基于三自由度的智能物流小車

鄭登華，賀一烜，柏孟杰，張 星

1 智能物流小車的設(shè)計(jì)

智能物流機(jī)器人使用的材料：Arduino mega 2560 控制板，步進(jìn)電機(jī)，TB6560 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，全向輪（麥克納姆輪），黑白標(biāo)傳感器，二維碼，OLED 顯示屏，舵機(jī)，openmv，航模電池等。

智能物流機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為小車底板設(shè)計(jì)，機(jī)械手設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)以及程序設(shè)計(jì)等方面。機(jī)械手和小車底板以亞克力板為原料，通過激關(guān)切割得到我們所需要的零件，然后將其組裝，得到一個(gè)完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也可以通過3D 打印以及線切割等方式得到所需的零件[1]。大多數(shù)小車的底板通常為正方形或者長(zhǎng)方形，這樣就必須采用四輪結(jié)構(gòu)，不僅耗費(fèi)材料，而且因?yàn)榈孛婺Σ亮Φ脑?，?huì)使小車在轉(zhuǎn)向方面存在很多的問題.而我們采用的是三輪結(jié)構(gòu)，圓形底盤，通過步進(jìn)電機(jī)獨(dú)有的可控轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)360 度無死角轉(zhuǎn)彎，而且還能提高轉(zhuǎn)向時(shí)的精準(zhǔn)度，減少小車轉(zhuǎn)向時(shí)存在的誤差，同時(shí)，小車前進(jìn)時(shí)是由兩個(gè)輪子帶動(dòng)，這樣小車便有3 個(gè)方向可利用。

圖1 小車正面圖

圖2 小車側(cè)面圖

小車機(jī)械手的設(shè)計(jì)：小車機(jī)械手的主要功能是準(zhǔn)確抓取與放置，所以用舵機(jī)控制是最好的選擇，一方面是舵機(jī)易于控制，方便調(diào)試，另一方面是舵機(jī)控制能精確到度數(shù)，提高放置物品的精確度。但在比賽中，抓取物品規(guī)則大小由抽簽決定，并且手爪部分要現(xiàn)場(chǎng)打印，裝配，所以機(jī)械手的結(jié)構(gòu)最好是越簡(jiǎn)單越好，用的舵機(jī)是越少越好，如果舵機(jī)使用過多，不僅會(huì)讓調(diào)試過程變得復(fù)雜，也會(huì)使放置的誤差變大。在此建議大家用2 個(gè)舵機(jī)或3 個(gè)舵機(jī)控制，使用2 個(gè)舵機(jī)時(shí)，可采用平行4 桿結(jié)構(gòu)，一個(gè)舵機(jī)用于控制升降，另一個(gè)舵機(jī)控制抓取（如圖3），而3 個(gè)舵機(jī)則可以采用以上結(jié)構(gòu)（圖2）。

電路控制方面：小車用到的模塊種類很多，工作電壓也不相同，其中TB6560 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓通常是10V 到35V，其他模塊普遍是5V 供電，而電池供電則規(guī)定在12V 以內(nèi)，所以必須要使用降壓模塊給電源降壓，才能讓模塊正常的使用，也可以通過多電源控制，比如單獨(dú)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)電源，而其他模塊一個(gè)共用電源。由于這個(gè)比賽用的模塊比較多，線路也比較復(fù)雜，所以建議大家可以制作一塊PCB 板，將用到的電源以及模塊集成在PCB 板上，這樣不僅可以減少線路的復(fù)雜度，也可以在小車出現(xiàn)故障時(shí)，快速檢查線路方面的問題。

