基于STM 32的物資搬運小車的研究

文/葛金梅 陽志杰 劉科明 梁克杭 陳春 黃東

根據(jù)物資搬運特點進行設(shè)計靈動物資搬運小車，通過APP上的控制，利用STM 32單片機輸出方向信號，及脈沖輸出控制直流減速電機控制麥克納姆輪全方位移動和單片機輸出PWM控制舵機，OpenMV配合六自由度機械臂PID閉環(huán)抓取和放置物資，超聲波模塊完成避障，進而使小車完成具體路線極其靈活抓取物資。

0.引言

全球疫情反復(fù)多變，為了更好地避免人群聚集，同時又不影響人們的正常生活，保證好物資的供給，因此物資的搬運尤為重要，迫切需要設(shè)計出一款“靈動物資搬運小車”，該物資搬運小車結(jié)合傳感的測試技術(shù)，智能控制方法論技術(shù)及電網(wǎng)拖動技術(shù)，能夠應(yīng)對復(fù)雜多變的狀況，達(dá)到機器代替人工的作用。

1.創(chuàng)新性設(shè)計方案

物流、快遞的迅猛發(fā)展，物件分類越發(fā)細(xì)化，尤其是對搬運件的物品，在需要對物資分類搬運的情形下，就會變得非常繁瑣，浪費大量的人力，效率低下。這時搬上靈動物資搬運小車，就可對物資自主進行分類，減少人力的付出，大大提高工作效率。

2.主要硬件設(shè)計

2.1 STM 32單片機。STM 32單機結(jié)構(gòu)較為簡單，成本比較低，應(yīng)用泛。不僅能使用寄存器展開編程，并且能使用官所提供的庫檔展開編程，所以選用STM 32單機展開整體的控制與運。

2.2 數(shù)字舵機。機械手指選用多臺數(shù)字舵機，數(shù)字舵機依靠所確定是數(shù)據(jù)，然后將驅(qū)動力信號傳輸給電機馬達(dá)，對于輸出的信號源展開妥善處理。數(shù)字化舵機以低得多的頻率向馬達(dá)傳送驅(qū)動力信號。進而提升了夾取精確度及穩(wěn)定性，以達(dá)到預(yù)期實際效果[1]。

3.技術(shù)設(shè)計

用STM 32芯片輸入方向信號源以及脈沖輸入控制步進電動機，通過對輸出脈沖數(shù)量控制及頻率控制可驅(qū)動小車直行、轉(zhuǎn)向、倒車等動作。單片機輸出pwm 控制舵機，調(diào)整占空比等可調(diào)節(jié)機械臂工作速度。檢測部分設(shè)計思路為：使用兩個八路灰度傳感器，分別裝在小車的前面與左側(cè)。小車平衡狀態(tài)的控制，當(dāng)小車到達(dá)設(shè)定的格子邊緣時，前側(cè)的八路傳感器與左側(cè)的八路傳感器同時轉(zhuǎn)為低電壓時，小車為平衡狀態(tài)，如果不是同時轉(zhuǎn)為低電壓時及時調(diào)整小車，使其前側(cè)與左側(cè)的灰度傳感器都傳回低電壓，使小車變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)，兩個傳感器同時作為記錄，作為小車經(jīng)過格子數(shù)量來判定小車在地圖的具體位置，進而使小車規(guī)劃好具體路線[2]。

4.底板設(shè)計

底板設(shè)計主要包括小車的底板、輪子、電動機及各種傳感的放置位置。底板選用克力板制作，激光切割加工完成，使用四輪四驅(qū)動的行走方式。小車設(shè)計采用隔空層模式，車體隔空層預(yù)留了3cm 的空間，用來安裝各種驅(qū)動模塊的電路板及導(dǎo)線，可以為小車整體提供足夠的空間。除了安裝機械臂外，上層車板，也預(yù)留有12*17cm 的長度空間，專門為搬運物體的存放空間設(shè)計，可以用來放置載物臺。底板的材料為亞克力板長度和寬度分別設(shè)計為24*20cm，厚度為5mm，采用激光切割。車輪選用麥克納姆輪，除能夠前行、后退與滑行外也能夠可以促成橫移，輕退。對來說，可以消除多種路況[3]。

電機驅(qū)動模塊設(shè)計：小車使用4個舵機搭配麥克娜姆輪來進行走動，舵機使用直流減速電機，舵機型號為MG513P30_12V，質(zhì)量145g，外形尺寸73mm×33mm，輸出軸徑6mm，D型軸，額定參數(shù)12 V、0.36 A、293 r/m in、扭矩0.01 N，以對PWM 占空比的控制去進行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而以輪與輪之間的速度差來達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。電機采納大功率的隔離模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)分正方轉(zhuǎn)，而且用起來非常簡捷，只要電機的電源線與驅(qū)動相連，驅(qū)動IN1～I(xiàn)N4分別接STM 32F103RCT6的PWM 輸出I/O口就可以實現(xiàn)PWM 信號控制[4]。

