基于STM32的智能物料搬運(yùn)小車(chē)的設(shè)計(jì)

何宗志 李海華 張 琳 崔志遠(yuǎn) 李鵬飛

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003）

1 比賽場(chǎng)地、物料尺寸及放置要求

1.1 比賽場(chǎng)地

賽場(chǎng)采用近水平鋪設(shè)，尺寸為4 800 mm×2 400 mm的長(zhǎng)方形平面區(qū)域，如圖1所示。

圖1 比賽場(chǎng)地（單位：mm）

賽場(chǎng)周?chē)O(shè)有擋板（無(wú)高度限制，顏色和高度不做任何要求，僅作為場(chǎng)地邊界），由于邊界擋板的不確定性，故不適合用邊界測(cè)距的方式確定小車(chē)的位置。賽道地面為亞光白色或淺黃色等淺色底色，路線有線寬為20 mm、線中心距為300 mm的黑色方格組成。比賽場(chǎng)地內(nèi)，設(shè)置半成品區(qū)、精加工區(qū)、原料區(qū)、粗加工區(qū)、出發(fā)區(qū)、返回區(qū)、庫(kù)存區(qū)。決賽時(shí)拆除擋板。

1.2 比賽所搬運(yùn)的物料

搬運(yùn)的物料模型圖由solidworks繪制，利用3d打印機(jī)用三種不同顏色（紅、綠、藍(lán)）PLA耗材打印出模型。

搬運(yùn)的物料所放置的原料區(qū)和庫(kù)存區(qū)的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為580 mm×145 mm×（80～100）mm雙層貨架，白色啞光，原料區(qū)的高度為100 mm，物料采用顏色識(shí)別，庫(kù)存區(qū)貨架高度為80～100 mm，采用條形碼識(shí)別物料放置位置。

物料尺寸、原料區(qū)和庫(kù)存區(qū)如圖2、圖3所示。

圖2 物料尺寸（單位：mm）

圖3 原料、庫(kù)存區(qū)（單位：mm）

1.3 物料放置的要求

依據(jù)小車(chē)放置的物料接觸的最外一圈色環(huán)，通過(guò)查表得出分?jǐn)?shù)，如表1所示。

表1 環(huán)號(hào)及環(huán)尺寸

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

主控芯片采用STM32F103ZET6，為中等容量增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的128 kB字節(jié)閃存微控制器USB、CAN，7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道）；ARM 32位的Cortex?-M3 CPU（最高72 MHz工作頻率），內(nèi)核為Cortex-M3，該款處理器適合處理大量信息和同時(shí)控制多個(gè)硬件，能夠較好地處理此次比賽。

Cortex-M3模塊如圖3所示。

圖4 Cortex-M3模塊

2.2 顏色識(shí)別與捕捉設(shè)計(jì)

匹配原裝進(jìn)口芯片TCS3200的顏色識(shí)別傳感器，8引腳SOIC表面貼片式封裝。

芯片集成64個(gè)光電二極管，其中16個(gè)光電二極管（帶紅色濾波器）、16個(gè)光電二極管（綠色濾波器）、16個(gè)光電二極管（藍(lán)色濾波器）、16個(gè)光電二極管（無(wú)任何濾波器）。64個(gè)二極管可以用于接收全部的光信息。由于光電二極管為交叉排列式，能夠有效保證入射光輻射的均勻性，提高顏色識(shí)別的精確性。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

采用12 V鋰電池分別為直流減速電機(jī)和單片機(jī)以及傳感器供電，除了給電機(jī)提供12 V電源以外，其余電壓供電方式采用L7812CV三端電源穩(wěn)壓模塊進(jìn)行供電。提供正常工作的5 V直流電壓給單片機(jī)，提供正常工作的7.2 V直流電壓給數(shù)字電機(jī)（機(jī)械手組件）。

2.4 灰度傳感器巡線設(shè)計(jì)

