郭 偉

(陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710100)

自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 偉

(陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710100)

自動(dòng)尋跡搬運(yùn)智能小車，也叫輪式機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的一種。計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器的發(fā)展，使移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展又進(jìn)入了個(gè)高潮,它涉及機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子、控制科學(xué)等諸多學(xué)科，是一個(gè)綜合性高科技技術(shù)產(chǎn)物。自動(dòng)尋跡搬運(yùn)智能小車能夠通過內(nèi)外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環(huán)境、確定出精確的位置，是能夠動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。

搬運(yùn)車;自動(dòng)尋跡;紅外導(dǎo)引;單片機(jī)

1　物流自動(dòng)尋跡技術(shù)概述

通常物流自動(dòng)循跡搬運(yùn)車是使用非接觸式檢測裝置來獲得自身周圍的一個(gè)具體環(huán)境，借助安裝在車體的集成控制芯片以及一些輔助裝置來實(shí)現(xiàn)全方位定位判斷，最后準(zhǔn)確地抵達(dá)預(yù)定的地點(diǎn)。物流自動(dòng)循跡搬運(yùn)車的主要技術(shù)點(diǎn)就是導(dǎo)引技術(shù)。

1.1實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的激光導(dǎo)引

物流自動(dòng)循跡搬運(yùn)車可通過激光導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，這個(gè)激光導(dǎo)引也就是環(huán)境的默認(rèn)路徑安裝有很強(qiáng)的反射器，之后將這個(gè)激光設(shè)備安裝在這個(gè)物流搬運(yùn)車上面，讓這個(gè)激光發(fā)射裝置向搬運(yùn)車的四周散發(fā)激光束。比較返回的這些信號，就可以確定車子的位置和行駛方向，依此實(shí)時(shí)調(diào)整其駕駛狀態(tài)，最終完成載物任務(wù)。

圖1　激光導(dǎo)引原理

1.2實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的電磁感應(yīng)導(dǎo)引

我國最早的電磁感應(yīng)導(dǎo)引是在1975年的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的。我們國家現(xiàn)在幾乎每一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有運(yùn)用到這個(gè)電磁感應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)，并且都已非常成熟。人們對于電磁感應(yīng)導(dǎo)引技術(shù)也有了更為深入的學(xué)術(shù)研究，使電磁感應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確和適用。

圖2　電磁感應(yīng)導(dǎo)引原理

從圖2可以看出來，電磁感應(yīng)指導(dǎo)就是在自動(dòng)循跡搬運(yùn)車的行走路線下埋了較多的電纜線，并且對這些電纜線加入一定電流，所以上面的道路將產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場，并在路面上形成一個(gè)無形的磁性導(dǎo)軌。在實(shí)際應(yīng)用中電磁感應(yīng)導(dǎo)引應(yīng)用是比較多的，不過因?yàn)橐鶕?jù)預(yù)設(shè)軌道埋鋪電纜，所以系統(tǒng)成本也相應(yīng)比較高。還有因?yàn)閷?dǎo)軌的固定路線的指導(dǎo)方式，一旦建立了直接導(dǎo)引的路徑，就很難實(shí)現(xiàn)改變這個(gè)循跡搬運(yùn)車的行走路線，不夠靈活。

1.3 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的超聲波導(dǎo)引

在生產(chǎn)車間環(huán)境中，使用自動(dòng)循跡超聲波導(dǎo)引是有局限性的。超聲引導(dǎo)技術(shù)的原理和前面說到的激光導(dǎo)引比較相似，激光制導(dǎo)技術(shù)中是由激光導(dǎo)引自動(dòng)跟蹤激光介質(zhì)，而超聲引導(dǎo)技術(shù)中是由超聲波來引導(dǎo)的。現(xiàn)在很多物流自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車被運(yùn)用于集裝箱碼頭，就是利用集裝箱對超聲波進(jìn)行反射的介質(zhì)特性，來生成搬運(yùn)車的尋跡信息，并成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)目的。