5.機器臂的主要組成及其功能

5.1 舵機控制板塊：單片機作為舵機控制單元可將PWM 方形波幅的變化設(shè)為微秒電平舵機的轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確度都能得到提升。接著單片機完成控制算法，在舵機上與PWM 信號源得到算法結(jié)果并相互轉(zhuǎn)換，數(shù)字化系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)減少了外界干擾整個系統(tǒng)運行比較平穩(wěn)，得益于硬件計數(shù)支撐著控制信號源的變動。單片機想要去精準(zhǔn)調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，需要完成兩個首要任務(wù)：第一步要生成PWM 的周期信號，在這里是延遲為0m s的信號；第二步是控制脈寬，以及控制占空比。在控制電機當(dāng)中，系統(tǒng)實現(xiàn)其中一項任務(wù)即可。可采用中斷定時長短的次數(shù)，分為兩次進行中斷執(zhí)行，其優(yōu)勢就是減少硬件原件的浪費，軟件開發(fā)的成本及工程可降低一定程度，還得到定位精度和管理效率都得到很大提升的控制管理系統(tǒng)，此控制方式就是使用改變初值的定時器中斷的單片機。

5.2 六自由度機械臂：六個數(shù)字舵機組成六自由度機械臂，六自由度機械臂效果好、靈活高效，因此可以替人去完成各種比較精細(xì)的工作，實用性較高，市場潛力大[5]。機械臂在M atlab2020a的RoboticsToolbox工具箱去進行編程來控制機械臂的初端和末端進行轉(zhuǎn)動的仿真以及角的轉(zhuǎn)速的計算。進而用STM 32單片機作為中心模塊，去完成六自由度機械臂的各個部位的轉(zhuǎn)動的調(diào)控，并在Sim ulink中去將PID控制器添加到建立的模塊當(dāng)中來完成仿真。

5.2.1 機械臂動力學(xué)模型。在進行機械臂算法的設(shè)計以及轉(zhuǎn)動的仿真模擬中，機械臂動力學(xué)模型的推導(dǎo)必不可少。常見機械臂建模方法有多種，本次使用拉格朗日公式法來建立系統(tǒng)模型[6]。

5.2.2 機械臂運動學(xué)分析。本款小車使用D-H法在xArm 1S智能總線的基礎(chǔ)上去建立數(shù)學(xué)模型。這款設(shè)計的機械臂共有1個底座、3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及一個抓手，底座可以讓機械臂進行360°任意旋轉(zhuǎn)，所以對于基座的連桿X坐標(biāo)軸與Y坐標(biāo)軸都在平面內(nèi)，而Z坐標(biāo)軸位于平面內(nèi)向上。而對于與基座和連桿1相連接的關(guān)節(jié)1，X坐標(biāo)軸和Y坐標(biāo)軸的方向都在紙面內(nèi)，而Z坐標(biāo)軸朝紙面向內(nèi)的方向[7]。

5.2.3 機械臂運動仿真與角度計算。（1）基于Robtics Toolbox工具箱的機械臂運動仿真。使用Robotics Toolbox10.4工具箱編程器完成對六自由度機械臂的仿真的模型搭建，進而完成機械臂的UIG界面。RoboticsToolbox能夠完成機械臂的圖形效果以及進行關(guān)節(jié)的位置還有一些數(shù)據(jù)的計算，在這時X、Y、Z三大坐標(biāo)軸還可以顯示抓手的位置信息。通過仿真來收集各個關(guān)節(jié)與機械臂的轉(zhuǎn)動信息，記錄這些信息，即可使用實物來調(diào)整實現(xiàn)。

5.3 Openm v配合機械臂PID閉環(huán)抓取和放置物資。Openm v作為圖像識別傳感，分別采用特征點檢測算法識別和顏色識別塊和臂，進而達(dá)到定位目標(biāo)。然后計算兩者歐幾里得距離，展開攝像機失真補償，將結(jié)果通過串口發(fā)送，利用PID閉環(huán)算法展開機械臂傳動裝置控制與此同時繼續(xù)運轉(zhuǎn)直至偏差成為極小值然后展開抓取。在現(xiàn)實的工作環(huán)境中如出現(xiàn)一些誤差，就可以PID去調(diào)控六自由度機械臂的每一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，能夠減低機械臂在運作時外界對其造成的影響。進行比例的修改，能夠加快系統(tǒng)的運行速度以及減少峰值響應(yīng)所需的時間；進行積分的修改，能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精確度，降低系統(tǒng)響應(yīng)時的誤差；進行微分的修改，能夠盡早降低系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量，加強系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

6.結(jié)語

設(shè)計的靈動物料搬運小車經(jīng)過測試，能夠完成對物資搬運基本任務(wù)。在未來的設(shè)計創(chuàng)作道路上，只有不斷進取，對物料搬運小車不斷地進行完善改進、優(yōu)化，才能取得進一步成功。