林建勇

（山東理工大學(xué)，山東 淄博255000）

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，在傳感器技術(shù)以及智能信息技術(shù)的推動下，無人搬運(yùn)車已經(jīng)逐漸在物料搬運(yùn)市場普及，智能物料搬運(yùn)車在倉儲業(yè)和物流行業(yè)占據(jù)了非常重要的地位，通過RFID 技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)倉儲環(huán)境智能化，從而更好地進(jìn)行商品和物品調(diào)配與管理[1]。AGV 物料搬運(yùn)車作為典型的智能物流系統(tǒng)，在工作效率、精準(zhǔn)搬運(yùn)、智能規(guī)劃方面均發(fā)揮著人工作業(yè)無法比擬的優(yōu)勢[2]。為了更好地適應(yīng)工業(yè)自動化過程中的物料搬運(yùn)系統(tǒng)的工作情況，設(shè)計(jì)了基于STM32 單片機(jī)的智能搬運(yùn)工程車。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)企業(yè)中，機(jī)械性、重復(fù)性抓放工作由大量人工完成，不僅給工廠帶來了巨大的人工管理成本，還難以保證工作的可靠度。智能搬運(yùn)工程車主要是實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)中最基本的裝卸搬運(yùn)工作，可以充分地利用工作環(huán)境，大大提高物流搬運(yùn)能力以及工廠內(nèi)部的搬運(yùn)、制造與物流系統(tǒng)之間的自主搬運(yùn)能力[3]。智能搬運(yùn)工程車可以實(shí)現(xiàn)按照規(guī)定路線自主前進(jìn)，自主識別不同種類的物料顏色，并按照物料顏色不同將物料搬運(yùn)至相對應(yīng)的不同區(qū)域，搬運(yùn)全程無需人工操作，通過對于不同顏色的物料搬運(yùn)用以模擬工業(yè)自動化生產(chǎn)中的物流搬運(yùn)系統(tǒng), 該智能搬運(yùn)工程車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以良好完成路線的循跡、物料的抓取、物料的識別以及搬運(yùn)工作。

圖1 智能光電搬運(yùn)工程車硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能物料搬運(yùn)工程車設(shè)計(jì)主要是使用基于Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F427 系列單片機(jī)、M2006 P36 直流無刷減速電機(jī)、C610 無刷電機(jī)調(diào)速器、24V 電源管理模塊、數(shù)字量灰度傳感器、TCS3200D 顏色識別傳感器、MG995 金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)等。其硬件系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)圖主要如圖1 所示。

智能物流搬運(yùn)工程車的主控制器采用STM32F427IIH6 型號單片機(jī)，其擁有豐富的外部拓展接口，具有16 路PWM 輸出接口和CAN1 與CAN2 兩路CAN 通訊接口，板載陀螺儀姿態(tài)傳感器并配備有3 路12V 電源輸出接口，一個(gè)OLED 顯示屏接口，4 路可控電源輸出接口，供電通過XT30 接口采用24V 電源管理模塊進(jìn)行供電。顏色識別系統(tǒng)是依靠TCS3200D 顏色識別傳感器，TCS3200D 采用3-5V 電源供電方式，可由主控制板的PWM輸出接口進(jìn)行顏色識別系統(tǒng)的電源供電，擁有抗光干擾電路設(shè)計(jì)，可以輕松識別物料顏色；路線規(guī)劃系統(tǒng)采用數(shù)字量灰度傳感器，數(shù)字量傳感器擁有更高的精確度和靈敏度，可以輕松實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)工程車的路線循跡以及精準(zhǔn)停車；機(jī)械抓取系統(tǒng)通過金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)進(jìn)行精確位置控制，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)物料的抓取和放置；工程運(yùn)動系統(tǒng)采用的是無刷直流電機(jī)，由C610 無刷電調(diào)驅(qū)動，M2006 無刷直流電機(jī)內(nèi)置位置與速度傳感器，可以精準(zhǔn)反饋工程車當(dāng)前的位置和速度信息，通過軟件PID 算法可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)車位置系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，該款電機(jī)由FOC 矢量控制技術(shù)控制扭矩，配以36:1 的減速箱，可以保證產(chǎn)生連續(xù)合適的扭矩。

