基于樹莓派的智能抓取小車系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

戴 鏢，康欽清，楊 鑫，何學良，李 松，劉巧玲

(湖南涉外經(jīng)濟學院 信息與機電工程學院，湖南 長沙 410205)

0 引言

智能小車和機械臂是機器人技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的自動化機械設(shè)備，研究可進行抓取作業(yè)的搭載機械手臂的智能小車，具有一定的實用性[1]。從1960年開始，自世界上首臺工業(yè)機器人被發(fā)明，智能機器人的研究已有近60年的歷史，其應(yīng)用滲透到方方面面，越來越多智能機器人代替人類從事極端環(huán)境下的操作[2-3]。老年人和殘疾人的日常生活便利性越來越受關(guān)注。本設(shè)計嘗試實現(xiàn)對物體的遠程觀察及抓取，幫助用戶解決抓取物品等困難問題，使用戶的日常生活更加便利。

1 系統(tǒng)總設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

(1)通過移動智能終端設(shè)備的操作界面，實現(xiàn)小車運動控制。

(2)通過獲取車載攝像頭采集實時圖像。

(3)通過控制界面控制小車和機械手的操作。

(4)小車具有一定的自主循跡和避障功能。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

智能抓取的功能核心是實現(xiàn)小車的移動與機械臂抓取。總控制中心是樹莓派開發(fā)板，可搭載各種模塊。通過接收遙控信號并解碼，控制電機驅(qū)動模塊，控制對應(yīng)電機，完成小車的前后左右及機械臂的操作。通過紅外發(fā)光二極管將紅外線發(fā)射到外光敏三極管接收傳感器上，使低電平變?yōu)楦唠娖?，從而完成循跡。最后，通過超聲波傳感器以及紅外線避障傳感器感知障礙物，并完成避障操作。

2 硬件設(shè)計

2.1 芯片選擇

本設(shè)計通過分析常用的STM32，P89V51RD2FA以及樹莓派開發(fā)板，綜合考慮其實用性和功能性，選擇了功能強大且更加兼容的樹莓派。本小車采用的樹莓派4B有64位1.5 GHz主頻的四核芯Cortex A72架構(gòu)，BCM2711芯片，4GB的DDR4內(nèi)存，性能升級幅度大。

2.2 驅(qū)動模塊

本設(shè)計中每個車輪均有一個電機，電機為120轉(zhuǎn)12 V的直流減速電機，選用TB6612FNG芯片作為驅(qū)動。該芯片由MOSFET的H橋集成電路組成，相比L293D，每通道平均600 mA的驅(qū)動電流和1.2 A的脈沖峰值電流[4]，其輸出負載能力提高了一倍。相比L298N的散熱性能以及外圍二極管續(xù)流電路，其無須外加散熱板塊，散熱能力比L298N強一倍。小車運動芯片為雙驅(qū)動芯片，每一個驅(qū)動分別通過控制其STBY與輸入/輸出(Input/Output，I/O)口來控制一個電機，如果要電機停止工作，則需要將I/O口清零。正反轉(zhuǎn)的控制則由AIN1，2與BIN1，2置1或者置0來操控。

2.3 機械臂抓取模塊

在機械手臂控制的傳統(tǒng)系統(tǒng)中大多采用單片機控制，容易在控制電機運行時產(chǎn)生驅(qū)動IC故障，或由于驅(qū)動IC過熱直接燒毀控制電機。本設(shè)計采用亞克力板材質(zhì)的4自由度機械臂，通過PCA9685芯片來控制舵機的操作。16路脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)模塊，兩條線可以分別控制16路，實現(xiàn)I2C通信。相比TLC5940芯片，本設(shè)計使用的PAC9685具有單獨的PWM驅(qū)動器與一個時鐘，不需要一直發(fā)送信號。6地址選擇引腳將使62個驅(qū)動板全部掛在單個I2C 總線上，總計992路PWM的輸出，輸出非常龐大。

