白煥鑫，劉文飛，孟 鑫，薛茜藝

（臺州學(xué)院航空工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

隨著中國工業(yè)化進(jìn)程不斷深入，工業(yè)生產(chǎn)中的物料搬運(yùn)工作逐漸趨于自動化、信息化、智能化，在一些高精度、高網(wǎng)絡(luò)化、高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境中，智能物流小車已逐漸取代人工搬運(yùn)。2021年第七屆浙江省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽要求設(shè)計(jì)并制作一臺通過掃描二維碼領(lǐng)取搬運(yùn)任務(wù)，在指定的工業(yè)場景內(nèi)行走與避障，并按任務(wù)要求將物料搬運(yùn)至指定地點(diǎn)并精準(zhǔn)擺放的智能物料搬運(yùn)小車。

1 總體方案設(shè)計(jì)

浙江省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽要求設(shè)計(jì)的智能小車需具有定位、移動、避障、讀取條形碼及二維碼、物料位置和顏色識別、物料抓取與載運(yùn)、上坡和下坡、路徑規(guī)劃等功能。

根據(jù)此要求，對小車各功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主控采用嵌入式方案，其上帶有電機(jī)驅(qū)動電路以及任務(wù)內(nèi)容顯示裝置（OLED）；由于機(jī)械臂夾取部分需要現(xiàn)場制作，因此機(jī)械臂應(yīng)結(jié)構(gòu)簡潔，易于加工。車輪選擇普通海綿內(nèi)膽輪，上料與下料使用五自由度機(jī)械臂，樹莓派搭載攝像頭獲取物料搬運(yùn)順序、物料顏色與形狀信息，姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)小車的全局定位；尋跡模塊實(shí)現(xiàn)自主移動與路徑規(guī)劃，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理?？傮w方案如圖1所示。

圖1 總體方案圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控芯片采用STM32，樹莓派、舵機(jī)控制板、姿態(tài)傳感器與主控之間的數(shù)據(jù)傳輸采用串口通信，由于還需實(shí)現(xiàn)移動、避障、任務(wù)顯示的功能，因此選擇I/O口較多的STM32F103ZET6主控芯片[1]，其具有4路UART串口、112個(gè)快速I/O口、多個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘，且配有512 KB的閃存程序存儲器，可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

小車以12 V航模電池為電源，利用穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定在12 V后并聯(lián)供電，分別作為電機(jī)驅(qū)動、PCB控制板的電源，其中PCB板通過LMS2596模塊將輸入電壓降到5 V后給電路板上的其他模塊供電。穩(wěn)壓器流出的12 V電壓通過降壓器后分別給機(jī)械臂控制板、樹莓派供電，電路原理如圖2所示。

圖2 電源模塊電路原理圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

小車?yán)?個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)移動功能，電機(jī)采用直流減速電機(jī)，電機(jī)型號為MG513P30_12V，外形尺寸73 mm×33 mm，質(zhì)量145 g，輸出軸徑6 mm，D型軸，額定參數(shù)12 V、0.36 A、293 r/min、扭矩1 kg·cm，通過調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而通過輪間差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。電機(jī)驅(qū)動采用大功率隔離電機(jī)驅(qū)動模塊，可頻繁正反轉(zhuǎn)而不燒驅(qū)動，且使用方便，只需要將電機(jī)正負(fù)線連接驅(qū)動，驅(qū)動IN1～I(xiàn)N4分別接STM32F103ZET6的PWM輸出I/O口就可以實(shí)現(xiàn)PWM信號控制。

2.4 尋跡模塊設(shè)計(jì)

