基于單片機控制的智能物料搬運小車的設(shè)計

葉昊宸 王會良 張志高 王甲保 謝欣雨 胡雯雯 韓晶晶

(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

隨著近幾年物流行業(yè)和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)對包裹或物料的智能操作處理，進一步提高生產(chǎn)與分揀效率正成為行業(yè)的發(fā)展趨勢，同時具有龐大的市場需求。因此，設(shè)計了基于單片機控制的智能物料搬運小車(如圖1 所示)，融合了計算機、傳感器、自動控制原理、通信技術(shù)和人工智能等多個學(xué)科為一體。能夠通過各類傳感器對物料、路徑以及外部環(huán)境進行多方位的感知與識別，識別后的數(shù)據(jù)通過主控模塊單片機處理后控制相應(yīng)模塊，完成對路徑的規(guī)劃巡線及按指定順序處理相應(yīng)物料。以幫助智能制造、物流等行業(yè)更加智能化，進一步降低成本、提高效益。

圖1 智能物料搬運小車實物圖

1 整體設(shè)計

小車整體由電路硬件系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三個系統(tǒng)構(gòu)成。軟件系統(tǒng)通過程序編寫并燒錄至單片機，控制主控模塊芯片與ArduinoNano 單片機，從而用于小車整體識別、通信與控制等過程的實現(xiàn)。機械系統(tǒng)負責執(zhí)行相關(guān)運動任務(wù)，實現(xiàn)任務(wù)目標。電路硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)具體實現(xiàn)相應(yīng)過程的載體。每個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，即分成各個模塊進行設(shè)計，最后再與主控模塊單片機整合聯(lián)系與優(yōu)化。適合進行控制單一變量測試，便于后期系統(tǒng)實驗測試與維護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2 電路硬件系統(tǒng)

2.1 主控模塊

主控模塊是整輛小車的最關(guān)鍵部分。其任務(wù)是完成對相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)的處理，控制或驅(qū)動相應(yīng)模塊在特定任務(wù)中的工作。主控模塊芯片的選擇影響著小車是否能順利完成任務(wù)要求。因此，我們選擇STM32F103RCT6 單片機作為主控模塊芯片。工作電壓為2.0-3.6V，共有64 個引腳，處理速度快、能力強，最高主頻為72MHz。具有51 個快速I/O端口，均可與16 個外部中斷相連。具有USB、I2C、USART、SPI 等通信接口。具有4 個16 位定時器，每個均有4 個用于輸入捕獲、輸出比較、PWM脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。芯片體積小、效率高，可以滿足小車完成各項任務(wù)。

2.2 任務(wù)讀取與顯示模塊

任務(wù)讀取與顯示模塊分為二維碼識讀模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。使用GM65 模塊作為二維碼識讀模塊，該模塊采用一體化設(shè)計，體積小，便于集成。使用影像式掃描技術(shù)，可全向掃描。具有較快的掃碼速度，若設(shè)置為自動模式，則每次二維碼的識別與讀取時間為3s，并且時間可根據(jù)任務(wù)復(fù)雜程度最低調(diào)整至0.1 秒，適合用于在短時間內(nèi)完成對物料搬運任務(wù)的識讀。識別的數(shù)據(jù)由GBK編碼進行輸出，傳遞至主控模塊處理數(shù)據(jù)。任務(wù)顯示模塊使用六位七段數(shù)碼管對任務(wù)順序碼進行顯示，便于直觀地顯示任務(wù)。使用TM1650SOP16 8*4 位驅(qū)動數(shù)碼管芯片對數(shù)碼管的顯示內(nèi)容進行控制，僅需2 個引腳就可與主控模塊芯片以串行通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，從而驅(qū)動數(shù)碼管。通過電平高低的變化控制數(shù)據(jù)的輸入。使用該模塊能夠進一步減少主控單片機引腳的使用，進一步簡化電路，便于后期維護。

2.3 顏色識別模塊

模塊使用GY-31TCS3200 顏色傳感器進行物料顏色的識別，它是一款光到頻率的轉(zhuǎn)換器。由于每種顏色都是由不同值的紅、綠、藍三個原色構(gòu)成，則可以由測定三原色(R、G、B)值來識別顏色。在識別顏色時，打開特定原色的濾波器，讓入射光中的相應(yīng)原色通過，判斷光強，測定該原色的值，進而由三原色數(shù)據(jù)分析顏色。該傳感器在識別顏色前需要調(diào)整參數(shù)：先依次選通三原色的濾波器，將模塊的計數(shù)脈沖依次進行記數(shù)，記數(shù)到255 為止，之后計算各濾波器的用時，對應(yīng)實際測試時所用的時間基準，在該時段所得的脈沖數(shù)即為所對應(yīng)的R、G、B值。在識別時通過對比R、G、B值來識別被測物料的顏色。輸出量是數(shù)字量，無需進行A/D轉(zhuǎn)換，傳感器可直接與ArduinoNano單片機相連接，電路更加簡單。

