基于AGV技术的大中型报废客车移动装置研究①

周 稳, 陈 丰, 陈 蒙

(安徽科技学院机械工程学院,安徽 滁州 233100)

0 引 言

客车作为重要的城市交通工具,在其保有量逐年增长的同时报废量也与日递增[1]。由于报废客车的体积较大、部分运动结构缺失,所以在运输过程中安全性较低且移动困难[2]。当前的报废客车拆解行业鲜有针对报废客车的移动装置,难以实现运输安全化、拆解自动化[3]。所以,如何将报废客车安全有效的移动至拆解工位,成为了行业内亟需解决的问题。AGV导航技术在工业运输及仓储中占据着重要的地位,是定位技术的核心之一[4]。周子杨[5]通过研究现有任务的调度算法,明确单AGV多对象任务等缺陷,提出短距离目标的任务调度算法来解决材料生产车间中多对象任务的调度问题。实现AGV小车在没有先验知识前提下进行导航任务。郭洪月[6]结合某商场地下停车场的实际建设情况,基于时间窗的动态调度策略,提出一种复合权重AGV路径规划模型,解决了AGV路径规划运行冲突及资源利用率等问题。本设计提出一种基于AGV导航技术的客车移动装置,通过AGV导向传感器所得到的位置信息,结合单片机控制系统,确定电机的速度和转向角。通过导向传感器,识别导引路线进行轨迹追踪,行驶期间通过雷达避障传感器对周围障碍物进行躲避。设备通过导引路线行驶至拆解工位,实施对中小型报废客车的立体化拆解。其结构简单,环境适应性强,可靠性和稳定性好,操作方便,具有良好的扩展性,给工业领域的导航系统提供了有益的参考。

1 结构设计

1.1 运输底盘整体结构设计及分析

为解决报废客车在拆解前普遍存在运动结构缺失、自主移动困难,难以满足拆解自动化要求等问题,将移动装置结构设计如图1所示,主要由AGV控制系统、液压升降机、伺服电机、蓄电池组和车架组成。控制面板显示如电量、工作状态及里程。在工作状态中,装置通过识别传感器对引导磁条进行识别,控制器通过控制电机、舵机电压信号的改变,实现对车轮的旋转方向和旋转速度的控制并实时对路径偏差进行调整,装置行驶至客车底部触发限位开关,装置停止,触发升降机构信号,液压缸开始举升至预定位置,后按照指定的路径实施搬运。行驶至拆解工位停止,触发升降机构信号,液压缸下降至预定位置,装置驶离,重复工作。

图1 中小型报废客车移动装置示意图

1.2 升降底板的设计及有限元分析

中小型客车的重量约为5-15t,车身材料主要由高强钢、铝合金、镁合金和塑料组成[7]。考虑到使用强度,升降底板采用合金钢制成,合金钢的性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

该模型在保证零件整体有限元分析精度的前提下,简化了模型的棱角、圆角、倒角等细节。对升降底板进行有限元分析,将底面八个与液压缸接触位置固定,对升降底板和客车接触面施加150k N的力,网格大小为50mm。

由图2a应力图可知受力最大部位在升降底板与液压杆接触位置,应力大小为3.904×107N/m2,远远小于许用应力。图2b所示底板边缘有微量变形,总位移量为2.264mm在正常形变范围内,不影响正常使用。图2c所示应变量最大部位在升降底板与液压杆接触位置,应变量为9.283×10-5满足使用要求。对底板进行应力应变分析。可知其主要应力应变部位为底板与液压缸接触部位,变量均在可变范畴内,因此底板满足移动装置搬运客车的操作。

图2 升降底板应力、位移、应变分析

1.3 液压缸选型

1.3.1 缸主要尺寸计算

选取客车质量m为15000kg,8个液压缸的每个缸最大起重质量M=m/8=1876kg,工作的平台最大起升高度h=0.15m,上升速度与下降速度相等v=0.01m/s,液压平台上升的最大载荷Fmax=Mg=18.75k N。液压缸的机械效率η=0.95。根据液压缸内径D公式计算,如式(1):

解得D=0.09152m,圆整成标准值后,得液压缸内径D=100mm。

1.3.2 缸筒壁厚计算

液压缸的内径D为100mm,通过检查手册,确定液压缸外径D1为133mm,缸壁厚度为16.5mm。一般按常规方法选择能满足其强度的液压缸壁厚,但为了安全起见还需要校核,如式(2)。

式(2)中:p y缸筒试验压力(缸的额定压力p n≤16MPa时,p y=1.5p n;缸 的 额 定 压 力p n＞16MPa时,p y=1.25p n);［σ］—缸筒材料的许用拉应力;D—缸筒内径;δ—缸筒壁厚。

考虑到材料的抗拉强度,选用45号钢,调质241-285 HB,查阅相关文献可知45号钢的抗拉强度为530-598MPa,通过代入公式计算满足强度需求。

1.3.3 活塞杆强度校核

活塞杆的强度按式(3)-(4)校核。

式中:d为活塞杆的直径;Fmax为活塞杆上的作用力;n为安全系数,一般取2～4。

活塞杆在受拉力作用时,通过受理情况确定,d=0.3～0.5D。受压力作用时:P＜5MPa时,d=0.5～0.55D;5MPa≤P＜7MPa时,d=0.6～0.7D;P≥7MPa时,d=0.7D。