硬件系統(tǒng)可以整體分為輸入系統(tǒng)與輸出系統(tǒng)兩大部分，輸入系統(tǒng)是由顏色傳感器和數(shù)字量灰度傳感器分別提供物料顏色信息和地面軌跡信息，信號輸入到STM32 主控制器，由程序邏輯和算法分析進(jìn)行計(jì)算，最后輸出到輸出系統(tǒng)，機(jī)械抓取通過PWM信號驅(qū)動數(shù)字金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)控制物料的裝載和放置，工程運(yùn)動系統(tǒng)通過CAN 連接的通訊方式，由主控制器控制。

2.3 輸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)工程車的輸入系統(tǒng)由顏色識別和路線規(guī)劃兩部分組成。顏色識別主要是利用顏色傳感器進(jìn)行顏色識別，其識別原理主要是通過三原色感應(yīng)原理，利用顏色濾波器，設(shè)置只允許特定的原色通過，便可以分別得出紅色光、藍(lán)色光、綠色光的光強(qiáng)值，利用這三個(gè)光強(qiáng)值進(jìn)行算法程序分析，便可以得到投射在顏色傳感器上的不同色光[4]。但由于工作環(huán)境與光線強(qiáng)弱程度的不同，白色光的三原色含量也是不同的，所以在運(yùn)用顏色傳感器進(jìn)行顏色識別的前提是要確定好紅色、綠色和藍(lán)色濾波器的參數(shù)值，也就是常說的白平衡，可以在顏色傳感器啟動前放置一個(gè)白色物料，通過程序設(shè)計(jì)便可以自動設(shè)置濾波器的三個(gè)參數(shù)。路線規(guī)劃系統(tǒng)主要是依靠數(shù)字量灰度傳感器，通過采用多路數(shù)字灰度傳感器嚴(yán)格卡點(diǎn)路線的特征值，利用不同路面對于光線的顏色發(fā)射程度不同進(jìn)行路線軌跡探測和規(guī)劃[5]，數(shù)字量灰度傳感器通過發(fā)光二極管發(fā)出白色光照射在檢測路面上，通過不同路線的反射不同，光敏電阻檢測光強(qiáng)信號得到可識別的數(shù)字信號，進(jìn)而通過單片機(jī)數(shù)字信號輸入端發(fā)送到STM32 主控制器，由算法程序進(jìn)行路線分析。

2.4 輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)工程車的輸出系統(tǒng)包括物料抓取系統(tǒng)與工程運(yùn)動系統(tǒng)。物料抓取系統(tǒng)由數(shù)字金屬標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)構(gòu)成，通過對STM32 單片機(jī)編寫程序，利用分時(shí)復(fù)用的方式向金屬舵機(jī)發(fā)送PWM波，利用有效的脈沖信號可以使得輸出不同的脈沖寬度，在動力源的驅(qū)動下進(jìn)而可以控制數(shù)字金屬舵機(jī)達(dá)到不同的目標(biāo)角度[6]。舵機(jī)的工作速度在于STM32 單片機(jī)發(fā)送的周期內(nèi)的高低占空比的比例，利用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合精準(zhǔn)的數(shù)字舵機(jī)PWM角度控制便可以實(shí)現(xiàn)物料的抓取與拆卸。工程運(yùn)動系統(tǒng)主要是通過對無刷直流電機(jī)的位置控制與速度控制實(shí)現(xiàn)智能搬運(yùn)工程車的前進(jìn)與后退以及轉(zhuǎn)向操作。利用PID 控制算法對電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的反饋控制，可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)工程車迅速循跡以及在達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)的精準(zhǔn)停車，精準(zhǔn)停車技術(shù)是對于可以精準(zhǔn)放置物料的嚴(yán)格技術(shù)要求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)車的主控制器是STM32F427 系列的單片機(jī)，主要通過keil 5 軟件，利用基于C 語言的單片機(jī)編程語言進(jìn)行編程。其程序流程框圖主要如圖2 所示。