2.4 路徑巡線與避障模塊

該模塊分為七路灰度傳感器和E18-D80NK 紅外避障傳感器兩部分。灰度傳感器的每一路檢測單元的LED燈發(fā)射白光，由于不同顏色在檢測面上對光的反射強度不同，該路單元的光敏電阻阻值大小也隨之不同。識別檢測從檢測面反射出的光的強度，通過算法和濾波程序優(yōu)化讓數(shù)據(jù)平穩(wěn)輸出，以數(shù)字量的形式將信號高低電平輸出至主控模塊進行判斷。通過七路單元獲得車輛的偏轉(zhuǎn)角，進行PID糾正。另外，該傳感器可智能調(diào)節(jié)靈敏度，能夠適應(yīng)不同環(huán)境的要求。E18-D80NK紅外避障傳感器集發(fā)射與接收于一體。經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出發(fā)射光，接收頭解調(diào)輸出反射光，可見光干擾可較好避免。透鏡的使用，提高了傳感器的使用距離，最遠距離可以檢測到80 厘米，可通過尾部的電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測障礙物的距離。傳感器使用數(shù)字輸出，即正常情況輸出高電平，檢測到相應(yīng)目標輸出低電平。

3 機械系統(tǒng)

3.1 底盤部分

底盤部分的運動過程大致為：主控模塊通過控制電機驅(qū)動模塊，控制電機轉(zhuǎn)速，進而控制小車運動。電池通過穩(wěn)壓模塊將電壓降至11V后為四個電機供電。電機自帶增量式編碼器，主控模塊單片機通過讀取脈沖順序以及脈沖個數(shù)進行計數(shù)，由數(shù)學(xué)關(guān)系計算出實際速度，將實際速度與目標速度放入PID控制器中進行計算，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

3.2 機械臂部分

小車使用的機械臂由五個數(shù)字舵機組成，機械臂的自由度為5。底部舵機用于整個機械臂繞水平面旋轉(zhuǎn)，上方安裝軸承減少轉(zhuǎn)動摩擦。軸承上方的三個舵機通過一次性接收PWM信號，使舵機旋轉(zhuǎn)并鎖定在相應(yīng)角度，提供較大的鎖緊力，保證機械臂的穩(wěn)定。三個舵機提供的三個自由度可適應(yīng)多層物料的抓取，提高抓取靈活度。機械臂腕部舵機通過控制手爪齒輪轉(zhuǎn)動角度，負責手爪的開合，完成對物料的抓取和投放。手爪的圓弧設(shè)計充分考慮到物料特性，內(nèi)側(cè)加上海綿和橡膠，能夠在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同位置、不同大小、不同形狀的物料。舵機的夾持力和內(nèi)側(cè)材料可讓物料在該過程中不掉落。經(jīng)過測試，手爪可抓取直徑為φ50mm的球面物體或40mm*40mm的方形物體。

4 軟件系統(tǒng)

設(shè)計圖如圖3 所示：

圖3 系統(tǒng)整體軟件流程設(shè)計圖

5 系統(tǒng)實驗測試

當小車完成設(shè)計、組裝并燒錄程序后，即可進行系統(tǒng)實驗測試。系統(tǒng)實驗測試具有很強的重要性和必要性，這也是不斷改進和優(yōu)化小車性能，提高小車在不同環(huán)境的可靠性的關(guān)鍵。系統(tǒng)實驗測試的過程是：讓小車在不同環(huán)境的場地上運行，改變特定的單一條件變量，觀察小車是否能夠順利逐個完成每一部分的任務(wù)，以及觀察在執(zhí)行過程中是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象。即使用控制變量法進行實驗測試。在測試時發(fā)現(xiàn)，改變場地光照強度，能夠影響顏色識別模塊識別物料顏色，需要調(diào)整參數(shù)確定基準。通過不斷優(yōu)化改進程序，可以讓顏色識別模塊在不同光照強度下識別顏色更加可靠、方便，達到目標要求。

6 結(jié)論

基于單片機控制的智能物料搬運小車在研制過程中以提高智能制造和物流行業(yè)中的生產(chǎn)與分揀效率為任務(wù)導(dǎo)向。融合多個前沿學(xué)科為一體，采用模塊化設(shè)計。小車系統(tǒng)以主控模塊單片機為核心，各個模塊充分發(fā)揮功能，能夠高效完成任務(wù)。小車能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)讀取與顯示、顏色識別、路徑巡線與避障、物料的抓取與投放等特定任務(wù)。通過不斷的系統(tǒng)實驗測試，進一步優(yōu)化小車性能，提高小車完成任務(wù)時的可靠性與穩(wěn)定性。基于單片機控制的智能物料搬運小車將在智能制造、物流等行業(yè)發(fā)揮更大的作用，簡化物料或包裹的運輸與分揀中的人工環(huán)節(jié)，能夠進一步降低成本，提高生產(chǎn)效益，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。