1.4實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的慣性導(dǎo)引

早些時(shí)候慣性制導(dǎo)技術(shù)在航空航天和軍事領(lǐng)域使用，這其實(shí)也是尋跡搬運(yùn)車新興的技術(shù)領(lǐng)域。近些年，慣性測量元件已漸漸往高度集成發(fā)展，且更符合成本效益趨勢發(fā)展。慣性制導(dǎo)已經(jīng)被大力推廣到技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性制導(dǎo)技術(shù)的研究也逐漸傾向于慣性測量單元和其他設(shè)備的組合應(yīng)用。

2　物流自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1物流自動(dòng)循跡控制系統(tǒng)的方案

在整個(gè)自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)是非常重要的一個(gè)模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的精髓。控制系統(tǒng)的先進(jìn)與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的水平。自動(dòng)尋跡車在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下才能有效實(shí)現(xiàn)各種功能，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念也一定程度上決定了整個(gè)自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)功能的特點(diǎn)。

本課題的自動(dòng)尋跡車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲波自主避障、藍(lán)牙控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制等一系列的控制功能。主要有：微機(jī)控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙通信模塊、電源模塊、超聲波避障模塊等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，遵循盡量讓各個(gè)硬件模塊以及軟件部分相對獨(dú)立的原則，以方便后期的更新和升級。

2.2物流自動(dòng)搬運(yùn)車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常來說，單片機(jī)控制的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)由自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，車身結(jié)構(gòu)和安全系統(tǒng)組成。

2.2.1自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)

物流自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車設(shè)計(jì)的主要目的是解決投入過高的問題，需要實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)搬運(yùn)的功能。所以該導(dǎo)引模塊的設(shè)計(jì)，事實(shí)上也就是自動(dòng)搬運(yùn)車卡的一個(gè)設(shè)計(jì)核心點(diǎn)，這一部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于控制芯片的編程設(shè)計(jì)和自動(dòng)導(dǎo)引方案設(shè)計(jì)。

2.2.2車身結(jié)構(gòu)

物理自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車的車身結(jié)構(gòu)主要有車架、車身外殼和一些設(shè)備的支撐裝置。車架應(yīng)有比較好的減震能力和比較大的承重能力。在滿足功能的前提下，每個(gè)部分的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少車輛的總質(zhì)量。如果說大部分情況下要搬運(yùn)大負(fù)載物體或?qū)Τ羞\(yùn)托盤大小有一定要求，那么可適當(dāng)?shù)卦黾虞S的總數(shù)量。

2.2.3安全系統(tǒng)

物流自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車最大的一個(gè)特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)無人搬運(yùn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)高效率的搬運(yùn)任務(wù)，當(dāng)然這也留下了潛在的可能危險(xiǎn)。所以搬運(yùn)車非常有必要設(shè)計(jì)好安全系統(tǒng)，以免發(fā)生危險(xiǎn)。如在搬運(yùn)車上面實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能避障和自動(dòng)報(bào)警，那么就可以確保基本的安全問題，減少不必要的隱患。

2.3自動(dòng)尋跡控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.3.1自動(dòng)尋跡控制的導(dǎo)引方案設(shè)計(jì)

選擇以紅外制導(dǎo)方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡，這里紅外跟蹤傳感器是用紅外光電開關(guān)。紅外傳感器集成紅外發(fā)射管和接收管作為一個(gè)整體，因此能夠減少安裝過程中產(chǎn)生的不必要偏差。由于軌道是使用“白色黑色和白色”的色帶來實(shí)現(xiàn)，所以需要把三個(gè)紅外傳感器安裝在自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車的前面，以實(shí)現(xiàn)紅外傳感器對軌道色帶的識別檢測。單片機(jī)紅外尋跡的原理如圖3所示。

圖3　紅外尋跡“直行”示意圖

從圖3的原理圖可以看出來，當(dāng)自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車偏離了預(yù)定的軌道，那么紅外傳感器就一定會(huì)有一邊識別檢測到黑色的路表面（如圖4），當(dāng)搬運(yùn)車控制系統(tǒng)在檢測到搬運(yùn)車已經(jīng)向左發(fā)生了偏離時(shí)，單片機(jī)主控芯片就會(huì)馬上調(diào)整控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，來達(dá)到尋跡搬運(yùn)車在行走過程自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行方向。

