智能物流小車底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡振圓，王路平，付 睿

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

目前網(wǎng)上購(gòu)物發(fā)展迅速，導(dǎo)致物流行業(yè)急劇發(fā)展，但傳統(tǒng)的分揀模式已不能滿足物流行業(yè)的需求，整個(gè)物流行業(yè)也逐漸向智能化、自動(dòng)化發(fā)展，此時(shí)智能物流機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生。本文提出一種用來(lái)配合物品運(yùn)輸?shù)难E式全向底盤系統(tǒng)，并對(duì)其機(jī)械設(shè)計(jì)方案、硬件電路設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)程序算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)方案

1.1 車身框架設(shè)計(jì)

車身框架作為底盤上最重要的部件，起著連接行走機(jī)構(gòu)，安裝其他硬件，承載所有重量的重要作用，合理地安排各個(gè)硬件在車體上的位置，不僅可以使得整個(gè)系統(tǒng)看起來(lái)簡(jiǎn)潔，而且有效的布局還可以控制車體的重心位置，減少在系統(tǒng)工作過(guò)程中因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)錯(cuò)誤帶來(lái)的干擾。

為了保證底盤的離地間隙較小和整個(gè)系統(tǒng)的重心較低，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，將車身框架的投影面設(shè)計(jì)為一個(gè)正方形并且采取了上下雙層板的結(jié)構(gòu)。而對(duì)于上下兩板的連接，將減速電機(jī)支架作為連接件，形成了一個(gè)堅(jiān)固的盒式結(jié)構(gòu)，既可以保證4個(gè)麥克納姆輪全部接觸地面，同時(shí)也不會(huì)因承載力過(guò)大而發(fā)生嚴(yán)重的形變。上下兩板規(guī)格和材質(zhì)均采用3 mm環(huán)氧板，雕刻機(jī)加工。車身框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車身框架結(jié)構(gòu)

1.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

物流小車需要實(shí)現(xiàn)在作業(yè)區(qū)域的全向移動(dòng)，針對(duì)該問(wèn)題，采取的解決方案為麥克納姆輪全向移動(dòng)方案。

基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。因此在此基礎(chǔ)上，智能物流小車平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)運(yùn)空間有限、作業(yè)通道狹窄的環(huán)境中運(yùn)作，不但可以提升工作效率，而且在降低人力成本方面具有明顯的效果。

2 硬件電路設(shè)計(jì)方案

智能物流小車底盤硬件電路主要分為信息采集定位單元、信息處理單元、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元、矯正單元4個(gè)部分，采用11.1 V直流電源為全部單元進(jìn)行供電。底盤系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 底盤系統(tǒng)的硬件電器結(jié)構(gòu)

2.1 信息采集定位單元

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，物流小車要對(duì)位于地面上的黑色線條進(jìn)行識(shí)別并沿黑線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為了保證識(shí)別的準(zhǔn)確性和降低容錯(cuò)率，我們采用了4組7路數(shù)字量循跡傳感器，并結(jié)合數(shù)據(jù)混合算法和濾波算法，將其識(shí)別率大大提高。安裝位置以及實(shí)物如圖3所示。

圖3 安裝位置及實(shí)物

智能物流小車的循跡使用了7路數(shù)字量循跡傳感器檢測(cè)黑線。車身前后左右各布置一套傳感器。當(dāng)物流車向各個(gè)方向平移時(shí)，各個(gè)方向的傳感器起到輔助行進(jìn)作用，而與其行進(jìn)方向垂直的灰度傳感器負(fù)責(zé)對(duì)行進(jìn)的格數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。從出發(fā)點(diǎn)開始，物流小車會(huì)根據(jù)程序規(guī)定的方向和格數(shù)，按照預(yù)定的路徑行進(jìn)，從而到達(dá)各個(gè)指定位置。

2.2 信息處理單元

如何對(duì)采集到的全部信息進(jìn)行高效快速地處理，該物流小車底盤系統(tǒng)采用了STM32F103rct6單片機(jī)。該型單片機(jī)擁有較高的性能，主流的Cortex內(nèi)核，并且可支持豐富的外設(shè)，功耗較低，性價(jià)比較高，除此之外還擁有強(qiáng)大的軟件支持。

2.3 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元

底盤的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元采用了大疆公司的RM C610無(wú)刷電機(jī)調(diào)速器和RM M2006 P36直流無(wú)刷減速電機(jī)以及RM電調(diào)中心板2。

