基于Arduino單片機(jī)的智能快遞小車(chē)設(shè)計(jì)

付琳

摘要：本文介紹了一種基于Arduino單片機(jī)的智能快遞小車(chē)的設(shè)計(jì)方案。這種小車(chē)具有自動(dòng)循跡、自主避障且制作成本低廉的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快遞的智能運(yùn)輸和投取。小車(chē)采用了超聲波傳感器與紅外線傳感器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)避障功能，借助黑標(biāo)傳感器來(lái)進(jìn)行路面循跡，將機(jī)械臂與顏色傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)快遞的智能識(shí)別及收取。經(jīng)過(guò)多次路面模擬實(shí)驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)方案在智能投取、運(yùn)輸快遞上具有非常出色的效果。

關(guān)鍵詞：避障;循跡;機(jī)械臂;智能快遞投取

0? 引言

隨著信息技術(shù)等一批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起，智能小車(chē)已成為智能信息領(lǐng)域的熱門(mén)研究對(duì)象。智能小車(chē)集道路感知、規(guī)劃以及行為控制和執(zhí)行等多個(gè)功能于一體，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的自我引導(dǎo)移動(dòng)，是一種綜合智能系統(tǒng)[1]。智能小車(chē)由于其成本低廉及實(shí)用性高的特點(diǎn)，是現(xiàn)代運(yùn)輸問(wèn)題、科學(xué)探測(cè)的極佳解決方案。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行了相關(guān)研究，如陳杰等人的多樣信息采集智能小車(chē)的設(shè)計(jì)[2];周磊磊等人的基于STM32的模擬工業(yè)自動(dòng)化智能搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)[3];白歡等人的智能小車(chē)無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[4]，都對(duì)智能小車(chē)的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

智能小車(chē)包括傳感器、控制器、執(zhí)行器三個(gè)部分。傳感器部分用于接收外界信息，例如路障、光線等，可以看作我們的眼睛、耳朵、皮膚等感知器官;控制器部分用于接收傳感器傳遞的信號(hào)并根據(jù)事先規(guī)定好的工作方式（編寫(xiě)好的程序）進(jìn)行決策且繼續(xù)傳遞給執(zhí)行器;執(zhí)行器顧名思義就是最終的執(zhí)行者，其作用就是執(zhí)行控制器傳遞的指令，例如輪胎、機(jī)械臂都是屬于執(zhí)行器[5]。本文介紹了一種智能投取快遞小車(chē)的設(shè)計(jì)，采用Arduino單片機(jī)作為主控單元，包括循跡模塊、避障模塊、抓取模塊、返航模塊，下文將分模塊介紹智能快遞小車(chē)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1? 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

智能投取快遞小車(chē)采用直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，小車(chē)的Arduino主控單元發(fā)出PWM調(diào)制信號(hào)，分別控制車(chē)載直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向。以前驅(qū)小車(chē)為例，電機(jī)A控制左前輪，連接的是Arduino主控單元的IN1、IN2端口;電機(jī)B控制右前輪，連接的是Arduino主控單元的IN3、IN4端口。要實(shí)現(xiàn)小車(chē)右轉(zhuǎn)只需要將右前輪前向驅(qū)動(dòng)而左前輪不動(dòng)或者左前輪后向驅(qū)動(dòng)而右前輪前向驅(qū)動(dòng)，即給IN1、IN2、IN4端口輸入0、IN3輸入1或者給IN1、IN4輸入0、IN2、IN3輸入1。上述兩種方式都能實(shí)現(xiàn)小車(chē)右轉(zhuǎn)，區(qū)別在于前者轉(zhuǎn)速比較慢，后者反應(yīng)比較快。

1.1 循跡模塊設(shè)計(jì)

由于黑線和白色地板對(duì)光反射系數(shù)的不同，采用黑標(biāo)傳感器來(lái)識(shí)別白色地板上的黑線，Arduino主控單元根據(jù)黑標(biāo)傳感器接收的數(shù)據(jù)判斷黑線的位置，實(shí)現(xiàn)小車(chē)路線的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)智能循跡。小車(chē)根據(jù)多個(gè)黑標(biāo)傳感器的數(shù)據(jù)接收判斷左右走向，無(wú)論是S型彎道亦或者是直角彎道，小車(chē)都成功穿過(guò)，成功完成循跡行駛。循跡模塊流程圖由圖1所示。

1.2 避障模塊設(shè)計(jì)

智能投取快遞小車(chē)的避障模塊硬件由左右超聲波傳感器和紅外傳感器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)障礙物的全方位有效避障[6]。具體避障流程圖如圖2所示。

