基于TC264芯片及WiFi模塊控制的倉庫自動搬運系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：文中詳細地說明了智能小車的控制原理，介紹了智能小車的創(chuàng)新點和應用價值。所設計的智能倉庫自動搬運系統(tǒng)通過路由器接入云平臺，實現(xiàn)近端電腦或手機客戶端對系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)控。平臺發(fā)送小車巡航路線數(shù)據(jù)到遠端的WiFi芯片中，再通過串口發(fā)送給小車上的MCU控制芯片，控制小車的運動路徑。系統(tǒng)配備反饋系統(tǒng)，遇到障礙物時可自動重新規(guī)劃路線。通過集成智能控制和自主規(guī)劃算法，該系統(tǒng)能夠高效、準確地完成搬運任務，提高了倉庫操作的智能化程度。

關鍵詞：TC264芯片；智能小車；WiFi；云控制；藍牙定位；嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP332.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

隨著電商和物流行業(yè)的迅速發(fā)展，物流運營成為企業(yè)競爭的重要組成部分，而倉儲物流作為整個物流運營中的重要環(huán)節(jié)，對物流效率和成本控制有著至關重要的影響。然而，傳統(tǒng)的人工搬運操作存在人力投入大、效率低、易出錯等問題，不能滿足現(xiàn)代物流運營的需求。

自動化搬運技術可以提高效率、降低成本，同時還能夠提高工作環(huán)境的安全性和可靠性。因此，自動化搬運技術在倉庫物流行業(yè)中將得到越來越多的應用。為此，本文將云平臺、WiFi通信、藍牙定位等專業(yè)技術相結(jié)合，設計出更安全、便捷、更適用于倉庫貨物搬運的智能車系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)原理構成

1.1 系統(tǒng)主控芯片選擇

本文使用英飛凌半導體公司推出的一款高性能的嵌入式微控制器芯片TC264作為MCU[1]。該器件采用了TriCore?架構，融合了32位的RISC、DSP和特定的協(xié)處理器單元。這種架構使得TC264能夠同時處理實時控制任務和復雜的信號處理任務，能靈活控制各個模塊進行協(xié)作，實現(xiàn)相應的功能及設計要求。

1.2 WiFi模塊選擇

WiFi模塊選擇了Espressif Systems推出的低成本、高性能的ESP8266，如圖1所示，它集成了802.11 b/g/n WiFi功能，可以用于遠程控制和監(jiān)控應用[2]，例如遠程傳感器數(shù)據(jù)采集、遠程設備控制等；同時可作為便捷的無線通信解決方案，適用于物聯(lián)網(wǎng)應用和無線連接的項目，如智能家居系統(tǒng)、傳感器節(jié)點等，可以很好地實現(xiàn)本項目中連接云平臺的功能。

1.3 定位模塊選擇

從實際需求及成本等角度考慮，選用藍牙Beacon信標[3]進行定位。相較于對基礎設施有較高要求的UWB（超寬帶）[4]、有源RFID[5]以及WiFi技術，藍牙無線通信技術的成本優(yōu)勢較突出。藍牙Beacon信標是一種利用藍牙低功耗技術進行定位和位置感知的無線設備，它通過定期廣播包含唯一標識符（UUID、Major、Minor）的信號，在零售、導航、物聯(lián)網(wǎng)等領域得到廣泛應用。在選擇Beacon時，本文綜合考慮了功耗、傳輸范圍、協(xié)議支持等因素，最終選擇了EFR32BG22A3模塊作為總的藍牙接收端，它支持藍牙5.4串口透傳功能，具備較高的接收靈敏度（最高-96.2 dBm）和理論上較遠的通信距離（最遠105 m），能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需求。功能原理如圖2所示。

1.4 麥克納姆輪原理

麥克納姆輪[6-8]（也稱為“麥克納姆全向輪”）是一種可實現(xiàn)全方位移動的輪子設計。它由輪轂和圍繞輪轂的輥子組成，這些輥子的軸線與輪轂軸線夾角為45°。在輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輥子，這些輥子是沒有動力的小滾子，但它們的母線特殊。當輪子繞著固定的輪心軸旋轉(zhuǎn)時，各個小滾子的包絡線形成一個圓柱面，因此該輪能夠連續(xù)地向前滾動。通過4個同樣輪子的組合，可以使機構實現(xiàn)全方位移動功能。根據(jù)夾角45°，麥克納姆輪可以分為互為鏡像關系的A輪和B輪。根據(jù)不同的組合方式，麥克納姆輪可以實現(xiàn)前進、后退、旋轉(zhuǎn)、左移、右移等功能。例如，ABAB式的組合方式可以實現(xiàn)向前運動。

麥克納姆輪被廣泛應用于機器人、自動化設備、搬運機械、AGV（自動導引車）等領域，其使得這些設備能夠在狹小的空間內(nèi)自由移動，解除了轉(zhuǎn)彎半徑的限制。為了實現(xiàn)全向移動，需要精確控制每個麥克納姆輪的速度和方向?？梢酝ǔ２捎肞ID控制[9]或者更高級的控制算法來實現(xiàn)這一目標。麥克納姆輪的設計使得機器人在平坦地面上表現(xiàn)良好。