圖3 平行四桿的機(jī)械手

程序設(shè)計(jì)方面：小車的程序涉及行走路線的規(guī)劃，小車功能的實(shí)現(xiàn)以及物品放置的精確度等等，程序比較復(fù)雜，邏輯也比較繁瑣，所以建議大家使用模塊化編程，將小車實(shí)現(xiàn)的功能做成一個(gè)庫(kù)的形式或者定義成函數(shù)的方式，使用時(shí)調(diào)用即可。而在這個(gè)程序設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的便是步進(jìn)電機(jī)的控制，在這里我們使用步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)是MG42S1，與之相匹配的驅(qū)動(dòng)器為TB6560，同樣也可以采用TB6600，雖然兩者控制方法不同，但原理基本相同，再此我重點(diǎn)介紹TB6560 的控制方法，TB6560驅(qū)動(dòng)器適合4.2A 以內(nèi)的42，57，86 兩相/四相/四線/六線的步進(jìn)電機(jī)，步伐控制共有6 種細(xì)分方式，大家可根據(jù)需求選擇，而本文中的小車采用整步的細(xì)分方式，具體的程序{digitalWrite(CW，LOW);digitalWrite(CW1，LOW);while(j){digitalWrite(CLK，HIGH);digitalWrite(CLK1，HIGH);delayMicroseconds(500);digitalWrite(C LK，LOW);digitalWrite(CLK1，LOW);delayMicrose conds(500);j-=1;}}，其中CW 信號(hào)的高低是控制小車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，當(dāng)CW 高電平或懸空時(shí)為正轉(zhuǎn)，低電平時(shí)為反轉(zhuǎn)，而CLK 的高低電平則是控制電機(jī)正常運(yùn)行，需要有高低電平變化才能控制電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，如果改變高低電平變化的時(shí)間，則還可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，不僅如此，該程序還能通過修改文中j 的大小實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)指定的圈數(shù)，由于該步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8 度，故當(dāng)j=200 時(shí)剛好可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，也可以在while 里面加入循跡程序，這樣便可實(shí)現(xiàn)循跡加定位的功能，但這只是步進(jìn)電機(jī)最簡(jiǎn)單的控制方法，適用于初學(xué)者，如果想要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)更加強(qiáng)大的功能，大家還可以使用PID 算法控制，加入方向，加速度等功能。

2 智能物流小車的結(jié)構(gòu)與程序優(yōu)化

智能物流小車最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)只能算是設(shè)計(jì)者的主觀想法，如果想要在賽道上穩(wěn)定，高效的工作，還需要后期花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試與修改，例如小車完成后的結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到比賽要求，機(jī)械手結(jié)構(gòu)是否完成其功能，小車功能是否能按照程序設(shè)計(jì)那樣運(yùn)行等問題，都需要我們進(jìn)行大量的場(chǎng)地實(shí)踐，不斷完善小車的功能。而對(duì)于小車實(shí)現(xiàn)功能方面，建議大家在編程時(shí)，不要盲目的把自己所有的程序雜合在一起，剛開始就讓小車一次性實(shí)現(xiàn)所有的功能，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致小車功能無法實(shí)現(xiàn)，還有可能導(dǎo)致自己的程序無法編譯通過，而更為嚴(yán)重的問題是自己都無法確定小車的問題在哪里，所有建議大家在編寫總程序時(shí)，一步一步的實(shí)現(xiàn)小車的功能，例如可以先實(shí)現(xiàn)小車的行走，循跡，再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二維碼，顯示屏等功能，因?yàn)橹挥羞@樣你才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序調(diào)試過程中的問題，這樣也方便自己檢查。

3 針對(duì)2019 年四川省智能物流小車競(jìng)賽的一些策略

2019 年四川省智能物流小車于2019 年11 月份開始，完成的功能主要有二維碼掃描，顏色識(shí)別，顯示屏，物料放取，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)通信等功能，而其中有一項(xiàng)規(guī)定是在4 小時(shí)內(nèi)完成小車機(jī)械爪的設(shè)計(jì)與制作，路線重新規(guī)劃與程序調(diào)試的任務(wù)，這個(gè)規(guī)定就進(jìn)一步的要求參賽隊(duì)員之間要有緊密的配合，合理的分工，并且要求路徑規(guī)劃以及程序方面要足夠的精簡(jiǎn)，這樣才有可能在4 個(gè)小時(shí)內(nèi)完成程序的編寫。對(duì)于路徑的規(guī)劃，建議大家可以使用坐標(biāo)法對(duì)程序的進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以先定義一個(gè)起始坐標(biāo)與方向（x，y，d），然后找到小車停止時(shí)的坐標(biāo)與方向（x1，y1，d1），如第一次掃二維碼的位置與方向（6，1，2），然后兩者之差就可以得出x 方向應(yīng)走多少步，y 方向應(yīng)走多少步，中間應(yīng)旋轉(zhuǎn)多少度，并且還要將小車實(shí)時(shí)的位置記錄下來，作為下一次使用時(shí)的初始坐標(biāo)（x，y，d），盡管這個(gè)方法在程序設(shè)計(jì)時(shí)比較困難，但做出了之后的程序在修改中便會(huì)變得十分簡(jiǎn)單，這樣也可以使程序在后期修改中更加方便，也更加的智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，智能物流小車競(jìng)賽的難度逐步變大，要求實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多，無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是程序設(shè)計(jì)，都需要花費(fèi)大量的時(shí)間，所以要求團(tuán)隊(duì)成員要分工明確，相互合作，才能在競(jìng)賽中取得優(yōu)異的成績(jī)。