葉昊宸 王會(huì)良 張志高 王甲保 謝欣雨 胡雯雯 韓晶晶

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

隨著近幾年物流行業(yè)和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹或物料的智能操作處理，進(jìn)一步提高生產(chǎn)與分揀效率正成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)具有龐大的市場(chǎng)需求。因此，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的智能物料搬運(yùn)小車(如圖1 所示)，融合了計(jì)算機(jī)、傳感器、自動(dòng)控制原理、通信技術(shù)和人工智能等多個(gè)學(xué)科為一體。能夠通過各類傳感器對(duì)物料、路徑以及外部環(huán)境進(jìn)行多方位的感知與識(shí)別，識(shí)別后的數(shù)據(jù)通過主控模塊單片機(jī)處理后控制相應(yīng)模塊，完成對(duì)路徑的規(guī)劃巡線及按指定順序處理相應(yīng)物料。以幫助智能制造、物流等行業(yè)更加智能化，進(jìn)一步降低成本、提高效益。

圖1 智能物料搬運(yùn)小車實(shí)物圖

1 整體設(shè)計(jì)

小車整體由電路硬件系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。軟件系統(tǒng)通過程序編寫并燒錄至單片機(jī)，控制主控模塊芯片與ArduinoNano 單片機(jī)，從而用于小車整體識(shí)別、通信與控制等過程的實(shí)現(xiàn)。機(jī)械系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。電路硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)相應(yīng)過程的載體。每個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，即分成各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再與主控模塊單片機(jī)整合聯(lián)系與優(yōu)化。適合進(jìn)行控制單一變量測(cè)試，便于后期系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 電路硬件系統(tǒng)

2.1 主控模塊

主控模塊是整輛小車的最關(guān)鍵部分。其任務(wù)是完成對(duì)相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)的處理，控制或驅(qū)動(dòng)相應(yīng)模塊在特定任務(wù)中的工作。主控模塊芯片的選擇影響著小車是否能順利完成任務(wù)要求。因此，我們選擇STM32F103RCT6 單片機(jī)作為主控模塊芯片。工作電壓為2.0-3.6V，共有64 個(gè)引腳，處理速度快、能力強(qiáng)，最高主頻為72MHz。具有51 個(gè)快速I/O端口，均可與16 個(gè)外部中斷相連。具有USB、I2C、USART、SPI 等通信接口。具有4 個(gè)16 位定時(shí)器，每個(gè)均有4 個(gè)用于輸入捕獲、輸出比較、PWM脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入。芯片體積小、效率高，可以滿足小車完成各項(xiàng)任務(wù)。

2.2 任務(wù)讀取與顯示模塊

任務(wù)讀取與顯示模塊分為二維碼識(shí)讀模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。使用GM65 模塊作為二維碼識(shí)讀模塊，該模塊采用一體化設(shè)計(jì)，體積小，便于集成。使用影像式掃描技術(shù)，可全向掃描。具有較快的掃碼速度，若設(shè)置為自動(dòng)模式，則每次二維碼的識(shí)別與讀取時(shí)間為3s，并且時(shí)間可根據(jù)任務(wù)復(fù)雜程度最低調(diào)整至0.1 秒，適合用于在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)物料搬運(yùn)任務(wù)的識(shí)讀。識(shí)別的數(shù)據(jù)由GBK編碼進(jìn)行輸出，傳遞至主控模塊處理數(shù)據(jù)。任務(wù)顯示模塊使用六位七段數(shù)碼管對(duì)任務(wù)順序碼進(jìn)行顯示，便于直觀地顯示任務(wù)。使用TM1650SOP16 8*4 位驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管芯片對(duì)數(shù)碼管的顯示內(nèi)容進(jìn)行控制，僅需2 個(gè)引腳就可與主控模塊芯片以串行通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。通過電平高低的變化控制數(shù)據(jù)的輸入。使用該模塊能夠進(jìn)一步減少主控單片機(jī)引腳的使用，進(jìn)一步簡化電路，便于后期維護(hù)。

2.3 顏色識(shí)別模塊

模塊使用GY-31TCS3200 顏色傳感器進(jìn)行物料顏色的識(shí)別，它是一款光到頻率的轉(zhuǎn)換器。由于每種顏色都是由不同值的紅、綠、藍(lán)三個(gè)原色構(gòu)成，則可以由測(cè)定三原色(R、G、B)值來識(shí)別顏色。在識(shí)別顏色時(shí)，打開特定原色的濾波器，讓入射光中的相應(yīng)原色通過，判斷光強(qiáng)，測(cè)定該原色的值，進(jìn)而由三原色數(shù)據(jù)分析顏色。該傳感器在識(shí)別顏色前需要調(diào)整參數(shù)：先依次選通三原色的濾波器，將模塊的計(jì)數(shù)脈沖依次進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)到255 為止，之后計(jì)算各濾波器的用時(shí)，對(duì)應(yīng)實(shí)際測(cè)試時(shí)所用的時(shí)間基準(zhǔn)，在該時(shí)段所得的脈沖數(shù)即為所對(duì)應(yīng)的R、G、B值。在識(shí)別時(shí)通過對(duì)比R、G、B值來識(shí)別被測(cè)物料的顏色。輸出量是數(shù)字量，無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳感器可直接與ArduinoNano單片機(jī)相連接，電路更加簡單。