圖4　?紅外尋跡“左偏”示意圖

2.3.2搬運(yùn)車行駛狀況的控制方案

自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車的成功實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)用的是兩個(gè)直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)卡車兩前輪旋轉(zhuǎn)，這樣可成功實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)，能夠提高自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車的靈活性，也可以使用一個(gè)更小的轉(zhuǎn)彎半徑達(dá)到節(jié)省處理空間的目的。自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車能夠通過內(nèi)外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環(huán)境、確定出精確的位置，通過中央芯片可逆方波輸出正負(fù)電壓調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度，以便對尋跡搬運(yùn)車的行走狀態(tài)進(jìn)行控制。是一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。

2.3.3系統(tǒng)內(nèi)各模塊間的協(xié)調(diào)工作

自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車系統(tǒng)控制方案原理如圖5所示，電源可以經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)模塊成功為系統(tǒng)供電。

圖5　控制系統(tǒng)控制方案原理圖

物流自動(dòng)循跡傳感器能夠適時(shí)檢測道路的信息狀況，這些信息會(huì)被發(fā)送到中央芯片，通過一些分析和計(jì)算之后，發(fā)送相應(yīng)的指令給電機(jī)控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的適時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對尋跡搬運(yùn)車行走路線的控制。為了保證安全而設(shè)計(jì)的避障傳感器，主要用于檢測卡車前面是否有人員及物品等擋路，如果有障礙物出現(xiàn)在前方，那么主控制芯片就會(huì)發(fā)出停止或者轉(zhuǎn)向的控制信號，并且觸發(fā)警報(bào)提示。

3　系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計(jì)

3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

由單片機(jī)產(chǎn)生兩路PWM波，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制兩個(gè)直流電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)左輪和右輪。直走時(shí)兩路PWM波頻率相位相同，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，改變PWM波控制相應(yīng)的電機(jī)反轉(zhuǎn)，另一電機(jī)正轉(zhuǎn)。兩邊形成差速即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

圖6　蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.2障礙物探測模塊程序設(shè)計(jì)

本模塊軟件設(shè)計(jì)主要是先通過延遲的方法，通過主控制芯片的一個(gè)I/O口輸出超聲波測距模塊所需的高電平出發(fā)信號，同時(shí)開始計(jì)數(shù)，為防止測距中的“盲區(qū)”現(xiàn)象，使用延時(shí)程序?qū)斎脒M(jìn)行一段時(shí)間的延時(shí)，延時(shí)完成后打開處理檢測回響信號。本系統(tǒng)采用的是渡越時(shí)間法，就是通過檢測發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后發(fā)生回波之間的時(shí)間差t，求出小車距離障礙物的距離d，計(jì)算公式為d=c×t/2（其中c約為331.4，是超聲波波速）。

當(dāng)捕捉到40?kHz的超聲波后，其輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，這個(gè)引腳上的負(fù)跳變就作為中斷來使得單片機(jī)中斷。在中斷程序中，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，而此時(shí)定時(shí)器的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收回波的時(shí)間差，進(jìn)而根據(jù)公式可以計(jì)算出小車離前方障礙物的距離，最后實(shí)現(xiàn)自主避障的效果。

3.3藍(lán)牙控制模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)手機(jī)端軟件程序的基本功能主要是左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退和暫停等功能。當(dāng)藍(lán)牙配對成功后，記錄手機(jī)上的軟鍵盤操作數(shù)據(jù)并通過藍(lán)牙發(fā)送，搬運(yùn)車根據(jù)指令完成一個(gè)動(dòng)作。

3.4尋跡模塊電路設(shè)計(jì)

尋跡搬運(yùn)車的循跡模塊電路由三個(gè)紅外TCRT5000光電開關(guān)集成，并安裝在尋跡搬運(yùn)車的前面，用來實(shí)現(xiàn)對道路的檢測。安裝時(shí)，中間安置的傳感器必須保證在跑道黑色帶的中間位置，兩邊的傳感器要貼在黑色和白色絲帶的邊界位置。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提高自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車的識別靈敏度，并減少了控制系統(tǒng)調(diào)整行駛方向的頻率。

