基于STM32的生產線搬運機器人控制系統設計

劉正翔

基于STM32的生產線搬運機器人控制系統設計

劉正翔

（福州職業技術學院 智能技術工程系，福建 福州 350108）

以某企業溫控產品的維修生產線為背景，設計以STM32系列CPU為核心的生產線搬運機器人，并使用STC15W408AS設計每個工位的無線呼叫器。當呼叫器輸入目標工位號時，自動生成坐標信息發給搬運機器人，機器人根據循跡運動策略完成搬運操作。為獲得較優循跡路徑，設計了一種適合企業生產線的循跡運動策略，使得機器人移動簡單有效，在節約人力和時間成本的同時，具有一定的實用意義。

生產線搬運機器人；STM32；無線呼叫器；循跡策略

自動引導搬運機器人（小車）是在一定的地面路線導航下能自主移動至目的位置，并自動或手動進行裝卸貨物的機器人[1]。早在20世紀50年代，國外就有研究電磁感應式跟蹤路徑的搬運機器人，1973年瑞典首次將自動搬運機器人應用于汽車裝配廠，以提高轎車裝配線的工作效率，并于1990年研發出基于激光引導系統的搬運機器人[2]。國內在自動引導搬運機器人領域的研究起步較晚，但從20世紀七八十年代開展研究以來，獲得較大成果。近年來，國內自動引導機器人技術研究已走出實驗室，對應產品應用在自動化生產線或物流車間，已有普及之勢。

本文以福建某企業溫控產品的維修生產線為背景，設計一款以高性能、低功耗的STM32系列CPU為核心，采用雙電機驅動底盤的自動引導搬運機器人，用于生產線間不同工位的產品搬運。顯然，車間內定位（地圖）及路徑規劃的優劣程度等決定了在搬運過程中機器人的工作效率[3]，本文根據生產線實際坐標設計一種XY坐標比較的循跡運動策略，簡單有效，機器人移動反應敏捷。

1 系統總體方案設計

本文設計的生產線搬運機器人控制系統包含2個部分：機器人移動控制，以及機器人與工位呼叫器的通訊，整個系統總體方案設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案設計框圖

開始工作前，搬運機器人默認停靠在車間的坐標原點（待機），由工位呼叫器喚醒。當工位呼叫器發出搬運指令時，將同時告知機器人源工位坐標和目的工位坐標，機器人會根據循跡算法移動，具有循跡、避障和無線收發功能。當移動至源工位，由工人將產品放置機器人托盤上，按搬運鍵開始搬運產品至目的工位處。若搬運期間接收到新的搬運指令，則在返回原點后繼續下一次搬運任務。

2 搬運機器人控制電路設計

2.1 STM32最小系統與感知電路設計

搬運機器人采用主流控制器芯片STM32 F103C8T6為核心，該芯片具有64 KB閃存，供電電壓3.3 V，主頻達72 MHz。48個引腳中，可使用的GPIO超過32個，可輕松控制電機驅動電路、紅外循跡、避障功能電路和無線模塊電路，滿足本系統設計要求[4]。

考慮到本設計面向的生產線寬約8 m，長約20 m，占地面積接近160 m2，根據勾股定理，無線模塊的有效傳輸距離至少應超過22 m為佳。對比短距離無線通信模塊中，一款2.4 G無線傳輸模塊（型號為NRF24L01）傳輸有效距離超過100 m，供電電壓3-5.5 V，與STM32電壓匹配，滿足本設計要求。如圖2電路所示，分別使用PA4-PA9引腳（SPI總線通訊方式）連接至NRF24L01無線模塊。

搬運機器人在行走過程中，根據紅外循跡傳感器識別路徑（型號為XD-201），該模塊具有四路循跡功能，識別距離為2 cm~30 cm，檢測角度35度，3 V~5 V供電，滿足設計要求。為防止碰撞，需要具備實時避障功能，而紅外避障容易受外界光線干擾，且遇到透明物或圓形凸物即可能失效，因此采用圖中的PB8-PB9兩個引腳分別控制超聲波模塊（型號為RCWL-1601）的Trig和Echo引腳，該模塊檢測距離2 cm~450 cm，電源3.3 V~5 V供電，滿足設計要求。

