智能搬運車控制系統(tǒng)設(shè)計

夏天+++楊斌

摘 要：針對智能搬運車的控制問題，提出了采用STM32F103控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)的方法，應(yīng)用于智能搬運車的尋跡及運動控制。首先進行了智能搬運車的總體控制方案設(shè)計；然后設(shè)計了STM32最小系統(tǒng)、機械手控制、舵機控制和驅(qū)動電機的速度控制算法；最后進行了系統(tǒng)整體調(diào)試。實驗表明，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能搬運車的全向運動、精確定位和智能避障。

關(guān)鍵詞：全向移動平臺；智能控制；STM32F103

1 概述

1980年代初期，為了提升公司生產(chǎn)的效率，美國一家生產(chǎn)公司從其他地方學(xué)習了智能搬運車的關(guān)鍵技術(shù)，在此技術(shù)上又做進一步的改進，整體提升了智能搬運車的實用性及穩(wěn)定性[1]。此后，許多的公司都進行了研究與創(chuàng)新，智能搬運車技術(shù)有了長足發(fā)展。比較典型的例子包括：瑞典的一家制造企業(yè)開發(fā)了激光智能尋線車，利用激光引導(dǎo)小車尋線；荷蘭發(fā)明了以磁體技術(shù)導(dǎo)引的智能尋線車[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能搬運車充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源、電子技術(shù)、傳感技術(shù)等一系列新技術(shù)的優(yōu)勢，大大提高了運動控制、智能尋跡和精確定位的性能，使得智能搬運車的應(yīng)用越來越廣泛，比如汽車、餐飲、航天、醫(yī)院、工廠、農(nóng)業(yè)等[3]。隨著智能搬運車應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，推進了該技術(shù)不斷地完善與發(fā)展。本文提出了采用STM32F103控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)的方法，采用白光傳感器實現(xiàn)自動尋跡，超聲波傳感器對移動方向的障礙進行檢測，對障礙的位置進行判斷從而選擇最優(yōu)的路線移動；設(shè)計了STM32F103主控電路、超聲波處理電路、電機驅(qū)動電路、舵機控制電路和機械手控制電路，實現(xiàn)了搬運車全向運動、精確定位和智能避障。

2 總體方案設(shè)計

智能搬運車共有STM32F103微控處理器、電機驅(qū)動、機械手、尋跡模塊、避障模塊、電源模塊和穩(wěn)壓模塊等七個部分組成。智能搬運車控制系統(tǒng)以微控制器為核心，接收外圍傳感器的信號，經(jīng)過相關(guān)算法的分析、判斷，輸出控制信號到電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)智能搬運車的運動控制；輸出控制信號到機械手控制模塊，實現(xiàn)抓取物體和放下的操作。在運動控制中，一方面要實現(xiàn)智能車的精確定位，另一方面要實現(xiàn)智能避障控制。在抓取與放下控制中，要實現(xiàn)精確定位和機械手的柔性控制。

2.1 搬運車尋線方案

智能搬運車有多種尋線方式，比如紅外傳感器尋跡、白光傳感器尋跡、電磁感應(yīng)尋跡和激光導(dǎo)引等，電磁感應(yīng)需要龐大的運行軌道，激光導(dǎo)引需要大量的計算和嚴格位置要求，根據(jù)用戶需要，本設(shè)計選擇白光傳感器尋線[4]。

該傳感器把發(fā)射裝置和接收裝置作為一體，這樣減少了安裝時不必要的誤差。接收裝置檢測被反射回來的光強的大小，傳感器上面的轉(zhuǎn)換芯片把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量上傳到主控芯片。提前預(yù)設(shè)好的軌道為白線軌道，把白光傳感器安裝在智能搬運車的前端，從左到右分別標記為1-15號傳感器。若7號傳感器感應(yīng)到白線，智能搬運車將會跟著白線直走；若1-6號傳感器感應(yīng)到白線，說明智能搬運車發(fā)生偏離并且是左邊車輪靠近白線。此時控制器會接收到白光傳感器微控芯片傳來的八位二進制信號，將會立即調(diào)整左右電機的速度使其產(chǎn)生速度偏差，讓右電機速度大于左電機速度，從而使智能搬運車發(fā)生左轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)智能搬運車對其行駛方向的矯正。同理，若此時8-15號傳感器感應(yīng)到白線，智能搬運車放生偏離并且車身發(fā)生右偏，控制器會調(diào)整左右電機速度，讓左電機的速度高于右電機的轉(zhuǎn)速，從而使智能搬運車發(fā)生右轉(zhuǎn)彎。

2.2 機械手控制方案

本設(shè)計的智能搬運車車身采用四輪模型車，車身重量比較輕，為了整個設(shè)計安全性，采用簡單的機械手設(shè)計。就是通過STMF103微控制器產(chǎn)生PWM方波，通過控制舵機的轉(zhuǎn)動，讓機械手可以抓取貨物和放下物體。整個機械手使用兩個舵機，兩個舵機相互配合完成操作，一個舵機控制角度的轉(zhuǎn)向，另一個舵機控制物品的抓取與放下。

2.3 電源方案

在智能搬運車的控制中，需要較大的輸出電流和電壓，選用四塊基于LM2596來提供穩(wěn)定的電壓。該穩(wěn)壓模塊能夠輸出3A的驅(qū)動電流，而且該模塊對電源的高頻率的干擾具有抗干擾的能力，減少對設(shè)計的影響。在輸入電壓最高為40V的情況下，它可以調(diào)節(jié)出最高為37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率放生器，LM2596的內(nèi)部振蕩頻率為150KHz，具有功耗小，效率高的特性。相對于低頻開關(guān)，它的濾波元件規(guī)模更小，該電壓調(diào)節(jié)器添加幾個外部元件就可以使用，通常該模塊只需要四個外接元件，它可以使用通用的標準電感，這使開關(guān)電源電路的設(shè)計非常的簡單，但是又具有自我保護的功能。

