基于ARM的智能搬運機器人設計

何丙祿

摘 ? 要：文章設計的是一款以STM32微控制器為控制核心的可實現尋跡駕駛、避障和抓取物體功能的智能搬運機器人，微控制器可以處理外圍的尋跡模塊和避障模塊采集到的信號，保證機器人穩定的運行和能做出避障動作，并配有4個舵機構成的四自由度機械臂，整個系統由鋰電池供電，保證整個系統供能穩定運行。

關鍵詞：微控制器;機器臂;尋跡;避障

智能小車發展十分迅速，主流的是自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV），但是AGV僅有搬運功能，本作品主要是通過識別地面上的黑線來判斷小車需要行駛的方向，通過超聲波模塊來判斷是否有障礙物，并以此做出相應的避障動作，是結合機械臂和搬運車于一體的機器人，配置的機械臂可以實現對物體的搬運，加強工作性能[1-3]。

1 ? ?硬件系統設計

圖1是整個硬件系統的設計框架，采用STM32微控制器作為設計的控制核心。整個設計主要分為運送和抓取兩部分：（1）運送部分，由小車構成，車上搭載了電機驅動、循跡模塊和避障模塊，通過循跡模塊，可以識別地面的黑線，保證小車的正常運行。同時，為保障運行順暢，加入了避障模塊，將循跡和避障模塊采集到的數據，通過輸入/輸出（Input/Output，I/O）口發送給微控制器分析后控制驅動，保證小車的穩定運行。（2）抓取部分，由一個有4個舵機的機械臂完成，通過遠程手柄控制實現機械臂抓取物體。整個系統由鋰電池供電，但是由于微控制器所能接收到的電壓很小，所以加入穩壓模塊。

1.1 ?微控制器

STM32微控制器是一款32位微控制器，性價比高。STM32內部具備調壓器、精確的RC震蕩電路、時鐘控制電路、低壓檢測等豐富的功能，時鐘頻率可倍頻值為72～180 MHz。采用ARM架構，精簡指令集，豐富外設資源，本設計主要使用了處理器的0-13號管腳，來控制整個系統的運行，并使用了片內的模/數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）模塊、定時器串口等功能。

1.2 ?電機驅動及電壓轉換模塊

本系統驅動IC采用的是L298N芯片，這是驅動IC專門應用于小功率性的電機驅動。其驅動電流最大能達到2 A，平局電流能達1.5 A，使用于多數消費型電子產品。內部集成一個獨立的H橋，通過控制對應的I/O，可以控制電機的正轉、反轉等。

本系統需要使用多種電源供電，所以將輸入的電壓轉變成6 V和5 V的供電電源，對應的供給電機和微控制器使用。電源變化有多種技術，直流變換常用的就是BUCK降壓電源和現行電源。但現行電源的供電功耗大、易發燙，所以采用6 V電源直接供給驅動電機，而在微控制器的工作電流下，輸出電壓穩定。

1.3 ?尋跡模塊

機器人正常運行方式是兩個尋跡模塊都沒有接觸到黑線，但始終保持檢測。在整個過程中，如果1號和2號傳感器檢測到黑線，那么這兩個傳感器就會電平調變，此時微控制器做出反應，控制驅動使小車向左側行駛;同理，如果右側的3號、4號傳感器檢測到有黑線，那么就向右側行駛;這樣就能不斷調整方向，使小車保持直線狀態。轉向是通過4個輪子的差速完成的，對于不同的彎道調整轉速和方向。電路包括傳感器和調理電路兩個部分，傳感器部分有紅外發射管，主動發出紅外線，若有信號返回，接收管接收，證明地面有黑線;調理部分采用的是lm393型電壓比較器，內部有兩路電壓比較器，可同時比較兩路電壓。

1.4 ?避障模塊

超聲模塊有測距功能，利用該功能進行避障。模塊發出超聲波，遇到遮擋物返回聲波，對于返回的超聲波做出判斷，檢測并計算與前方的距離，程序預設一個臨界范圍，若在規定閾值內沒有檢測出障礙物，則機器人可以運行。該設計采用的是hc-sr04型超聲波，模塊上有VCC，GND、發射信號和接收信號4個引腳，供電電壓為5 V，信號管腳連接到微控制器的I/O口上。

1.5 ?機械臂及遙控模塊

機械臂是由4個舵機組成的四自由度機械手爪，每一個關節處都是由舵機支架連接在一起的，通過驅動給舵機供電，保證其運行。通過微控制器編寫的程序實現遠程的遙控控制，這樣保證其工作的準確度和穩定性。

按鍵模塊主要包括以下幾個部分：（1）整個系統的供電開關，采用自鎖式開關。（2）復位按鍵，在系統出現問題時，保證系統不被損害，設置復位按鍵。由于考慮按鍵的誤動作，常用軟件程序削抖，采用延時檢測的方法，延時5～10 ms再次判斷按鍵的按下情況，避免誤動作的發生。（3）遙控部分，使用PS2搖桿模塊，有發射端和接收端，分別在遠程操作者和機器人端實現遠程對接，完成遙控執行任務。

2 ? ?工作流程

程序開始對處理器進行初始化，初始化分為硬件模塊初始化和微控制器兩部分。內部為硬件模塊初始化，包括超聲波模塊初始化和循跡模塊初始化。內部配置包括微控制器的時鐘配置，輸出模式及管腳配置。之后進行尋跡模塊和超聲模塊數據采集，對采集到的數據進行判斷。判斷傳感器是否有識別到黑線，如果有則沿線行駛，如果未找到，則保持直行。判斷采集到的超聲數據是否有障礙物，如果有，則避開障礙物，如果未掃描到障礙物，則保持直行狀態。系統主流程如圖2所示。

3 ? ?結語

經過不斷的實驗，使智能搬運機器人工作正常，可以實現智能的尋跡駕駛和避障行為，同時，遠程可以操控舵機機械臂搬運物體。整個作品的完成過程，積累了很多的知識與經驗，將理論的知識和實際中的硬件設備結合在一起，更加理解智能產品的工作原理，受益匪淺。

[參考文獻]

[1]鄧哲宇.輪式移動機器人建模與運動控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[2]王大宇.輪式移動機器人控制系統的設計與實現[D].大連：大連理工大學，2013.

[3]王珊珊.輪式移動機器人控制系統設計[D].南京：南京理工大學，2013.