圖2 STM32F103C8T6主控電路圖

圖2中J1是用于仿真的SWD調試接口，S1按鍵用于當機器人放置產品完畢，即將出發至目標工位前的啟動鍵。值得注意的是，圖2中需要在每個VDD_1/2/3附近放置104電容濾波。

2.2 電機驅動電路設計

搬運機器人工作時，托盤放置的溫控產品約1 kg~4 kg，為確保機器人能順利驅動輪轂電機勻速前進，需要足夠的電機驅動電流和堵轉扭矩（至少大于4 Kg.cm）。本設計采用L298n電機驅動芯片，可輸出穩定2 A電流，最高工作電壓達50 V；采用的輪轂電機型號為ZGB37RG的直流減速電機，12 V供電，扭矩達6.5 Kg.cm，驅動電路如圖3所示[5]。

圖3 電機驅動電路圖

注意到圖中電源5 V和12 V，限于論文篇幅未畫出濾波電容。在實際電路設計時，均要添加10mF和104電容。

2.3 工位呼叫器電路設計

無線工位呼叫器主控芯片采用STC15W408 AS，選擇封裝為SOP28，該芯片只要加電源即可工作，外圍電路極少[6]，且具有8 K閃存，512字節SRAM，具有片內SPI總線資源，可用于無線模塊NRF24L01的控制。呼叫器使用矩陣鍵盤輸入目標工位號，同時在LCD1602液晶上顯示目標工位號及對應工位號崗位。通過STC15單片機將源工位號、目標工位號均譯碼成機器人可識別的坐標，由無線模塊發送給機器人，便于機器人根據坐標進行路徑規劃。該部分具體電路設計如圖4所示。

圖4 無線工位呼叫器電路設計圖

3 機器人循跡運動策略設計

近幾年，國內關于機器人循跡的研究主要有基于UWB的室內定位循跡算法研究[7]，基于攝像頭的循跡算法研究[8]，以及使用電磁傳感器（磁導航）循跡[9]，或結合多個傳感器傳回多個參數變量判斷狀態[10]等研究。本文結合企業生產線的實際情況，設計適合企業的機器人循跡運動算法。假定生產線工位平面示意圖如圖5所示，長條矩形為生產線工作臺，藍點為工位，每個交叉點為機器人循跡用的黑色交叉線，同時也是坐標點。考慮到相鄰生產線間可共享一條機器人循跡路徑，因此軸坐標范圍是[0,21]，軸坐標范圍是[0,3]。

圖5 實際生產線工位及坐標示意圖

如圖5所示，每個工位與其最近的(,)坐標一一對應，例如工位坐標(3,5)對應的工位號即為35。機器人啟動后，將從原點(0,0)移動至源工位號(i,i)，取到產品后移動至目的工位號(j,j)。規定搬運機器人初始位置在坐標原點，總是沿著軸正向出發，且出發前的車頭方向為軸正向。每次移動后，停留的位置都在某一坐標點上。下面將機器人進行一次搬運任務分為3個階段：

（1）由原點移動至源工位取貨，即(0,0) à(i,i)；

（2）由源工位至目標工位的移動，即(i,i) à(j,j)；

（3）返回原點，即(X,Y)à(0,0)。

表1 機器人從（Xi,Yi）à（Xj,Yj）運動策略

第（1）階段算法較為簡單。由于已設定機器人總是先走軸，再走軸，因此只要根據源工位坐標(i,i)移動Y個單位，再左轉移動X個單位，此時車頭朝軸正向。

第（2）階段的循跡運動策略可根據3個參數完成運動操作，完成后車頭朝向X軸正向。運動策略如表1所示。

第（3）階段是從(j,j)à(0,0)，車頭初始方向為軸正向。該階段移動策略比較簡單，先倒退（沿著軸負向）移動X個單位，考慮到原點坐標上的車頭方向為軸正向，因此可再左轉倒退移動Y個單位即可。

