摘 要

放眼当下电子商务的发展潮流，仓储服务已经成为人们日常生活中及其重要的一部分，然而在货物运输及装卸过程中，由于自动化输送设备的缺乏，工作人员劳动强度大，导致工作效率低等一系列问题的频发。因此，如何减少人力作业劳动强度，提高运输效率已成为一个亟待解决的问题。本文所开发的载运小车采用了惯性自导航技术，应用初始对准原理以及红外避障原理。该载运小车的控制部分主要有陀螺仪、加速度计和光电编码器。由陀螺仪、加速度计测定运动加速度，经运算得到载体速度，光电编码器用于对小车的位置参数加以修正，加装的红外传感器实现初始对准功能，光电传感器实现避障功能。载运小车的机械部分采用一种复合型连杆滑块机构，通过功能切换按钮，即可变换装载平台的载物方式，能够有效地使小车适应不同尺寸、不同形状的货物。小车的自动运输功能主要由捷联式惯性导航系统实现，可在某些信号传送不到的隐蔽场所或人力不及的地点实现完全的自动导航，为货物的安全高效运输提供保障。

在实验室环境下，通过对不同尺寸的货物载运对本文所开发的惯性导航载运小车的自动输送功能进行了反复测试，测试结果表明该设备实现了对货物的准确定位运输，工作效率得到提高，功能实现效果良好，达到预期设计要求。

关键词：惯性导航；初始对准；自动避障

Abstract

Nowadays, looking at the development trend of electronic commercey, storage services have become an indispensible part of our daily life. However, due to the lack of automated transport equipment and staff labor intensity, it will result a range of issues such as low efficiency of the process of transportation, loading and unloading frequently. Therefore, how to reduce labor intensity and improve transport efficiency has become a problem urgently to be solved. In this paper, the carrier designed applys the inertial navigation technology and initial alignment principle along with infrared obstacle avoidance principle. The control part of the carrier mainly consists of a gyroscope, accelerometer and optical encoder. Acceleration is measured to calculate the velocity of carrier by gyroscope and accelerometer. Photoelectric encoder is used to amend location parameter of carrier. Initial alignment is achieved by infrared sensor installed and obstacle avoidance function is realized by photosensor. Composite connecting rod slider mechanism is used in the carrier. Load modes of the load platform can be changed by function switch, so the carrier can adapt to packages of various sizes and shapes. The active transport function is achieved by strap-down inertial navigation system, it can totally achieve active navigation in concealment where signal or humanbeings can not reach.Therefore, safety and efficiency of freightage can be guaranteed.

Under laboratory conditions, the active transport function of the carrier designed in this paper is tested repeatedly by deliver different sizes of packages. The test result indicates that this equipment can achieve exact orientation of freight and work steadily. Also, it can realize function well and meet the design requirement expected.

Keywords: intertial navigat; initial alignment; automatic avoid obstacles

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 国内外相关研究现状 1

1.1.1 国内外市场现状 1

1.1.2 惯性导航技术发展现状 1

1.2 论文工作目的及意义 2

1.3 论文主要研究内容 3

第2章 基于惯性导航载运小车的总体设计 4

2.1 载运小车功能需求分析 4

2.2 载运小车的工作流程 4

2.3 惯性导航系统结构 7

第3章 载运小车惯性导航控制系统设计 8

3.1 控制系统选型 8

3.1.1 单片机选型分析 8

3.1.2 运动处理组件选型 9

3.1.3 驱动器选型 10

3.1.4 电机选型 11

3.2 控制回路的设计 11

3.2.1 初始对准功能分析 11

3.2.2 自动导航的设计 12

3.2.3 避障模块的设计 13

3.3 控制程序的设计 13

3.3.1 路径规划程序设计 13

3.3.2 避障模块程序设计 15

3.3.3 初始定位程序设计 15

第4章 载运小车机械结构设计 16

4.1 机械总体结构设计 16

4.1.1 底盘设计 16

4.1.2 抬升机构设计 17

4.1.3 扩展机构设计 19

4.1.4 部分专用零件的设计 22

4.2 重要零部件的强度校核 24

4.2.1 支撑柱强度校核 24

4.2.2 抬升模块连杆强度校核 25

4.2.3 扩展模块连杆强度校核 26

第5章 基于惯性导航的载运小车功能测试 29

5.1 实验装置及实验内容 29

5.2 实验操作流程 29

5.3 实验结果 30

第6章 总结与展望 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪 论

随着我国的销售行业的飞速发展，对物流服务水平要求越来越高。然而，现今的货物运输及货物装卸过程仍存在如野蛮装卸等诸多问题，进而诱发了如物流效率低、增加货物损耗等问题。这一现象主要由缺乏机械辅助装置引起，因此，开发自运输的载运小车，设计专门的自导航设备对货物进行准确安全的输送，具有重要的实际意义和应用价值。

本文所设计的自动导航载运小车基于捷联式惯性导航系统进行开发，综合运用惯性导航技术，实现精确定位并及时校正运动精度，能够自动避障，适用于不同尺寸、不同形状的货物运输。

1.1 国内外相关研究现状

现今市场经济发展迅速，各种智能运输方式层出不穷，与发达国家相比，我国缺乏在运输设备方面的开发研究力度，惯性导航技术的发展较缓慢。

1.1.1 国内外市场现状

在发达国家的仓储中，自动搬运小车已经得到广泛应用。国际电商巨头亚马逊在2012年收购了机器人公司Kiva Systems，其包裹运输由Kiva机器人完成，按照无线指令接收的订单，机器人依靠扫描地上铺设的条码前进，将货物所在的货架从仓库搬运到员工处理区，工作人员一小时内可挑拣、扫描300件商品，效率是原来的三倍^[1]。而位于加拿大安大略省基奇纳市的Clearpath Ronotics公司正在开发一款更为智能的仓储机器人，Clearpath的智能AGV能在仓库中移动并进行激光扫描，还能存储条形码^[2]。总体来说，发达国家用于仓储物流的自动搬运小车已经比较成熟，但仍存在局限性，目前已投入使用的小车都需要在仓库地面铺设专门的磁条或条码进行定位，并且大多需要借助外部信号进行导航。