智能送餐小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧菊芬

(蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州：215200)

職業(yè)院校致力于培養(yǎng)服務(wù)于行業(yè)一線、實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)技能型應(yīng)用人才。以綜合項(xiàng)目訓(xùn)練為載體開展課程教學(xué)，可以在項(xiàng)目實(shí)施過程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程知識(shí)、技能、素養(yǎng)教育的無痕滲透，是實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)高技能人才培養(yǎng)的重要抓手[1]。我校電子創(chuàng)新社團(tuán)“創(chuàng)客島”以專業(yè)社團(tuán)的興趣班模式，在第二課堂通過專業(yè)教師指導(dǎo)學(xué)生開展綜合訓(xùn)練項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。本文以智能送餐小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練項(xiàng)目為例開展教學(xué)，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和工程實(shí)踐能力[1-2]，并滲透科學(xué)精神、工匠精神等。

1 總體設(shè)計(jì)

智能送餐小車是一種能夠自主或半自主地提供客戶送餐服務(wù)的智能機(jī)器人。智能送餐小車面向餐廳完成自動(dòng)送餐，可以緩解服務(wù)人員數(shù)量不足、服務(wù)人員的工作強(qiáng)度過大等問題[2-8]。智能送餐小車設(shè)計(jì)制作對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生自上而下的工程設(shè)計(jì)全局意識(shí)、自下向上的回歸迭代思維、模塊化原則、等價(jià)原則、成本與表現(xiàn)的平衡思維是一個(gè)較好的綜合訓(xùn)練項(xiàng)目載體。

1.1 小車底盤的選用

智能送餐小車考慮到送餐過程的平穩(wěn)性和承重選用四輪驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪底盤(見圖1)，當(dāng)兩側(cè)的輪子同速度相反速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)向左或者向右的平行運(yùn)動(dòng)、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等。

圖1 小車底盤

小車底盤采用麥克納姆輪，使用的是520直流減速電機(jī)帶編碼盤。自動(dòng)送餐服務(wù)車總體結(jié)構(gòu)包括外殼、底板、底盤和抓取機(jī)構(gòu)。自重小于等于10 kg；負(fù)載能力為10 kg；供電方式為鋰電池供電。底盤尺寸參數(shù)360mm×238mm。

選用電機(jī)參數(shù)：

額定電壓：12V 減速比：1:56

額定功率：4.32W 電機(jī)類型：永磁有刷

額定扭力：6.5kg·cm 最大扭力：9kg·cm

電機(jī)帶編碼器，AB相增量式霍爾傳感器，線速：360

1.2 電控板總體設(shè)計(jì)

智能送餐小車前后各有8位的循跡傳感器；車身中間兩側(cè)有定位檢測(cè)傳感器，用于定位檢測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM調(diào)速；車循跡速度可設(shè)置；車旋轉(zhuǎn)速度可設(shè)置。為此，在小車底盤上需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路，線路板大致布局見圖2，保證小車重心穩(wěn)定，反應(yīng)迅速。

圖2 小車電控板總體布局

2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，電控系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)組成部分如下：

圖3 電控系統(tǒng)示意圖

(1)主控制器STM32F103ZET6，該芯片具有2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、112個(gè)通用IO口，資源充足，定時(shí)器可以配置產(chǎn)生2路PWM提供電機(jī)調(diào)速信號(hào)；

(2)傳感器模塊。使用白光LED發(fā)射強(qiáng)大光線，用8個(gè)光敏傳感器采集路面信息，將信號(hào)反饋給控制單元，由控制單元判別黑線位置以控制車的速度、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)；

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和速度控制模塊。根據(jù)碼盤反饋信號(hào)，用集成橋式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確快速的調(diào)節(jié)。

小車電控板采用單片機(jī)作為核心控制單元，安裝在車前后部的光電傳感器負(fù)責(zé)采集信號(hào)，并將采集到的信號(hào)傳入核心控制單元，核心控制單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行判別處理后，由內(nèi)部模塊發(fā)出PWM波，分別對(duì)兩側(cè)的直流電機(jī)進(jìn)行控制，完成小車的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)和制動(dòng)。液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示小車的狀態(tài)。

