基于STM 32的物資搬運(yùn)小車的研究

文/葛金梅 陽志杰 劉科明 梁克杭 陳春 黃東

根據(jù)物資搬運(yùn)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)靈動(dòng)物資搬運(yùn)小車，通過APP上的控制，利用STM 32單片機(jī)輸出方向信號(hào)，及脈沖輸出控制直流減速電機(jī)控制麥克納姆輪全方位移動(dòng)和單片機(jī)輸出PWM控制舵機(jī)，OpenMV配合六自由度機(jī)械臂PID閉環(huán)抓取和放置物資，超聲波模塊完成避障，進(jìn)而使小車完成具體路線極其靈活抓取物資。

0.引言

全球疫情反復(fù)多變，為了更好地避免人群聚集，同時(shí)又不影響人們的正常生活，保證好物資的供給，因此物資的搬運(yùn)尤為重要，迫切需要設(shè)計(jì)出一款“靈動(dòng)物資搬運(yùn)小車”，該物資搬運(yùn)小車結(jié)合傳感的測(cè)試技術(shù)，智能控制方法論技術(shù)及電網(wǎng)拖動(dòng)技術(shù)，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的狀況，達(dá)到機(jī)器代替人工的作用。

1.創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案

物流、快遞的迅猛發(fā)展，物件分類越發(fā)細(xì)化，尤其是對(duì)搬運(yùn)件的物品，在需要對(duì)物資分類搬運(yùn)的情形下，就會(huì)變得非常繁瑣，浪費(fèi)大量的人力，效率低下。這時(shí)搬上靈動(dòng)物資搬運(yùn)小車，就可對(duì)物資自主進(jìn)行分類，減少人力的付出，大大提高工作效率。

2.主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM 32單片機(jī)。STM 32單機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，成本比較低，應(yīng)用泛。不僅能使用寄存器展開編程，并且能使用官所提供的庫檔展開編程，所以選用STM 32單機(jī)展開整體的控制與運(yùn)。

2.2 數(shù)字舵機(jī)。機(jī)械手指選用多臺(tái)數(shù)字舵機(jī)，數(shù)字舵機(jī)依靠所確定是數(shù)據(jù)，然后將驅(qū)動(dòng)力信號(hào)傳輸給電機(jī)馬達(dá)，對(duì)于輸出的信號(hào)源展開妥善處理。數(shù)字化舵機(jī)以低得多的頻率向馬達(dá)傳送驅(qū)動(dòng)力信號(hào)。進(jìn)而提升了夾取精確度及穩(wěn)定性，以達(dá)到預(yù)期實(shí)際效果[1]。

3.技術(shù)設(shè)計(jì)

用STM 32芯片輸入方向信號(hào)源以及脈沖輸入控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通過對(duì)輸出脈沖數(shù)量控制及頻率控制可驅(qū)動(dòng)小車直行、轉(zhuǎn)向、倒車等動(dòng)作。單片機(jī)輸出pwm 控制舵機(jī)，調(diào)整占空比等可調(diào)節(jié)機(jī)械臂工作速度。檢測(cè)部分設(shè)計(jì)思路為：使用兩個(gè)八路灰度傳感器，分別裝在小車的前面與左側(cè)。小車平衡狀態(tài)的控制，當(dāng)小車到達(dá)設(shè)定的格子邊緣時(shí)，前側(cè)的八路傳感器與左側(cè)的八路傳感器同時(shí)轉(zhuǎn)為低電壓時(shí)，小車為平衡狀態(tài)，如果不是同時(shí)轉(zhuǎn)為低電壓時(shí)及時(shí)調(diào)整小車，使其前側(cè)與左側(cè)的灰度傳感器都傳回低電壓，使小車變?yōu)槠胶鉅顟B(tài)，兩個(gè)傳感器同時(shí)作為記錄，作為小車經(jīng)過格子數(shù)量來判定小車在地圖的具體位置，進(jìn)而使小車規(guī)劃好具體路線[2]。

4.底板設(shè)計(jì)

底板設(shè)計(jì)主要包括小車的底板、輪子、電動(dòng)機(jī)及各種傳感的放置位置。底板選用克力板制作，激光切割加工完成，使用四輪四驅(qū)動(dòng)的行走方式。小車設(shè)計(jì)采用隔空層模式，車體隔空層預(yù)留了3cm 的空間，用來安裝各種驅(qū)動(dòng)模塊的電路板及導(dǎo)線，可以為小車整體提供足夠的空間。除了安裝機(jī)械臂外，上層車板，也預(yù)留有12*17cm 的長度空間，專門為搬運(yùn)物體的存放空間設(shè)計(jì)，可以用來放置載物臺(tái)。底板的材料為亞克力板長度和寬度分別設(shè)計(jì)為24*20cm，厚度為5mm，采用激光切割。車輪選用麥克納姆輪，除能夠前行、后退與滑行外也能夠可以促成橫移，輕退。對(duì)來說，可以消除多種路況[3]。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)：小車使用4個(gè)舵機(jī)搭配麥克娜姆輪來進(jìn)行走動(dòng)，舵機(jī)使用直流減速電機(jī)，舵機(jī)型號(hào)為MG513P30_12V，質(zhì)量145g，外形尺寸73mm×33mm，輸出軸徑6mm，D型軸，額定參數(shù)12 V、0.36 A、293 r/m in、扭矩0.01 N，以對(duì)PWM 占空比的控制去進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而以輪與輪之間的速度差來達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。電機(jī)采納大功率的隔離模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)分正方轉(zhuǎn)，而且用起來非常簡捷，只要電機(jī)的電源線與驅(qū)動(dòng)相連，驅(qū)動(dòng)IN1～I(xiàn)N4分別接STM 32F103RCT6的PWM 輸出I/O口就可以實(shí)現(xiàn)PWM 信號(hào)控制[4]。

