基于STM32的智能物料搬運小車

林健全 劉浩捷 孫偉卿

摘? 要： 設計了一種基于STM32F103ZET6處理器的智能物料搬運小車。該小車使用紅外傳感器和激光模塊進行循跡和定位，軟硬件雙重消抖;通過麥克納姆輪實現全方位移動;使用openmv攝像頭來讀取信息和識別物料;通過六自由度機械臂配合空氣泵抓取和放置物料，其中攝像頭配合機械臂實現PI閉環抓取和放置;超聲波模塊完成避障;降壓DC-DC變換器穩定各個模塊的工作電壓。經試驗驗證，該小車能夠很好的完成信息讀取，物料的抓取，搬運和放置任務。

關鍵詞： 智能物料搬運小車;STM32;軟硬件雙重消抖;Openmv;PI閉環算法

中圖分類號： TS958.2+8 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.005

本文著錄格式：林健全，劉浩捷，孫偉卿. 基于STM32的智能物料搬運小車[J]. 軟件，2020，41（07）：27-30

STM32-based Intelligent Material Handling Trolley

LIN Jian-quan¹， LIU Hao-jie²， SUN Wei-qing¹

（1. University of Shanghai for Science and Technology School of Mechanical Engineering，Shanghai 200093;2. University of Shanghai for Science and Technology School of Optoelectronic Information and Computer Engineering， Shanghai 200093）

【Abstract】： This paper designs an intelligent material handling trolley based on the STM32F103ZET6 processor. The car uses infrared sensors and laser modules for tracking and positioning， and dual deshake of software and hardware; it can be moved in all directions through Mecanum wheels; it uses Openmv cameras to read information and identify materials; and it uses a six-degree-of-freedom robotic arm with an air pump grabbing and placing materials， the camera cooperates with the robotic arm to realize PI closed-loop grasping and placing; the ultrasonic module completes obstacle avoidance; the step-down DC-DC converter stabilizes the working voltage of each module. The test verified that the trolley can complete the tasks of reading information， grasping， handling and placing materials.

【Key words】： Intelligent material handling trolley; STM32; Software and hardware dual debounce; Openmv; PI closed-loop algorithm

0? 引言

智能小車是輪式移動機器人的一種，其內容涵蓋機械、汽車、電子、自動控制、計算機、傳感技術等多個學科的知識領域，是目前電子設計的一個熱門話題。該智能物料搬運小車集合傳感器檢測技術[1]，智能控制理論技術[2]以及電力拖動技術為一體，能夠實現各種復雜的任務。該小車可以在人無法工作“特別危險區域”，人無法直接接觸的隔離區域下準確，穩定的完成物料的搬運任務。代替人在“危險地區”進行作業，提高了物料搬運的安全性，以及提升了工作的效率。

1 ?系統總體方案

1.1? 系統設計要求

要求設計一個智能物流小車，小車能夠在沒人的情況下自行完成物料搬運工作。主要有以下兩方面的內容：（1）機械臂配合機械臂能夠正確的讀取任務信息;（2）小車能夠準確的完成物料搬運工作。同時小車上的顯示屏能夠顯示物料搬運信息，出現故障時故障的原因。

1.2? 系統結構框圖

該智能物流小車系統的結構框圖如圖1。該系統由主控制器[3]，紅外傳感器，激光模塊，直流電機，攝像頭，機械臂，超聲波，降壓DC-DC模塊??? 構成。

2? 主要硬件設計

2.1? 系統控制器模塊

控制器是整個系統的核心，本系統使用STM32F103ZET6開發板。該型號單片機相比于51系列單片機，運算速度更快，有更多的與外設的通信串口與I/O口;一共21路AD轉換，帶有標準3.3 V輸出電壓，PWM發生器等。

2.2 ?系統供電電路設計

整個系統由12 V的鋰電池進行供電。小車行進的直流電機和機械臂上的伺服電機在工作時均需要較大的電流，所以采用并聯的方式，首先將DC/DC降壓模塊和電機驅動L298N并聯，由鋰電池直接供電。然后，DC/DC降壓模塊5 V輸出給機械臂上的伺服電機和Openmv攝像頭供電，同時電機驅動L298N的5 V輸出接到單片機的5 V上，輸出直接接直流電機。最后，由單片機引出3.3 V輸出給紅外傳感器，激光模塊，超聲波模塊等傳感器以及LCD顯示屏。系統電能流向圖如圖2所示。

2.3? 電機驅動L298N

電機驅動L298N[4]是用來驅動兩相電機的。L298N能夠接受標準的TTL信號[5]，其原理主要是通過兩個H橋將單片機的PWM信號進行放大從而驅動電機。其驅動原理圖如同3所示。IN1， IN2， IN3， IN4為單片機PWM信號的輸入;EN A和EN B分別是兩相的兩個使能端，低電平有效;OUT1和OUT1，OUT3和OUT4分別接兩相電機。