小車的尋跡是沿著地圖中的黑線移動，在指定位置根據(jù)特定邏輯判斷實(shí)現(xiàn)停車。本小車尋跡分為2部分：一部分是黑線位于小車中間尋跡，主要利用12路灰度尋跡模塊[2]，其上的LED燈通電后發(fā)光，經(jīng)過地面的反射后光敏電阻根據(jù)光強(qiáng)改變電阻大小，由于地圖的色差不同，調(diào)節(jié)尋跡模塊的靈敏度后可實(shí)現(xiàn)在黑線上返回高電平，深黃色區(qū)域返回低電平，STM32芯片根據(jù)返回的電平改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)尋跡功能；另一部分是2條黑線位于小車兩邊，小車靠近2條黑線的其中1條尋跡，利用2個(gè)一路灰度尋跡模塊檢測小車相對于黑線的位置并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)走中間尋跡功能，能夠解決小車在夾取下層貨架的物料時(shí)機(jī)械臂長度限制的問題。2種尋跡效果如圖3和圖4所示。

圖3 小車巡中間

圖4 小車巡兩邊

2.5 樹莓派模塊設(shè)計(jì)

樹莓派是一個(gè)開放源代碼的硬件平臺，它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，并且只有信用卡大小，功能強(qiáng)大，可以通過開源的Linux系統(tǒng)安裝軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，并且處理數(shù)據(jù)效率高，不易出錯，能夠滿足對圖像識別的要求，因此選擇用它安裝python-opencv并搭載200萬像素?cái)z像頭實(shí)現(xiàn)二維碼的讀取、物料位置和顏色的識別。

2.6 姿態(tài)傳感器模塊設(shè)計(jì)

小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)由于場地摩擦力、電池電壓、重心、輪間距等原因不能每次都精確地轉(zhuǎn)到相同的角度，因此需要額外增加姿態(tài)傳感器模塊，與STM32通過串口通信，采用閉環(huán)控制，在旋轉(zhuǎn)角度與預(yù)定不符的時(shí)候，姿態(tài)傳感器檢測當(dāng)前角度并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過處理后調(diào)整輪間差速，旋轉(zhuǎn)后姿態(tài)傳感器再次檢測角度，反復(fù)多次，最終實(shí)現(xiàn)對小車旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確控制。

2.7 舵機(jī)及舵機(jī)控制板模塊設(shè)計(jì)

物料的抓取和放置需要準(zhǔn)確且快速，因此選擇串行總線舵機(jī)，它與傳統(tǒng)的PWM舵機(jī)相比，舵機(jī)之間通過雙接口進(jìn)行上下串聯(lián)，極大地減少了布線，使得結(jié)構(gòu)更加清晰簡單，而且減少了串口的占用，同時(shí)，總線舵機(jī)具有角度反饋，可以快速讀取舵機(jī)角度，進(jìn)行機(jī)械臂關(guān)節(jié)的位置捕捉。舵機(jī)控制板通過降壓后的7.5 V供電，與STM32串口通信，小車到指定位置后單片機(jī)發(fā)送指令，控制板收到信息后控制舵機(jī)執(zhí)行動作組。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車機(jī)械結(jié)構(gòu)包含2個(gè)部分：小車主體和機(jī)械臂。小車主體由直流電機(jī)驅(qū)動的海綿內(nèi)膽輪、各種模塊以及底板組成，車載布局空間高效利用，使小車整體空間利用率最大化。底板采用亞克力板，亞克力板質(zhì)量小、加工方便，并且成本不高。

機(jī)械臂由舵機(jī)和機(jī)械爪組成。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)使用鋁制材料制作，可以最大程度地減輕整車質(zhì)量，并且將機(jī)械臂設(shè)計(jì)[3]為折疊形式，節(jié)省空間。使用5個(gè)大功率總線舵機(jī)驅(qū)動機(jī)械臂的每一個(gè)關(guān)節(jié)，使機(jī)械臂具有5個(gè)自由度，夾取物料靈活快捷，控制精度高而且比較穩(wěn)定；機(jī)械爪采用籠式抓手，使用亞克力板制作，內(nèi)部夾持面設(shè)計(jì)為深溝狀且?guī)в蟹阑瑮l紋，2個(gè)亞克力板之間以銅柱連接，在夾取時(shí)能夠更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確；物料倉使用斜坡式，物料只需放到一定范圍內(nèi)即可在重力作用下滑到指定位置，提高容錯率，并且在后方間隔一定距離固定2根銅柱卡住物料，防止物料掉落。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用SOLIDWORKS進(jìn)行整體仿真以及有限元與力學(xué)分析，確保在實(shí)際情況下能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)競賽要求，主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2 電機(jī)控制單元

