一種具有無線通信的物料搬運小車系統設計

浙江萬里學院 徐 鋒 任春艷 何艷賓

針對目前物流行業發展迅速，人工成本不斷提高，行業自動化水平不斷提高，研究了以智能小車為載體的搬運系統。在系統中使用規則的正方形物體，模擬規則的物料包裹。小車主要實現接受來自上位機的通信，開始自主循跡、識別物料進行取貨和卸貨。系統主要以STC12C5A06S2單片機為控制核心，由直流減速電機驅動以實現差動控制，通過紅外傳感器檢測黑色軌跡，把感應到的信號傳送給單片機進行相應的處理使得小車沿固定軌跡行駛。在物料擺放位檢測到物體，則用三軸機械臂進行抓取。整個系統的電路結構清晰，可靠性好。

人工智能+物聯網模式的不斷滲透加深了自動化在物流行業的普遍應用。尤其是在物流行業尤為突出，人工勞作將逐漸被智能倉儲機器人所替代。物流將會從傳統的人工分揀轉型升級為智慧物流，智慧物流必將大大提高資源的利用率。智能搬運小車憑借其可控的行駛路徑和速度，定位停車精準。加之其高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修等特點大大提高了物料搬運的效率。

文章首先介紹智能小車硬件設計方案，其次進行了軟件層面的設計。

1 整體系統設計框架

本系統主要采用模塊化的設計方法，由單片機、循跡模塊、紅外探測模塊、無線通訊模塊、電機驅動模塊和抓取模塊組成。其中單片機作為核心負責處理采集到的信息從而控制其他模塊的工作，總體的硬件設計框圖如圖1所示。

本多功能物料搬運小車的設計任務主要完成接受到上位機的搬運信號時，開始在預定軌道行駛，進行搬運物料的工作。最終硬件方案選定為：采用動力鋰電池作為電源、購買標準的亞克力底盤、STC12C5A06S2作為主控核心系統、采用nRF2401無線通信、采用紅外傳感器循跡和識別物料。

2 硬件系統設計

2.1 核心控制板

控制板選用STC12C5A06S2，STC12C5A06S2是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代以51為內核的單片機。指令代碼與傳8051完全兼容，但是速度比傳統8051快8-12倍。2路脈寬調制，專門用于電機的控制，適合強干擾場合。

圖1 系統設計架構總圖

圖2 穩壓電路圖

2.2 電源穩壓模塊選擇

7805是一種固定的三端集成穩壓器，IC內部電路具有過流保護、過壓保護、過熱保護等功能。為了能夠實現1A以上的輸出電流，需要背負足夠大的散熱片。在溫差較大的環境中依舊可以正常工作，適應環境的能力較強。輸入最大電壓為35V，最小為7V，并且其外圍電路組成簡單，只需要幾個電容和整流二極管即可。穩壓電路圖如圖2所示。

2.3 電機驅動模塊選擇

普通的直流減速電機的調速性能好，調速方便，調節范圍寬，過載能力強。可頻繁的快速啟動、制動以及正反轉。本方案選擇直流減速電機作為電機。L298N驅動原理圖如圖3所示。

L298專用驅動芯片由于驅動能力強、價格便宜、抗干擾能力強等特點，在驅動直流電機和步進電機的應用中較為廣泛。尤其是在對功率要求不高小型智能車上，由于可以使用單片機IO口輸出的邏輯電平控制，使其對于電機的調速非常方便。

圖3 L298N驅動原理圖

2.4 無線通訊模塊

本系統采用nRF24L01無線通信模塊用于與PC串口通信。nRF24L01是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段。單片機通過無線收發模塊nRF24L01實現與PC串口通信。單次傳輸有效字節數：1-31字節。可實現點對點，點對多的雙向通信。

