基于STM32的模擬工業自動化智能搬運小車設計

周磊磊　余家天一　郭婋赫　周麗蓉　謝光前

摘要：本文研究的智能小車又叫輪式機器人，模擬工業自動化過程中自動化物流系統的作業過程。選用穩定的三輪結構車體，通過差速度，實現左轉右轉各種角度。采用STM32芯片作為嵌入式控制中心的核心，智能搬運小車系統由嵌入式STM32最小系統板結合穩壓電源模塊、電機驅動模塊、灰度傳感器模塊、顏色識別模塊等組成。

關鍵詞：智能小車;自動化;STM32;顏色識別;嵌入式

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0257-03

1 引言

隨著工業4.0的發展，越來越多的工業工廠開始轉向自動化和智能化的方向。工業4.0是一個利用信息技術促進工業轉型的時代，包括從集中控制到分散強化控制的基本模式轉變。目的是為個性化和數字化產品和服務創建方便快捷的生產形式。在這種形式下，以前的工業界限將消散，各類新的模式和合作方式將出現。締造新價值的過程正逐漸變化，產業鏈中的各個部分將會重組。工業4.0是一個工業的技術改造和工業改造。工業4.0所講到的智能制造面向商品的整個生命周期，在無處不在的傳感條件下完成信息化制造。經過感知、人機交互、決策、實行和應答，實現智能產品生產、制造過程和工廠智能化管理。它是信息技術與制造業的深度集成和集成技術[1-4]。

最近幾年，國內先后出現了一系列機器人競賽，機器人比賽一方面能夠推動技術進步，很多比賽項目都是基于一些實際社會生產中的問題，以中國工程機器人大賽的搬運組比賽而言，比賽的任務是將不同顏色的物料送到對應顏色的位置，模擬了工業自動化生產中物流運輸。現如今，很多工業正向自動化、智能化轉型，提高生產效率。另一方面機器人比賽促進學校教育，想要設計一輛符合比賽要求的輪式小車，需要多方面的知識，以及一定的實踐經驗。通過參加比賽，將所學的知識應用于實際，增加動手能力，邏輯分析能力，進一步鞏固學到知識。

2 智能小車硬件系統結構[5]

智能小車系統結構如圖l所示，包含核心系統板、電源模塊、循跡模塊、顏色識別模塊、電機驅動模塊、OLED顯示模塊等部分。在小車搬運過程中，電源模塊給核心板、循跡模塊等各個模塊供電，循跡模塊和顏色識別模塊將采集到的數據發送給ARM控制器，控制器負責多采集到的數據進行處理，并且控制舵機和兩個電機，將顏色識別的結果顯示在OLED屏上。

2.1 核心板設計

微處理器對于整個硬件系統而言，是最核心的，影響著其他硬件設備的選擇。隨著技術不斷進步，微處理器的性能越來越出色。經比較發現ARM處理器比C51單片機和Arduino擁有更加豐富的資源，并且ARM處理器的功耗更低，價格方面也不貴，性價比很高。ARM擁有了16位的Thumb指令，并且ARM-般都是32位處理器，處理速度很快。ARM還集成了豐富的片內外設資源，可以利用自身資源而不必增加外圍器件就可以實現控制所需求的功能。另外，以ARM作為微處理器，可以移植一些操作系統，使得智能小車更加智能高效，所以本課題選用ARM處理器。如圖2是核心板的實物圖，選用的ARM芯片是STM32F103RCT6，它是STM32F103系列中高性能、高配置的Cortex-M3內核32位處理器。

2.2 電源模塊設計

此模塊以4個LDO（低壓差線性穩壓器）為主芯片，實現6V - 12V的降壓，輸出電壓有：VCC、5V、3V3。5V和3V3 -共17組，如果不夠用，還可以使用擴展端口增加輸出端口。此模塊集成防反接電路，避免用戶接反輸入電源，損壞模塊。如圖3所示，5V和3V3都有兩個通道，兩個通道的額定電流不同，一個通道是SA，另一個是IA。當使用大電流的設備時，就可以選擇接在5A的通道上，更好地驅動設備。

由于該電源模塊上引腳比較多，對于智能小車來說非常合適，智能小車上傳感器都需要供電，并且各類傳感器、電機和核心板的供電電壓都不同，有了這塊電源板，供電就非常方便，不需要使用多個單獨的降壓模塊來分別供電。在設計電路時，考慮到對電源板的保護，設計了防反接保護、芯片熱保護、短路保護等措施。

