基于3S傳感信號分析的小空間搬運(yùn)車系統(tǒng)及三維模型設(shè)計(jì)研究

姜淑鳳 周子業(yè) 劉銘 劉宏發(fā)

摘??要：為了解決復(fù)雜搬運(yùn)環(huán)境下的自動搬運(yùn)問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的小空間搬運(yùn)車智能防盜、防撞、自動巡航系統(tǒng)，通過超聲波及紅外檢測技術(shù)，GSM傳輸技術(shù)，3S傳感導(dǎo)航技術(shù)，三維數(shù)字化裝配技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測車輛與車體生存空間的關(guān)系。該搬運(yùn)車搬運(yùn)載體采用輪式二級升降，托運(yùn)托舉及穩(wěn)定上扶的機(jī)械手結(jié)構(gòu)因此系統(tǒng)自動化程度高，搬運(yùn)環(huán)境適應(yīng)性好，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3S傳感;模塊集成;2級搬運(yùn);自動避撞巡航系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ????文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0?引言

遙感技術(shù)、定位技術(shù)、地理信息技術(shù)這三種技術(shù)的集合統(tǒng)稱為3S技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用不僅對地面建設(shè)有重要價(jià)值，而且還在其他方面有著重要意義。其核心技術(shù)是通過各種傳感器采集波信號，根據(jù)獲得信號進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析，從而掌握被測空間及地表信息然后用于各類控制系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境識別與導(dǎo)航?；谠擁?xiàng)技術(shù)本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的小空間搬運(yùn)車智能防盜、防撞、自動巡航系統(tǒng)的二級升降搬運(yùn)車。

1 3S空間識別模型的建立

本課題設(shè)計(jì)是基于超聲波測距技術(shù)、紅外線檢測技術(shù)及GSM傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。超聲波技術(shù)主要用于計(jì)算發(fā)送和接收聲波之間的時(shí)間差，用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)時(shí)檢測車輛與異物的距離以提醒車主防止碰撞。紅外檢測和震動檢測，是對車輛布防一個(gè)可行且可靠的防盜系統(tǒng)。利用GSM模塊的通訊協(xié)議，可將小車獲得的空間采樣信息傳輸給主控機(jī)，同時(shí)主控機(jī)（用戶手機(jī)）利用3S導(dǎo)航系統(tǒng)指揮車載系統(tǒng)的巡航避撞以此來實(shí)現(xiàn)自動控制運(yùn)動，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

本系統(tǒng)具有自動巡航，自動避撞，自動檢測等功能且系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡潔、顯示直觀、實(shí)用性強(qiáng)、制作成本低、易于安裝，也容易進(jìn)行外部擴(kuò)展。

2 控制過程

防撞巡航功能的實(shí)現(xiàn)主要是靠超聲波及單片機(jī)完成的。其具體表現(xiàn)為利用超聲波測量前車及其余障礙物的距離通過單片機(jī)輸出報(bào)警信號，或者接入手機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，遇到危險(xiǎn)時(shí)實(shí)行安全遠(yuǎn)程控制從而實(shí)現(xiàn)防撞巡航功能。智能運(yùn)動及防盜功能是通過紅外傳感器和震動傳感器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)紅外傳感器和震動傳感器感應(yīng)到不安全信息時(shí)會發(fā)出聲光及報(bào)警信號，然后通過信息模塊發(fā)送報(bào)警信息到車主，從而實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)動及防盜功能。

2.1 軟件控制設(shè)計(jì)步驟

本系統(tǒng)防撞巡航功能設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其具體設(shè)計(jì)過程為：（1）系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)、（2）通過超聲波傳感器檢測周圍環(huán)境，判斷是否離開“安全工作空間”并將結(jié)果以脈沖信號的形式反饋顯示在顯示屏上，如檢測工作空間的可疑相撞物間距小于預(yù)設(shè)值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，報(bào)警后進(jìn)行車與被撞物之間的最小距離判斷，如距離小于最小預(yù)設(shè)值，則制動并進(jìn)行轉(zhuǎn)彎過程判斷、（3）如大于最小預(yù)設(shè)值則返回脈沖發(fā)射和檢測反饋信號的判斷流程。在該設(shè)計(jì)流程中主要用到的元器件有HC-SR501紅外檢測模塊，震動模塊SW-420常閉型，傳輸模塊SIM800A GSM，LED發(fā)光二極管等。

2.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

本研究采用理論分析、控制流程設(shè)定、硬件選型、三維仿真的技術(shù)設(shè)計(jì)路線。在技術(shù)路線的實(shí)施過程中，理論分析采用模塊化面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)室控制芯片的編程數(shù)據(jù)，研究控制流程于參數(shù)設(shè)定工作。該系統(tǒng)的應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展可移植性。

進(jìn)行對比擴(kuò)展應(yīng)用技術(shù)的預(yù)期分析，通過使用精度更高的傳感器，使測量誤差更低，反應(yīng)更靈敏，為后續(xù)研究提供了廣闊空間。是該設(shè)計(jì)的信號傳輸預(yù)警與環(huán)境信號采集反饋系統(tǒng)如圖3所示。

