基于模塊化控制的多功能智能搬運小車的設(shè)計

范淇元，覃羨烘，黃文妹

（1.華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州 510800；2.廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系，肇慶 526100）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動化、智能化是我國當(dāng)前不可推卸的首要任務(wù)。智能化是現(xiàn)代設(shè)備的象征。智能小車的運用領(lǐng)域非常廣泛，它不僅可以運用于無人車間，更可以運用于軍事、通信、導(dǎo)航，甚至于家庭[1]。它所涉及的知識也是十分豐富，涵蓋了機械、電子、計算機、傳感器等。

智能小車不僅可以減少繁重的體力勞動，同時可以提高企業(yè)的生產(chǎn)率和降低勞動成本。現(xiàn)今，企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，對自動化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能小車以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸、柔性化生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[2]。特別在一些高危生產(chǎn)線上，工人們冒著生命危險干活，而采用智能小車搬運，就不用擔(dān)心出現(xiàn)這種問題。再者智能小車的芯片能裝載的信息非常龐大，且價格低廉。因此具有非常廣闊的前景。

1 智能小車硬件設(shè)備原理及安裝

1.1 智能小車控制主板

所選用的Openduino是中科歐鵬公司的智能搬運碼垛控制主板。它可以驅(qū)動多種電路模塊，比如電機模塊、超聲波模塊、QTI（quick track infrared）傳感器模塊、顏色傳感器模塊[3]。Openduino在驅(qū)動舵機時，可以直接輸入脈沖的大小來控制舵機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到舵機調(diào)速效果。在各種驅(qū)動中，如直流、伺服、步進(jìn)電機均適用Openduino，而且電機的驅(qū)動電源是獨立的?？刂瓢逵?6路數(shù)字舵機接口，可以靈活地配置不同端口的模塊，同時也支持多種環(huán)境。設(shè)計中采用了C語言編程軟件Eclipse。

1.2 智能小車控制芯片

控制主板Openduino的主控芯片為ATmega328p。ATmega328p是一款主流Atmel AVR的芯片，具有很強的I/O驅(qū)動能力、高速運行處理能力且低功耗，晶振為16 MHz[4]；有32個針腳數(shù)、23個可編程的I/O口、32 kB的程序存儲器容量，被廣泛應(yīng)用于微小型機器人的系統(tǒng)開發(fā)。

1.3 循線功能QTI傳感器

智能小車循線功能通過QTI傳感器實現(xiàn)。QTI傳感器是一種小功率集成管，由紅外發(fā)射器和紅外接收器2部分組成；有3個引腳，分別是電源（Vcc-5 V）引腳、地（GND）引腳和信號輸出（SIG）引腳[5]。QTI傳感器在循線功能應(yīng)用廣泛，普遍用于智能小車。QTI傳感器最佳探測距離為10～12 mm。

1.4 角度伺服舵機

機械手控制主要采用4個自由度的角度舵機來實現(xiàn)，驅(qū)動角度伺服舵機的芯片是74HC595。該機械手運作非常平穩(wěn)，控制也非常方便。因為是雙臂用雙電機驅(qū)動，啟動的力矩非常大。又因為是小型樣機，所以機械手的最大展開長度為300 mm（從大臂關(guān)節(jié)中心到手爪頂端），最大的夾持重量僅為150 g，但相對于五自由度機械手，具有4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和1個夾持關(guān)節(jié)。機械手臂部分從角度舵機1到角度舵機5依次接到控制板上標(biāo)識為SVO1—SVO5接口，角度舵機的控制范圍通常為0～180°[6]。在此，采用的角度舵機控制脈沖寬度范圍為 1000～5000 μs，編程時定義 1000 μs對應(yīng)角度為 0°，5000μs對應(yīng)角度為 180°。

1.5 硬件分布實物

QTI傳感器的硬件分布如圖1所示。

圖1 QTI傳感器分布實物圖Fig.1 QTI sensor distribution physical diagram

智能小車前進(jìn)循線所用到的QTI有QTI1—QTI4：QTI1用于左轉(zhuǎn)角，QTI4用于右轉(zhuǎn)角，QTI2和QTI3用于控制前進(jìn)。QTI5和QTI6主要用于智能小車停止位置的定位；QTI7—QTI9除用于后退循線外，還具有抓物料及放物料的定位功能。角度舵機分布實物圖如圖2所示。