5.機(jī)器臂的主要組成及其功能

5.1 舵機(jī)控制板塊：單片機(jī)作為舵機(jī)控制單元可將PWM 方形波幅的變化設(shè)為微秒電平舵機(jī)的轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確度都能得到提升。接著單片機(jī)完成控制算法，在舵機(jī)上與PWM 信號(hào)源得到算法結(jié)果并相互轉(zhuǎn)換，數(shù)字化系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)減少了外界干擾整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn)，得益于硬件計(jì)數(shù)支撐著控制信號(hào)源的變動(dòng)。單片機(jī)想要去精準(zhǔn)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要完成兩個(gè)首要任務(wù)：第一步要生成PWM 的周期信號(hào)，在這里是延遲為0m s的信號(hào)；第二步是控制脈寬，以及控制占空比。在控制電機(jī)當(dāng)中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其中一項(xiàng)任務(wù)即可。可采用中斷定時(shí)長短的次數(shù)，分為兩次進(jìn)行中斷執(zhí)行，其優(yōu)勢(shì)就是減少硬件原件的浪費(fèi)，軟件開發(fā)的成本及工程可降低一定程度，還得到定位精度和管理效率都得到很大提升的控制管理系統(tǒng)，此控制方式就是使用改變初值的定時(shí)器中斷的單片機(jī)。

5.2 六自由度機(jī)械臂：六個(gè)數(shù)字舵機(jī)組成六自由度機(jī)械臂，六自由度機(jī)械臂效果好、靈活高效，因此可以替人去完成各種比較精細(xì)的工作，實(shí)用性較高，市場(chǎng)潛力大[5]。機(jī)械臂在M atlab2020a的RoboticsToolbox工具箱去進(jìn)行編程來控制機(jī)械臂的初端和末端進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的仿真以及角的轉(zhuǎn)速的計(jì)算。進(jìn)而用STM 32單片機(jī)作為中心模塊，去完成六自由度機(jī)械臂的各個(gè)部位的轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)控，并在Sim ulink中去將PID控制器添加到建立的模塊當(dāng)中來完成仿真。

5.2.1 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型。在進(jìn)行機(jī)械臂算法的設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的仿真模擬中，機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型的推導(dǎo)必不可少。常見機(jī)械臂建模方法有多種，本次使用拉格朗日公式法來建立系統(tǒng)模型[6]。

5.2.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。本款小車使用D-H法在xArm 1S智能總線的基礎(chǔ)上去建立數(shù)學(xué)模型。這款設(shè)計(jì)的機(jī)械臂共有1個(gè)底座、3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及一個(gè)抓手，底座可以讓機(jī)械臂進(jìn)行360°任意旋轉(zhuǎn)，所以對(duì)于基座的連桿X坐標(biāo)軸與Y坐標(biāo)軸都在平面內(nèi)，而Z坐標(biāo)軸位于平面內(nèi)向上。而對(duì)于與基座和連桿1相連接的關(guān)節(jié)1，X坐標(biāo)軸和Y坐標(biāo)軸的方向都在紙面內(nèi)，而Z坐標(biāo)軸朝紙面向內(nèi)的方向[7]。

5.2.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真與角度計(jì)算。（1）基于Robtics Toolbox工具箱的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真。使用Robotics Toolbox10.4工具箱編程器完成對(duì)六自由度機(jī)械臂的仿真的模型搭建，進(jìn)而完成機(jī)械臂的UIG界面。RoboticsToolbox能夠完成機(jī)械臂的圖形效果以及進(jìn)行關(guān)節(jié)的位置還有一些數(shù)據(jù)的計(jì)算，在這時(shí)X、Y、Z三大坐標(biāo)軸還可以顯示抓手的位置信息。通過仿真來收集各個(gè)關(guān)節(jié)與機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，記錄這些信息，即可使用實(shí)物來調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

5.3 Openm v配合機(jī)械臂PID閉環(huán)抓取和放置物資。Openm v作為圖像識(shí)別傳感，分別采用特征點(diǎn)檢測(cè)算法識(shí)別和顏色識(shí)別塊和臂，進(jìn)而達(dá)到定位目標(biāo)。然后計(jì)算兩者歐幾里得距離，展開攝像機(jī)失真補(bǔ)償，將結(jié)果通過串口發(fā)送，利用PID閉環(huán)算法展開機(jī)械臂傳動(dòng)裝置控制與此同時(shí)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直至偏差成為極小值然后展開抓取。在現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境中如出現(xiàn)一些誤差，就可以PID去調(diào)控六自由度機(jī)械臂的每一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，能夠減低機(jī)械臂在運(yùn)作時(shí)外界對(duì)其造成的影響。進(jìn)行比例的修改，能夠加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度以及減少峰值響應(yīng)所需的時(shí)間；進(jìn)行積分的修改，能夠提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精確度，降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)的誤差；進(jìn)行微分的修改，能夠盡早降低系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

6.結(jié)語

設(shè)計(jì)的靈動(dòng)物料搬運(yùn)小車經(jīng)過測(cè)試，能夠完成對(duì)物資搬運(yùn)基本任務(wù)。在未來的設(shè)計(jì)創(chuàng)作道路上，只有不斷進(jìn)取，對(duì)物料搬運(yùn)小車不斷地進(jìn)行完善改進(jìn)、優(yōu)化，才能取得進(jìn)一步成功。