2.3 循跡模塊設計

選擇的灰度傳感器是數字傳感器，如圖4所示，有一只發光二極管和一只光敏二極管，安裝在同一面上，一共是8路灰度傳感器。灰度傳感器利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進行顏色深淺檢測[6]。在有效的檢測距離內（理論上距離可以無限遠，實際受外界光源的影響，最佳距離為15mm至50mm，如果距離過高的話，需要進行遮光），發光二極管發出白光或紅光（這個主要和場地的反光能力有關，一般是反光能力強的場地用紅光的，反光能力差的用白光。這個主要視場地反光而定），照射在檢測面上，檢測面反射部分光線，光敏二極管檢測此光線的強度并將其轉換為機器人可以識別的信號。數字量灰度傳感器的返回值是高低電平（1和0），主要是把模擬信號經過LM339或LM393這兩個電壓比較器把電信號分為高電平和低電平。而且可以通過電位器進行調節這個高低電平的分界線。也就是常說的調節對光的靈敏度。

2.4 顏色識別模塊設計[7，8]

TCS3200顏色傳感器是一款全彩的顏色檢測器，如圖5所示，該模塊包括了一塊TAOS TCS3200RGB感應芯片和4個白光LED燈，TCS3200能在一定的范圍內檢測和測量幾乎所有的可見光。它適合于色度計測量應用領域。比如彩色打印、醫療診斷、計算機彩色監視器校準以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制。SC3200具有很多特點，首先是可將高分辨率光強轉換到方波的形式輸出，可編程引腳可以控制多種比例的頻率輸出，可與微處理器直接相連，單獨供電，具有斷電復位的功能。并且穩定性較好，誤差較小，具有穩定的溫度系數，可以直接輸出數字信號不需A/D轉換器，使電路設計變得簡單[8]。

3 智能小車軟件設計

軟件設計方面，首先要進行開發平臺的安裝，安裝芯片對應的庫，配置好編程所需的開發環境，然后是模塊化的編程，按照比賽任務，完成物塊的搬運。圖6是整個搬運過程的結構圖，小車在接收到開始指令后，根據灰度傳感器返回的值，判斷路線，自主循跡，當循跡到達指定位置后，開始識別物塊的顏色，并且用鉤爪抓取物塊，根據返回的顏色值，確定物塊的顏色，選擇合適的路線，將物塊送到指定位置。最后判斷物塊是否搬運完成，若還有物塊未搬運，重復上面的操作，但是由于物塊的擺放位置不同，所以在抓取下一個物塊時，要判斷當前的位置，選擇返回的路線，才能完成所有物塊的搬運，搬運完成或后，返回起點。

4 實驗與分析

經過測試，智能小車的各個模塊運行正常，電機能夠實現正反轉和調速，小車在場地上循跡正常，OLED屏能夠顯示漢字和數字等，顏色識別也沒有問題，小車的鉤爪也能抓取物塊。智能搬運小車的測試過程如圖7，在圖7中（a）和（b）是識別綠色物塊的過程，在OLED屏上顯示顏色值和判別的顏色;（c）是小車前往F處去抓取物塊，（d）是小車完成所有搬運任務后，回歸起點。

5 結論

本文通過對國內外搬運機器人發展現狀的研究分析，查閱各種傳感器的相關資料，完成各個模塊的設計，學到了機器人軟件程序設計方面模塊化編程的思想。機器人設計是需要軟硬件很好的配合，才能發揮更好的性能。團隊成員參加了2019年中國工程機器人大賽搬運組比賽獲得一等獎、二等獎、三等獎、優勝獎各一項。

參考文獻：

[1]張曙.工業4.0和智能制造[J].機械設計與制造工程，2014，43（8）：1-5.

[2]王喜文.工業4.0帶來機器人的進化[J].物聯網技術，2015，5（10）：2.

[3]雷光臨，李俊.基于物聯網技術的智慧物流研究[J].物流技術，2012，31（15）：393-394，429.

[4]金亞萍.自動導引車關鍵技術現狀及發展趨勢[J].物流技術與應用，2015，20（11）：96-98.

[5]周文軍，吳有明.基于AGV和工業機器人的智能搬運小車的研究[J].裝備制造技術，2016（11）：96-98，114.

[6]向楠，陸會娥.物流自動化智能可避障搬運小車系統設計[J].廣東石油化工學院學報，2017，27（4）：30-33.

[7]盧川英，于浩成，孫敬輝，等.基于TCS：30傳感器的顏色檢測系統[J].吉林大學學報（信息科學版），2008.26（6）：621-626.

[8]任天威.基于stm32微處理器的顏色采集與分析[D].哈爾濱：黑龍江大學，2015.

【通聯編輯：梁書】

基金項目：江蘇省高校自然科學基金（18KJB520004）

作者簡介：周磊磊（1996-），男，安徽銅陵人，本科，主要從事電氣工程及其自動化方面的學習和研究;余家天一（1999-），男，江蘇徐州人，本科，主要從事物聯網工程方面的學習和研究;郭婋赫（1999-），男，江蘇徐州人，本科，主要從事物聯網工程方面的學習和研究;周麗蓉（1998-），女，江蘇泰州人，本科，主要從事物聯網工程方面的學習和研究;謝光前（1977-），男，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事無線傳感網方面的教學和研究。