2 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)的功能

本系統(tǒng)主要由WiFi無線通信部分、藍牙定位導航部分、信息顯示部分、傳感器部分、CPU執(zhí)行部分和客戶端控制部分六大部分組成。

為驗證結(jié)果，搭建了如圖3所示的實物系統(tǒng)底盤。該實物選用麥克納姆輪構建的車模作為載體，搭建了主要的系統(tǒng)控制電路，完成了相關傳感器連接并構建了大致的系統(tǒng)骨架，以便實現(xiàn)項目所需要的相關功能。

本系統(tǒng)使用TC264芯片作為主控MCU，用串口協(xié)議與WiFi芯片ESP8266通信，再由其通過路由器接入機智云平臺[10]，構成WiFi無線通信部分。用戶可通過系統(tǒng)上的按鍵進行配網(wǎng)連接，在客戶端上選定目標位置；然后平臺會將小車巡航路線數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端的WiFi芯片中，再通過串口發(fā)送給小車系統(tǒng)上搭載的TC264控制芯片，以控制電機驅(qū)動，進而驅(qū)動小車系統(tǒng)的四路直流電機，實現(xiàn)小車的運動和轉(zhuǎn)向等功能。這樣，就能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端對系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)控。

2.1 藍牙定位導航部分

在室內(nèi)環(huán)境中，由于無線信號在傳播過程中受到衰減、反射、散射等影響，導致信號強度發(fā)生變化。因此，定位系統(tǒng)通過測量接收器接收到的信號強度來估計目標物體的位置，采用的方法包括信號衰減模型或指紋庫匹配算法等。本系統(tǒng)采用簡單的路徑損耗傳播模型[11]求得距離值，如式（1）所示：

RSS=-10nlog10d+A （1）

式中：RSS為模塊實時讀取到的RSSI值；n為路徑損耗指數(shù)，其取值與物理環(huán)境有關；A為EFR32BG22A3模塊與Beacon信標參考距離位置處的RSSI值；d為實際求得的距離值。藍牙定位結(jié)果示意圖如圖4所示。

2.2 信息顯示部分

信息顯示由一塊TFT屏幕實現(xiàn)，同時手機客戶端也可顯示相關信息，便于用戶隨時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。傳感器部分主要包括超聲波模塊[12]和紅外模塊[13]，用于檢測行進路徑上的障礙物，并及時反饋以重新規(guī)劃路線。編碼器用于對系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)靈活移動，并在到達目標點時控制舵機模擬貨物放置；CPU執(zhí)行部分負責整個系統(tǒng)的資源調(diào)度和控制。

2.3 客戶端控制部分

通過調(diào)用機智云平臺的接口可快速生成滿足要求的APP。如圖5所示，APP可使用郵箱登錄，通過掃描云平臺系統(tǒng)的二維碼完成設備綁定，即可監(jiān)控小車系統(tǒng)的當前狀態(tài)；并選擇目標點位以控制系統(tǒng)完成貨物搬運。

圖6為本系統(tǒng)的程序控制框圖。

以上就是對系統(tǒng)原理組成的詳細闡述。該智能小車的系統(tǒng)原理構成較為簡潔，在實際使用過程中還需要不斷修正和校對，但在實驗階段，通過客戶端用戶已基本實現(xiàn)了環(huán)境檢測和控制系統(tǒng)在室內(nèi)搬運貨物的功能。

3 創(chuàng)新點和應用價值

小車系統(tǒng)采用Beacon藍牙信標定位導航的方式，實現(xiàn)了系統(tǒng)的定位功能。這一創(chuàng)新方法摒棄了市面上常見的地面鋪設電磁線尋跡方法，有效彌補了室內(nèi)GPS信號弱的缺陷，大大降低了室內(nèi)定位成本。

本文研究系統(tǒng)地解決了小車在運輸過程中因環(huán)境變化而遇到的障礙問題。通過多方位超聲波等傳感器實時感知，小車能夠迅速識別并繞開障礙物，對突發(fā)障礙也能及時做出響應，從而實現(xiàn)了運輸過程的智能化升級。遇到障礙時，客戶端會優(yōu)化處理，遠程重新規(guī)劃路徑，實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃，使得小車的尋跡更加靈活且智能。此外，客戶端還能實時反饋小車的當前狀態(tài)及相關信息。

為便于在倉庫內(nèi)高效實現(xiàn)貨物搬運，采用麥克納姆輪技術，成功解決了傳統(tǒng)搬運設備掉頭、轉(zhuǎn)向不方便的問題。此外，麥克納姆輪特有的水平移動能力，使得設備能夠輕松避開障礙物，進一步提升了操作的靈活性和效率。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于TC264芯片及WiFi模塊控制的倉庫自動搬運系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TC264芯片作為主控MCU，通過串口協(xié)議與ESP8266 WiFi芯片通信，并結(jié)合藍牙信標定位技術，實現(xiàn)了軟硬件協(xié)同控制系統(tǒng)，使得本系統(tǒng)具有環(huán)境信息捕獲、信息處理及上傳數(shù)據(jù)和存儲等基本功能。本系統(tǒng)的實際應用可降低倉庫貨物搬運成本，進一步解放勞動力，提高倉庫貨物搬運的自動化程度。經(jīng)過初步驗證，本系統(tǒng)已達到了設計的基本目的。

注：本文通訊作者為李春華。

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