基于物聯網的無人快遞車驅動控制研究

曾啟正 邱斯杰 曾仕峰 陳濤 劉宇亮 周永明 洪遠泉

摘 要：針對無人快遞車在校園及小區等已知規劃路徑條件的行駛問題，文中概述基于物聯網無人快遞車的驅動及控制方法，并從底層硬件電路設計和控制軟件設計兩個角度進行分析，提出一種更為有效的無人快遞車路徑循跡方法和應用思路。對于硬件電路方面，概述一種更為高效、安全的設計方案;對于軟件控制方面，概述一種雙PID閉環控制方法，在路徑量化數據已知的條件下實現更平穩、路徑跟隨更流暢的控制效果。經測試結果表明，該驅動和控制方法可以使無人快遞車更安全、準確地實現循徑運動。

關鍵詞：物聯網;無人快遞車;底層硬件電路;控制軟件;路徑循跡方法;雙PID閉環控制

中圖分類號：TP13文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-02

0 引 言

當下基于物聯網的無人快遞車[1]逐漸興起，以各種試驗的形式出現在眾多校園和小區內，但路徑行駛效果參差不齊，普遍存在安全隱患，導致無人快遞車仍無法普及于眾和大范圍商用。于是，在這個方面需要設計一種更為高效、安全的路徑循跡無人快遞車的底層硬件電路和控制軟件，以解決無人快遞車在運動過程中不夠安全的問題，并提高效率。

本設計在已有的方案上結合硬件驅動電路、增量式PID算法、位置式PID算法，以此解決物聯網快遞無人車在已獲取位置路徑信息的前提下如何高效、安全應對各種路徑的運動問題。

1 系統總體結構

運動控制整體結構如圖1所示，小車運動系統以STM32F103ZET6為運動控制核心。系統整體依賴供電部分為整個系統的運行提供電力，控制處理中心基于FreeRTOS操作系統[2]編程，通過接收來自檢測部分的信息，經過處理后發送驅動信號給電機驅動部分。供電部分包括蓄電池和過載保護模塊，檢測部分包括磁力計模塊和光電編碼模塊，電機驅動部分包括電機驅動模塊和減速電機模塊。

2 系統硬件設計

2.1 供電設計

本電路采用LM2596T開關電壓調節器[3]對12 V電池降壓，形成5 V穩定電源為單片機及外圍傳感器電路供電;采用AMS1117-3.3穩壓器對5 V電源進行二次降壓，形成3.3 V穩定電源為低電壓IC供電。通過對這兩種降壓穩壓器及相關電路的設計及運用，實現了整個電路的穩定工作，保證了系統的正常運行。

在傳統供電方案基礎上，本系統還增加了電壓電流過載保護電路，當系統電流過大或電壓超過額定值時，過載保護電路可自行切斷輸入電源，確保電路安全。

2.2 檢測設計

本系統采用光電編碼器對小車進行測速，將速度作為控制反饋量，以實現更好地控制小車行駛。光電編碼器是一種通過光電器件的接收和電子線路處理，產生特定的電信號后輸出，再經過數字處理可計算出位置和速度信息的傳感器。使用光電編碼器可以測量小車的位移或速度信息，還可以用來辨別轉向。

本系統采用矢量磁力計模塊，可以測量小車實時的車體方位[4]，結合定位系統可準確獲取小車的位置以及車體方向，確保小車控制的準確性和安全性。

2.3 電機驅動設計

系統采用TB6612FNG[5]作為小車電機驅動模塊，實現小車的驅動和換向功能，以及解決單片機I/O口帶負載能力較弱等問題。該模塊具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅動電機，利于減小系統尺寸。同時采用直流減速電機實現對無人快遞車的速度精確控制。這種直流減速電機中安裝減速器，其目的可以降低轉速，增加轉矩;減速后的電機力矩增大，可控性更強，可適用于多種地形。

