基于3D打印技術的A G V智能車研制

施勇猛

（閩南理工學院，福建 石獅362700）

0 引言

隨著時代的發展，AGV小車已經成為了現代物流的關鍵設備。利用3D打印技術的快捷與便利，可以實現AGV小車的快速制造，節約成本與時間。通過將3D打印部件與樹莓派、傳感器模塊等智能硬件進行結合，構造具有循跡行駛、自動避障功能的AGV小車。

1 總體設計

1.1 小車的組成

本項目所設計小車由3D打印車身、主控制器、電機驅動板、循跡模塊、紅外避障模塊、電池組成，通過良好的三維設計及3D打印制造，將所有零件系統性的整合在一起，構造成一輛完整的AGV智能車。該智能車由四個直流電機（TT馬達）驅動的四個車輪托載底盤，在底盤上面裝配3D打印的車身部件，主控制器、電機驅動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 行駛控制過程

將各個部件安裝好之后，利用主控制器（3B型樹莓派）里的python軟件編輯程序控制電機驅動板，驅動板的L298N驅動芯片可驅動四個直流電機，控制小車的走向與速度；驅動板上有多個傳感器模塊接口，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和障礙物距離信號，將電信號傳輸回主控制器，讓python程序進行軌跡判斷和距離判斷，自動反饋信號給驅動板，調整直流電機的運轉，并利用各輪差速進行小車轉向，實現小車沿黑色軌跡線自動行駛、遇障礙物自動啟停避障的功能。總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計

2 機械結構設計

2.1 車身結構

車身結構包括車殼、底盤、直流電機、車輪，如圖2所示為車身結構的三維模型設計裝配和分解圖，所使用的設計軟件為creo5.0。該車身結構的設計以簡約為基本原則，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，四個車輪裝在四個直流電機上，四個電機裝在底盤上，底盤與車殼可分離，且可根據智能硬件的大小及安裝位置在底盤上打孔，為小車進一步的裝配打下基礎。

圖2 車身結構

2.2 3D打印車殼

車殼是AGV小車的最大結構，也是最重的結構。3D打印技術，學名為“快速成型技術”，也稱為“增材制造技術”，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。本項目利用FDM型3D打印機打印，獲得的PLA材質車殼具有輕量、堅固、一體成型的特點，可完美契合小車其他部件，如圖3所示。

圖3 車殼3D打印實物

3 電控系統設計

3.1 主控制器

采用3代B型樹莓派為主控制器，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，只需接通電視機和鍵盤，就能執行如文檔處理、程序編輯、硬件控制等諸多功能。3B型樹莓派性能強大，搭載1.2 GHz的64位四核處理器，1 GB內存，內置無線Wi-Fi模塊，方便聯網。

設置樹莓派的步驟：將樹莓派連接顯示器、鼠標、鍵盤、網線，把已經錄入linux系統的SD卡插入樹莓派，打開樹莓派電源，進行系統安裝；安裝完系統后，進行無線設置，開通VNC、SSH連接和無線熱點；接著安裝python軟件，配置ip地址及編程環境。設置好樹莓派系統后，用筆記本連接樹莓派無線熱點，登陸樹莓派系統。

3.2 電機驅動板

采用L298N為電機驅動芯片的電機驅動板。L298N是一種含有雙H橋高電壓、大電流電機驅動芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46 V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A，額定功率25 W。通過該驅動芯片驅動4臺直流電機，其中左右兩側的電機各自兩兩并聯，且提供PWM使能信號，控制小車的走向與速度。小車運動邏輯如表1所示。

表1 小車運動邏輯

3.3 循跡模塊

采用HJ-IR1循跡模塊。該模塊的紅外發射二極管不斷發射紅外線，放射出的紅外線經過物體表面反射后被接受管接收，接收到的紅外信號經過電壓比較芯片進行信號比較和放大，然后輸出低電平信號，當紅外接收頭沒有接收到信號時，模塊則默認輸出高電平信號。黑色和白色對紅外線的反射強度不同，循跡模塊分別輸出高低電平信號給樹莓派，樹莓派里的python程序通過分析判斷，反饋信號給驅動板，控制左右側電機的運轉，從而改變小車的運動狀態，實現循跡功能。

3.4 紅外避障模塊

采用HJ-IR2紅外避障模塊。紅外發射二極管不斷發射紅外線，當紅外接收器沒有接收到信號時，模塊默認輸出高電平信號；當放射出的紅外線被物體反射，被紅外接收器接收時，并輸出低電平信號。主控制器（樹莓派）檢測到返回的高低電平信號，通過python程序分析判斷，輸出信號給驅動板，控制電機的運轉，實現遇障礙物小車自動啟動停止的功能。

3.5 電池

電池采用雙節的18650電池，單節電量2200 mAh，電壓3.7 V，具有容量大、穩定性強、經久耐用的特點。

4 程序系統設計

利用python語言編寫程序，程序流程為：程序初始化后，進入雙線線程，一線為循跡運行程序，另一線為避障程序。避障程序通過反饋回的高低電平信號判斷是否遇到障礙物，遇到則輸出flag=0標志位，并停止小車運行；沒遇到則輸出flag=1標志位，并隔一段時間重新判斷。循跡運行程序首先判斷flag標志位的現狀，如果flag=0則停止小車運行；如果flag=1則接著判斷小車是否壓到黑線（循跡線）：壓線，則調整小車使其左轉或右轉；未壓線，則正常直線行駛。最后，檢測控制人員是否有發送終止指令給小車，有，則結束python程序；沒有，則重新進入雙線線程，開始新一輪程序運行。總程序流程如圖4所示。

圖4 總程序流程

5 實物展示

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，樹莓派和電機驅動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 系統功能調試

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，以免小車沖出跑道。經過測試，小車能夠實現按照黑色軌跡線循跡行進的功能，且當在循跡線任意一處放置障礙板，小車能夠實現避障停駛功能。有需要取貨（運貨）的人員，提前在黑色線上設置障礙板，紅外避障模塊檢測到障礙物，反饋回樹莓派，控制小車停下，取走（放置）貨物并撤掉障礙板，小車繼續前進，如此反復，完成運送貨物流程。

圖7 系統功能調試

6 總結

本文結合3D打印技術及智能硬件研制了一款AGV智能車，良好的車身結構完美契合小車零件，在保證強度的基礎上，減輕了重量。通過編輯程序，實現小車沿黑色軌跡線循跡、遇障礙板自動避障的功能，整個過程完全自動運行，無需人工操作，可以用于廠內貨物運送。該設計拆裝方便、用處廣泛、價格低廉，具有很大的實用及經濟價值。