2.1 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)如圖4所示，采用外部16.8V鋰電池供電，經(jīng)LM2596-12轉(zhuǎn)換為12V直流電供直流電機(jī)電源，經(jīng)LM2596-5轉(zhuǎn)換為5V直流電供編碼器、集成電路芯片電源，5V經(jīng)線性穩(wěn)壓電源AMS1117-3.3V轉(zhuǎn)換為3.3V供單片機(jī)電源，以滿足系統(tǒng)的供電要求，同時(shí)通過采用線性穩(wěn)壓電源可以減小電源紋波，保證系統(tǒng)工作的可靠性。電源部分加過流、過壓和防反接保護(hù)、軟啟動(dòng)電路等；電源部分電解電容越大越好，儲(chǔ)能充放電用，否則負(fù)載電流太大會(huì)把電源電壓拉下來幅度較大，影響系統(tǒng)運(yùn)行。

圖4 電源系統(tǒng)原理圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路主要包括改變直流電動(dòng)機(jī)兩端的電壓控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的H橋電路和改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的PWM控制電路[2-8]。

常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要有兩種，一種是專用的驅(qū)動(dòng)電路加MOSFET管設(shè)計(jì)，一種是采用專用的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[2-11]。LMD18200T是一款專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件集成芯片，芯片外形封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，在同一個(gè)芯片上集成了CMOS控制電路和DMOS功率器件，可以非常方便的與單片機(jī)、電機(jī)、增量型編碼器構(gòu)成一套完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖5 LMD18200T芯片外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

LMD18200T內(nèi)部集成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋，由四個(gè)DMOS管組成。上橋臂的2個(gè)開關(guān)管的通斷是通過充電泵電路提供柵極電壓進(jìn)行控制。第二個(gè)充電泵電路可通過引腳1、11外接電容構(gòu)成，如果需要提高工作頻率，則需要提高外接電容的容量，這時(shí)充電泵電路向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，從而達(dá)到提高工作頻率。直流電機(jī)電樞接在引腳 2、10之間，電樞電流的方向從引腳2至引腳10則電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電樞電流的方向從引腳10至引腳2，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果需要檢測(cè)芯片輸出是否過流，可以在電流檢測(cè)輸出引腳8接一個(gè)對(duì)地電阻，從而通過電阻來輸出過流情況。芯片內(nèi)部有過電流和過熱保護(hù)電路，過電流閾值10A，當(dāng)超過該值時(shí)芯片自動(dòng)封鎖輸出，并按照一定周期自動(dòng)恢復(fù)輸出。若過電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則啟動(dòng)過熱保護(hù)，芯片自動(dòng)關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145℃時(shí)該引腳有輸出信號(hào)，結(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。具有良好的抗干擾性。輸出引腳2、10峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A；工作電壓高達(dá)55V。LMD18200T芯片引腳功能詳見表1。

表1 LMD18200T芯片引腳功能

服務(wù)小車雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖6所示，采用兩片LMD18200T分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)雙側(cè)電機(jī)，需要注意的是，在電機(jī)的兩個(gè)輸入端口之間應(yīng)并入一定容量的電容，而且電源中也應(yīng)并入一個(gè)大容量的電容，這兩個(gè)電容的作用在于濾波，可以在電機(jī)的啟動(dòng)過程中降低沖擊電流的幅度，防止電機(jī)電流太大而對(duì)主板產(chǎn)生的電磁干擾。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路的散熱問題會(huì)影響小車的正常工作，因此在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路上都加上了散熱片。兩片專用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200T的4腳剎車信號(hào)均接地，根據(jù)LMD18200T芯片電路功能，左右側(cè)電機(jī)控制信號(hào)分別為PWM調(diào)速信號(hào)和DIR方向信號(hào)，電機(jī)控制信號(hào)真值表如表2、表3所示。

圖6 雙側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

表2 左側(cè)電機(jī)控制信號(hào)

