智能仓储堆垛叉车自动转向系统的设计与优化

摘要

自动转向控制技术是控制系统根据上位机发送的控制指令，控制转向执行机构驱动转向轮实现目标转向角度，从而对转向过程实现自动化的控制。自动转向控制技术作为自动导航车辆实现智能化的关键技术之一，其执行效果的好坏直接决定了自动导航车辆工作的精准性和稳定性等。本文以电动小车作为自动转向的实验平台，设计了一套能够适用于智能仓储堆垛叉车的自动转向系统。本文的主要研究内容有如下几个方面：
　　1）通过对国内外自动转向系统的研究现状的对比分析，同时结合智能仓储堆垛叉车自身的特点，提出了一套以电机控制为主的设计方案。以STC89C52RC单片机为控制系统的核心，以带死区的PD控制算法为转向系统的核心控制算法，在尽量不改变电动小车原有转向机构的原则下，以步进电机作为转向系统的驱动电机，通过设计同步带和同步轮的传递机构将转向驱动电机的转矩传递至电动小车转向轴从而驱动电动小车转向前轮实现相应的转向动作。与此同时,在电动小车转向前轮与前桥连接处安装绝对值型编码器用来测量转向前轮的实时转向角度，从而实现对转向驱动电机的闭环控制，最终实现对电动小车转向过程自动化的控制。
　　2）针对所提出的执行机构的设计方案进行了相关的研究与设计工作，主要包括步进电机的选型、同步带传动的设计与计算等，并根据电动小车转向系统的结构特点对转向执行机构与编码器进行了安装与固定。
　　3）依据所设计的转向执行机构对自动转向控制系统的硬件控制电路进行了设计，主要包括主控单片机的最小系统、步进电机驱动模块、液晶显示模块、角位移传感器上拉电路等。在转向控制系统硬件电路的基础上进行了转向控制系统的软件设计，主要包括角位移信号采集及处理程序、步进电机驱动程序、串口通信程序和PD控制算法程序等。
　　4）针对自动转向控制系统的设计，在设计过程中进行了一些相应的验证性试验，试验内容主要包括角位移传感器标定试验、步进电机性能测试试验以及PD控制算法系数整定试验。最后，为了验证所设计完成的自动转向系统是否达到响应速度快、控制精度高、稳定性强等设计要求，针对智能仓储堆垛叉车在直线行驶过程中出现的小角度的摆动和车辆转弯过程中的大目标角度的转向，对所设计的转向系统进行了转向闭环试验，并根据系统在目标角度附近波动情况在程序中加入了死区区间，其范围为[-0.2,0.2]。实验结果表明，所设计的自动转向控制系统响应速度快较快，最大超调量低于15％，能够较快稳定下来，没有出现反复的回摆现象，能够较好的实现对自动导航车辆的自动转向的控制。

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1 前言

1.1 研究背景

1.2 自动转向系统的研究现状

1.3 课题研究目的与内容

1.4 本章小结

2 自动转向系统总体方案的设计

2.1 系统设计要求

2.2 自动转向系统总体方案的设计

2.3 本章小结

3 自动转向系统机械结构的设计

3.1 引言

3.2 步进电机的匹配选型

3.3 同步带传动的设计

3.4 执行机构的安装

3.5 编码器的安装

3.6 本章小结

4 控制系统硬件电路与软件的设计

4.1 引言

4.2 硬件电路的设计

4.3 控制系统软件的设计

4.4 本章小结

5 自动转向控制系统的试验分析

5.1 步进电机性能测试试验

5.2 编码器的标定试验

5.3 PD控制算法系数整定试验

5.4 转向闭环测试

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论分析

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录A 控制系统主程序