基于STM32 單片機的智能搬運機器人設計

楊正樂 任小強 于崗 河南理工大學

智能搬運機器人配有多種傳感器，可以精確識別路徑、物塊顏色以及對物塊的抓取，對不同的場地有較好的適應能力。其通過灰度傳感器識別路線，自動選擇最優(yōu)路徑定位物塊以及指定存放點的位置。使用顏色傳感器識別物塊顏色，利用數(shù)字舵機精確控制機械爪抓取物塊。

一、控制系統(tǒng)設計

1.系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)采用STM32F103單片機為控制核心，使用顏色傳感器進行物塊顏色識別、灰度傳感器識別路徑自動選取最優(yōu)路徑、數(shù)字舵機精確控制機械爪的運動、步進電機提供動力源可以實現(xiàn)精準定位。

整個控制系統(tǒng)組成如下：

2.硬件設計

系統(tǒng)硬件主要是有以下幾個部分組成，單片機主控模塊、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、顏色傳感器模塊、步進電機驅(qū)動模塊、數(shù)字舵機等。

2.1 單片機控制板

STM32F103系列使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I 2 C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。

2.2 顏色傳感器

顏色傳感器使用的是TCS230模塊，TCS230是美國 TAOS 公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標、單電源供電等特點。輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。當用TCS230識別顏色時，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當計數(shù)到255時停止計數(shù)，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應的R、G和B的值。通過對比R、G和B的值來確定物塊的顏色。

2.3 機械爪設計

機器人小車使用三個數(shù)字舵機控制三個弧形爪子，數(shù)字舵機每接收到一個脈沖就會轉(zhuǎn)動一個固定的角度并且自動鎖死。爪子固定在數(shù)字舵機的舵盤上，由舵機鎖死產(chǎn)生一個較大的抓緊力進而抓取物塊。

2.4 驅(qū)動模塊

機器人小車采用兩個步進電機驅(qū)動、一個萬向輪輔助轉(zhuǎn)向來完成移動功能。步進電機由驅(qū)動模塊控制，驅(qū)動模塊共有V+電源正極、GND接地、VCC共陽極接口、DIR方向信號、STP步進信號、EN使能信號六個接口。通過改變DIR、STP、EN端口的高低電平，使得機器人小車實現(xiàn)前進、后退、鎖死的功能。

二、軟件設計

1.程序流程圖

搬運機器人小車首先從出發(fā)點出發(fā)，根據(jù)任務要求搬運不同顏色的物塊放到對應顏色的區(qū)域內(nèi)，通過灰度傳感器識別路徑到取物塊區(qū)域抓取物塊，然后放到指定區(qū)域內(nèi)。程序流程圖如下：

圖2 程序流程圖

2.循跡及定位設計

搬運機器人小車在識別路徑的過程中，通過七個灰度傳感器實時檢測自身的位置，以及與線路的偏差程度。七個灰度傳感器實時反饋自己的灰度值，經(jīng)過單片機處理后計算出偏差值，采用PID算法動態(tài)調(diào)整左右兩個步進電機的轉(zhuǎn)速，從而實時修正自己的運動軌跡。

在搬運機器人小車前后各裝有一個光電測距傳感器，當小車距離物塊達到指定距離時使用外部中斷讓小車停下，可以完成精確定位。然后使用機械爪進行物塊的抓取，以及轉(zhuǎn)運存放到指定區(qū)域的功能。

三、物塊搬運機器人的應用

隨著人工智能的發(fā)展，機器人越來越智能化應用也變得更加廣泛。

本文設計的搬運機器人使用最簡單的STM32核心板，機械結構也較為簡單可以實現(xiàn)不同物塊的抓取，對各種類型的小型倉庫和工廠環(huán)境適應能力較強，大大降低了成本、提高了工作效率。