表3 右側(cè)電機(jī)控制信號(hào)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，針對(duì)左右側(cè)電機(jī)編寫底層函數(shù)分別控制左側(cè)電機(jī)、右側(cè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、速度控制的函數(shù)。在后續(xù)的小車動(dòng)作函數(shù)編寫中，可以調(diào)用底層函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)小車左拐、右拐、直行、后退、掉頭等動(dòng)作函數(shù)。

2.3 巡線傳感電路

在智能小車系統(tǒng)中，巡線傳感器就是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，其對(duì)于路徑的識(shí)別在控制系統(tǒng)中尤為重要。光電檢測(cè)方式和攝像頭檢測(cè)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。攝像頭檢測(cè)方式檢測(cè)前瞻距離大，但是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，軟件處理數(shù)據(jù)量大，檢測(cè)信息更新速度慢，綜上所述，選擇性價(jià)比更高的光電檢測(cè)方式[2-11]。

巡線傳感電路原理圖如圖7所示。采用高亮度白光LED和光敏電阻、比較器等組成，采用高亮度白光LED的目的是為了抗場(chǎng)地的環(huán)境光干擾。巡線傳感電路檢測(cè)路面信息的原理是：黑色物體與白色物體對(duì)光的吸收程度不同，導(dǎo)致兩者的反射系數(shù)有很大差別。由于白光照射到黑色物體上的大部分被吸收掉了，只有少量被反射回；而白光照射到白色物體上的大部分光線被反射回來，所以白光照射在黑色和白色物體上后光敏電阻接收到的反射光強(qiáng)不一樣，根據(jù)光敏電阻的特性曲線光敏電阻阻值發(fā)生變化的程度不同，因此光敏電阻和1K阻值的電阻組成的分壓電路取出的電壓不一樣，從而區(qū)分出黑白路面。光照射電路與光接收電路一一對(duì)應(yīng)，在不同背景下反光強(qiáng)度不同，光敏電阻的值變化不同，為了減輕CPU處理壓力，通過比較器信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，送主控板檢測(cè)。

圖7 循跡傳感器信號(hào)處理電路電原理圖

巡線傳感器的布局采用一排安裝或多排安裝的形式。由于直線排列的控制策略較為簡(jiǎn)單，檢測(cè)效果良好，故本系統(tǒng)采用“一”字型直線布局的排列方式。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 差速調(diào)整轉(zhuǎn)向角度

服務(wù)車采用左右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒有專門的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，故采用左右側(cè)電機(jī)控制差速控制轉(zhuǎn)向角度。為了更好的實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的控制品質(zhì)，小車裝有前后兩排灰度傳感器，通過感知小車位置偏差，調(diào)節(jié)控制小車轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)小車穩(wěn)定可靠的巡線工作。

在小車運(yùn)行過程，主要?jiǎng)幼靼ǎ盒≤囇簿€直行、巡線左拐、巡線右拐、盲走直行、盲走左拐、盲走右拐、遇到地圖標(biāo)志處理判斷等。其中巡線直行是非?；A(chǔ)且重要的動(dòng)作，在巡線直行過程最重要的是對(duì)位置偏差的采樣和分析，并調(diào)整處理。

3.2 巡線直行位置糾偏處理

小車裝有前后兩排灰度傳感器，通過信號(hào)處理電路輸出高低電平。小車在巡線過程，前后排灰度傳感器應(yīng)有分左偏、右偏、居中和不在線上，具體應(yīng)至少16種情況，表5所列出的是小車巡線左偏的情況。根據(jù)偏移情況，左偏移增量分別為-7～-1，右偏移增量分別為+1～+7，不在線上的為99，單獨(dú)處理。

表5 小車左偏情況

左偏情況分析，類似的右偏情況也是一樣的。按照表格所示，小車巡線過程和線的位置共分16種情況，居中，無需調(diào)整，左偏，右偏，需要根據(jù)偏移量進(jìn)行調(diào)整。如果不在線上采取盲走策略。巡線直行過程采用采樣數(shù)據(jù)-分析數(shù)據(jù)后進(jìn)行增量式PID調(diào)整小車轉(zhuǎn)向角度策略，核心代碼如下：

j=speed/15;

if((i>=-8)&&(i<=8))

