基于STM32單片機的物料搬運小車

王鑫 趙文鑫 衛國唯 李建航

摘 要：本設計以STM32單片機最小系統作為主控板，采用模塊化設計方案，包含紅外循跡傳感器模塊、超聲波測距模塊、二維碼識別模塊、顯示模塊、顏色識別模塊、機械臂模塊、電源模塊組成。本設計以普通四輪小車為載體。底部循跡傳感器用于檢測路面鋪設的循跡線;超聲波模塊測量小車距離圍墻的距離用于輔助定位;二維碼識別模塊通過掃描二維碼領取搬運任務;顯示模塊顯示任務信息;紅外傳感器用于檢測物料位置;顏色識別模塊檢測物料顏色;機械臂模塊執行抓取或放置動作;電源模塊為小車提供動力源;主控板根據各模塊的反饋信息控制小車自主搬運物料。

關鍵詞：循跡;物料搬運;紅外傳感器;機械臂

1 系統方案

1.1 系統原理

小車底部前后各裝有一個“5路”紅外傳感器即可保證小車前進沿循跡線行駛又可使小車在不調頭的情況下實現倒車循跡提高搬運效率。正常運行狀態中，小車循跡，行至任務點掃描二維并將信息顯示在TFT彩屏上，讀取搬運任務后，直接倒車行至物料提取區尋找物料。物料位置采用外部中斷觸發方式進行檢測，當側部紅外傳感器檢測到物料即產生一個下降沿信號觸發中斷，單片機調用中斷服務函數通過顏色識別模塊檢測當前物料顏色是否與任務一致，如果一致則抓取，否則繼續循跡尋找物料。當抓取到物料后小車即通過超聲波測距模塊測量一次距離，根據測得的數據判斷當前小車在場地的具體位置，然后自主規劃行至物料存放區的路徑，當行至物料存放區后放置物料并判斷是否全部搬運完成，如果完成則返回，否則行至提取區尋找物料。

1.2 系統論證

1.2.1硬件系統

（1）主控板。主控板上以STM32F103RCT6為主控芯片，包含最小系統電路、按鍵電路、TFT液晶屏接口電路、電機驅動電路。使用Altium Designer15繪制而成。（2）傳感器模塊。本裝置使用兩組（10個）紅外傳感器模塊用于循跡分別安裝在小車底部的前后端，用于檢測路面信息，使小車沿著既定黑線自主行駛;超聲波測距模塊型號為RCWL-1601;漫反射式光電開關安裝于側部用于檢測物料位置;二維碼識別采用GM65掃描設備模塊，支持TTL232和USB接口;顏色識別采用GY-33傳感器模塊。（3）機械臂模塊。機械臂由16路舵機控制板、4個MG96R舵機、機械爪、舵機支架構成，采用串口與主控板進行通信。（4）電源模塊。因機械臂與小車電機功率很大，且使用電池供電，如果使用普通電池則會發生當機械臂與小車電機同時工作時，因供電不足導致單片機掉電重啟，導致任務失敗。因此采用可輸出較大功率的12V航模電池此電池最大輸出電流可達10A足以滿足小車供電要求。因單片機與舵機工作電壓為3.3V和6V所以供通過兩個降壓模塊分別給單片機與機械臂供電，小車電機直接由12V電源供電。

1.2.2 軟件系統

（1）循跡部分。小車使用兩組4個直流電機提供驅動力左側2個電機為一組，右側2個電機為一組。單片機通過L298N驅動芯片可直接控制兩組電機正反轉與停止。進而實現小車前進、轉向及停車的功能，在前進過程中，單片機只讀取車頭一組傳感器狀態，后退過程只讀取車尾傳感器狀態，通過分析傳感器返回的信號，控制小車沿著規定路線行駛。（2）主從機通信部分。本裝置使用一主多從模式構建;其中16 路舵機控制板（驅動機械臂）、二維碼識別模塊、顏色識別模塊，均內嵌MCU，作為為從機;主機為主控板上的STM32單片機。因IIC通信需構建通信電路，且主控板串口資源豐富為方便起見主機與從機之間的通信通過3個串口實現。

2 系統測試

2.1 循跡測試

測試過程：賽道地面為整張廣告噴繪布鋪成，基色為淺藍（RGB值為200，225，255）;地面施劃有間隔為300mm的黑色方格線，經線為線寬20mm的單線，緯線線寬為15+10（間隔）+15mm的雙線。測試結果：小車可良好兼容經線與緯線差異自主尋跡。

2.2 超聲波測距測試

測試過程：將超聲波模塊單獨接在主控板上循環觸發模塊進行距離測量。測試結果：超聲波模塊測量數據準確，精度在1cm，能滿足定位要求。

2.3 機械臂測試

測試過程：將小車停放在物料提取區，單片機發送動作命令給舵機控制板，觀察機械臂是否可以順利完成指定動作。測試結果：機械臂可以牢固抓取與平穩放置物料。

2.4 二維碼識別測試

測試過程：單獨接上二維碼識別模塊，在距離二維碼20cm處進行掃描識別。測試結果：該模塊可正確識別二維碼信息。

2.5 顏色識別測試

測試過程：單獨接上顏色識別模塊，在距離物料1cm處進行顏色識別。測試結果：當物塊偏離顏色傳感器時該模塊出現一定概率的識別錯誤，為增強其正確率，在傳感器旁增加了補光燈，并進行多次測量穩定測量結果，經改良后可正確識別顏色信息。

2.6 綜合測試

測試過程：模擬第六屆工程訓練比賽場地，觀測小車是否可以完成比賽要求。測試結果：小車可沿黑線正確循跡，并在抓取物料后自主規劃路徑行至存放區。

參考文獻：

[1]張洋，劉軍.原子教你玩STM32（庫函數版）.2015（11）.

[2]鄒赫.影響電子通訊設備可靠性的因素及設備可靠性對策分析[J].信息與電腦（理論版），2014（07）.