基于3D打印技術(shù)的A G V智能車研制

施勇猛

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅362700）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，AGV小車已經(jīng)成為了現(xiàn)代物流的關(guān)鍵設(shè)備。利用3D打印技術(shù)的快捷與便利，可以實(shí)現(xiàn)AGV小車的快速制造，節(jié)約成本與時(shí)間。通過(guò)將3D打印部件與樹(shù)莓派、傳感器模塊等智能硬件進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造具有循跡行駛、自動(dòng)避障功能的AGV小車。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 小車的組成

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)小車由3D打印車身、主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、循跡模塊、紅外避障模塊、電池組成，通過(guò)良好的三維設(shè)計(jì)及3D打印制造，將所有零件系統(tǒng)性的整合在一起，構(gòu)造成一輛完整的AGV智能車。該智能車由四個(gè)直流電機(jī)（TT馬達(dá)）驅(qū)動(dòng)的四個(gè)車輪托載底盤，在底盤上面裝配3D打印的車身部件，主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板裝在車身與底盤之間，循跡模塊和紅外避障模塊安裝在車頭。

1.2 行駛控制過(guò)程

將各個(gè)部件安裝好之后，利用主控制器（3B型樹(shù)莓派）里的python軟件編輯程序控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板的L298N驅(qū)動(dòng)芯片可驅(qū)動(dòng)四個(gè)直流電機(jī)，控制小車的走向與速度；驅(qū)動(dòng)板上有多個(gè)傳感器模塊接口，選擇其中的接口連接循跡模塊和紅外避障模塊，分別采集黑色軌跡線信號(hào)和障礙物距離信號(hào)，將電信號(hào)傳輸回主控制器，讓python程序進(jìn)行軌跡判斷和距離判斷，自動(dòng)反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)板，調(diào)整直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并利用各輪差速進(jìn)行小車轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)小車沿黑色軌跡線自動(dòng)行駛、遇障礙物自動(dòng)啟停避障的功能。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 車身結(jié)構(gòu)

車身結(jié)構(gòu)包括車殼、底盤、直流電機(jī)、車輪，如圖2所示為車身結(jié)構(gòu)的三維模型設(shè)計(jì)裝配和分解圖，所使用的設(shè)計(jì)軟件為creo5.0。該車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)約為基本原則，以便于安裝、拆卸載貨裝置，有利于載送小型貨物。從分解圖中可以看到，四個(gè)車輪裝在四個(gè)直流電機(jī)上，四個(gè)電機(jī)裝在底盤上，底盤與車殼可分離，且可根據(jù)智能硬件的大小及安裝位置在底盤上打孔，為小車進(jìn)一步的裝配打下基礎(chǔ)。

圖2 車身結(jié)構(gòu)

2.2 3D打印車殼

車殼是AGV小車的最大結(jié)構(gòu)，也是最重的結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)，學(xué)名為“快速成型技術(shù)”，也稱為“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。本項(xiàng)目利用FDM型3D打印機(jī)打印，獲得的PLA材質(zhì)車殼具有輕量、堅(jiān)固、一體成型的特點(diǎn)，可完美契合小車其他部件，如圖3所示。

圖3 車殼3D打印實(shí)物

3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

采用3代B型樹(shù)莓派為主控制器，它是一款基于ARM的微型電腦主板，雖然只有名片大小，但擁有PC的所有基本功能，只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如文檔處理、程序編輯、硬件控制等諸多功能。3B型樹(shù)莓派性能強(qiáng)大，搭載1.2 GHz的64位四核處理器，1 GB內(nèi)存，內(nèi)置無(wú)線Wi-Fi模塊，方便聯(lián)網(wǎng)。

設(shè)置樹(shù)莓派的步驟：將樹(shù)莓派連接顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)線，把已經(jīng)錄入linux系統(tǒng)的SD卡插入樹(shù)莓派，打開(kāi)樹(shù)莓派電源，進(jìn)行系統(tǒng)安裝；安裝完系統(tǒng)后，進(jìn)行無(wú)線設(shè)置，開(kāi)通VNC、SSH連接和無(wú)線熱點(diǎn)；接著安裝python軟件，配置ip地址及編程環(huán)境。設(shè)置好樹(shù)莓派系統(tǒng)后，用筆記本連接樹(shù)莓派無(wú)線熱點(diǎn)，登陸樹(shù)莓派系統(tǒng)。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

采用L298N為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。L298N是一種含有雙H橋高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46 V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A，額定功率25 W。通過(guò)該驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)4臺(tái)直流電機(jī)，其中左右兩側(cè)的電機(jī)各自兩兩并聯(lián)，且提供PWM使能信號(hào)，控制小車的走向與速度。小車運(yùn)動(dòng)邏輯如表1所示。