3 系統軟件設計

本系統在服務端計算獲得已知規劃路徑量化數據的條件下，提出一種與上述底層硬件電路相適應的雙PID閉環控制器組合循徑控制方法，其中包含位置式PID-位置閉環控制

器[6]和增量式PID-角度環控制器[7]。以無人快遞車自身經緯度坐標為原點，將周圍環境進行二維平面網格化[8]，并將量化的路徑數據映射到網格交點上，網格間距（步進值）決定路徑循跡精度。在路徑量化數據映射至二維網格坐標系后，以小車所在原點作為出發點，坐標為（x0，y0），與原點最近的路徑交點坐標作為終點，坐標為（x，y）。以下分別分析兩種不同控制器，進而得出本控制方法原理。雙閉環PID組合控制邏輯框圖如圖2所示。

4 系統軟件流程設計

系統程序軟件執行流程如圖4所示。

系統程序步驟如下：

（1）系統初始化，控制處理中心、供電部分、檢測部分、電機驅動部分電路啟動;

（2）控制處理中心通過物聯網[9]獲取遠端服務器傳來的路徑信息，并上傳檢測部分的信息給遠端服務器以實時更新路徑信息;

（3）控制處理中心將接收的路徑信息進行雙PID控制算法處理并下達控制指令給電機驅動部分;

（4）電機驅動部分根據控制指令驅動無人快遞車運行，檢測部分反饋實時檢測信息給控制處理中心用于實時更新路徑信息。

5 結 語

隨著社會的進步與行業技術的發展，諸如快遞業這種傳統的勞動密集型行業將逐漸實現無人化[10]，無人快遞車將是一個主流發展項目。從目前已有對無人快遞車的相關報道和實驗顯示：目前已有的大部分快遞無人車的設計在驅動控制方面仍存在較多安全隱患。本設計從快遞無人車入手，主要提出了一種應用于無人快遞車的驅動控制方案，通過硬件設計和路徑處理算法兩方面進行優化，可以使無人快遞車變得更加高效和安全。目前本設計已完成各部分硬件測試和程序開發與測試，經初步測試，無人快遞車在多種不同路況下能實現自主循徑，基本滿足設計需求。綜上所述，本設計能夠順應產業升級的趨勢，擁有較高的安全性、實用性和市場價值。

目前，本設計已完成各部分硬件測試與軟件的開發，初步測試結果基本滿足設計需求，證明了本系統設計順應發展的趨勢，具有較高的使用價值和市場價值。

參 考 文 獻

[1]楊琪，李國卿，郝俊杰，等.智能快遞車自助寄取快遞系統的設計[J].機電技術，2017（2）：2-6.

[2]楊玥，邵浩然，張索非.FreeRTOS與μC/OS-Ⅲ內核分析及選型研究[J].科技視界，2018（24）：11-13.

[3]楊智清，范琦.基于LM2596芯片零起調直流穩壓電源的設計[J].電子測量技術，2018，41（22）：36-39.

[4]盧毅.小型航姿參考系統設計[J].傳感器與微系統，2019，38（4）：117-120.

[5]王建平，盧杉，武歡歡.TB6612FNG在直流電機控制設計中的應用[J].電子設計工程，2010，18（6）：65-67.

[6]胡志.基于PID控制的兩輪自平衡小車設計[J].電子質量，2017（12）：40-43.

[7]何俊龍，杜峰，關志偉，等.縮微智能車路徑跟蹤的增量式PID控制[J].天津職業技術師范大學學報，2018，28（2）：5-9.

[8]李圣強，姜立新，李閩峰，等.地理坐標下網格化數據等值線的處理及編程[J].山西地震，2002（2）：20-23.

[9]熊禮平.基于物聯網技術的車輛檢測器設計[J].物聯網技術，2018，8（9）：92-95.

[10]蔡虎.無人化技術推動實現商業目標[J].中國儲運，2018（7）：54.