何宗志 李海華 張 琳 崔志遠(yuǎn) 李鵬飛
(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽 471003)
賽場采用近水平鋪設(shè),尺寸為4 800 mm×2 400 mm的長方形平面區(qū)域,如圖1所示。
圖1 比賽場地(單位:mm)
賽場周圍設(shè)有擋板(無高度限制,顏色和高度不做任何要求,僅作為場地邊界),由于邊界擋板的不確定性,故不適合用邊界測距的方式確定小車的位置。賽道地面為亞光白色或淺黃色等淺色底色,路線有線寬為20 mm、線中心距為300 mm的黑色方格組成。比賽場地內(nèi),設(shè)置半成品區(qū)、精加工區(qū)、原料區(qū)、粗加工區(qū)、出發(fā)區(qū)、返回區(qū)、庫存區(qū)。決賽時拆除擋板。
搬運(yùn)的物料模型圖由solidworks繪制,利用3d打印機(jī)用三種不同顏色(紅、綠、藍(lán))PLA耗材打印出模型。
搬運(yùn)的物料所放置的原料區(qū)和庫存區(qū)的尺寸(長×寬×高)為580 mm×145 mm×(80~100)mm雙層貨架,白色啞光,原料區(qū)的高度為100 mm,物料采用顏色識別,庫存區(qū)貨架高度為80~100 mm,采用條形碼識別物料放置位置。
物料尺寸、原料區(qū)和庫存區(qū)如圖2、圖3所示。
圖2 物料尺寸(單位:mm)
圖3 原料、庫存區(qū)(單位:mm)
依據(jù)小車放置的物料接觸的最外一圈色環(huán),通過查表得出分?jǐn)?shù),如表1所示。
表1 環(huán)號及環(huán)尺寸
主控芯片采用STM32F103ZET6,為中等容量增強(qiáng)型,32位基于ARM核心的128 kB字節(jié)閃存微控制器USB、CAN,7個定時器、2個ADC、9個通信接口、2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1 μs轉(zhuǎn)換時間(多達(dá)16個輸入通道);ARM 32位的Cortex?-M3 CPU(最高72 MHz工作頻率),內(nèi)核為Cortex-M3,該款處理器適合處理大量信息和同時控制多個硬件,能夠較好地處理此次比賽。
Cortex-M3模塊如圖3所示。
圖4 Cortex-M3模塊
匹配原裝進(jìn)口芯片TCS3200的顏色識別傳感器,8引腳SOIC表面貼片式封裝。
芯片集成64個光電二極管,其中16個光電二極管(帶紅色濾波器)、16個光電二極管(綠色濾波器)、16個光電二極管(藍(lán)色濾波器)、16個光電二極管(無任何濾波器)。64個二極管可以用于接收全部的光信息。由于光電二極管為交叉排列式,能夠有效保證入射光輻射的均勻性,提高顏色識別的精確性。
采用12 V鋰電池分別為直流減速電機(jī)和單片機(jī)以及傳感器供電,除了給電機(jī)提供12 V電源以外,其余電壓供電方式采用L7812CV三端電源穩(wěn)壓模塊進(jìn)行供電。提供正常工作的5 V直流電壓給單片機(jī),提供正常工作的7.2 V直流電壓給數(shù)字電機(jī)(機(jī)械手組件)。
采用四路灰度傳感器,X軸和Y軸方向各裝一個,用于循跡和記錄小車所處位置。采用進(jìn)口聚光高亮LED,前置發(fā)光探頭設(shè)計,可在一定范圍內(nèi)抵抗巡線賽;場地?zé)艄夂铜h(huán)境光的干擾;配合四路線性可調(diào)電阻,靈敏度、穩(wěn)定性更高。數(shù)字信號以1或0輸出,編程控制簡單;根據(jù)場地光線等情況調(diào)節(jié)信號靈敏度。電壓比較器有兩個電壓輸入,一個為接收管的電壓,一個為電位器輸入的基準(zhǔn)電壓,根據(jù)接收管2種色的電壓值調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓。
避障模塊采用超聲波避障模塊HC-SR04,在一定距離內(nèi)能夠高效地檢測障礙物與小車的距離,并將檢測的距離與程序設(shè)定的安全距離進(jìn)行判定,判斷是否需要啟動自動避障動作。對外界發(fā)送40 kHz的工作頻率,可自行設(shè)定每秒發(fā)射超聲波的次數(shù)(過高會加重單片機(jī)內(nèi)核運(yùn)算負(fù)荷,過低會導(dǎo)致距離檢測不及時,無法地避障)。超聲波模塊將反射時間輸入給單片機(jī)內(nèi)核,單片機(jī)將時間帶入聲波和距離計算公式,即可計算小車與障礙物的距離,有效躲避障礙物。
軟件流程如圖5所示。
圖5 軟件流程
采用配備雙霍爾磁性編碼器775減速直流電機(jī)碼盤的直流減速電機(jī)。根據(jù)比賽賽道建立絕對坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系,單片機(jī)根據(jù)傳感器和電機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,得出小車所處位置,讓小車執(zhí)行相應(yīng)的指令。執(zhí)行指令過程中,通過小車自身傳感器配以PI算法產(chǎn)生中斷對指令的執(zhí)行進(jìn)行微調(diào),更好地完成任務(wù)。執(zhí)行的任務(wù)有采用GM65條形碼/二維碼掃描識別模塊掃描二維碼接受任務(wù)和掃描條形碼確定物品;內(nèi)部算法定位,用配以顏色識別模塊和距離傳感器的機(jī)械臂(20 kg數(shù)字舵機(jī))抓取物品運(yùn)送到指定區(qū)域;單片機(jī)讀取速度并控制速度最終計算出行駛的距離,確定小車自身所處位置,采用兩個四路灰度傳感器循跡并識別路線;執(zhí)行的任務(wù)通過LCD1602字符液晶屏顯示。
本設(shè)計利用TCS3200D顏色傳感器模塊對搬運(yùn)目標(biāo)進(jìn)行識別。對TCS3200D顏色傳感器模塊進(jìn)行初始化,即進(jìn)行白平衡設(shè)置;單片機(jī)通過傳感器采集搬運(yùn)物品反射光線的信息;通過程序進(jìn)行三基色分離,通過RGB中三種顏色設(shè)置的參數(shù)值范圍識別顏色。軟件程序流程如圖6所示。
圖6 軟件程序流程
程序高效地安排了程序運(yùn)行時間,有效提高了程序運(yùn)行的速率,編譯的程序能夠快速發(fā)現(xiàn)錯誤并修改,滿足了比賽中遇到比賽任務(wù)改變的情況。小車在賽道上運(yùn)行平穩(wěn),能夠有效執(zhí)行任務(wù)。軟、硬件均經(jīng)過多次測試,保障在運(yùn)行穩(wěn)定,出現(xiàn)問題時內(nèi)部檢測系統(tǒng)能夠及時報錯,便于修改。