因为P=3MPa,D=0.09152m,故d=0.050366m,经过查阅相关文献,选取活塞杆直径d为56mm。

图3 液压缸尺寸示意图

2 控制系统设计

系统选用STC89C52RC芯片为主要控制硬件,由不同的模块组成,其中有电源管理模块、路径信息采集模块、电机控制模块、显示模块[8]。配合编程软件,通过编写程序对不同的传感器采集数据传递给单片机处理执行相应的命令,实现相应的功能,并基于控制原理制作系统原理实验小车[8]。

图4 硬件示意图

2.1 系统设计主控制模块

主控制模块是系统能够正常运行的核心,实验小车系统选择8位微控制器STC89C52单片机,控制器对所控制模块进行指导。设计中采用超声波避障方案,通过STC89C52的I/O收集并处理系统信号,完成对障碍物的躲避,电机的信号由P0口输出,实现对小车良好控制的目标[10]。

图5 51单片机最小系统

2.2 电机控制模块

装置运行过程中是以电机带动的,装置运动采用电机的正反转来实现,行进中的路况信息能以电信号反应在单片机之上。电机驱动模块可以将单片机给出的信号通过桥式驱动电路转化为小车的运行状态[10],研究中运用的系统采用的也是桥式驱动电路,设计给系统原理实验智能小车装配L293D-H桥电驱动芯片,同时在小车底板上安装了2个电机,电机型号AIRPAX,工作电压为5V,车轮采用的是直径65mm宽度25mm的防滑车轮。两个减速马达配合万向轮在单片机对L293D的控制下实现小车的前后左右行驶[9]。

图6 LCD1602液晶显示屏及电路图设计

图7 超声波避障模块及电路图设计

2.3 显示模块

显示模块采用的是字符型LCD1602液晶显示屏,用于运输装置上可直接显示电量、工作状态和里程,是一种体级小、重量轻、功率消耗低、显示质量高、无电磁辐射的数字式接口显示器。

2.4 避障模块

避障系统是循迹车辆的辅助系统,满足车辆在循迹过程中遇到障碍物主动避障功能。目前在循迹车辆的设计方案中,采用超声波和红外线避障共同作用的方式。避障系统采用HC-SR04超声波模块,能够进行准确测距非接触式距离精度在2cm到400cm,HC-SR04包括控制电路、接收器、发射器以及超声波4部分,具有3mm测距精度[11],运行效果较为显著。使用过程中既符合了系统运行要求,同时其抗干扰性能与精度也相对较高。小车运行过程中避障模块能够有效处理地面上一些不可穿越的障碍,对此进行正确判断,并给出相应的应对之策[12]。

3 仿真分析及模拟场地调试实验

进行了Motion动力学仿真,仿真结果可看出,在最大负载情况下,液压缸所提供的力,可平稳的对报废大客车进行顶升的动作,且该装置加入缓冲部件,如图8所示也起到了很好的缓冲效果,能够进一步保证作业过程的安全性。同时如8b所示,也验证了液压缸提供的力,对负载作用的线性输出,和具有很好的缓冲效果,模拟论证了装置的实用性和可行性。

图8 运动仿真图

系统原理实验小车配备了LM324红外信号转换芯片,采用四个红外循迹摄像头,分别位于车辆的首端和尾端,当车辆接收到向前行驶的命令时,首端两红外循迹摄像头开始工作,当车辆接收到向后行驶的命令时,尾端两红外循迹摄像头开始工作。两摄像头间距满足实验轨道宽度的需求,两个红外摄像机被放置在轨道的外侧。当小车行驶时,一旦小车偏离了行驶轨道就会进行相应的转向调整,直到中间的两个红外装置同时检测到黑线继续行驶[13]。

图9 红外循迹摄像头及电路图设计

经过对系统原理实验小车各模块的搭建,进行模拟场地实验。将程序导入STC89C51RC单片机中,经过反复的调试,模拟程序运行正常,小车能够沿黑线进行正常行驶。这更进一步的验证了系统设计的可行性,达到了预期的效果。

图10 系统原理实验小车模拟场地调试

4 结 语

基于AGV导航技术的中小型报废客车运输底盘在不破坏报废客车原有机构的前提下完成了:(1)对报废客车的自动化运输;(2)不仅提高了车辆运输效率,还大量地节约了人工成本,并把工人的安全风险系数降至最低;(3)迈出了自动化拆解中小型报废客车的第一步,具有一定的研究意义与创新价值。

该运输装置在结构上设计简单,系统可靠性高、成本低廉,具有广泛的实用价值,且易于移植到各种自动运输领域当中。但设计中还有诸多不足:(1)设备控制不够灵敏;(2)从仿真运行效果看缓冲不够充分。在后期的实验中会逐步完善。