{

error_left = speed-i*j;

error_right = speed+i*j;

PID_Speed_Left = error_left-gyro[1]*0.4;

PID_Speed_Right = error_right+gyro[1]*0.4;

Motor(left,backward,PID_Speed_Left);

Motor(right,backward,PID_Speed_Right);

}

else

if(i==99)

{

Motor(left,backward,speed);

Motor(right,backward,speed);

}

3.3 地圖標(biāo)志檢測(cè)處理

小車在巡線過程還需判斷運(yùn)行標(biāo)志，根據(jù)設(shè)計(jì)的地圖，小車運(yùn)行標(biāo)志包括左丁字口、右丁字口、前T路口、后T路口、十字路口等標(biāo)志，如圖8所示。根據(jù)前后兩排灰度傳感器反饋的高低電平值判斷得出當(dāng)前所處的地圖標(biāo)志，從而確定小車下一步的動(dòng)作：直行、后退、左拐、右拐。

圖8 送餐小車運(yùn)行地圖標(biāo)志

設(shè)計(jì)編寫送餐小車動(dòng)作函數(shù)如下：

void Track_Forward(uchar speed,uchar exit); //向前 循跡；speed速度；tuichu退出條件；

void Track_Backward(uchar speed,uchar exit); //向后 循跡；speed速度；tuichu退出條件；

void Track_Forward_Delay(uchar speed,uchar time);

void Track_Backward_Delay(uchar speed,uchar time);

void Online_Forward(uchar speed,uchar exit,uchar xiuzhengl,uchar xiuzhengr);

void Online_Backward(uchar speed,uchar exit,uchar xiuzhengl,uchar xiuzhengr);

void Online_Forward_Delay(uchar speed,uchar time);

void Online_Backward_Delay(uchar speed,uchar time);

void Turn_Left(uchar speed,uchar b_a);

void Turn_Right(uchar speed,uchar b_a);

void Turn_Compass(uchar speed,int jiaodu);

void Forward_Analyse(uchar speed); //前方數(shù)據(jù)處理；speed 為速度

void Backward_Analyse(uchar speed);

4 系統(tǒng)調(diào)試

為了進(jìn)行智能送餐小車的測(cè)試，搭建了一個(gè)模擬餐廳的工作環(huán)境，在地面事先規(guī)劃好一定寬度的白線路徑，每個(gè)餐桌邊上的白線為“”字線，作為餐桌定位標(biāo)志。智能送餐小車調(diào)試環(huán)境如圖9所示。

圖9 智能送餐小車調(diào)試環(huán)境

自動(dòng)送餐服務(wù)小車實(shí)際運(yùn)行效果如圖10所示，具體運(yùn)行調(diào)試過程如下：實(shí)驗(yàn)人員將放置于餐盤在小車托盤上，啟動(dòng)服務(wù)小車送至某號(hào)餐桌；隨即沿回型路線返回待命區(qū)。依次調(diào)試其他餐桌號(hào)，功能均正常。

圖10 智能送餐小車實(shí)際運(yùn)行效果

5 結(jié)束語

自動(dòng)送餐小車能夠正確引導(dǎo)操作、定位、停車和裝運(yùn)餐具，自動(dòng)化程度和智能化水平較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值，由于采用硬件模塊化、自制傳感器線路板等措施，工程成本較低、性能表現(xiàn)較高。在電子類專業(yè)綜合項(xiàng)目訓(xùn)練的實(shí)踐教學(xué)過程中，作為教學(xué)載體具有較好的展示效果，可以充分調(diào)用學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。學(xué)生基于問題開展有效學(xué)習(xí)，在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題過程中提升了工程素養(yǎng)。社團(tuán)學(xué)生在面向工程的綜合訓(xùn)練中得到較好的鍛煉，在各類電子創(chuàng)新競(jìng)賽、省大學(xué)生機(jī)器人大賽取得不俗的成績(jī)。