基于單片機的自動航材運輸機器人方案設(shè)計

盛騰飛

摘 要：隨著國家推進(jìn)工業(yè)4.0、互聯(lián)網(wǎng)+等一系列產(chǎn)業(yè)升級的戰(zhàn)略方針，自動化機器人成為當(dāng)前熱議的話題。各行各業(yè)掀起了以自動化機器人廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的產(chǎn)業(yè)革新。文章設(shè)計了一種新型自動化運輸機器人，其具有自動壁障、路線規(guī)劃等智能功能，可以應(yīng)用在一些需要要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能運輸場景下。本運輸機器人可以自行感知在地面上設(shè)置的引導(dǎo)線，并跟隨引導(dǎo)線完成自動運輸?shù)墓δ?，同時利用超聲波原理，感知前方和側(cè)面的障礙物，當(dāng)障礙物和小車的距離低于安全距離時，小車可以自動完成壁障，同時可以智能地回到之前所規(guī)劃的路線繼續(xù)行進(jìn)，完成運輸任務(wù)。

關(guān)鍵詞：傳感器；路況感知；壁障；自動化；方案設(shè)計

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0096-02

Abstract： With the national promotion of industrial 4.0， Internet Plus and a series of industrial upgrading strategy， the automatic robot has become a hot topic. A variety of industries have set off an industrial innovation marked by the widespread use of automated robots. In this paper， a new type of automatic transportation robot is designed， which has intelligent functions such as automatic wall barrier， route planning and so on. It can be used in some transportation scenarios where automatic guidance function and obstacle avoidance function are needed to be realized. The transport robot can sense the guiding line set on the ground and follow the guiding line to complete the function of automatic transportation. At the same time， it can use the principle of ultrasonic wave to perceive the obstacles in front and side. When the distance between the obstacle and the car is lower than the safe distance， the vehicle can automatically complete the wall barrier， and can intelligently return to the planned route to continue to complete the transportation task.

Keywords： sensor； road condition perception； wall barrier； automation； scheme design

1 概述

該智能航材運輸小車作為智能機器人的一種形態(tài)。它主要可以分為四大模塊：光電傳感器檢測模塊、超聲波避障模塊、動作執(zhí)行模塊、單片機中央處理模塊。由于獨立的視覺感知系統(tǒng)算法過于復(fù)雜，且需要高清CMOS傳感器，因為本文討論對比強烈的黑白標(biāo)記，所以，使用普通的光電對管來完成圖像的感知。因為單片機端口輸出能力的限制，一般單片機無法直接輸出驅(qū)動較大功率的直流電機，在此條件下，有兩種常用方案來驅(qū)動電機：第一種，為了減小單片機的資源占用，直接選取可以輸出PWM波的單片機，同時選取小功率，小負(fù)載的直流電機，這樣既可以實現(xiàn)調(diào)速功能，又可以減少電路的復(fù)雜程度，由于單片機I/O口功率的限制，這種方案只適合驅(qū)動玩具小車等一些電機功率比較小的場景，無法應(yīng)用與運輸類別的智能機器人；第二，使用專門的驅(qū)動電路或驅(qū)動芯片，將單片機I/O口的輸出功率進(jìn)行線性放大，可以通過軟件模擬的方式實現(xiàn)PWM波型輸出，這種方式需要犧牲一定的單片機資源，但是可以通過性能更好的單片機來彌補性能上的損失，整體上對電機的驅(qū)動能力也更強，適合需要一定載重的使用場景?？紤]的本設(shè)計的應(yīng)用場景，本設(shè)計選擇第二種方案。中央處理單元上選取89C52單片機，性能上可以很好的滿足需求。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在自動運輸車部署前，需要在地面上部署深色的引導(dǎo)線（以黑色最佳），以引導(dǎo)運輸車按固定的航材運送路線行進(jìn)。自動航材運輸小車使用兩個獨立的直流電機作為動力單元，并且單獨控制每個電機，使左右輪產(chǎn)生速度差即可以完成轉(zhuǎn)向功能，使用一個獨立的萬向輪作為支撐輪，它會隨著兩個動力輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。本設(shè)計使用一排三組共六對光電對管作為檢測地面黑線的傳感器。這六對光電對管分別位于車身前面板的左、中、右三處，用來分辨車身和黑線的相對位置。當(dāng)左側(cè)的光電對管檢測到黑線在車身左側(cè)時，則主控模塊控制車身向左方轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于運輸車往左修正，當(dāng)右側(cè)光電對管檢測到黑線在車身右側(cè)時，控制運輸車往右側(cè)修正，當(dāng)中間光電對管檢測到黑線時，此時控制車身直行。

