基于STM32的智能物料搬運(yùn)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖杰　譚寧寧　劉成鑫　巫幫錫　彭永康

摘要：根據(jù)2018年第五屆湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的要求，設(shè)計(jì)制作了基于STM32的智能物料搬運(yùn)小車。小車由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和硬件控制電路部分組成，具有場(chǎng)地目標(biāo)位置識(shí)別、自主路徑規(guī)劃、自主移動(dòng)、二維碼讀取、物料顏色識(shí)別或形狀識(shí)別、物料抓取和搬運(yùn)等功能。在競(jìng)賽過程中，較好地完成了比賽任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：STM32;智能物料搬運(yùn);工程訓(xùn)練競(jìng)賽;二維碼讀取

中圖分類號(hào)：TP368.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.064

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是教育部舉辦的全國(guó)性賽事，旨在鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力與應(yīng)用創(chuàng)新意識(shí)。在2018年湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中，要求自主設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)能執(zhí)行物料搬運(yùn)任務(wù)的智能移動(dòng)小車，小車能夠在規(guī)定場(chǎng)地內(nèi)自主行走，通過掃描閱讀二維碼領(lǐng)取任務(wù)，自主尋找、識(shí)別任務(wù)指定的物料，按任務(wù)要求的順序?qū)⑵浒徇\(yùn)至指定的存放地點(diǎn)，并按照要求的位置和方向擺放。競(jìng)賽場(chǎng)地三維示意圖如圖1所示。

1 設(shè)計(jì)思路

通過分析比賽要求，首先對(duì)小車進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，確定各部分主要功能;然后對(duì)小車各機(jī)械單元與電路控制單元進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)基于STM32的智能物料搬運(yùn)小車。主控電路采用嵌入式方案，其上面帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及任務(wù)內(nèi)容顯示裝置;智能物料搬運(yùn)小車尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)為能夠通過A4紙相當(dāng)大小的門框，且小車可折疊，但通過A4紙門框之后能夠自行展開;進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮強(qiáng)度，易裝配性，可加工性。為了實(shí)現(xiàn)便捷移動(dòng)，采用麥克納姆輪，抓取靈活采用六自由度機(jī)械臂;攝像頭獲取物料顏色與形狀信息;掃碼器掃碼接收任務(wù)信息;激光測(cè)距傳感器和三軸陀螺儀實(shí)現(xiàn)小車定位;單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

2 小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車整體由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和硬件控制電路部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括底板、麥克納姆輪和機(jī)械臂。硬件控制電路部分由攝像頭、激光測(cè)距傳感器、三軸陀螺儀、二維碼掃碼器和STM32單片機(jī)組成。小車總體原理框架如圖2所示。

3 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車機(jī)械部分包含行走機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)兩部分，行走機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪和底板組成，抓取機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂和機(jī)械爪組成。麥克納姆輪能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動(dòng)，在需要轉(zhuǎn)向時(shí)可以直接反向運(yùn)動(dòng)，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置，底板采用環(huán)氧板，具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn);機(jī)械臂使用鋁制材料制作，可以最大程度地減輕整車質(zhì)量，而且機(jī)械臂設(shè)計(jì)為可折疊形式，節(jié)省空間。

使用6個(gè)大功率數(shù)字舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的每一個(gè)關(guān)節(jié)，使機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，夾取物料靈活快捷，控制精度高而且比較穩(wěn)定;機(jī)械爪采用3D打印制作，內(nèi)部夾持面設(shè)計(jì)為深溝狀且?guī)в蟹阑瑮l紋，在夾取時(shí)能夠更加穩(wěn)定準(zhǔn)確;部分安裝零件采用注塑成型制作，減少零件數(shù)量，降低裝配要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用SOLIDWORKS進(jìn)行整體仿真以及有限元與力學(xué)分析。