2.4 循跡避障模塊

本設(shè)計采用的是3塊TCRT5000紅外線循跡傳感器。循跡傳感器探測距離為0.1～2.5 cm。當小車下方貼黑色膠帶時，紅外線會被黑色膠帶吸收，從而無法反射回來。此時紅外接收管則處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出端為高電平，從而帶動小車按照黑色膠帶運行。

超聲波探測能夠進行定向傳播，超聲波探測使用的是I/O口TRIG來觸發(fā)測距[5]。模塊自動發(fā)送8個40 kHz 的方波，接收器會檢測信號的返回。信號返回時，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，持續(xù)時間是超聲波從發(fā)射到返回所需時間。但是出現(xiàn)兩個及以上障礙物時，超聲波檢測會出現(xiàn)偏差，而紅外避障距離較短，一般在0.5 m內(nèi)能夠準確探測實時障礙物，從而解決了多個障礙物的探測問題，且對移動物體探測具有優(yōu)良的準確性。因此，本文采用了一個超聲波模塊與兩個紅外探測傳感器搭配使用的方式，提高了避障的性能。

3個循跡傳感器分別與GPIO13，GPIO19，GPIO26相連接，而兩個避障傳感器則分別接入GPIO16，GPIO12。最后接入的是超聲波探距模塊，分別接入GPIO28、GPIO29。整個循跡避障模塊均采用5 V穩(wěn)壓供電。

3 軟件設(shè)計

3.1 啟動界面

該小車借助相關(guān)App對其工作進行控制。本設(shè)計采用Python語言對小車App按鈕啟動程序進行編程。開機后，等待系統(tǒng)啟動，通過“小車移動”“機器臂移動抓取”“圖像采集”等按鈕來控制小車。通過相關(guān)軟件測試可以有效測試出按鈕的靈敏度以及和小車的良好交互性與協(xié)調(diào)性。

3.2 機械臂運動設(shè)計

機械手臂的運動函數(shù)包括機械手臂手爪打開、機械手臂手爪閉合、上臂舵機向上、上臂舵機向下、下臂舵機向上、下臂舵機向下、小車底座左轉(zhuǎn)、小車底座右轉(zhuǎn)等運動函數(shù)。在抓取目標物體時，應(yīng)該不干擾其他物體。根據(jù)下標算出其抓取物體時的關(guān)節(jié)角參數(shù)，從而判斷機械臂爪的運動軌跡。在抓取功能的測試中，小車對一定形狀、尺寸的物品可以比較靈活順利地抓取。

4 循跡避障

在紅外傳感器紅外探頭接收紅外信號的不同情況下，小車所處的運動情況不同。設(shè)置小車的3個紅外傳感器探頭按左中右排序分別為LED-0，LED-1，LED-2。當LED-0，LED-2為點亮狀態(tài)，LED-1處于熄滅狀態(tài)時，說明小車前部的中間紅外探頭在黑線上面，證明此時小車的方向為正方向，可以要求小車繼續(xù)直行。當LED-0為熄滅狀態(tài)，LED-1，LED-2處于點亮狀態(tài)時，說明紅外傳感器左紅外探頭在黑線上，證明小車此時的狀態(tài)是斜方向頭部指向右邊，需要小車轉(zhuǎn)向左邊，才能使小車行駛方向繼續(xù)回到正前方，從而確保了小車的正確行駛方向[5]。

5 結(jié)語

本設(shè)計的研究對象是擁有機械手臂的智能抓取小車，主要探究了小車的正常移動、循跡避障、智能抓取等功能的實現(xiàn)。在智能小車上裝取機械手臂并借助攝像頭，使用戶可以遠程遙控小車進行物品的抓取。App的控制按鍵與小車抓取功能具有比較好的協(xié)調(diào)性。整個系統(tǒng)滿足智能抓取功能的相關(guān)需求，達到預(yù)期目的，對后續(xù)自主抓取智能小車的研究具有一定的借鑒意義與實用價值。