車型搬運(yùn)機(jī)器人

雷忠雨 葉斯林

車型搬運(yùn)機(jī)器人比賽是國內(nèi)機(jī)器人比賽的常見項(xiàng)目之一，它的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)小型輪式機(jī)器人，模擬工業(yè)自動(dòng)化過程中自動(dòng)化物流系統(tǒng)的作業(yè)過程，在比賽場地內(nèi)將不同顏色但相同形狀的物料分類搬運(yùn)到指定的目標(biāo)區(qū)域，比賽成績根據(jù)規(guī)定時(shí)間內(nèi)機(jī)器人所放置物料的位置精度、數(shù)量確定。項(xiàng)目的比賽場地如圖1所示。

2017年暑假，我們參加了由清華大學(xué)組織的“登峰杯”全國中學(xué)生機(jī)器人大賽車型搬運(yùn)項(xiàng)目的比賽。了解項(xiàng)目的競賽規(guī)則后，在老師的指導(dǎo)下，我們首先對項(xiàng)目的任務(wù)進(jìn)行分析，確定了系統(tǒng)方案，接著按照系統(tǒng)方案進(jìn)行了硬件選型和系統(tǒng)搭建，編寫相應(yīng)的控制程序和循跡程序，初步達(dá)到了項(xiàng)目的功能要求。最后通過系統(tǒng)調(diào)試不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，使系統(tǒng)不斷完善。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車系統(tǒng)的硬件主要由主控及顯示模塊、電源模塊、循跡模塊、運(yùn)動(dòng)與控制模塊、顏色識(shí)別模塊和物體分揀抓取模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控模塊主要采用STM32F407型ARM芯片，它具有低功耗、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

電源模塊主要包括一個(gè)7.4V的鋰電池和直流電壓變換電路，保證不同的硬件模塊對電源電壓的要求。

循跡時(shí)我們采用的是6路紅外循跡模塊。紅外循跡模塊的原理是：每一路含發(fā)射管和接收管，發(fā)射管發(fā)射紅外光，接收管接收反射的紅外光產(chǎn)生電壓，接收的反射光越強(qiáng)產(chǎn)生的電壓越低。由于黑色與白色的反射系數(shù)不同，白色反射的光強(qiáng)大，產(chǎn)生的電壓低；黑色反射的光強(qiáng)小，產(chǎn)生的電壓高。接收管集電極輸出接入比較器，通過門限判決電壓區(qū)分黑色與白色。在循跡過程中，門限電壓的設(shè)置直接影響著循跡結(jié)果，實(shí)際操作中需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置。

運(yùn)動(dòng)與控制模塊采用三輪結(jié)構(gòu)，其中雙向電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)兩輪，負(fù)責(zé)各種方式的行進(jìn)及轉(zhuǎn)向，后方的萬向輪起支撐平衡作用。

顏色識(shí)別模塊采用LY-64 TCS3200顏色傳感器，如圖3所示，它是一款全彩的顏色檢測器，該傳感器安裝在機(jī)械爪后部，便于抓取時(shí)識(shí)別顏色。為減少外界光源對顏色傳感器的干擾，我們對機(jī)械爪進(jìn)行遮光處理，并在其上部安裝了遮光板。

物體分揀抓取模塊由分揀鉤子和機(jī)械爪組成。其中分揀鉤子由兩個(gè)舵機(jī)控制，一個(gè)舵機(jī)控制鉤子的偏轉(zhuǎn)角度，另一個(gè)控制鉤子的起降。機(jī)械爪直接由舵機(jī)控制開合。

二、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，能否準(zhǔn)確完成任務(wù)還需在實(shí)際場地進(jìn)行調(diào)試。

首先是循跡中門限電壓的設(shè)置。在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)，如果門限電壓設(shè)置得較高就會(huì)出現(xiàn)對黑線邊緣不敏感的問題，導(dǎo)致小車對偏差不能及時(shí)響應(yīng)。但是，如果將門限電壓調(diào)得過低又會(huì)出現(xiàn)對干擾太敏感的問題，比如易受字母干擾。經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析，最終我們采用門限電壓中間4路0.5V，邊緣2路0.7V的方案。

第二是循跡算法。我們主要利用6路紅外循跡模塊檢測小車是否偏離軌跡，并通過調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速及時(shí)調(diào)整方向，保證小車沿黑線穩(wěn)定行駛，如圖4所示。

這里我們以右偏為例進(jìn)行說明。圖a是小車正常行駛時(shí)6路紅外循跡模塊輸出，此時(shí)，左右輪轉(zhuǎn)速均為8；當(dāng)L3輸出為1，其他輸出為0時(shí)，小車向右微偏（如圖b所示），此時(shí)將左輪轉(zhuǎn)速調(diào)整為7。當(dāng)L2輸出為1，其他輸出為0時(shí)，小車向右偏較大，此時(shí)將左輪轉(zhuǎn)速調(diào)整為6。當(dāng)L1輸出為1，其他輸出為0時(shí)，小車向右偏很大（如圖d所示），此時(shí)將左輪轉(zhuǎn)速調(diào)整為5。左偏的情況類似。

按以上循跡算法，小車基本能穩(wěn)定行駛。但在多次試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)小車在中心附近時(shí)，由于黑線較多，循跡容易受到影響，這時(shí)原來的循跡算法適用性就不夠強(qiáng)。

由此，我們采取了不同的循跡策略：在中心附近小范圍內(nèi)只使用中間四路進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)出現(xiàn)任意四路同時(shí)檢測到黑線時(shí)小車不調(diào)整。

第三是物件放置問題。要想將物件放到位，首先必須做到小車顏色識(shí)別正確，這涉及顏色判斷問題。為此，我們編寫了顏色測試程序，通過各種光照條件下不同顏色的RGB值確定顏色判斷閾值，實(shí)現(xiàn)顏色準(zhǔn)確識(shí)別。除準(zhǔn)確識(shí)別顏色外，將物件放到位還需要小車跑到位、轉(zhuǎn)到位。

我們在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，小車在循跡中不斷調(diào)整會(huì)產(chǎn)生行駛距離偏差和轉(zhuǎn)向角度偏差。針對行進(jìn)距離偏差，我們根據(jù)場地的特點(diǎn)，以內(nèi)圈為參照物，采用經(jīng)過內(nèi)圈重新計(jì)算行駛距離的方法來減少累積誤差。針對轉(zhuǎn)向角度偏差問題，我們通過指南針模塊進(jìn)行糾正，達(dá)到了較好的效果。

第四是抓準(zhǔn)問題，在測試中我們發(fā)現(xiàn)，它與分揀位置和分揀鉤角度有關(guān)系。我們通過多次試驗(yàn)，確定小車停靠位置與鉤子偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)鉤取。

通過上述四方面的調(diào)試與改進(jìn)，我們的小車循跡、行駛更穩(wěn)定，抓取、顏色識(shí)別更精確，物件擺放更到位。

參加這次活動(dòng)讓我們?nèi)媪私饬藱C(jī)器人，熟悉了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，掌握了軟件編程方法，提高了分析問題、解決問題的能力。