圖2 角度舵機分布實物圖Fig.2 Angle servo distribution physical map

2 智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試分析

2.1 搬運物料路徑圖及編程設(shè)計思路

通過路徑的規(guī)劃，使智能小車能經(jīng)過程序運算后，將物塊搬運到指定位置并進(jìn)行堆垛。搬運物料路徑如圖3所示。

圖3 搬運物料路徑Fig.3 Handling material path map

采用編程軟件Eclipse進(jìn)行編程。編程設(shè)計思路如下：①轉(zhuǎn)角程序設(shè)計 智能小車前方左右兩邊QTI傳感器對黑道掃描方法轉(zhuǎn)角；②前進(jìn)循線設(shè)計 智能小車前方4個QTI傳感器循線；③后退循線設(shè)計 智能小車后方3個QTI傳感器循線；④定位放物料設(shè)計 智能小車后方3個QTI傳感器定位；⑤機械手動作順序 舵機5→舵機4→舵機3→舵機1和2。

2.2 搬運物料的流程

智能小車搬運物料的流程如圖4所示。

圖4 智能小車搬運物料步驟流程Fig.4 Intelligent car handling materials flow chart

2.3 搬運調(diào)試過程及結(jié)果

搬運程序主要是調(diào)試智能小車，使其按照事先擬好的路線進(jìn)行搬運、堆疊，且智能小車在搬運第2個貨物時還能整齊地疊放在第1個貨物的上面。調(diào)試時，先進(jìn)行分段程序調(diào)試，再做程序總體調(diào)試。對機械手和QTI的調(diào)試稍后再進(jìn)行，此時調(diào)試好搬運路徑即可。智能小車能自動進(jìn)行分料，這些程序都在調(diào)試時擬好。

智能小車在搬運過程中，基本可以按照要求完成上下搬料的動作，但有可能在抓物料、放下物料時出現(xiàn)些許誤差，比如堆放不整齊、夾取時把下層的物塊弄倒。這些細(xì)微誤差都將在調(diào)試過程中一一解決。

2.4 QTI傳感器循線調(diào)試

2.4.1 調(diào)試過程

循線調(diào)試共使用9個QTI傳感器。從智能小車后方向前方看去，前方中間有4個QTI，它們主要用于智能小車前進(jìn)循線和調(diào)整精度循線；輪子左右附近有2個QTI，主要用于輔助循線以及轉(zhuǎn)角度循線；“尾巴”中間有3個QTI，主要用于轉(zhuǎn)角度循線和后退循線。

QTI傳感器讀取信號為1時表示處于黑道，為0時表示處于白道。

控制程序編譯成功后下載至智能小車控制器中并運行，運行過程得到調(diào)試結(jié)果。由圖3可見，小車先利用前面的QTI進(jìn)行直線行走，到十字路口之后要實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)或者向右轉(zhuǎn)90°的功能，主要是利用掃描的方法轉(zhuǎn)角。如向左轉(zhuǎn)至白點時，智能小車中間的QTI會感應(yīng)到白點，產(chǎn)生低電平，小車停止前進(jìn)。除向左、向右轉(zhuǎn)90°之外，還可以實現(xiàn)180°的轉(zhuǎn)角。

2.4.2 調(diào)試結(jié)果

QTI傳感器的循線調(diào)試結(jié)果見表1。

表1 QTI循線狀態(tài)Tab.1 QTI line status

多功能智能小車在循線時，直線行走時非常穩(wěn)定，但在轉(zhuǎn)角時不夠穩(wěn)定，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)角幅度偏大的情況，為此需要使用掃描的方法來進(jìn)行轉(zhuǎn)角。故在編程時，增加了智能小車轉(zhuǎn)過90°時再做一次角度的修正，以達(dá)到后續(xù)行走過程中能夠循著直線行走。

2.5 機械手工作調(diào)試

2.5.1 調(diào)試過程

為使智能小車的機械手能準(zhǔn)確地抓放物料，調(diào)試時采用了單一變量法，在保持其他2個機械手參數(shù)不變的情況下，對機械手的每個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。因受多種因素影響，所以在調(diào)試過程中需要耐心反復(fù)調(diào)試。最終通過調(diào)試，得到了比較理想的舵機參數(shù)。理想的機械手動作參數(shù)見表2。