通訊模塊與防撞防盜工作模塊按照控制流程向中央控制單元申請中斷控制。例如：當(dāng)導(dǎo)航與巡航避撞系統(tǒng)檢測到車輛與前方異物距離為50cm時(shí)即觸發(fā)預(yù)警模塊，綠色和黃色指示燈燈亮，蜂鳴器間斷響起如圖4所示。，此時(shí)執(zhí)行聲光報(bào)警動作，同時(shí)通過GSM傳輸模塊進(jìn)行手機(jī)接收報(bào)警短信并接通導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動巡航避撞。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)對比后，本設(shè)計(jì)采用SIM800A控制系統(tǒng)芯片，如圖5所示。

2.3?創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于51單片機(jī)的汽車防盜防撞報(bào)警系統(tǒng)，其以單片機(jī)為控制核心，通過處理超聲波測距傳感器返回的信號，實(shí)時(shí)顯示車輛與異物的距離以實(shí)現(xiàn)汽車的防撞功能。當(dāng)車輛停止時(shí)可打開防盜裝置，檢測到有人接近并觸碰車輛時(shí)會進(jìn)行聲光報(bào)警動作并及時(shí)發(fā)送信號提醒車主。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)為：

（1）利用3S應(yīng)用技術(shù)的傳感器與可編程芯片的工作原理、超聲波測距技術(shù)原理、紅外檢測原理和超聲波傳感器、電磁波感器工作原理進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對測距系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行分析。

（2）完成防撞防盜系統(tǒng)的硬件選型和三維模型設(shè)計(jì)、完成控制電路設(shè)計(jì)。

（3）完成防撞防盜系統(tǒng)的工作流程，進(jìn)行軟件控制流程設(shè)計(jì)。

（4）通過傳感器和通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)物間導(dǎo)航通訊。

3 三維模型設(shè)計(jì)

考慮到小空間復(fù)雜搬運(yùn)環(huán)境的限制，因此對停車和搬運(yùn)車的運(yùn)行都有嚴(yán)格要求。該設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用插入后舉升托運(yùn)貨物的搬運(yùn)架形式，通過設(shè)計(jì)上扶機(jī)械手抓用于固定貨物。車體采用輪式2級行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)行走路寬時(shí)采用輪胎行走，當(dāng)空間低于輪胎行走要求時(shí)，利用第2級支架舉升車體后采用小輪行走，該結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)優(yōu)勢明顯，其設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過建立人工智能技術(shù)及三維仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用單片機(jī)中央控制和基于3S技術(shù)的現(xiàn)代傳感器實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車與障礙物之間的距離檢測及防盜報(bào)警，其中涉及到mcs-51單片機(jī)的系統(tǒng)應(yīng)用，傳感器檢測模塊，GSM網(wǎng)絡(luò)模塊，聲光報(bào)警和LED數(shù)碼管的距離顯示等功能。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能小空間搬運(yùn)機(jī)械類的小車防盜防撞車載安全巡航報(bào)警系統(tǒng)并進(jìn)行了三維仿真研究。結(jié)果表明：該技術(shù)不僅可用于車輛自動控制，還可用于小件物品的復(fù)雜空間搬運(yùn)且該技術(shù)具有成本低，應(yīng)用價(jià)值高的特點(diǎn)。

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收稿日期：2019-05-24

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201910232047）;齊齊哈爾大學(xué)研究生教育改革項(xiàng)目（JGXM-QUG-2018013）;齊齊哈爾市科技局入庫項(xiàng)目（GYGG-201912）;齊齊哈爾大學(xué)教學(xué)科研項(xiàng)目（YB201825）

作者簡介：姜淑鳳（1979—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士研究生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)械電子工程技術(shù)及逆向工程技術(shù);周子業(yè)（1996—），女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程、逆向工程應(yīng)用及木材檢測技術(shù);*通訊作者：劉銘（1998—），男，黑龍江五大連池人，學(xué)士學(xué)位在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化。

Research on Small Space Pallet System and 3D Model Design Based on 3S?Sensing Signal Analysis

JIANG?Shu-feng?，ZHOU?Zi-ye，LIU?Ming，LIU?Hong-fa

（1.School?of?Mechatronics?Engineering，Qiqihar?University，Qiqihar ?Heilongjiang ?161001;2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang ?150040）

Abstract： In order to solve the problem of automatic handling in complex handling environment， this paper designs a smart space anti-theft， anti-collision and automatic cruise system based on single-chip microcomputer. It adopts ultrasonic and infrared detection technology， GSM transmission technology and 3S sensing navigation technology. ， three-dimensional digital assembly technology， real-time detection of the relationship between the vehicle and the living space of the vehicle body. The handling carrier of the truck adopts the wheeled two-stage lifting， the supporting lifting and the stable manipulator structure， so the system has high degree of automation， the handling environment is adaptable， and has high application value.

Keywords：?3S sensing; module integration; level 2 handling; automatic collision avoidance cruise system