4 小車硬件電路及軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1.1 顏色識(shí)別單元

物料顏色識(shí)別采用OPENMV攝像頭，Python編程，功能完備，能夠快速識(shí)別物料顏色信息并傳輸給主控單元。

4.1.2 任務(wù)信息掃碼單元

采用掃碼器模塊快速掃碼，獲取搬運(yùn)任務(wù)信息，并將任務(wù)信息傳送給單片機(jī)處理，從而準(zhǔn)確完成指定任務(wù)。

4.1.3 主控單元

采用STM32F407VET6芯片為核心的主控制器，處理速度可達(dá)168 MHz。主控單元上設(shè)計(jì)有型號(hào)為MIC5219-3.3的5V轉(zhuǎn)3.3 V的轉(zhuǎn)壓芯片、雙路直流輸出電流平均為1.5A的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG，和實(shí)時(shí)顯示任務(wù)信息的顯示屏OLED。

4.1.4 整車定位控制單元

大功率激光進(jìn)行X軸定位，量程2m以上;小功率激光進(jìn)行Y，軸定位，量程1m以上。小功率激光的通訊方式為nc通信，其他單元均為串口通信。激光傳感器實(shí)現(xiàn)小車在競(jìng)賽場(chǎng)地的定位;三軸陀螺儀獲取小車在運(yùn)動(dòng)過程中的速度和加速度等信息，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使小車保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

4.1.5 電源單元

選用最大輸出電流為3A、轉(zhuǎn)換效率為92%的12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓模塊。由一節(jié)12V鋰電池分雙線輸入，一路直接接人電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，另一路則通過轉(zhuǎn)壓模塊將其轉(zhuǎn)為5V，給主控單元和舵機(jī)供電，每一部分都會(huì)有相應(yīng)的LED燈指示其供電狀態(tài)。

4.1.6 夾持單元

夾持動(dòng)作的完成采用的是大功率數(shù)字舵機(jī)，控制精度高而且穩(wěn)定，控制方式采用的是PWM波脈寬控制[1]。

4.1.7 底盤運(yùn)動(dòng)單元

選擇常規(guī)直流減速電機(jī)，結(jié)合TB6612電驅(qū)芯片和4路脈寬調(diào)制信號(hào)PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

在測(cè)試與競(jìng)賽中首先開啟各單元電源，然后主控板進(jìn)行復(fù)位，程序初始化完成，串口中斷開啟，主控單元實(shí)時(shí)讀取三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、大小激光數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)以及掃碼模塊數(shù)據(jù)，機(jī)械臂初始化到固定姿態(tài)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鍵，給定掃碼區(qū)域坐標(biāo)，主控單元進(jìn)行PID運(yùn)算，底盤運(yùn)動(dòng)[2]。在此過程中攝像頭顏色識(shí)別開啟，從左到右依次識(shí)別各個(gè)物料的顏色及對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，以節(jié)省競(jìng)賽所用時(shí)間。小車到達(dá)掃碼區(qū)自動(dòng)識(shí)別二維碼信息，主控單元開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，獲取抓取物料的顏色、坐標(biāo)以及相應(yīng)存放點(diǎn)的坐標(biāo)，底盤與機(jī)械臂相結(jié)合依次取放物料，在完成所有任務(wù)后，小車返回起點(diǎn)。

5 結(jié)論與討論

結(jié)合比賽要求，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)智能物料搬運(yùn)小車系統(tǒng)。對(duì)小車取放物料精度、任務(wù)完成時(shí)間進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及測(cè)試，小車達(dá)到比賽設(shè)計(jì)要求，能較準(zhǔn)確地取放物料，較快完成比賽任務(wù)，比賽用時(shí)約21 s。在2018年湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中排名第二，還被評(píng)為省一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫亞星，王景貴，張志強(qiáng).基于STC12C5A60S2的電控?zé)o碳小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2018， 46（ ll）：2257-2261.

[2]陳飛躍，涂亞東，殷華鋒，等.新型智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（ll）： 71-73.