采用四路灰度傳感器，X軸和Y軸方向各裝一個(gè)，用于循跡和記錄小車(chē)所處位置。采用進(jìn)口聚光高亮LED，前置發(fā)光探頭設(shè)計(jì)，可在一定范圍內(nèi)抵抗巡線賽；場(chǎng)地?zé)艄夂铜h(huán)境光的干擾；配合四路線性可調(diào)電阻，靈敏度、穩(wěn)定性更高。數(shù)字信號(hào)以1或0輸出，編程控制簡(jiǎn)單；根據(jù)場(chǎng)地光線等情況調(diào)節(jié)信號(hào)靈敏度。電壓比較器有兩個(gè)電壓輸入，一個(gè)為接收管的電壓，一個(gè)為電位器輸入的基準(zhǔn)電壓，根據(jù)接收管2種色的電壓值調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓。

2.5 超聲波避障設(shè)計(jì)

避障模塊采用超聲波避障模塊HC-SR04，在一定距離內(nèi)能夠高效地檢測(cè)障礙物與小車(chē)的距離，并將檢測(cè)的距離與程序設(shè)定的安全距離進(jìn)行判定，判斷是否需要啟動(dòng)自動(dòng)避障動(dòng)作。對(duì)外界發(fā)送40 kHz的工作頻率，可自行設(shè)定每秒發(fā)射超聲波的次數(shù)（過(guò)高會(huì)加重單片機(jī)內(nèi)核運(yùn)算負(fù)荷，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致距離檢測(cè)不及時(shí)，無(wú)法地避障）。超聲波模塊將反射時(shí)間輸入給單片機(jī)內(nèi)核，單片機(jī)將時(shí)間帶入聲波和距離計(jì)算公式，即可計(jì)算小車(chē)與障礙物的距離，有效躲避障礙物。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)思路

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

采用配備雙霍爾磁性編碼器775減速直流電機(jī)碼盤(pán)的直流減速電機(jī)。根據(jù)比賽賽道建立絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系，單片機(jī)根據(jù)傳感器和電機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出小車(chē)所處位置，讓小車(chē)執(zhí)行相應(yīng)的指令。執(zhí)行指令過(guò)程中，通過(guò)小車(chē)自身傳感器配以PI算法產(chǎn)生中斷對(duì)指令的執(zhí)行進(jìn)行微調(diào)，更好地完成任務(wù)。執(zhí)行的任務(wù)有采用GM65條形碼/二維碼掃描識(shí)別模塊掃描二維碼接受任務(wù)和掃描條形碼確定物品；內(nèi)部算法定位，用配以顏色識(shí)別模塊和距離傳感器的機(jī)械臂（20 kg數(shù)字舵機(jī)）抓取物品運(yùn)送到指定區(qū)域；單片機(jī)讀取速度并控制速度最終計(jì)算出行駛的距離，確定小車(chē)自身所處位置，采用兩個(gè)四路灰度傳感器循跡并識(shí)別路線；執(zhí)行的任務(wù)通過(guò)LCD1602字符液晶屏顯示。

3.2 搬運(yùn)目標(biāo)顏色識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用TCS3200D顏色傳感器模塊對(duì)搬運(yùn)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)TCS3200D顏色傳感器模塊進(jìn)行初始化，即進(jìn)行白平衡設(shè)置；單片機(jī)通過(guò)傳感器采集搬運(yùn)物品反射光線的信息；通過(guò)程序進(jìn)行三基色分離，通過(guò)RGB中三種顏色設(shè)置的參數(shù)值范圍識(shí)別顏色。軟件程序流程如圖6所示。

圖6 軟件程序流程

4 結(jié)語(yǔ)

程序高效地安排了程序運(yùn)行時(shí)間，有效提高了程序運(yùn)行的速率，編譯的程序能夠快速發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并修改，滿足了比賽中遇到比賽任務(wù)改變的情況。小車(chē)在賽道上運(yùn)行平穩(wěn)，能夠有效執(zhí)行任務(wù)。軟、硬件均經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，保障在運(yùn)行穩(wěn)定，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)錯(cuò)，便于修改。