4 搬運機器人控制軟件設計

4.1 機器人控制程序設計

生產線搬運機器人在接收到呼叫器信息后啟動工作，搬運過程經歷3個階段循跡移動操作。根據第3小節的機器人循跡運動策略，先從坐標原點移動至源工位坐標（執行第1階段策略），再從源工位坐標移動至目的工位坐標（執行第2階段策略），最后返回原點（執行第3階段策略），重新執行下一個坐標指令。

圖6 機器人搬運控制主程序流程圖

圖7 坐標間移動的程序流程圖

在坐標點之間移動時，由于選擇的紅外循跡模塊是4路的，因此檢測黑線交叉點非常簡單。若4路（PB11-PB14引腳）均返回低電平，則表明機器人已處于交叉點坐標，并存儲當前坐標值。同時將目的坐標值與當前坐標值做減法運算，若減法結果不為零，則繼續按照循跡運動策略移動機器人，直到坐標差值為零，則表明當前坐標與目的坐標重合，機器人無需再移動，并發出到達聲音提示。

4.2 呼叫器軟件設計

無線呼叫器主要完成搬運機器人的坐標發送，員工只要輸入目的工位號，呼叫器自動轉成坐標，并發送呼叫器所在工位坐標，以及目的工位坐標。呼叫器軟件設計包括矩陣鍵盤輸入、顯示功能以及無線發送功能。

4.2.1 呼叫器鍵盤與顯示程序設計

鍵盤與顯示程序流程圖如圖8所示。

圖8 鍵盤與顯示程序流程圖

由圖4電路可知，呼叫器鍵盤通過3口8個引腳掃描確定鍵碼。先使得3口高4位置高電平，低4位置低電平進行掃描。若有按鍵按下，則單片機讀回的3口的值不等于0xF0，確定第幾行被按下。同樣，設置3=0x0F后，再由單片機讀回3口的值，若不等于0x0F，則可確定第幾列被按下。行、列確定，即可求得鍵碼，再將該數字通過液晶LCD1602顯示。

4.2.2 呼叫器無線發送程序設計

無線呼叫器發送程序的流程圖如圖9所示。

圖9 無線模塊發送程序流程圖

呼叫器的無線模塊發送是通過MCU內部的SPI總線協議進行的。首先設置=0使能，并設置為發送模式。特別注意的是，此時=1持續至少10ms，130ms后啟動發射，數據發送結束后，=1關閉使能，發送模塊自動轉入接收模式等待應答信號。

5 結束語

本文設計了一款以STM32系列CPU為核心的生產線搬運機器人，并通過每個工位上的無線呼叫器發送源、目的坐標信息，機器人接收到坐標信息后，根據既定路徑選擇策略移動至源工位坐標，再根據源、目的坐標差(X-X,Y-Y)的關系，執行運動策略完成產品搬運過程，最終回到坐標原點。

該款搬運機器人的設計，節約了人力和時間成本，對生產線搬運的智能化、高效化普及具有一定的實用意義。

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Design of Control System for Production Line Handling Robot Based on STM32

LIU Zheng-xiang

(Department of Intelligent Technology Engineering, Fuzhou Polytechnic, Fuzhou 350108, China)

Based on the maintenance line of temperature control products in an enterprise, a production line handling robot was designedusing STM32 series CPU as the core and a wireless caller for each station was designed using STC15W408AS. When the caller inputs the target station number, coordinate information is automatically generated and sent to the mobile robot which completes the handling operation according to the tracking motion strategy. In order to obtain a better tracking path, a tracking motion strategy suitable for enterprise production line was designed. It makes the mobile robot simple and effective while saving labor and time cost.

Production Line Handling Robot; STM32; Wireless Caller; Tracking strategy

TP242

A

1009-9115(2020)03-0058-05

10.3969/j.issn.1009-9115.2020.03.014

福建省中青年教師教育科研項目（JZ180626），福州職業技術學院創新創業改革試點專業教改項目（2017CXZY002）

2019-10-07

2020-03-27

劉正翔（1982-），男，福建福州人，碩士，副教授，研究方向為電子與通信系統。

（責任編輯、校對：侯 宇）