圖2 整體程序流程框圖

整車程序是采用基于C 語言的單片機(jī)程序編寫，利用FreeRTOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，分別編寫了顏色識別程序任務(wù)，路線循跡任務(wù)以及物料抓取任務(wù)。FreeRTOS 嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)輕量級系統(tǒng)，其功能包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等，可以滿足嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)需求，F(xiàn)reeRTOS 操作系統(tǒng)可以輕松移植到ARM、MSP430、AVR 等多種微處理器[7]。整車程序首先進(jìn)行控制系統(tǒng)的初始化，包括數(shù)字量灰度傳感器的啟動、顏色傳感器的初始化與白平衡、無刷直流電機(jī)的啟動等。初始化任務(wù)完成之后，進(jìn)入輸入系統(tǒng)的顏色檢測任務(wù)與路線檢測任務(wù)，路線檢測任務(wù)通過灰度傳感器對于不同路面路線的反饋，進(jìn)而調(diào)用不同的路線處理函數(shù)，當(dāng)檢測到路線信息時(shí)，主控制器便會通過CAN 通訊接口發(fā)送控制信號，驅(qū)動運(yùn)動系統(tǒng)在C610 無刷電調(diào)的調(diào)制下進(jìn)行位置和速度的輸出。當(dāng)搬運(yùn)工程車遇到物料時(shí)，其顏色檢測任務(wù)便會檢測到不同色光的信號輸入，通過數(shù)字輸入I/O 端口反饋給主控制器，主控制器根據(jù)白平衡顏色濾波器設(shè)置的三個(gè)參數(shù)辨別不同顏色并調(diào)用相應(yīng)的顏色處理函數(shù)，進(jìn)而輸出到機(jī)械抓取系統(tǒng)。STM32 主控制器通過控制PWM的信號輸出控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，最終抓取到相應(yīng)的顏色物塊。當(dāng)運(yùn)動系統(tǒng)檢測到抓取顏色所對應(yīng)的目的地時(shí)，通過閉環(huán)PID 算法進(jìn)行精準(zhǔn)停車并由抓取控制系統(tǒng)把物料精確放到目的地。

3.2 算法策略設(shè)計(jì)

為了能夠精確確定無刷直流電機(jī)的速度和位置信息，確保物料搬運(yùn)工程車能夠精確停到響應(yīng)的目標(biāo)位置，本車的運(yùn)動控制算法部分采用控制算法中常用的數(shù)字PID 閉環(huán)算法。相較于開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械特性與控制特性將大大得到提高。理想空載時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)控制系統(tǒng)小得多。PID 調(diào)節(jié)算法是閉環(huán)控制算法中最為常用的算法之一，其離散形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式[8]為：

圖3 PID 控制算法結(jié)構(gòu)圖

其中：Kp為PID 調(diào)節(jié)器的比例部分系數(shù)，Ki為PID 調(diào)節(jié)器的積分部分系數(shù)，Kd為PID 調(diào)節(jié)器的微分部分系數(shù)，P（k）為系統(tǒng)的輸出，e（k）與e（k-1）分別為第k 次和第k-1 次時(shí)的誤差值。比例環(huán)節(jié)的作用主要是針對于系統(tǒng)的瞬態(tài)偏差，比例系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)；積分部分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但是也會降低整體系統(tǒng)的響應(yīng)速度；微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，主要是為了克服較大的震蕩，但微分不易過大，因?yàn)槠鋵τ诟蓴_的響應(yīng)較為敏感，不利于最后的控制綜合特性。無刷直流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

首先設(shè)定好無刷直流電機(jī)的目標(biāo)速度值，通過M2006 無刷直流電機(jī)的內(nèi)置傳感器解算出當(dāng)前的實(shí)際速度，并將當(dāng)前的實(shí)際速度反饋到STM32F427 主控制器，由目標(biāo)速度和實(shí)際速度，通過PID 控制算法便可以得到控制無刷直流電機(jī)的目標(biāo)電流值。PID 控制算法在路線循跡與停車卡點(diǎn)方面發(fā)揮著重要的作用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32F427 的智能光電搬運(yùn)工程車，傳感器均是采用光電式傳感器。設(shè)計(jì)成本較低，通過顏色傳感器確定目標(biāo)顏色，數(shù)字量灰度傳感器確定路線軌跡，并對運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行PID 算法優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)全自主地智能識別并搬運(yùn)物料，具有良好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。