表2 機械手動作參數(shù) （°）Tab.2 Manipulator parameters

2.5.2 調(diào)試結(jié)果

機械手經(jīng)過調(diào)試后，智能小車在運行過程中，機械手基本能按照要求完成各個動作，可以實現(xiàn)抓取、放下物料的功能。然而，由于實際結(jié)果與設(shè)定的參數(shù)存在誤差，尤其在抓取和堆垛的位置上，不能每次都精準(zhǔn)實現(xiàn)，會出現(xiàn)位置的微小偏移。這主要是由于受電量外在因素的影響，電機運轉(zhuǎn)會受到電量的制約。

2.6 智能小車硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)的改進(jìn)

之所以不能準(zhǔn)確抓放物料，除了受智能小車硬件設(shè)備的影響外，還與軟件系統(tǒng)有關(guān)。在小車搬運物料時，由于電量不足，導(dǎo)致機械手無法正常工作，直接影響搬運結(jié)果；有時QTI傳感器無法正常工作，影響循線的準(zhǔn)確度；機械手參數(shù)并非最佳范圍，導(dǎo)致無法把物料搬到最佳位置；地圖有些地方太黑，直接影響QTI傳感器的讀取功能；等。因此有必要對智能小車硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)做進(jìn)一步改進(jìn)。

硬件設(shè)備的改進(jìn)如下：①地圖的質(zhì)量不能影響QTI傳感器讀取功能；②電量應(yīng)充足，如果經(jīng)濟(jì)條件允許可以考慮更換新的電池；③QTI傳感器的安裝位置必須根據(jù)智能小車的工作需要，不得隨意安裝；④搬運物料前，須全面檢測硬件設(shè)備，以保證智能小車碼垛能正常進(jìn)行。

軟件系統(tǒng)的改進(jìn)如下：①燒錄程序之前，須對程序進(jìn)行全面檢查，確保程序無誤后才能燒錄。②程序的語法可以考慮switch語句，以達(dá)到程序精簡效果。③程序應(yīng)模塊化，以便于程序錯誤的檢查。④for，while，do while均為循環(huán)體結(jié)構(gòu)，三者可以互換使用。 ⑤void T （int LeftSpeed，int RightSpeed，int time），timed值不宜過大，太大則小車可能沖出黑道，time值最好為2～5。⑥機械手動作的順序是：舵機5→舵機4→舵機3→舵機1和2。其目的是防止碰到物料，提高搬運物料效率，提高放物料精度。

3 模塊與仿真

3.1 金屬模塊的檢測

金屬檢測主要利用超聲波來控制。設(shè)計中，金屬檢測功能并未附在智能小車搬運的場地圖中，而采用了單獨的形式，其原理非常簡單。在車的頭部安裝1條小管道，再安裝1塊電磁鐵，在小車行駛過程中通電。當(dāng)小車行駛到有金屬的位置時，電磁鐵的位置發(fā)生變化，超聲波感應(yīng)到電磁鐵位置的變化，則認(rèn)為感應(yīng)到金屬。金屬檢測實物設(shè)計如圖5所示。

圖5 金屬檢測實物設(shè)計Fig.5 Metal detection physical design

3.2 避障模塊

避障使用紅外避障法，而不是超聲波避障法。相對而言，后者的運用更廣泛，而且反應(yīng)靈敏。在此設(shè)定避障的距離為30 cm。如果利用超聲波避障，由于距離和空間小而產(chǎn)生前后傳感器信號干擾[7]，因而無法判斷出現(xiàn)障礙物的位置而發(fā)生程序紊亂，最終達(dá)不到要求。采用紅外傳感器來避障便可解決這些問題。

然而，當(dāng)障礙物距離小車非常近的時候，紅外傳感器發(fā)出的信號容易遭受自然光的干擾。當(dāng)檢測到障礙物的時，發(fā)射回來的紅外光被紅外光敏二極管接收，產(chǎn)生低電平，該信號被放大交由單片機分析之后做出動作，該左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或者后退。