避障的原理和循跡原理不同，在車身前方裝一對超聲波模塊，利用超聲波測距的原理，可以實時判斷前方障礙物和運輸車的距離、接近速度，當(dāng)障礙物和車身的距離小于門限值時，主控模塊控制小車轉(zhuǎn)動，從而避開障礙物。

2.2 電機驅(qū)動電路（動作執(zhí)行模塊）

本設(shè)計采用H橋式驅(qū)動芯片L298N完成智能運輸車電機的驅(qū)動。L298N最高輸出電流為4A，最大工作電壓為50V，完全可以滿足大功率電機的使用需求。同時，L298N的四個輸入管腳，通過單片機輸入不同的電平組合，可以分別實現(xiàn)控制左右電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。其標(biāo)準(zhǔn)電路圖如下所示：

2.3 光電傳感器檢測模塊

由于地面的導(dǎo)引線一般漆成黑色，且黑色會吸收絕大多數(shù)波長的光波，所以黑色對于紅外線具有很好的吸收性，而除了黑色以外的其他顏色，對紅外線又具有很好的反射性，利用這種特性，我們就可以實現(xiàn)對黑色導(dǎo)引線的識別。

本設(shè)計采用TCRT5000性光電對管作為傳感器，使用LM339作為電壓比較器，探測電路的電路圖如圖2所示：

2.4 單片機中央處理模塊

本模塊主要是以89C52為核心的信號中央處理電路，其作用只要是將傳感器模塊所采集到的光電信號、超聲波模塊采集的障礙物距離信號，進(jìn)行綜合處理和分析，同時控制運輸車的動作執(zhí)行機構(gòu)-電機，從而實現(xiàn)運輸車的各種避障循跡功能。

2.5 超聲波收發(fā)電路設(shè)計

超聲波收發(fā)電路的主要功能是實時測量小車和障礙物之間的距離，并通過超聲波模塊本身的數(shù)碼管進(jìn)行顯示，同時，如果距離障礙物過近的話，超聲波模塊上的蜂鳴器會發(fā)出滴滴聲，進(jìn)行警報。其電路設(shè)計如圖3所示：

3 總結(jié)驗證

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計原則，整體通過光電傳感器模塊、超聲波模塊、單片機中央處理模塊，動作執(zhí)行模塊，配合相應(yīng)的循跡軟件、距離探測軟件、避障軟件以實現(xiàn)如下功能：

（1）自動沿著運輸導(dǎo)引線行駛：運輸車可以自動檢測導(dǎo)引線軌道，并沿著導(dǎo)引線軌道行駛，并不受導(dǎo)引線形狀的影響，當(dāng)運輸車偏離時，可以實現(xiàn)自動糾正。

（2）運輸車可自動探測前方障礙物的距離，并通過超聲波模塊上的數(shù)碼管顯示出來，當(dāng)障礙物距離低于門限值時，運輸車可以自動規(guī)劃路徑，實現(xiàn)避障，避障完成后，小車將自動回歸導(dǎo)引線，繼續(xù)運輸任務(wù)。

通過protues仿真軟件對每個模塊進(jìn)行模擬驗證，每個模塊都可以實現(xiàn)目標(biāo)設(shè)計功能。仿真的成功只能說明本設(shè)計在邏輯方面可行，但如果做出航材運輸小車實物，后續(xù)需要解決很多實際問題，例如：蓄電池的選型問題，能量密度不能過小，不然運輸車需要經(jīng)常充電，無法滿足實用化要求。電機功率不能過小，太小會導(dǎo)致小車載重能力不足。此外，超聲波模塊的探測距離，光電對管的靈敏度等，都需要在后期實際調(diào)整。本設(shè)計為全新的全自動化運輸機器人提供了研發(fā)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李郭惠，吳迅.單片機C語言程序設(shè)計完全自學(xué)手冊[M].電子工業(yè)出版社，2008，10：1-200.

[2]王東鋒，王會良，董冠強.單片機C語言應(yīng)用100例[M].電子工業(yè)出版社，2009，3：145-300.

[3]王曉明.電動機的單片機控制[J].學(xué)術(shù)期刊，2002，13（15）：1322-1755.

[4]Yamato I ，et al 1 New conversion system for UPS using high frequency link[J].1 IEEE PESC，1988：210-320.

[5]劉浩.MATLABR2012a完全自學(xué)一本通[M].電子工業(yè)出版社，2013.