2.4 避障方案

避障傳感器采用E18-D80NK，是一種紅外傳感器，這種紅外傳感器是集接受和發(fā)射于一體，該傳感器擁有較遠的探測距離，可以不受可見光干擾，而且操作起來比較方便。該紅外傳感器對黑色綠色等比較敏感，對白色紅色不敏感，而且在粗糙的面比光滑的面效果更好，紅外傳感器的實質(zhì)并不是通過檢測顏色來判斷，而是通過檢測紅外對光的反射或吸收量與周圍材料相比的不同而實現(xiàn)檢測的。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能搬運車控制系統(tǒng)包括控制器最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、穩(wěn)壓電路、機械手系統(tǒng)等。

主控芯片采用STM32F103，是STM32系列單片機的一種，符合AMR公司Cortex-M3內(nèi)核標準。它的最高工作頻率為72MHz，是一款性能非常高的產(chǎn)品，STM32微處理器的工作電壓為3.3V，在工作時能耗非常低。自帶電源監(jiān)控，看門狗定時器，復(fù)位電路檢測，擁有非常精確的振蕩電路，該振蕩電路頻率為8MHz，可以作為時鐘源使用[5]。

電機驅(qū)動電路選用BTS7970芯片，BTS7970可結(jié)合其他的BTS7970形成全橋和三相驅(qū)動結(jié)構(gòu)。每一個芯片有7個引腳，IN是一個輸入引腳，它決定著高低電位的開啟，當設(shè)置為低電平的時候，INH會控制進入休眠狀態(tài)。SR引腳為速率轉(zhuǎn)化，其速率的調(diào)節(jié)為SR和地線之間的電阻R5控制。OUT1、OUT2兩個輸出接口連接左電機的兩個控制端。同理，OUT3、OUT4接右電機的兩個控制端。Vs可接邏輯電平信號，這里直接連接12V邏輯電壓。

電源通過LM2596芯片實現(xiàn)DC-DC變換，經(jīng)過一系列變換，整合電流，過濾掉雜波以后生成直流電。它可以自己進行調(diào)節(jié)電壓，并且能夠達到穩(wěn)定電壓的效果。LM2596穩(wěn)壓最高可以輸入40V電壓，選擇接入一個12V的輸入電壓，開關(guān)電源經(jīng)過降電壓，濾波以后輸出一個電壓為5V的穩(wěn)定電壓。

機械手的動作靠舵機控制，STM32的定時器輸出兩路PWM波控制相對應(yīng)的舵機來工作，每一路PWM控制一個舵機。每一個PWM波的周期是二十毫秒，通過在占空比百分之五到百分之十之間調(diào)節(jié)來控制舵機的轉(zhuǎn)向。上電以后，舵機輸出一個0.5ms-2.5ms的高電平脈沖，舵機也會轉(zhuǎn)動相對應(yīng)的角度，舵機的轉(zhuǎn)動角度為0度到180度，LD-2015在斷電的時候可以手動轉(zhuǎn)動360度。兩個舵機組成的機械手結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)每一個關(guān)節(jié)處舵機轉(zhuǎn)動的角度即可實現(xiàn)機械手在兩維度間的動作，同時實現(xiàn)一定限度的機械手的升降。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

編程軟件選擇Keil uVision4，對STM32F103芯片進行C語言程序編寫，采用的是STM32F103標準的庫函數(shù)編寫。包括主程序、巡線子程序、PWM產(chǎn)生子程序、避障子程序等。

程序初始化以后，智能搬運車首先通過STM32微控制器控制機械手搬運物品，然后智能搬運車會利用尋線模塊進行尋線。尋線傳感器會根據(jù)白線所在位置進行位置的調(diào)整，最終經(jīng)過不斷地位置調(diào)整，智能搬運車可以尋著白線向正確方向前進。當?shù)竭_位置時，機械手放下物體，即為完成工作。

尋線程序是設(shè)計的重點，當白光傳感器檢測白線并發(fā)送信號，判斷智能搬運車是否發(fā)生跑偏現(xiàn)象。如果沒有檢測到偏離白線，智能搬運車會沿著預(yù)設(shè)好的軌跡直行。如果小車發(fā)生向左偏離，小車會自動向右轉(zhuǎn)，并且不斷地判斷小車是否還偏離，直到小車不發(fā)生偏離；同理，若果小車發(fā)生右偏移的，它也能夠向左轉(zhuǎn)調(diào)整方向，直到小車可以沿著軌跡直走為止。

通過改變PWM波的脈沖寬度，來改變舵機的轉(zhuǎn)軸角度，STM32微控制器通過數(shù)字輸出對模擬電路來進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)脈沖的寬度來達到整體的控制。STM32F103一共有八個定時器，而一般通用的定時器如TIM2，3，4，5都可以產(chǎn)生四路的PWM，但是TIM6和TIM7不能產(chǎn)生PWM方波。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能搬運車的自動尋跡、自動避障、物體精確的抓取和放置等功能，制作出了智能車模型，通過實驗和測試，結(jié)果表明達到了預(yù)期的設(shè)計目標，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻

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[3]黃麗莉，張智勇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物流倉儲管理體系中的應(yīng)用[J].中國集體經(jīng)濟，2012，31：67-69.

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