湯先燦 孫浩凱 李曉燕 紀(jì)光洋 姜鑫

摘要：針對(duì)無(wú)電梯樓層間、室內(nèi)外中短距離的場(chǎng)所及復(fù)雜地形的家電、藥品、生鮮類和易碎類物品運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題設(shè)計(jì)出了自平衡運(yùn)輸車。該運(yùn)輸車主要由主控系統(tǒng)、載貨平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)、夾持貨物機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、檢測(cè)模塊等組成。設(shè)計(jì)采用STM32F103作為主控核心，通過(guò)陀螺儀傳感器讀取角度，單片機(jī)接收到角度后通過(guò)PID計(jì)算將數(shù)值賦值給推桿電機(jī)，由推桿電機(jī)推動(dòng)載貨平臺(tái)，使載貨平臺(tái)始終保持與地面平行。云臺(tái)下方裝有推桿電機(jī)，推桿電機(jī)具有自鎖功能，云臺(tái)裝有壓力傳感器，當(dāng)有壓力產(chǎn)生就夠自動(dòng)鎖緊貨物。GPS定位裝置、圖像傳輸功能以及光電開(kāi)關(guān)，可以自主行走并躲避障礙以及準(zhǔn)確定位。行走機(jī)構(gòu)采用履帶式底盤，采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng);反應(yīng)靈敏，耗能較低，電機(jī)采用差速方式轉(zhuǎn)向，在樓梯等復(fù)雜地形轉(zhuǎn)向更加靈活迅速。該設(shè)計(jì)有效解決了多地形搬運(yùn)物品的問(wèn)題，有效的提高了搬運(yùn)的效率、貨物的安全以及大大節(jié)省了人力。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸問(wèn)題;自鎖;傳感器;躲避障礙;履帶式

引言：隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人代替了人進(jìn)行勞動(dòng)，從而大大的解放了勞動(dòng)力，但是在室內(nèi)外貨物的搬運(yùn)依舊還是需要大量勞動(dòng)力。例如：在有很多城市內(nèi)仍然有沒(méi)有安裝電梯的居民樓人們?cè)谶\(yùn)輸家電時(shí)將浪費(fèi)大量的勞動(dòng)力。在果蔬運(yùn)輸時(shí)，一些大型的運(yùn)輸車無(wú)法進(jìn)入種植場(chǎng)地，只能由人力運(yùn)輸?shù)酵獠浚偻ㄟ^(guò)運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)街付ǖ胤?，加上種植場(chǎng)地道路復(fù)雜，在運(yùn)輸過(guò)程中容易出現(xiàn)磕碰造成果蔬的損傷，這樣既浪費(fèi)了大量的勞動(dòng)力，又不能保證果蔬質(zhì)量，工作效率低。在室內(nèi)外運(yùn)輸貨物時(shí)，搬運(yùn)人員將會(huì)浪費(fèi)大量勞動(dòng)力去把貨物運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，再返回繼續(xù)搬運(yùn)貨物，并且在運(yùn)輸一些貴重物品、易碎物品時(shí)不能保重貨物的安全性。若能設(shè)計(jì)出一種自平衡調(diào)節(jié)平臺(tái)的運(yùn)輸車，它完全可以作為人類搬運(yùn)的替代工具，能夠在狹窄的樓梯、室內(nèi)外復(fù)雜的環(huán)境下完成對(duì)家電、藥品、生鮮類和易碎類物品運(yùn)輸，這樣能夠在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，保證貨物的安全性，不會(huì)造成需多損失，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力。在機(jī)器人這個(gè)科技領(lǐng)域中發(fā)展最快最為流行的就是服務(wù)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)解決了人們生活的需要?jiǎng)趧?dòng)力的場(chǎng)所，服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)生大大減少了勞動(dòng)力，提高了工作效率。所以，現(xiàn)在研究出的運(yùn)輸車能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地形和運(yùn)輸多種貨物并具有的智能化程度高將會(huì)是未來(lái)運(yùn)輸車發(fā)展的走向。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1控制系統(tǒng)

自平衡運(yùn)輸車使用STM32單片機(jī)作為其主控系統(tǒng)。將32單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和自平衡車的設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，從而發(fā)揮最大的作用。比如STM32的CRL寄存器能夠修樹(shù)輸入、輸出形式，還能夠修樹(shù)輸出的最大速度。開(kāi)漏形式和推挽形式：弱上拉和下拉電阻被禁止，開(kāi)漏形式時(shí)，讀輸入數(shù)據(jù)寄存器時(shí)可取得I/O口狀況，推挽形式時(shí)，讀輸出數(shù)據(jù)寄存器時(shí)可取得最終一次寫的值，模仿輸入裝備。弱上拉和下拉電阻被禁止讀取輸入數(shù)據(jù)寄存器時(shí)數(shù)值為0。STM32和CRL相結(jié)合，可以很大程度上維持行走，圖像，以及檢測(cè)模塊的正常運(yùn)行，并第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)。給平衡車營(yíng)造了一個(gè)較為安全的工作環(huán)境。系統(tǒng)組成如圖一所示。