2.4? 降壓DC/DC模塊

因為電源提供的電壓為12 V，而伺服電機的工作電壓為5 V，且機械臂需要更大的電流，所以為了降壓增流使用降壓DC/DC模塊。DC/DC降壓模塊有一個12 V的固定輸入，有一個可調電阻可以調節輸出的電壓，調節范圍為5 V——輸入電壓，其主要的電路結構為一個Buck電路。

3? 軟件設計

3.1 ?程序設計總流程圖

系統采用模塊化程序設計[6]。智能物料小車從上電初始化開始，先讀取任務碼，用攝像頭確定物料所需要放置的位置然后計算出行進路線，控制小車行駛，最后通過機械臂和攝像頭準確放置物料。程序設計流程圖如圖4。

3.2? 小車循跡定位程序

通過激光模塊和紅外傳感器實現小車的循跡和定位。實驗場地如圖4，以出發區的點為原點，二維碼任務板所在位置為X軸，最上方垂直于任務板所在直線為Y軸建立直角坐標系四個激光模塊通過測量離場地邊緣擋板的距離來得到小車目前所在的坐標;車上的八個紅外傳感器的通過場地黑白線不同的光強反饋不同的信息給單片機，確定小車在網格的具體位置以及行駛的距離。

3.3? 任務碼讀取及顏色識別程序

為確保系統穩定性，調試的便利性openmv會每完成一個步驟，進行文件讀寫一次，進行記錄。系統開始工作后，進行攝像頭串口初始化，根據感光元件對顏色LAB參數進行微調，從而確保讀取顏色準確;然后進行檢測二維碼，若長時間未檢測到二維碼則會通過串口交互，使小車移動;之后進行識別顏色，完成識別后對顏色進行編碼，通過串口將顏色信息發送;最后進行實時檢測物塊與機械臂的距離，發送誤差用于主控進行PI[7]閉環控制。

4? 難點及關鍵技術

4.1? 紅外傳感器配合麥克納姆輪^[8]循跡

控制物料小車穩定形式的難點在于機械臂的長度較長，并且在行駛過程中一直抓取著物料，若地面輕微的不平整或者小車的大幅度動作變化都會導致物料小車重心的變化從而增大物料脫落的可能性。

所以考慮使用麥克納姆輪進行全方位的移動，能避免小車進行轉向，掉頭等大幅度操作。麥克納姆輪的工作原理是通過四輪之間的速度差來改變小車的速度和行進方向，其基本運行原理圖如圖6。小車車身的八組紅外傳感器按照順時針分別命名為zero～eight，紅外傳感器遇到黑線反饋1，其余反饋0，通過zero～eight的值可以確定小車車身在路線上的情況，再結合麥克納姆輪的運動學分析，計算出小車接下來各個輪胎的速度，控制小車循跡。

4.2? 軟件延時+硬件遮光實現雙重消抖

紅外傳感器在按照反射光強不同進行循跡時，會受到外界光照強度變化所帶來的影響。并且小車行進過程中，車身重心的變化導致紅外傳感器與地面的距離也會影響紅外傳感器的靈敏度。所以考慮采用軟件延時+硬件遮光的雙重消抖來使紅外傳感器反饋更加準確。在紅外傳感器發射和接收管的外表面均用黑色遮光罩進行擋光，不論在室外環境下的白天和黑夜，光照強度發生變化，均不會對紅外傳感器的反饋造成干擾;在紅外傳感器判斷時，因為重心改變造成的抖動持續時間極短，加入一個10 ms左右的延時函數再進行第二次判斷，就能降低紅外傳感器的靈敏度，極大程度的降低重心改變帶來的干擾。

4.3? Openmv配合機械臂PI閉環抓取和放置物料

Openmv作為圖像識別[9]傳感器，分別使用顏色識別和特征點檢測算法[10]，識別物塊和機械臂，從而達到定位的目的。而后計算二者的歐氏距離，進行攝像頭畸變補償，將結果通過串口發送，利用PI算法進行機械手控制，同時繼續運行，直到誤差為極小值，而后進行抓取。控制結構圖如圖7所示。

5 ?結語

本文設計了一種基于stm32f103ZET6處理器的智能物料搬運小車。該智能物料小車有紅外，激光模塊，超聲波，openmv等傳感器，機械臂，直流電機，麥克納姆輪等可控制器件。該智能物料搬運小車能夠獨立完成任務碼識別，物料的抓取，運輸和放置一系列任務;openmv讀取任務碼和機械臂的抓取放置均為PI算法閉環控制。經圖4測試場地進行試驗，能夠穩定，準確的完成物料搬運任務。對于在人無法之間參與的危險地區和需要隔離的環境，該智能物料搬運小車能夠發揮極大的作用。

參考文獻

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