基于多傳感器的智能物料搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)

郭 根，過(guò)李嶠，周 振，王俊杰，李朋磊

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，物流行業(yè)得到快速發(fā)展，隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，物流行業(yè)也在朝著自動(dòng)化、集成化、智能化方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物料進(jìn)行智能識(shí)別、抓取、搬運(yùn)、擺放等操作，智能物料搬運(yùn)小車應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于多傳感器的智能物料搬運(yùn)小車，使用紅外傳感器、顏色識(shí)別傳感器、加速度傳感器、高精度攝像頭等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與識(shí)別，單片機(jī)將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，控制小車進(jìn)行路徑規(guī)劃、物料識(shí)別、機(jī)械臂抓取、物料搬運(yùn)等動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能搬運(yùn)，提高工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該小車主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件控制電路、程序控制系統(tǒng)組成[1]。我們首先設(shè)計(jì)小車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，選用合適的底盤(pán)和電機(jī)搭建小車框架，預(yù)留載物臺(tái)和相應(yīng)傳感器位置。硬件控制電路主要由STM32最小系統(tǒng)、降壓電路、驅(qū)動(dòng)電路、紅外循跡電路、傳感器轉(zhuǎn)接電路等組成，各傳感器模塊通過(guò)預(yù)留接口與主電路連接，將采集后的數(shù)據(jù)傳送給主控制器STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)，主控制器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)一步控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。程序控制系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和算法控制，進(jìn)而控制小車完成相應(yīng)任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手主要用于抓取和握緊物料。由于物料的形狀、尺寸、重量均具有不確定性，所以需要設(shè)計(jì)能抓取多種類型物料的鉗形手抓。鉗形手抓松開(kāi)和夾緊物料，是通過(guò)指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用其中一個(gè)舵機(jī)來(lái)控制鉗形指的張合，用另外一個(gè)舵機(jī)控制連桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在特定平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控電路

我們考慮到搬運(yùn)機(jī)器人的工作環(huán)境以及功能需求，主控制器選用STM32F103RCT6單片機(jī)、CH340下載芯片、MPU6050陀螺儀，采用雙面板設(shè)計(jì)，減小了PCB板材的體積，集成度高。

3.2 降壓電路

小車采用12 V鋰電池供電，單片機(jī)工作電壓為3.3 V，大多數(shù)傳感器和機(jī)械臂工作電壓為5 V，因此采用LM2596-5降壓芯片，將12 V直流電先降至5 V供傳感器、顯示屏和機(jī)械臂使用，再經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3降壓芯片將5 V降至3.3 V供給單片機(jī)使用。降壓電路如圖2所示。

圖2 LM2596-5降壓電路

3.3 紅外循跡電路

小車在場(chǎng)地內(nèi)行走和轉(zhuǎn)向主要靠底部紅外循跡電路，我們選用反射式紅外發(fā)射管和接收管，由于紅外光波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，因此受可見(jiàn)光的影響比較小[3]。小車最大的創(chuàng)新在于對(duì)紅外循跡電路的改動(dòng)，在實(shí)際操作過(guò)程中循跡裝置容易受室內(nèi)燈光和陽(yáng)光的干擾，我們?cè)谘E裝置下方添加了一個(gè)遮光罩，降低外部光線對(duì)循跡模塊的干擾。循跡板也將原有的十字型八路紅外改為了十字型二十四路紅外，極大提高了小車行進(jìn)的精準(zhǔn)性，循跡裝置還能通過(guò)對(duì)黑線的識(shí)別與記錄，確定自身所在位置進(jìn)而確定下一步操作。循跡板與遮光罩之間采用軟連接，在隔絕雜光的同時(shí)，又減小了外罩與地面的摩擦，保證了小車的行走精度。紅外循跡傳感器布局如圖3所示。

圖3 紅外循跡傳感器布局

3.4 外圍傳感器電路

小車搭載的傳感器為攝像頭模塊、顏色識(shí)別傳感器和超聲波避障傳感器。外圍傳感器接口如圖4所示。

圖4 外圍傳感器接口

（1）領(lǐng)取工作任務(wù)：攝像頭掃描二維碼獲取任務(wù)信息。我們選用QT660掃描器，該掃描器集成度高，掃碼速度快，識(shí)別率高，采用串口通信方便讀取數(shù)據(jù)。掃描器將采集的二維碼數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（2）區(qū)分物料顏色：我們選用APDS-9960顏色傳感器進(jìn)行顏色識(shí)別，APDS-9960是一款集成ALS、紅外LED和光學(xué)模塊的環(huán)境亮度傳感器，能夠進(jìn)行環(huán)境光顏色測(cè)量，得到最終RGB值，通過(guò)I2C方式與單片機(jī)通信，經(jīng)程序處理后得出相應(yīng)顏色。

（3）躲避障礙物：我們選用HC-SR04超聲波模塊，通過(guò)串口與單片機(jī)通信，可以檢測(cè)一定范圍內(nèi)障礙物的距離，進(jìn)而有效躲避障礙物。

4 程序設(shè)計(jì)

小車使用4個(gè)直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)STM32單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟停，實(shí)現(xiàn)小車前后左右4個(gè)方向的行走以及停車功能[4]。根據(jù)光電傳感器在黑色引導(dǎo)線和白色跑道上的反射率不同，采用紅外光電傳感器對(duì)路徑進(jìn)行識(shí)別，將檢測(cè)信號(hào)送給單片機(jī)，通過(guò)PID控制實(shí)現(xiàn)小車速度的閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)修正電機(jī)的PWM占空比，使小車能夠穩(wěn)定沿著黑色引導(dǎo)線自主運(yùn)動(dòng)。

小車啟動(dòng)后從發(fā)車區(qū)自主循跡向前移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)二維碼識(shí)別區(qū)域后，掃描二維碼領(lǐng)取任務(wù)。機(jī)械手搭載的顏色識(shí)別傳感器識(shí)別物料顏色，如果符合任務(wù)1，就抓取當(dāng)前物料，否則根據(jù)算法計(jì)算出任務(wù)1應(yīng)該抓取的物料。完成任務(wù)1后，根據(jù)程序分別完成任務(wù)2和任務(wù)3。小車把物料從原料區(qū)先搬運(yùn)到加工區(qū)再搬運(yùn)到成品區(qū)，完成任務(wù)后返回出發(fā)點(diǎn)[5-8]。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于多傳感器的智能物料搬運(yùn)小車，其搭載紅外循跡、顏色識(shí)別、超聲波避障、攝像頭等傳感器收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)算法處理后實(shí)現(xiàn)小車自主循跡、機(jī)械手抓取、數(shù)據(jù)顯示等功能。小車獲取任務(wù)信息，自主完成物料抓取、搬運(yùn)、擺放、回位等任務(wù)，經(jīng)過(guò)多次場(chǎng)地測(cè)試，其能夠準(zhǔn)確高效的完成設(shè)定任務(wù)。我相信經(jīng)過(guò)后期的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，該智能物料搬運(yùn)小車也能逐步應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，為智能物流、智能倉(cāng)儲(chǔ)和智能制造的發(fā)展貢獻(xiàn)力量[9-10]。