1.2行走機(jī)構(gòu)

關(guān)于平衡車的行走結(jié)構(gòu)，我們采用了舵機(jī)帶動(dòng)履帶的方式。在設(shè)計(jì)時(shí)我們收集了以往自平衡車的資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)輸車運(yùn)輸貨物進(jìn)過(guò)有坡度或者高低不平的道路時(shí)，運(yùn)輸平臺(tái)會(huì)隨著路況變化發(fā)生傾斜，這時(shí)貨物的重心會(huì)發(fā)生前移或后移，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)使運(yùn)輸車上坡時(shí)需要更大的動(dòng)力，爬坡的能能從而減弱，下坡時(shí)速度難易控制，抓地能力差。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生不能保證貨物在運(yùn)輸過(guò)程中的安全，從而造成貨物損傷。由此我們研究的重點(diǎn)便轉(zhuǎn)移到了，如何很好的保持平衡車的重心。我們針對(duì)于輪式結(jié)構(gòu)和履帶式結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將兩種結(jié)構(gòu)分別置于工作環(huán)境中，以及上下坡環(huán)境。最后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在平坦路段進(jìn)行工作時(shí)，二者的工作能力沒(méi)有較大差距，但是在不平整崎嶇路段，以及上下坡路段進(jìn)行工作時(shí)，履帶式結(jié)構(gòu)更能保持平衡，更能發(fā)揮它的作用。因此我們采用履帶式結(jié)構(gòu)作為它的行走機(jī)構(gòu)。不僅如此我們還在原有基礎(chǔ)上，對(duì)履帶改進(jìn)成了一種特制越野履帶底盤使其能夠轉(zhuǎn)向靈活適應(yīng)多種復(fù)雜場(chǎng)。

1.3遙控器控制以及圖像傳輸

在它的行走上。我們還加入了藍(lán)牙裝置，并且配備了遙控器。在使用時(shí)打開(kāi)藍(lán)牙，將遙控器與平衡車連接，就可以對(duì)遙控車進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。不僅如此，在平衡車上添加了攝像頭，用來(lái)監(jiān)控和傳輸平衡車的工作環(huán)境。使人們?cè)谑褂脮r(shí)，可以根據(jù)攝像頭傳輸過(guò)來(lái)的影像，對(duì)平衡車的工作進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。無(wú)線遙控結(jié)合攝像頭的實(shí)時(shí)圖像傳輸，這種方式操作簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜狹小的環(huán)境能夠做到較全面的了解，不需要程序控制，穩(wěn)定性較高。同時(shí)在車身特定位置安裝光電傳感器來(lái)進(jìn)行近距離的障礙物檢測(cè)。二者相互配合，既可以通過(guò)圖像傳輸完成復(fù)雜環(huán)境的了解和掌控，同時(shí)對(duì)于近處、易忽略的小型障礙物也可以采用光電傳感進(jìn)行避讓。

1.4自平衡機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用推桿電機(jī)與平行四桿機(jī)構(gòu)的配合，平衡四桿機(jī)構(gòu)是一種可伸縮的結(jié)構(gòu)，通過(guò)折疊將它的伸縮桿放在兩側(cè)的固定桿之間，減小一定的空間。在使用時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)判斷將伸縮桿進(jìn)行伸展和縮緊。由此便提高了它的工作范圍，并且在一定程度上節(jié)約了能源。下面是它工作時(shí)系統(tǒng)識(shí)別與發(fā)出指令的詳細(xì)過(guò)程。工作時(shí)系統(tǒng)先判斷是否有角度的產(chǎn)生，當(dāng)有角度產(chǎn)生時(shí)先通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部PID計(jì)算，將得到數(shù)值賦值PWM，驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)動(dòng)作，從而推動(dòng)連接軸，帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑塊產(chǎn)生偏移時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)隨之變化使載貨平臺(tái)保持水平。采用推桿電機(jī)其推桿電機(jī)的自鎖能力和承載能力將會(huì)保證載貨平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持穩(wěn)定不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

1.5夾持機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)為解決在運(yùn)輸過(guò)程中夾緊貨物使貨物在平臺(tái)穩(wěn)定，故搭載了夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)采用滑塊與推桿電機(jī)的配合，當(dāng)單片機(jī)得到信號(hào)時(shí)將會(huì)驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)動(dòng)作，這時(shí)活動(dòng)擋板隨之移動(dòng)，滑塊在軌道上進(jìn)行移動(dòng)，與活動(dòng)擋板同時(shí)移動(dòng)。夾持機(jī)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3所示。

1.6檢測(cè)裝置

我們?cè)谄胶廛噧?nèi)部添加了幾種不同的傳感器，用來(lái)檢測(cè)它的工作環(huán)境。其中陀螺儀傳感器用來(lái)檢測(cè)和讀取角度，從而便于系統(tǒng)識(shí)別和下發(fā)指令。然后通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算，將信息賦予推桿電機(jī)，從而使自平衡機(jī)構(gòu)運(yùn)作。壓力傳感器通過(guò)檢測(cè)運(yùn)輸物體的大小和形狀，以及它的壓力大小，從而使夾持裝置做出調(diào)整。使物品的運(yùn)輸更加安全，穩(wěn)定。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1技術(shù)路線