采用STM32的TIM3定時(shí)器的2個(gè)通道輸出PWM方波，通過電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，控制電機(jī)的PWM頻率需要在6～16 kHz之間。高頻率驅(qū)動電機(jī)的振動比較大、開關(guān)損耗比較大、電磁噪聲較明顯，且電機(jī)參數(shù)本身也不推薦太高的載頻，所以采用了10 kHz的頻率，確保電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。PWM輸出可以實(shí)現(xiàn)基本的電機(jī)控制，但是隨著供電電壓和負(fù)載的變化，電機(jī)的速度會發(fā)生變化。為了保證電機(jī)的速度達(dá)到理想的效果，采用了霍爾編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測。根據(jù)編碼器正反轉(zhuǎn)輸出信號的相位差，通過STM32芯片對其進(jìn)行正交解碼，獲取電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，存入CNT寄存器之中。任何時(shí)候CNT寄存器的值就是編碼器的位置信息，正轉(zhuǎn)累加，反轉(zhuǎn)遞減，不需要軟件干預(yù)。

為了控制電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)用了增量式PID控制算法[4]。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時(shí)，可以使用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。其公式也是由位置式PID推導(dǎo)出來。增量式PID控制算法與位置式PID算法公式相比，計(jì)算量小的多，計(jì)算公式如下所示：

其中：

經(jīng)過上述方案調(diào)節(jié)，精度雖然足夠高，但出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，不能達(dá)到理想的加速效果，速度超調(diào)會使得小車的整體運(yùn)行不平穩(wěn)，在加速的時(shí)候由于加速度過快，會發(fā)生前輪上翹，在剎車時(shí)會出現(xiàn)后輪上翹。嘗試了去整定PID的參數(shù)，如果把Kp調(diào)小，可以解決加減速過快的問題，但是響應(yīng)速度受到了嚴(yán)重的影響。在保持Kp不變的情況下增大Kd值去抑制電機(jī)過調(diào)量。這樣能達(dá)到一定的平緩速度，但是在速度變化量較大的時(shí)候小車的運(yùn)行依舊不平穩(wěn)。因此，采取對每次增量進(jìn)行限幅的措施，當(dāng)速度差很大的時(shí)候限制了單位時(shí)間內(nèi)的增量，這樣就能保證平穩(wěn)加速減速控制。具體程序如下。

if(abs(Target2-pid_speed_2_last)>30)

{

if(Target2>Encoder2)

pid_speed_2=pid_speed_2_last+Car_Max_Chang e_Speed;

else

pid_speed_2=pid_speed_2_last-Car_Max_Change_Speed;

}

小車限幅后的速度控制曲線如圖6所示。

圖6 小車限幅后的速度控制曲線

4.3 二維碼識別單元

使用樹莓派4b+opencv+200萬像素?cái)z像頭，二維碼的識別通過pyzbar包實(shí)現(xiàn)，攝像頭處于時(shí)刻開啟狀態(tài)，對準(zhǔn)二維碼，單片機(jī)發(fā)送指令，讀取當(dāng)前幀轉(zhuǎn)為灰度圖像后提取條形碼的邊界框的位置，使用pyzbar內(nèi)置函數(shù)讀取二維碼內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為字符串后發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)通過串口中斷，如果接收到內(nèi)容，判斷是否為二維碼內(nèi)容，若是，則讓任務(wù)顯示裝置逐位顯示。

