一種具有無(wú)線通信的物料搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙江萬(wàn)里學(xué)院 徐 鋒 任春艷 何艷賓

針對(duì)目前物流行業(yè)發(fā)展迅速，人工成本不斷提高，行業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，研究了以智能小車(chē)為載體的搬運(yùn)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中使用規(guī)則的正方形物體，模擬規(guī)則的物料包裹。小車(chē)主要實(shí)現(xiàn)接受來(lái)自上位機(jī)的通信，開(kāi)始自主循跡、識(shí)別物料進(jìn)行取貨和卸貨。系統(tǒng)主要以STC12C5A06S2單片機(jī)為控制核心，由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)控制，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)黑色軌跡，把感應(yīng)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理使得小車(chē)沿固定軌跡行駛。在物料擺放位檢測(cè)到物體，則用三軸機(jī)械臂進(jìn)行抓取。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)清晰，可靠性好。

人工智能+物聯(lián)網(wǎng)模式的不斷滲透加深了自動(dòng)化在物流行業(yè)的普遍應(yīng)用。尤其是在物流行業(yè)尤為突出，人工勞作將逐漸被智能倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人所替代。物流將會(huì)從傳統(tǒng)的人工分揀轉(zhuǎn)型升級(jí)為智慧物流，智慧物流必將大大提高資源的利用率。智能搬運(yùn)小車(chē)憑借其可控的行駛路徑和速度，定位停車(chē)精準(zhǔn)。加之其高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修等特點(diǎn)大大提高了物料搬運(yùn)的效率。

文章首先介紹智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì)方案，其次進(jìn)行了軟件層面的設(shè)計(jì)。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)主要采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，由單片機(jī)、循跡模塊、紅外探測(cè)模塊、無(wú)線通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和抓取模塊組成。其中單片機(jī)作為核心負(fù)責(zé)處理采集到的信息從而控制其他模塊的工作，總體的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本多功能物料搬運(yùn)小車(chē)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要完成接受到上位機(jī)的搬運(yùn)信號(hào)時(shí)，開(kāi)始在預(yù)定軌道行駛，進(jìn)行搬運(yùn)物料的工作。最終硬件方案選定為：采用動(dòng)力鋰電池作為電源、購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)的亞克力底盤(pán)、STC12C5A06S2作為主控核心系統(tǒng)、采用nRF2401無(wú)線通信、采用紅外傳感器循跡和識(shí)別物料。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 核心控制板

控制板選用STC12C5A06S2，STC12C5A06S2是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代以51為內(nèi)核的單片機(jī)。指令代碼與傳8051完全兼容，但是速度比傳統(tǒng)8051快8-12倍。2路脈寬調(diào)制，專門(mén)用于電機(jī)的控制，適合強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)總圖

圖2 穩(wěn)壓電路圖

2.2 電源穩(wěn)壓模塊選擇

7805是一種固定的三端集成穩(wěn)壓器，IC內(nèi)部電路具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流，需要背負(fù)足夠大的散熱片。在溫差較大的環(huán)境中依舊可以正常工作，適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)。輸入最大電壓為35V，最小為7V，并且其外圍電路組成簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)電容和整流二極管即可。穩(wěn)壓電路圖如圖2所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇

普通的直流減速電機(jī)的調(diào)速性能好，調(diào)速方便，調(diào)節(jié)范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)。可頻繁的快速啟動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)。本方案選擇直流減速電機(jī)作為電機(jī)。L298N驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。

L298專用驅(qū)動(dòng)芯片由于驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、價(jià)格便宜、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用中較為廣泛。尤其是在對(duì)功率要求不高小型智能車(chē)上，由于可以使用單片機(jī)IO口輸出的邏輯電平控制，使其對(duì)于電機(jī)的調(diào)速非常方便。

圖3 L298N驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4 無(wú)線通訊模塊

本系統(tǒng)采用nRF24L01無(wú)線通信模塊用于與PC串口通信。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段。單片機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01實(shí)現(xiàn)與PC串口通信。單次傳輸有效字節(jié)數(shù)：1-31字節(jié)?？蓪?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多的雙向通信。

2.5 紅外模塊

采用紅外發(fā)射和接受管等分立元器件構(gòu)成探頭，并使用電壓比較器獲得輸出信號(hào)。

安裝循跡紅外傳感器時(shí)，需要注意，中間一路傳感器必須保證在軌跡的中間位置，左右兩路的傳感器需要貼在黑色和白色地磚的邊界位置。這樣安裝可提供循跡識(shí)別的靈敏度，減少控制系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行的方向頻率。物體識(shí)別也采取紅外模塊，采用抗干擾能力強(qiáng)的紅外傳感器，根據(jù)有無(wú)紅外線反射回來(lái)，判斷是否有物體。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程圖