通上電時(shí)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，當(dāng)初始化串口、陀螺儀、時(shí)鐘、ADC采值、GPS完畢后進(jìn)入main函數(shù)當(dāng)中進(jìn)行變量的初始化。程序開(kāi)始先檢測(cè)壓力傳感器數(shù)值判斷是否有貨物，如果沒(méi)有貨物保持不動(dòng)，否則進(jìn)行下一步，運(yùn)輸車開(kāi)始運(yùn)行，光電傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)控制電機(jī)避障，在運(yùn)行過(guò)程中陀螺儀檢測(cè)是否有角度產(chǎn)生，將角度的數(shù)值經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)PID算法控制電機(jī)，使載貨平臺(tái)保持水平，然后再進(jìn)行判斷角度，沒(méi)有角度產(chǎn)生則繼續(xù)運(yùn)輸，有角度產(chǎn)生則再進(jìn)行上一步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，GPS在運(yùn)輸中實(shí)時(shí)發(fā)送衛(wèi)星位置。具體工作流程如下圖4所示。

2.2夾持貨物

本設(shè)計(jì)采用HX711稱重模塊，當(dāng)放上貨物時(shí)，程序用AD采集數(shù)值，采用均值濾波，設(shè)計(jì)連續(xù)間隔20us采集，把10次數(shù)值累加之后再除以10得到數(shù)值，連續(xù)得到均值濾波后的數(shù)值進(jìn)行比較，判斷貨物是否已經(jīng)平穩(wěn)放上，當(dāng)判斷數(shù)值偏差較小，則推桿電機(jī)進(jìn)行貨物的夾緊，運(yùn)輸車開(kāi)始運(yùn)輸動(dòng)作;當(dāng)數(shù)值偏大則運(yùn)輸車保持不動(dòng)。夾持貨物流程圖見(jiàn)圖5所示。

2.3載貨平臺(tái)自平衡

本設(shè)計(jì)采用電機(jī)與mpu6050陀螺儀的配合，單片機(jī)采集到的陀螺儀產(chǎn)生的角度，將采集的數(shù)值先進(jìn)行冒泡排序和均值濾波，濾波之后的數(shù)值再根據(jù)角度PID算法程序得到電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度，并給推桿電機(jī)一個(gè)PWM信號(hào)使其到達(dá)平衡點(diǎn)，再采集到達(dá)平衡點(diǎn)后的運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)角度，再將該角度值反饋到單片機(jī)進(jìn)行比較，從而形成閉環(huán)控制。載貨平臺(tái)自平衡的流程圖如圖6所示。

2.4基于SolidWorks軟件三維模型的設(shè)計(jì)

為了更全面充分的展示出自平衡運(yùn)輸車的外觀效果，我們對(duì)其進(jìn)行了SolidWorks建模設(shè)計(jì)。我們先對(duì)該作品的零件圖進(jìn)行繪制。完成之后，對(duì)零件圖進(jìn)行裝配。組成實(shí)物后對(duì)其進(jìn)行composer動(dòng)畫的制作，模擬它工作時(shí)的效果和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。一般在SolidWorks中會(huì)發(fā)現(xiàn)一些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不妥，或零件的選擇不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，從而影響它后期的運(yùn)動(dòng)和工作。通過(guò)前期的SolidWorks建模，會(huì)給作品建立一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)模型，也給后期電路的制作以及實(shí)物的搭建建立一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

3結(jié)論

自平衡運(yùn)輸車由控制系統(tǒng)、自平衡機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、檢測(cè)模塊、圖像傳輸及遙控等模塊組成。我們按照現(xiàn)如今，各行業(yè)，各人群對(duì)自平衡運(yùn)輸車功能的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡最大可能使其具有更全面的能力?？刂葡到y(tǒng)STM32和CRL寄存器相結(jié)合，對(duì)其行走以及工作的程序進(jìn)行快速的補(bǔ)漏，使其具有安全穩(wěn)定的工作環(huán)境。行走機(jī)構(gòu)利用履帶的設(shè)計(jì)，維持它工作以及崎嶇復(fù)雜路面的穩(wěn)定行走。圖像傳輸模塊將平衡車工作時(shí)的影像進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸，和控制。檢測(cè)模塊通過(guò)傳感器的作用，測(cè)量其工作時(shí)的角度和指數(shù)，從而做出正確的判斷。幾個(gè)設(shè)計(jì)之間相互滲透，相輔相成共同完成自平衡運(yùn)輸車的工作與運(yùn)轉(zhuǎn)。不僅如此它還具有較高的工作效率和實(shí)用性。推廣之后，一定可以給社會(huì)和運(yùn)輸行業(yè)帶來(lái)很大的實(shí)用價(jià)值與意義。

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作者簡(jiǎn)介：湯先燦（2002-），男，山東省濟(jì)寧市人，學(xué)士，研究方向：三維工程。

該項(xiàng)目由國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《自平衡運(yùn)輸車》（S202113320045）支持。