。
（2）原地旋转：从K60芯片直接输出PWM波控制两个转向舵机1，通过齿轮齿条结构使前左轮和后右轮顺时针转过45度，前右轮和后左轮逆时针旋转45度，在四个轮子到达指定角度的基础上， 为PWM1和PWM3端输入正向信号， PWM2和PWM4端输入反向输入，并控制con1为0（CON2与CON1信号互异），此时可控制小车沿顺时针方向任意角度原地旋转；反之，给PWM1、PWM2、PWM3、PWM4输入相反的信号，则小车沿逆时针方向原地旋转。
（3）直角拐弯：从K60芯片直接输出PWM波控制两个转向舵机1使前左轮和后右轮顺时针转过90度，前右轮和后左轮逆时针旋转90度，在控制转向舵机1使得四个轮子完成指定的角度之后， 为PWM1和PWM4输入正向信号，为PWM2和PWM3输入反向信号，并控制con1为1（CON2与CON1信号互异），就可以使得小车在垂直于车身的方向上向左运动；反之，给PWM1、PWM2、PWM3、PWM4输入相反的信号，则小车在垂直于车身的方向上向右运动。
为了对模拟电路输出信号进行具体控制，我们CON1，CON2两个控制信号接到模拟开关上，如图11，具体的CON1或者CON2 可以分别由K60系统板的GPIO口引出。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种全方位驱动转向的AGV小车，包括承载车体、转向装置、驱动装置以及控制电路，其特征在于：
所述承载车体为上下平行设置的上支撑板和下支撑板，所述上支撑板上平面安装有转向装置；所述下支撑板下平面安装有驱动装置；
所述转向装置具有对称设置在上支撑板上的两组，每组分别包括转向舵机、齿轮齿条系统及传动轴；所述转向舵机通过齿轮齿条系统与传动轴连接，所述传动轴上端与齿轮齿条系统配合，且同一齿轮齿条分别与两个传动轴配合，该传动轴的下端依次穿过上、下支撑板，并与驱动装置相连；
所述驱动装置具有四组，分别连接在传动轴下端，包括安装板、车轮、电机及联轴器，所述车轮、电机及联轴器分别安装在安装板上，且传动轴下端与安装板固连；
所述控制电路包括依次连接的单片机模块、单刀双掷模拟开关以及驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种全方位驱动转向的AGV小车，其特征在于：所述齿轮齿条系统包括设置在转向舵机输出轴上的转向舵机齿轮、设置在传动轴上端的传动轴齿轮以及与上述两者互相配合的齿条，所述齿条为由齿条A、连接条及齿条B首尾连接而成的Z型齿条，其中齿条A及齿条B齿面相向设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种全方位驱动转向的AGV小车，其特征在于：所述转向舵机通过隔离柱垂直架设在上支撑板上，其输出轴朝下，所述转向舵机齿轮套设在该转向舵机输出轴上。
4.根据权利要求1所述的一种全方位驱动转向的AGV小车，其特征在于：所述安装板为由水平板A及竖直板B组成的L型板，该L型板倒置在下支撑板下方，通过水平板A与传动轴下端固连；所述车轮竖直设置在水平板A及竖直板B组成的夹角内。
5.根据权利要求1所述的一种全方位驱动转向的AGV小车，其特征在于：所述单片机模块包括单片机和引出其所有管脚的电路主板。
6.根据权利要求1所述的一种全方位驱动转向的AGV小车，其特征在于：所述单片机模块与电机和转向舵机之间设置有隔离电路。
7.一种全方位驱动转向的AGV小车的控制方法，其特征在于：
首先，单片机模块产生三路PWM波，其中两路PWM波用于控制四个驱动电机，一路PWM波直接用于控制两个转向舵机；
其次，两路控制驱动电机的PWM波分别导入单刀双掷模拟开关的输入端，每路PWM波对应一个单刀双掷模拟开关，每个单刀双掷开关扩展出第二路相同信号，通过单片机判断运动状态，选择直线行走驱动模式或原地旋转驱动模式或直角拐弯驱动模式；转向舵机也由单片机控制转过与对应驱动模式相匹配的角度；
最后，扩展后的PWM波导入对应的驱动电路，每个驱动电机对应一个驱动电路；控制驱动电机的转向和转速。
8.根据权利要求7所述的一种全方位驱动转向的AGV小车的控制方法，其特征在于：选择直线行走模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和前右车轮驱动电机为同步电机且后左车轮驱动电机和后右车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机不动作。
9.根据权利要求7所述的一种全方位驱动转向的AGV小车控制方法，其特征在于：选择原地旋转驱动模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和后左车轮驱动电机为同步电机且前右车轮驱动电机和后右车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机转动，通过齿轮齿条系统带动各车轮转过一定角度，各车轮所在直线围成一正方形。
10.根据权利要求7所述的一种全方位驱动转向的AGV小车控制方法,其特征在于：选择直角拐弯驱动模式时，通过单刀双掷模拟开关选择前左车轮驱动电机和后右车轮驱动电机为同步电机且前右车轮驱动电机和后左车轮驱动电机亦为同步电机；转向舵机转动，通过齿轮齿条系统带动各车轮转过一定角度，各车轮所在直线垂直于小车前进方向。
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Denomination of invention: AGV trolley with omni-directional driving and steering Effective date of registration: 20211014 Granted publication date: 20190222 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nantong branch Pledgor: JIANGSU JINGUAN PARKING INDUSTRY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980010679 |
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Denomination of invention: An AGV car with all-round driving and steering Effective date of registration: 20231220 Granted publication date: 20190222 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Nantong branch Pledgor: JIANGSU JINGUAN PARKING INDUSTRY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980071905 |