2.6 物料抓取模塊選擇

采用舵機(jī)控制的機(jī)械臂，通過(guò)程序改變輸出PWM控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度從而控制機(jī)械手每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，使之精確地抓取目標(biāo)。

設(shè)計(jì)中使用MG996R數(shù)字舵機(jī)，最大扭力可達(dá)15kg/cm，一共使用3個(gè)舵機(jī)組成3自由度的機(jī)械手。3個(gè)舵機(jī)只能讓機(jī)械臂在三個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，本次制作中一個(gè)舵機(jī)控制上下移動(dòng)，一個(gè)舵機(jī)控制左右移動(dòng)，一個(gè)舵機(jī)控制爪子抓放動(dòng)作。

本設(shè)計(jì)采用脈寬PWM法實(shí)現(xiàn)對(duì)MG996R舵機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的精確控制。機(jī)械臂的末端夾持器的抓取與松開(kāi)通過(guò)末端舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)舵機(jī)向右旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，爪子完全張開(kāi)。當(dāng)舵機(jī)歸中時(shí)，爪子便合攏，從而實(shí)現(xiàn)夾取和卸載貨物的目的。中間舵機(jī)的安裝是垂直安裝，因此當(dāng)舵機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械臂便會(huì)向上或向下。

圖5 通信設(shè)計(jì)流程圖

圖6 循跡子程序設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

3.1 主程序設(shè)計(jì)

小車(chē)啟動(dòng)后，首先MCU執(zhí)行各種初始化。初始化以后，小車(chē)等待PC的串口指令。收到串口的指令后進(jìn)入循跡子程序，沿著黑色軌跡行駛。若在循跡的過(guò)程中檢測(cè)到進(jìn)入搬運(yùn)區(qū)時(shí)則PWM調(diào)速，降速循跡行駛直到檢測(cè)到需要搬運(yùn)的物體，那么便進(jìn)入搬運(yùn)子程序。物料被抓取后，小車(chē)便繼續(xù)循跡。最后小車(chē)將會(huì)實(shí)時(shí)判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，若到達(dá)終點(diǎn)，便停止行駛卸下目標(biāo)物體，繼續(xù)等待下一個(gè)PC串口開(kāi)始的指令。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3.2 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

在程序的開(kāi)始，將串口初始化、設(shè)置串口中斷。等待PC的串口數(shù)據(jù)中斷指令，當(dāng)收到串口的指令后小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行。串口指令程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3.3 循跡子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)小車(chē)啟動(dòng)后，便立馬進(jìn)入預(yù)定的軌道行駛。從左到右，一共是五路循跡傳感器。主要分為主循跡和輔助循跡兩類，中間的三路為主循跡，兩側(cè)為輔助循跡。在搬運(yùn)區(qū)為設(shè)置一個(gè)小十字形的黑線作為標(biāo)記。因此當(dāng)小車(chē)中間三路檢測(cè)到黑線時(shí)，便需要減速行駛進(jìn)入搬運(yùn)區(qū)。五路循跡若各自檢測(cè)到黑線，則做出相應(yīng)的動(dòng)作。循跡子程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

小車(chē)循跡使用了五路紅外傳感器，中間三路為主循跡，旁邊兩路為輔助循跡，在小車(chē)速度過(guò)快時(shí)可防止其跑偏，提高了循跡的準(zhǔn)確性。在算法中只規(guī)定了五種情況，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)分別是最外左路、左路、中路、右路、最外右路，這五種相對(duì)應(yīng)檢測(cè)到黑線的情況。使用if語(yǔ)句使邏輯順序更加清楚，防止循跡的邏輯判斷混亂。

3.4 搬運(yùn)子程序設(shè)計(jì)

開(kāi)始時(shí)，舵機(jī)初始化，在隨后的運(yùn)行過(guò)程中，紅外對(duì)管實(shí)時(shí)檢測(cè)物料。一旦檢測(cè)到物料，小車(chē)便停止，機(jī)械臂開(kāi)始抓取物料，將物料抓取后繼續(xù)運(yùn)行。直到到達(dá)終點(diǎn)后，機(jī)械臂放下物體。為了防止在終點(diǎn)放下物體時(shí)，紅外探測(cè)管再次被觸發(fā)，在程序中加了標(biāo)志位。搬運(yùn)設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

結(jié)語(yǔ)：本次設(shè)計(jì)過(guò)程，按照先總體后局部的原則，即先從整體功能上進(jìn)行理論分析，把握整體的系統(tǒng)架構(gòu)，逐步再將系統(tǒng)分成各個(gè)具體的功能，模塊化設(shè)計(jì)，易于調(diào)試和維護(hù)，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有多余的擴(kuò)展空間。采用STC12C5A06S2單片機(jī)控制智能搬運(yùn)小車(chē)各模塊的工作，基本完成系統(tǒng)所定的目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了循跡、搬運(yùn)和通信的整合。

圖7 搬運(yùn)設(shè)計(jì)流程圖