4.4 顏色識別單元

使用樹莓派4b+opencv+200萬像素?cái)z像頭，單片機(jī)發(fā)送指令后先將目標(biāo)對象圖片的特征數(shù)據(jù)提取出來，將圖像進(jìn)行色彩模型轉(zhuǎn)換，由RGB模型變?yōu)镠SV模型。HSV表色系由色度（Hue）、飽和度（Saturation）、亮度（Value）3個(gè)分量構(gòu)成。提前設(shè)置物料顏色的HSV范圍，對轉(zhuǎn)換后的HSV圖像中的顏色進(jìn)行檢測，用白色像素將其標(biāo)記出來，其余背景標(biāo)記為黑色像素，生成二值圖像。對顏色篩選后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理[5]。二值圖像的形態(tài)學(xué)運(yùn)算主要包括腐蝕、膨脹、開操作、閉操作，用來提取圖像目標(biāo)分量。最后使用opencv內(nèi)置函數(shù)inrange（），并將在指定范圍內(nèi)的顏色框選出來，判斷輪廓的面積，如果面積大于0則說明檢測到指定顏色并標(biāo)號，并且攝像頭可以一次識別3種顏色，3種顏色全部檢測完成后通過串口返回給單片機(jī)進(jìn)行處理。

4.5 任務(wù)顯示單元

任務(wù)碼的顯示采用0.96 in（1 in≈2.54 cm）7引腳OLED屏幕，為使字符高度達(dá)到規(guī)則要求的8 mm，通過PCtoLCD2002軟件對字符取模，取模設(shè)置為陰碼，列行式，逆向，十六進(jìn)制數(shù)，最后得到32×160像素的字模。成功識別二維碼后，樹莓派通過串口傳回一組如“312”的字符串，通過單個(gè)數(shù)字所在位置決定在OLED上顯示的位置，核心程序如下所示。

if(a==49)

LCD_P32x160Str(0，0，"1");

else if(a==50)

LCD_P32x160Str(0，0，"2");

elseif(a==51)

LCD_P32x160Str(0，0，"3");

4.6 尋跡單元

走直線：走直線使用的是12路灰度尋跡模塊，使用定時(shí)器7中斷函數(shù)，每隔5 mm實(shí)時(shí)檢測模塊當(dāng)前相對黑線的位置并以高低電平的形式反饋給STM32，同時(shí)在尋跡的程序中加入PID閉環(huán)控制，使小車在偏離直線時(shí)能夠準(zhǔn)確且迅速地返回預(yù)定軌跡。檢測12路灰度當(dāng)前位置并返回差值部分程序、尋跡位置式PID控制程序如下所示。

檢測12路灰度程序：

u16 P0=PO_get();

if(P0==0x0600)

{val=0;}

elseif(P0==0xC000)

{val=-110;}

elseif(P0==0x4000)

{val=-102;}

else if(P0==0x4000)

{val=-99;}

PID控制：

void car_fwd_encode(int car_spd)

{

error_last=error;

error=val;

if(val<=100)

{adjust=val*KP/100+(error-error_last)*KD+(error+error_l ast)*KI;

car_run_open(car_spd+adjust-wz ，car_spd-adjust+wz);

}

}

走中間：走中間是通過檢測安裝在小車四角的由2個(gè)一路灰度傳感器組成的兩路灰度的位置，當(dāng)檢測到小車邊緣超過黑線時(shí)，給小車的左右輪子一定偏差，使其實(shí)現(xiàn)貼邊走，部分程序如下所示。

u16 P2=P2_get();

if(P2_get()==0x0000) //0000

{

car_run_go(speed_left，speed_right);

}

else if(P2_get()==0x1000)

{

car_run_go(27，60);

}

elseif(P2_get()==0x3000)

{

car_run_go(27，70);

delay_ms(50);

}

5 小車實(shí)物

小車實(shí)物如圖7所示。

圖7 小車實(shí)物

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并制作了一輛智能物流小車，包含實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動、尋跡模塊、樹莓派的二維碼識別與顏色識別、姿態(tài)傳感器、舵機(jī)控制等功能的軟硬件設(shè)計(jì)，小車的電機(jī)控制以及尋跡功能都加入了PI閉環(huán)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的移動控制，能夠精準(zhǔn)、快速地完成物料搬運(yùn)任務(wù)，降低工人風(fēng)險(xiǎn)，減少企業(yè)人力成本。