表1 小車運(yùn)動(dòng)邏輯

3.3 循跡模塊

采用HJ-IR1循跡模塊。該模塊的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，放射出的紅外線經(jīng)過(guò)物體表面反射后被接受管接收，接收到的紅外信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓比較芯片進(jìn)行信號(hào)比較和放大，然后輸出低電平信號(hào)，當(dāng)紅外接收頭沒(méi)有接收到信號(hào)時(shí)，模塊則默認(rèn)輸出高電平信號(hào)。黑色和白色對(duì)紅外線的反射強(qiáng)度不同，循跡模塊分別輸出高低電平信號(hào)給樹(shù)莓派，樹(shù)莓派里的python程序通過(guò)分析判斷，反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)板，控制左右側(cè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而改變小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)循跡功能。

3.4 紅外避障模塊

采用HJ-IR2紅外避障模塊。紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外接收器沒(méi)有接收到信號(hào)時(shí)，模塊默認(rèn)輸出高電平信號(hào)；當(dāng)放射出的紅外線被物體反射，被紅外接收器接收時(shí)，并輸出低電平信號(hào)。主控制器（樹(shù)莓派）檢測(cè)到返回的高低電平信號(hào)，通過(guò)python程序分析判斷，輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)板，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)遇障礙物小車自動(dòng)啟動(dòng)停止的功能。

3.5 電池

電池采用雙節(jié)的18650電池，單節(jié)電量2200 mAh，電壓3.7 V，具有容量大、穩(wěn)定性強(qiáng)、經(jīng)久耐用的特點(diǎn)。

4 程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用python語(yǔ)言編寫程序，程序流程為：程序初始化后，進(jìn)入雙線線程，一線為循跡運(yùn)行程序，另一線為避障程序。避障程序通過(guò)反饋回的高低電平信號(hào)判斷是否遇到障礙物，遇到則輸出flag=0標(biāo)志位，并停止小車運(yùn)行；沒(méi)遇到則輸出flag=1標(biāo)志位，并隔一段時(shí)間重新判斷。循跡運(yùn)行程序首先判斷flag標(biāo)志位的現(xiàn)狀，如果flag=0則停止小車運(yùn)行；如果flag=1則接著判斷小車是否壓到黑線（循跡線）：壓線，則調(diào)整小車使其左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)；未壓線，則正常直線行駛。最后，檢測(cè)控制人員是否有發(fā)送終止指令給小車，有，則結(jié)束python程序；沒(méi)有，則重新進(jìn)入雙線線程，開(kāi)始新一輪程序運(yùn)行。總程序流程如圖4所示。

圖4 總程序流程

5 實(shí)物展示

5.1 A G V智能車外觀

循跡模塊安裝在小車底盤下面，跟紅外線避障模塊一起安裝在車頭，樹(shù)莓派和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板一起固定在小車底盤上，電池的位置在小車車尾，未裝上車殼時(shí)小車外觀如圖5所示。裝上車殼后外觀如圖6所示，紅外避障模塊伸出車殼，其余大部分硬件被車殼包住。

圖5 未裝車殼外觀

圖6 小車整體外觀

5.2 系統(tǒng)功能調(diào)試

如圖7所示，在地板上貼黑色電工膠布作為小車循跡線，并要求循跡線不能有急彎出現(xiàn)，以免小車沖出跑道。經(jīng)過(guò)測(cè)試，小車能夠?qū)崿F(xiàn)按照黑色軌跡線循跡行進(jìn)的功能，且當(dāng)在循跡線任意一處放置障礙板，小車能夠?qū)崿F(xiàn)避障停駛功能。有需要取貨（運(yùn)貨）的人員，提前在黑色線上設(shè)置障礙板，紅外避障模塊檢測(cè)到障礙物，反饋回樹(shù)莓派，控制小車停下，取走（放置）貨物并撤掉障礙板，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，如此反復(fù)，完成運(yùn)送貨物流程。

圖7 系統(tǒng)功能調(diào)試

6 總結(jié)

本文結(jié)合3D打印技術(shù)及智能硬件研制了一款A(yù)GV智能車，良好的車身結(jié)構(gòu)完美契合小車零件，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減輕了重量。通過(guò)編輯程序，實(shí)現(xiàn)小車沿黑色軌跡線循跡、遇障礙板自動(dòng)避障的功能，整個(gè)過(guò)程完全自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工操作，可以用于廠內(nèi)貨物運(yùn)送。該設(shè)計(jì)拆裝方便、用處廣泛、價(jià)格低廉，具有很大的實(shí)用及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。