2.4 路徑巡線與避障模塊

該模塊分為七路灰度傳感器和E18-D80NK 紅外避障傳感器兩部分?；叶葌鞲衅鞯拿恳宦窓z測(cè)單元的LED燈發(fā)射白光，由于不同顏色在檢測(cè)面上對(duì)光的反射強(qiáng)度不同，該路單元的光敏電阻阻值大小也隨之不同。識(shí)別檢測(cè)從檢測(cè)面反射出的光的強(qiáng)度，通過算法和濾波程序優(yōu)化讓數(shù)據(jù)平穩(wěn)輸出，以數(shù)字量的形式將信號(hào)高低電平輸出至主控模塊進(jìn)行判斷。通過七路單元獲得車輛的偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)行PID糾正。另外，該傳感器可智能調(diào)節(jié)靈敏度，能夠適應(yīng)不同環(huán)境的要求。E18-D80NK紅外避障傳感器集發(fā)射與接收于一體。經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出發(fā)射光，接收頭解調(diào)輸出反射光，可見光干擾可較好避免。透鏡的使用，提高了傳感器的使用距離，最遠(yuǎn)距離可以檢測(cè)到80 厘米，可通過尾部的電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)障礙物的距離。傳感器使用數(shù)字輸出，即正常情況輸出高電平，檢測(cè)到相應(yīng)目標(biāo)輸出低電平。

3 機(jī)械系統(tǒng)

3.1 底盤部分

底盤部分的運(yùn)動(dòng)過程大致為：主控模塊通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制小車運(yùn)動(dòng)。電池通過穩(wěn)壓模塊將電壓降至11V后為四個(gè)電機(jī)供電。電機(jī)自帶增量式編碼器，主控模塊單片機(jī)通過讀取脈沖順序以及脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，由數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出實(shí)際速度，將實(shí)際速度與目標(biāo)速度放入PID控制器中進(jìn)行計(jì)算，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2 機(jī)械臂部分

小車使用的機(jī)械臂由五個(gè)數(shù)字舵機(jī)組成，機(jī)械臂的自由度為5。底部舵機(jī)用于整個(gè)機(jī)械臂繞水平面旋轉(zhuǎn)，上方安裝軸承減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦。軸承上方的三個(gè)舵機(jī)通過一次性接收PWM信號(hào)，使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)并鎖定在相應(yīng)角度，提供較大的鎖緊力，保證機(jī)械臂的穩(wěn)定。三個(gè)舵機(jī)提供的三個(gè)自由度可適應(yīng)多層物料的抓取，提高抓取靈活度。機(jī)械臂腕部舵機(jī)通過控制手爪齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，負(fù)責(zé)手爪的開合，完成對(duì)物料的抓取和投放。手爪的圓弧設(shè)計(jì)充分考慮到物料特性，內(nèi)側(cè)加上海綿和橡膠，能夠在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同位置、不同大小、不同形狀的物料。舵機(jī)的夾持力和內(nèi)側(cè)材料可讓物料在該過程中不掉落。經(jīng)過測(cè)試，手爪可抓取直徑為φ50mm的球面物體或40mm*40mm的方形物體。

4 軟件系統(tǒng)

設(shè)計(jì)圖如圖3 所示：

圖3 系統(tǒng)整體軟件流程設(shè)計(jì)圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

當(dāng)小車完成設(shè)計(jì)、組裝并燒錄程序后，即可進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試具有很強(qiáng)的重要性和必要性，這也是不斷改進(jìn)和優(yōu)化小車性能，提高小車在不同環(huán)境的可靠性的關(guān)鍵。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過程是：讓小車在不同環(huán)境的場(chǎng)地上運(yùn)行，改變特定的單一條件變量，觀察小車是否能夠順利逐個(gè)完成每一部分的任務(wù)，以及觀察在執(zhí)行過程中是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。即使用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，改變場(chǎng)地光照強(qiáng)度，能夠影響顏色識(shí)別模塊識(shí)別物料顏色，需要調(diào)整參數(shù)確定基準(zhǔn)。通過不斷優(yōu)化改進(jìn)程序，可以讓顏色識(shí)別模塊在不同光照強(qiáng)度下識(shí)別顏色更加可靠、方便，達(dá)到目標(biāo)要求。

6 結(jié)論

基于單片機(jī)控制的智能物料搬運(yùn)小車在研制過程中以提高智能制造和物流行業(yè)中的生產(chǎn)與分揀效率為任務(wù)導(dǎo)向。融合多個(gè)前沿學(xué)科為一體，采用模塊化設(shè)計(jì)。小車系統(tǒng)以主控模塊單片機(jī)為核心，各個(gè)模塊充分發(fā)揮功能，能夠高效完成任務(wù)。小車能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)讀取與顯示、顏色識(shí)別、路徑巡線與避障、物料的抓取與投放等特定任務(wù)。通過不斷的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)一步優(yōu)化小車性能，提高小車完成任務(wù)時(shí)的可靠性與穩(wěn)定性?；趩纹瑱C(jī)控制的智能物料搬運(yùn)小車將在智能制造、物流等行業(yè)發(fā)揮更大的作用，簡化物料或包裹的運(yùn)輸與分揀中的人工環(huán)節(jié)，能夠進(jìn)一步降低成本，提高生產(chǎn)效益，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。