金愛國(guó) ，金貴陽 ，孫千里 ，胡燕海

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備研究所，浙江 寧波 315800；2.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

近年來，智能小車的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，涉及生活的方方面面，包括無人駕駛、物料搬運(yùn)、自動(dòng)分揀等，大大提高了工作效率與用戶體驗(yàn)感[1-3]。而如何控制智能小車沿著預(yù)定的軌跡穩(wěn)定快速運(yùn)行則是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在[4-6]。

課題組基于全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽Robotac比賽中的障礙挑戰(zhàn)賽項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于PID算法的自動(dòng)循跡布障小車。該小車基于模塊化設(shè)計(jì)理念，以STM32F429IGT6為主控核心，通過CAN總線分別對(duì)直流電機(jī)、灰度傳感器、電磁閥等進(jìn)行控制，使小車沿著循跡條快速運(yùn)行，且在預(yù)設(shè)的位置完成布障任務(wù)[7-8]。

1 小車整體方案設(shè)計(jì)

為提高自動(dòng)小車運(yùn)行的靈活性，車輪選用麥克納姆輪，以輕易地完成多個(gè)角度的移動(dòng)[9]。通過直流電機(jī)對(duì)麥克納姆輪進(jìn)行控制，每個(gè)電機(jī)設(shè)有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。通過改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以實(shí)現(xiàn)前后左右，左前左后，右前右后等旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。在自動(dòng)車底盤四周的邊緣處依次安裝四個(gè)8路灰度傳感器模塊，用于不同方向的循線。小車還搭載了兩個(gè)電磁閥依次控制兩個(gè)氣缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)布障功能。為了防止車輛跑偏，在主控板上外接JY61陀螺儀模塊，實(shí)時(shí)糾正車輛的方向[10]。各功能模塊并聯(lián)在CAN總線上，與主控板上的微控制器進(jìn)行通信，大大提高了自動(dòng)小車的實(shí)時(shí)性。自動(dòng)小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

如上圖所示，將11.1 V鋰電池接到電源板上，通過電源板引電至各個(gè)模塊，分別給主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、灰度傳感器模塊同時(shí)供電。主控板通過CAN總線和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、灰度傳感器模塊、JY61陀螺儀進(jìn)行通信，傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。

2 各功能模塊設(shè)計(jì)

為提高布障效率和運(yùn)行可靠性，該循跡小車硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，包含電源板、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、灰度傳感器模塊。主控板主要包含微控制器芯片STM32F429IGT6、電源轉(zhuǎn)化模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CAN收發(fā)模塊、按鍵模塊、指示燈模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包含微控制器芯片STM32F103C8T6、指示燈模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、CAN收發(fā)模塊等。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊包含微控制器芯片STM32F103C8T6、電壓轉(zhuǎn)換模塊、氣缸控制模塊、CAN通信模塊、指示燈模塊?；叶葌鞲衅髂K包含微控制器芯片STM32F103C8T6、電源穩(wěn)壓部分、8路循跡光敏模塊、獨(dú)立按鍵、CAN通信模塊、指示燈模塊。電源板外接11.1 V-2 600 mAh鋰電池，設(shè)計(jì)多路接口，分別給主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、電磁閥驅(qū)動(dòng)板供電。電源板單獨(dú)設(shè)計(jì)的目的如下：1）減少其主控板的發(fā)熱量，降低故障率，延長(zhǎng)板子使用壽命；2）方便為后續(xù)新增加的功能模塊提供電源接口。

2.1 主控板設(shè)計(jì)

主控板設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。電源轉(zhuǎn)換模塊將11.1 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V的電壓，給各部分供電。OLED用于顯示自動(dòng)小車運(yùn)行狀態(tài)。獨(dú)立按鍵一共有五個(gè)，KEY1按鍵按下時(shí)，開始校驗(yàn)自動(dòng)小車正前方灰度傳感器模塊，校驗(yàn)完畢時(shí)按下KEY5按鍵。類似地，分別按下KEY2、KEY3、KEY4按鍵，依次校驗(yàn)自動(dòng)小車左側(cè)、后方、右側(cè)灰度傳感器模塊，校驗(yàn)完畢時(shí)按下KEY5按鍵。灰度傳感器模塊校驗(yàn)值通過SPI總線保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器W25Q64中。通過觀察指示燈的閃爍情況判斷程序是否正常運(yùn)行。微控制器1通過串口1讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)修正小車的姿態(tài)。微控制器1通過CAN總線與各功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 主控板設(shè)計(jì)框圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器2，微控制器2通過調(diào)節(jié)PWM占空比的方式，經(jīng)過VNH5019芯片放大工作電流，控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。獨(dú)立按鍵模塊只有一個(gè)按鍵KEY6，按下KEY6按鍵可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)板的ID號(hào)。如果是右前方的電機(jī)，則需將ID號(hào)設(shè)為1，ID號(hào)沿著逆時(shí)針方向遞增。通過觀察指示燈閃爍次數(shù)可以確定驅(qū)動(dòng)板的ID號(hào)，通過觀察指示燈的閃爍情況可以判斷程序是否正常運(yùn)行。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)框圖