4　結(jié)語

本課題探究的物流自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車其實(shí)也可稱為移動(dòng)機(jī)器人的一種。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器的發(fā)展，使移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展又進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)尋跡搬運(yùn)車能夠通過內(nèi)外傳感器感知自己處于怎么樣的工作環(huán)境、確定出精確的位置，是能夠動(dòng)態(tài)決策、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。

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2015'第21屆消失模V法實(shí)型鑄造技術(shù)年會(huì)通知

中國鑄造協(xié)會(huì)第二十一屆消失模V法實(shí)型鑄造技術(shù)年會(huì)2015年8月26日報(bào)到，27～28日在中國一拖（洛陽）鑄造有限公司舉行。一拖鑄造是中國特大型央企，近年由煙臺(tái)四方鑄造設(shè)備工程有限公司為其承建年產(chǎn)1.5萬噸鑄鐵件消失模鑄造自動(dòng)化生產(chǎn)線。本屆年會(huì)圍繞消失模V法實(shí)型鑄造高質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)和精細(xì)管理，對汽車件、工程機(jī)械件、農(nóng)機(jī)件、泵閥管、耐磨耐熱耐蝕等核心適用關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)難題進(jìn)行交流。大會(huì)安排了展位、信息發(fā)布、會(huì)后龍門石窟/少林寺參觀。

主辦單位：中國鑄造協(xié)會(huì)；承辦單位：中國鑄造協(xié)會(huì)消失模V法實(shí)型鑄造分會(huì)、中國一拖（洛陽）鑄造有限公司、煙臺(tái)四方鑄造設(shè)備工程有限公司。

會(huì)議時(shí)間：2015年8月26日全天報(bào)到，27～28日交流。

會(huì)議地點(diǎn)：河南省洛陽市洛陽大酒店（4星級），南昌路與周山路交叉口。普標(biāo)230元/間天，豪標(biāo)300元/間天；周邊快捷酒店標(biāo)間100～200元/間天。

稿件征集：每篇稿件文字總數(shù)不超過6000漢字，7月30日前Email發(fā)給聯(lián)系人。

會(huì)務(wù)費(fèi)：1500元/人(會(huì)員)、1800元/人(非會(huì)員)；高校和特邀代表1000元/人（會(huì)員）、1200元（非會(huì)員）。所有活動(dòng)憑參會(huì)代表證參加。

聯(lián)系人：中國鑄造協(xié)會(huì)消失模V法實(shí)型鑄造分會(huì)副秘書長李立新13180083786/licad2002@163.com；辦公室主任 師雄雁15333217933/hyzsgmj-cao@163.com；秘書長 李增民18903396929/ lizengmin@126.com；煙臺(tái)四方鑄造設(shè)備工程有限公司 馬博18663895329；洛陽大酒店 趙莉：15037976229。(中國鑄造協(xié)會(huì)實(shí)型鑄造分會(huì) 供稿）

The design and implementation of logistics automatic tracing truck control system

GUO?Wei
（Shaanxi?Vocational?and?Technical?College，Xian?710100，Shaanxi，China）

The?traditional?handling?way，?most?of?them?are?using?artifcial?or?half?artifcial?such?handling?way，?but?this?approach?will?generally?lead?to?personnel?and?equipment?investment?is?high，?fnally?achieve?the?utilization?rate?is?not?high.?This?topic?to?explore?the?automatic?tracing?car?carrier?control?intelligence，?also?called?wheeled?robot，?is?one?of?the?mobile?robot.?The?development?of?computer?technology?and?sensor，?making?the?development?of?the?mobile?robot?and?to?enter?into?a?climax.?This?is?a?related?to?mechanics，?mechanics，?electronics，?control?science?and?other?disciplines，?is?a?comprehensive?high-tech?technology?products.?Automatic?tracing?carrier?by?internal?and?external?sensors'?how?about?yourself?in?a?work?environment?and?determine?the?precise?location，?and?able?to?dynamic?decision-making，?behavior?control?and?execution，?etc?in?a?body's?comprehensive?system.

Carrier；?Automatic?tracing；?The?infrared?guidance；?XC836?microcontroller

TG231.1;

A；

1006-9658（2015）04-0039-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.011

2015-02-06

稿件編號:1502-806

郭偉（1987—），男，助教，研究方向物流及物流設(shè)備開發(fā).