2.5 紅外模塊

采用紅外發射和接受管等分立元器件構成探頭，并使用電壓比較器獲得輸出信號。

安裝循跡紅外傳感器時，需要注意，中間一路傳感器必須保證在軌跡的中間位置，左右兩路的傳感器需要貼在黑色和白色地磚的邊界位置。這樣安裝可提供循跡識別的靈敏度，減少控制系統調整運行的方向頻率。物體識別也采取紅外模塊，采用抗干擾能力強的紅外傳感器，根據有無紅外線反射回來，判斷是否有物體。

圖4 主程序設計流程圖

2.6 物料抓取模塊選擇

采用舵機控制的機械臂，通過程序改變輸出PWM控制舵機的旋轉角度從而控制機械手每個關節的動作，使之精確地抓取目標。

設計中使用MG996R數字舵機，最大扭力可達15kg/cm，一共使用3個舵機組成3自由度的機械手。3個舵機只能讓機械臂在三個維度上運動，本次制作中一個舵機控制上下移動，一個舵機控制左右移動，一個舵機控制爪子抓放動作。

本設計采用脈寬PWM法實現對MG996R舵機轉速、轉向的精確控制。機械臂的末端夾持器的抓取與松開通過末端舵機的旋轉角度來實現，當舵機向右旋轉90°時，爪子完全張開。當舵機歸中時，爪子便合攏，從而實現夾取和卸載貨物的目的。中間舵機的安裝是垂直安裝，因此當舵機順時針或逆時針旋轉時，機械臂便會向上或向下。

圖5 通信設計流程圖

圖6 循跡子程序設計流程圖

3 系統軟件設計方法

3.1 主程序設計

小車啟動后，首先MCU執行各種初始化。初始化以后，小車等待PC的串口指令。收到串口的指令后進入循跡子程序，沿著黑色軌跡行駛。若在循跡的過程中檢測到進入搬運區時則PWM調速，降速循跡行駛直到檢測到需要搬運的物體，那么便進入搬運子程序。物料被抓取后，小車便繼續循跡。最后小車將會實時判斷是否到達終點，若到達終點，便停止行駛卸下目標物體，繼續等待下一個PC串口開始的指令。主程序設計流程圖如圖4所示。

3.2 無線通信程序設計

在程序的開始，將串口初始化、設置串口中斷。等待PC的串口數據中斷指令，當收到串口的指令后小車開始運行。串口指令程序設計流程圖如圖5所示。

3.3 循跡子程序設計

當小車啟動后，便立馬進入預定的軌道行駛。從左到右，一共是五路循跡傳感器。主要分為主循跡和輔助循跡兩類，中間的三路為主循跡，兩側為輔助循跡。在搬運區為設置一個小十字形的黑線作為標記。因此當小車中間三路檢測到黑線時，便需要減速行駛進入搬運區。五路循跡若各自檢測到黑線，則做出相應的動作。循跡子程序設計流程圖如圖6所示。

小車循跡使用了五路紅外傳感器，中間三路為主循跡，旁邊兩路為輔助循跡，在小車速度過快時可防止其跑偏，提高了循跡的準確性。在算法中只規定了五種情況，簡單來說分別是最外左路、左路、中路、右路、最外右路，這五種相對應檢測到黑線的情況。使用if語句使邏輯順序更加清楚，防止循跡的邏輯判斷混亂。

3.4 搬運子程序設計

開始時，舵機初始化，在隨后的運行過程中，紅外對管實時檢測物料。一旦檢測到物料，小車便停止，機械臂開始抓取物料，將物料抓取后繼續運行。直到到達終點后，機械臂放下物體。為了防止在終點放下物體時，紅外探測管再次被觸發，在程序中加了標志位。搬運設計流程圖如圖7所示。

結語：本次設計過程，按照先總體后局部的原則，即先從整體功能上進行理論分析，把握整體的系統架構，逐步再將系統分成各個具體的功能，模塊化設計，易于調試和維護，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有多余的擴展空間。采用STC12C5A06S2單片機控制智能搬運小車各模塊的工作，基本完成系統所定的目標，并在此基礎上有所創新，實現了循跡、搬運和通信的整合。

圖7 搬運設計流程圖