2.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3通過輸出高低電平控制電磁閥的正向或者反向?qū)?，從而控制氣缸的收縮。電磁閥1正向?qū)?，氣?伸出，反向?qū)?，氣?縮回；電磁閥2正向?qū)?，氣?伸出，反向?qū)?，氣?縮回。通過觀察指示燈的閃爍情況判斷電磁閥驅(qū)動(dòng)板程序是否正常運(yùn)行。

圖4 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)框圖

2.4 灰度傳感器模塊設(shè)計(jì)

灰度傳感器模塊設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。微控制器4將采集到的循跡光敏模塊的信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給微控制器1，判斷小車是否循著白線運(yùn)動(dòng)。如有偏差，微控制器1則發(fā)送控制命令給微控制器2，通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向來修正小車位置。

圖5 灰度傳感器模塊設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

智能小車運(yùn)行場(chǎng)地圖如圖6所示。自動(dòng)小車可以在不同背景色的地面沿著白線行走，為了提高循線的穩(wěn)定性，在首次運(yùn)行之前需要校驗(yàn)灰度傳感器模塊的靈敏度。具體校驗(yàn)方法如下：以循3 cm白線為例，將小車四個(gè)方向上的灰度傳感器模塊依次放到垂直于白線方向上，按下對(duì)應(yīng)的獨(dú)立按鍵，開始校驗(yàn)，來回移動(dòng)小車，通過觀察主控板上液晶顯示的UI界面的變化即可完成校驗(yàn)。校驗(yàn)完成之后即可開始循線。運(yùn)行前，小車停放在啟動(dòng)區(qū)，觸發(fā)啟動(dòng)按鍵之后，沿著左前方向運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，循到白線之后沿著AB方向快速運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，此時(shí)主控板微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給電磁閥驅(qū)動(dòng)板上的微控制器3，微控制器3接收到命令之后使電磁閥1正向?qū)ǎ瑢飧?推出，從而完成B點(diǎn)的布障，隨后控制 電磁閥1反向?qū)?，將氣?縮回。之后沿著BC方向運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，微控制器1發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3收到命令后使電磁閥2正向?qū)?，將氣?推出，從而完成C點(diǎn)的布障，隨后控制電磁閥2反向?qū)?，將氣?縮回。之后沿著CD方向運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，微控制器1發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3收到命令之后使電磁閥2正向?qū)?，將氣?推出，從而完成D點(diǎn)的布障，隨后控制電磁閥2反向?qū)ǎ瑢飧?縮回。之后小車沿著DA方向回到A點(diǎn)，停止運(yùn)動(dòng)。也可以通過修改程序讓小車循環(huán)往復(fù)地沿著ABCD方向行走。經(jīng)性能測(cè)試，小車布置完所有障礙物只需要10.5 s，且任務(wù)完成度為100%。

圖6 智能小車運(yùn)行場(chǎng)地圖

4 總結(jié)

課題組設(shè)計(jì)了一款基于STM32的自動(dòng)循跡布障小車。在硬件電路設(shè)計(jì)方面，將電源板和主控板單獨(dú)設(shè)計(jì)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）減少主控板的發(fā)熱量，延長(zhǎng)板子使用壽命，降低故障率；2）方便后續(xù)為新增加的功能模塊提供電源接口。同時(shí)，為了提高小車與各模塊之間通信的實(shí)時(shí)性，主控模塊與各模塊之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)測(cè)試，該智能小車具備快速自動(dòng)循白線、推桿布障等功能，通過反復(fù)調(diào)試及算法優(yōu)化，能夠保障小車在10.5 s時(shí)穩(wěn)定地完成所有任務(wù)。