3.3 小車測距模塊

測距主要利用霍爾傳感器獲得信號來實現(xiàn)。在轉(zhuǎn)軸上粘一些磁鋼，使霍爾開關(guān)接近磁鋼，就可以產(chǎn)生信號[8]。當(dāng)轉(zhuǎn)軸在不停轉(zhuǎn)動時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。當(dāng)在轉(zhuǎn)軸上的磁鋼達(dá)到可以讓轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周時，就可產(chǎn)生多個脈沖。

在粘這些磁鋼時應(yīng)注意，霍爾傳感器對磁場方向非常敏感。如果粘上的磁鋼靠近霍爾傳感器時沒有脈沖輸出，則應(yīng)更換方向再做測試。

由于該傳感器可運用在重油污或有灰塵的環(huán)境中，因此在工業(yè)中被廣泛使用。在此測試中，小車的軸半徑r=3 cm，則小車轉(zhuǎn)n周的路程為S=2×3.14×3n。

3.4 循跡原理

多功能智能小車按照白色地圖上的黑線行駛。通常采用紅外探測法。主要利用不同顏色的物塊會產(chǎn)生不一樣的反射強度原理。在小車循跡行駛過程中，不斷地向地面反射紅外光，當(dāng)小車行駛到白色區(qū)域時產(chǎn)生漫反射，則被小車接收管接收，小車停止前進(jìn)；如果是黑線，則被紅外光吸收，不產(chǎn)生漫反射，故接受管接受不到信息，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。小車在循跡過程中主要依據(jù)該原理來判斷黑線或者白線。

3.5 驅(qū)動電機原理

電機驅(qū)動電路是主芯片發(fā)出信號控制電機從而控制小車運動，并通過控制OUT來控制小車電機的正、反轉(zhuǎn)，即控制小車的左、右轉(zhuǎn)向，同時也控制小車的前進(jìn)、后退和停止。

在此使用Proteus對電路圖進(jìn)行繪制和仿真。仿真均依據(jù)多功能小車運行的原理進(jìn)行繪制，分別有循跡、驅(qū)動電機、金屬檢測、測距、避障等。在原理圖繪制中，未采用AVR的芯片，是因為在POTELS軟件中很難找到該芯片，采用的是日常單片機中最常用的芯片ATM89c52。型號不同，但演示的結(jié)果相同。

4 智能小車的搬運碼垛試驗

完成編程后對智能小車進(jìn)行了搬運碼垛試驗。轉(zhuǎn)角主要依靠小車前面兩邊QTI傳感器掃黑道的方法進(jìn)行，其好處是能保證轉(zhuǎn)角度到位，不受電量的影響。因為需要中轉(zhuǎn)物料，所以主要使用后面QTI傳感器掃描黑道的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)角。小車能準(zhǔn)確停在線上放物料，主要靠后面3個QTI傳感器對白點進(jìn)行定位停車。后退主要依靠后面的QTI傳感器循線。智能碼垛搬運物料時也是按照順時針掃描搬運物料，當(dāng)物料與放終點位置一致時，機械手直接抓起物料前進(jìn)到一定位置放下物料；當(dāng)其他線被物料擋住時，則機械手抓起物料轉(zhuǎn)角到該線上，待前進(jìn)到一定位置放下物料；其他情況則中轉(zhuǎn)到其他歸劃好的儲物區(qū)。搬運碼垛試驗中的智能小車如圖6所示。

編程主要利用數(shù)組作為編程的核心，將已知的物料顏色給數(shù)組賦值，智能小車就會將物料準(zhǔn)確無誤地搬運到相應(yīng)的位置。

5 結(jié)語

先對智能搬運小車的硬件進(jìn)行甄選，然后進(jìn)行軟件編程并反復(fù)調(diào)試；對電路進(jìn)行了繪制和仿真，模擬了在生產(chǎn)線上多功能小車依靠機械手完成上下料、物料儲存、擺放等一些物流活動；解決了智能小車在生產(chǎn)上遇到的比較常見的循跡、驅(qū)動電機、金屬檢測、測距、避障困難等問題；在制作和設(shè)計過程中較容易實現(xiàn)，且具有高度的人性化、智能化。目前該多功能小車已經(jīng)投入使用，為企業(yè)創(chuàng)造了比較好的效益。

圖6 智能小車的搬運碼垛試驗Fig.6 Handling and palletizing test of intelligent trolley