基于3D打印技术的A G V智能车研制

施勇猛

（闽南理工学院，福建 石狮362700）

0 引言

随着时代的发展，AGV小车已经成为了现代物流的关键设备。利用3D打印技术的快捷与便利，可以实现AGV小车的快速制造，节约成本与时间。通过将3D打印部件与树莓派、传感器模块等智能硬件进行结合，构造具有循迹行驶、自动避障功能的AGV小车。

1 总体设计

1.1 小车的组成

本项目所设计小车由3D打印车身、主控制器、电机驱动板、循迹模块、红外避障模块、电池组成，通过良好的三维设计及3D打印制造，将所有零件系统性的整合在一起，构造成一辆完整的AGV智能车。该智能车由四个直流电机（TT马达）驱动的四个车轮托载底盘，在底盘上面装配3D打印的车身部件，主控制器、电机驱动板装在车身与底盘之间，循迹模块和红外避障模块安装在车头。

1.2 行驶控制过程

将各个部件安装好之后，利用主控制器（3B型树莓派）里的python软件编辑程序控制电机驱动板，驱动板的L298N驱动芯片可驱动四个直流电机，控制小车的走向与速度；驱动板上有多个传感器模块接口，选择其中的接口连接循迹模块和红外避障模块，分别采集黑色轨迹线信号和障碍物距离信号，将电信号传输回主控制器，让python程序进行轨迹判断和距离判断，自动反馈信号给驱动板，调整直流电机的运转，并利用各轮差速进行小车转向，实现小车沿黑色轨迹线自动行驶、遇障碍物自动启停避障的功能。总体设计如图1所示。

图1 总体设计

2 机械结构设计

2.1 车身结构

车身结构包括车壳、底盘、直流电机、车轮，如图2所示为车身结构的三维模型设计装配和分解图，所使用的设计软件为creo5.0。该车身结构的设计以简约为基本原则，以便于安装、拆卸载货装置，有利于载送小型货物。从分解图中可以看到，四个车轮装在四个直流电机上，四个电机装在底盘上，底盘与车壳可分离，且可根据智能硬件的大小及安装位置在底盘上打孔，为小车进一步的装配打下基础。

图2 车身结构

2.2 3D打印车壳

车壳是AGV小车的最大结构，也是最重的结构。3D打印技术，学名为“快速成型技术”，也称为“增材制造技术”，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。本项目利用FDM型3D打印机打印，获得的PLA材质车壳具有轻量、坚固、一体成型的特点，可完美契合小车其他部件，如图3所示。

图3 车壳3D打印实物

3 电控系统设计

3.1 主控制器

采用3代B型树莓派为主控制器，它是一款基于ARM的微型电脑主板，虽然只有名片大小，但拥有PC的所有基本功能，只需接通电视机和键盘，就能执行如文档处理、程序编辑、硬件控制等诸多功能。3B型树莓派性能强大，搭载1.2 GHz的64位四核处理器，1 GB内存，内置无线Wi-Fi模块，方便联网。

设置树莓派的步骤：将树莓派连接显示器、鼠标、键盘、网线，把已经录入linux系统的SD卡插入树莓派，打开树莓派电源，进行系统安装；安装完系统后，进行无线设置，开通VNC、SSH连接和无线热点；接着安装python软件，配置ip地址及编程环境。设置好树莓派系统后，用笔记本连接树莓派无线热点，登陆树莓派系统。

3.2 电机驱动板

采用L298N为电机驱动芯片的电机驱动板。L298N是一种含有双H桥高电压、大电流电机驱动芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46 V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A，额定功率25 W。通过该驱动芯片驱动4台直流电机，其中左右两侧的电机各自两两并联，且提供PWM使能信号，控制小车的走向与速度。小车运动逻辑如表1所示。

表1 小车运动逻辑

3.3 循迹模块

采用HJ-IR1循迹模块。该模块的红外发射二极管不断发射红外线，放射出的红外线经过物体表面反射后被接受管接收，接收到的红外信号经过电压比较芯片进行信号比较和放大，然后输出低电平信号，当红外接收头没有接收到信号时，模块则默认输出高电平信号。黑色和白色对红外线的反射强度不同，循迹模块分别输出高低电平信号给树莓派，树莓派里的python程序通过分析判断，反馈信号给驱动板，控制左右侧电机的运转，从而改变小车的运动状态，实现循迹功能。

3.4 红外避障模块

采用HJ-IR2红外避障模块。红外发射二极管不断发射红外线，当红外接收器没有接收到信号时，模块默认输出高电平信号；当放射出的红外线被物体反射，被红外接收器接收时，并输出低电平信号。主控制器（树莓派）检测到返回的高低电平信号，通过python程序分析判断，输出信号给驱动板，控制电机的运转，实现遇障碍物小车自动启动停止的功能。

3.5 电池

电池采用双节的18650电池，单节电量2200 mAh，电压3.7 V，具有容量大、稳定性强、经久耐用的特点。

4 程序系统设计

利用python语言编写程序，程序流程为：程序初始化后，进入双线线程，一线为循迹运行程序，另一线为避障程序。避障程序通过反馈回的高低电平信号判断是否遇到障碍物，遇到则输出flag=0标志位，并停止小车运行；没遇到则输出flag=1标志位，并隔一段时间重新判断。循迹运行程序首先判断flag标志位的现状，如果flag=0则停止小车运行；如果flag=1则接着判断小车是否压到黑线（循迹线）：压线，则调整小车使其左转或右转；未压线，则正常直线行驶。最后，检测控制人员是否有发送终止指令给小车，有，则结束python程序；没有，则重新进入双线线程，开始新一轮程序运行。总程序流程如图4所示。

图4 总程序流程

5 实物展示

5.1 A G V智能车外观

循迹模块安装在小车底盘下面，跟红外线避障模块一起安装在车头，树莓派和电机驱动板一起固定在小车底盘上，电池的位置在小车车尾，未装上车壳时小车外观如图5所示。装上车壳后外观如图6所示，红外避障模块伸出车壳，其余大部分硬件被车壳包住。

图5 未装车壳外观

图6 小车整体外观

5.2 系统功能调试

如图7所示，在地板上贴黑色电工胶布作为小车循迹线，并要求循迹线不能有急弯出现，以免小车冲出跑道。经过测试，小车能够实现按照黑色轨迹线循迹行进的功能，且当在循迹线任意一处放置障碍板，小车能够实现避障停驶功能。有需要取货（运货）的人员，提前在黑色线上设置障碍板，红外避障模块检测到障碍物，反馈回树莓派，控制小车停下，取走（放置）货物并撤掉障碍板，小车继续前进，如此反复，完成运送货物流程。

图7 系统功能调试

6 总结

本文结合3D打印技术及智能硬件研制了一款AGV智能车，良好的车身结构完美契合小车零件，在保证强度的基础上，减轻了重量。通过编辑程序，实现小车沿黑色轨迹线循迹、遇障碍板自动避障的功能，整个过程完全自动运行，无需人工操作，可以用于厂内货物运送。该设计拆装方便、用处广泛、价格低廉，具有很大的实用及经济价值。