避障系統(tǒng)采用紅外、超聲波結(jié)合的模式，小車(chē)車(chē)頭中央集成一個(gè)紅外避障傳感器，用于探測(cè)道路前方障礙物，小車(chē)兩側(cè)集成左右兩個(gè)超聲波傳感器，用于分別探測(cè)小車(chē)左右兩側(cè)的障礙物，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的全方位避障。Arduino主控單元通過(guò)超聲波或者紅外避障傳感器反饋的信號(hào)判斷障礙物是否存在及大概位置，控制直流電機(jī)做出避障應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)安全行駛。

1.3 機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)抓取功能的核心。智能投取快遞小車(chē)采用五自由度的機(jī)械臂來(lái)實(shí)現(xiàn)不同情況下的快遞抓取，根據(jù)路況、物料大小、物料的不同位置進(jìn)行自主抓取和搬運(yùn)物件。機(jī)械臂硬件結(jié)構(gòu)由五個(gè)舵機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)縱軸和橫軸兩相互垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)同平面內(nèi)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂的底部舵機(jī)、中間舵機(jī)和機(jī)械爪舵機(jī)分別連接到開(kāi)發(fā)板的舵機(jī)口[7]。

機(jī)械臂舵機(jī)與小車(chē)的控制板直接相連，以實(shí)現(xiàn)Arduino主控單元對(duì)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制。機(jī)械臂采用程序化自主控制，為靈活應(yīng)用的智能搬運(yùn)需求，也可在藍(lán)牙和無(wú)線WI-FI的輔助控制下通過(guò)手機(jī)APP人工控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確抓取工作。當(dāng)智能小車(chē)到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，主控單元通過(guò)調(diào)節(jié)舵機(jī)角度來(lái)控制機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)和手爪的開(kāi)合，根據(jù)傳感器的反饋進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)投取快遞小車(chē)對(duì)快遞物品的精準(zhǔn)抓取[8]。

智能小車(chē)采用顏色傳感器對(duì)快遞進(jìn)行抓取分類(lèi)。到達(dá)指定位置后，顏色傳感器采集物料顏色特征并傳輸給Arduino主控單元，Arduino主控單元驅(qū)動(dòng)舵機(jī)使機(jī)械臂做出抓取動(dòng)作，超聲波傳感器監(jiān)測(cè)小車(chē)前方障礙物距離，Arduino主控單元對(duì)反饋數(shù)據(jù)做出判斷，決定是否啟動(dòng)防撞方案，在確認(rèn)安全后，Arduino主控單元持續(xù)識(shí)別紅外傳感器的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)數(shù)據(jù)的不同組合，判斷小車(chē)當(dāng)前位置狀態(tài)以及待執(zhí)行的任務(wù)，對(duì)直流電機(jī)輸出相應(yīng)的指令信號(hào)，及時(shí)調(diào)整小車(chē)下一步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);若Arduino主控單元接收到終點(diǎn)信號(hào)，則控制小車(chē)停止，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂松開(kāi)快遞，進(jìn)行下一次搬運(yùn)，機(jī)械臂抓取流程如圖3所示。

1.4 返航模塊設(shè)計(jì)

智能小車(chē)在完成快遞包裹運(yùn)輸后，要實(shí)現(xiàn)小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)返回初始點(diǎn)，通過(guò)在終點(diǎn)路面鋪設(shè)特定顏色，使小車(chē)的顏色傳感器采集到指定顏色傳回給系統(tǒng)，系統(tǒng)做出相應(yīng)的指令，使小車(chē)能夠有效準(zhǔn)確地返回初始點(diǎn)。小車(chē)自動(dòng)返回流程如圖4所示。

2? 結(jié)論

本文提出了一種集避障、循跡于一體的智能快遞運(yùn)輸、投取小車(chē)的設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模塊功能的原理及制作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該智能快遞投取小車(chē)遵循模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)原則。小車(chē)可根據(jù)環(huán)境障礙、光線角度的類(lèi)型不同調(diào)整運(yùn)行路線，實(shí)現(xiàn)智能避障、循跡行駛，將多類(lèi)傳感器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)快遞的無(wú)人化投取操作。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的手機(jī)APP調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，調(diào)節(jié)快捷精確。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有成本低廉，搬運(yùn)效率高的特點(diǎn)，適用于現(xiàn)代運(yùn)輸以及科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。今后智能快遞小車(chē)還將從全地形適應(yīng)的角度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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