11.1 V直流電源接在電調(diào)中心板上，在4個(gè)接線端子上安裝電調(diào)電源線和信號(hào)線，再將直流電機(jī)接線端子與電調(diào)另一端相連，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元組成完畢。而運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與STM32單片機(jī)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。

2.4 矯正單元

在底盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，行進(jìn)方向在受到外界擾動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)生一定程度上的偏移量，此時(shí)就需要系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行矯正。為此，該底盤系統(tǒng)采用了高精度航向角陀螺儀HWT101DT實(shí)時(shí)對(duì)底盤狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和矯正。

2.4.1 PID角度控制

車身角度在運(yùn)動(dòng)和搬運(yùn)物料過(guò)程中，因輪子摩擦力不足，重心偏移等外界擾動(dòng)，車身角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在PID角度控制下能夠自動(dòng)恢復(fù)到初始車身角度，保證車身角度一直穩(wěn)定在初始角度即目標(biāo)角度。而整個(gè)平衡回路必須同時(shí)具備良好的沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)性能，即要求對(duì)沖擊信號(hào)和階躍信號(hào)有響應(yīng)的快速性、平滑性和穩(wěn)定性。換言之，要求系統(tǒng)上升時(shí)間短、無(wú)震蕩、穩(wěn)態(tài)誤差為零。

全程中以實(shí)時(shí)檢測(cè)的車身角度為輸入量，車身初始角度為目標(biāo)值，每次對(duì)角度的誤差進(jìn)行積分，對(duì)角度進(jìn)行微分，最后通過(guò)Kp將輸出量轉(zhuǎn)化成合適的速度差，將該速度差加上基本速度為實(shí)際速度，達(dá)到物流車運(yùn)行全程時(shí)刻矯正自身角度的目的。公式如下：

2.4.2 PID速度控制

Robomaster的電機(jī)帶有霍爾傳感器，可以反饋轉(zhuǎn)速以及位置信息，因此可以通過(guò)閉環(huán)方式進(jìn)行控制。期望即電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，反饋即我們通過(guò)霍爾傳感器獲得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，將其做差得到誤差，然后送入控制器中。控制器根據(jù)內(nèi)部的算法得到結(jié)果，使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速恰好等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由于誤差和控制器輸出都是時(shí)變的，我們分別假設(shè)其為err（t）和U（t），這樣我們就可以引出連續(xù)型PID的公式：

P控制器：出現(xiàn)超調(diào)和靜態(tài)誤差。如圖4所示。

圖4 P控制器

PI控制器：消除靜態(tài)誤差，但超調(diào)依然存在，消除靜差時(shí)間延長(zhǎng)。如圖5所示。

圖5 PI控制器

PID控制器：超調(diào)量大大減小，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間加快。如圖6所示。

圖6 PID控制器

3 現(xiàn)有定位方式改進(jìn)方案

目前物流車循跡方式采用的是7路數(shù)字模擬灰度傳感器，但此方案適用于速度較小的情況下，速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致每次停車點(diǎn)位置偏移過(guò)大，而物流搬運(yùn)對(duì)小車的運(yùn)行速度和定位準(zhǔn)確度有著很高的要求，下步改進(jìn)方案通過(guò)光流定位實(shí)現(xiàn)物流車的高速運(yùn)行和定位精準(zhǔn)。

光流是通過(guò)檢測(cè)圖像中光點(diǎn)和暗點(diǎn)的移動(dòng)，來(lái)判斷圖像中像素點(diǎn)相對(duì)于物流車的移動(dòng)速度。光流傳感器能對(duì)視覺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并輸出二維測(cè)量值，在得到光流X、Y軸方向的速度之后，通過(guò)積分便可以得到位置數(shù)據(jù)。最終使用的數(shù)據(jù)為加速度計(jì)數(shù)據(jù)與光流數(shù)據(jù)融合，以便于實(shí)現(xiàn)更好的效果。光流傳感器的運(yùn)用可得到場(chǎng)地所有點(diǎn)的坐標(biāo)，引入PID算法，令目標(biāo)坐標(biāo)為期望，實(shí)現(xiàn)物流車的準(zhǔn)確定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目是基于STM32單片機(jī)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程的一款循跡式全向移動(dòng)底盤。本文根據(jù)智能物流小車的使用要求，對(duì)物流小車的底盤進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)。整個(gè)底盤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在接收任務(wù)之后，自主地進(jìn)行循跡，定點(diǎn)停車等工作，并在實(shí)施任務(wù)過(guò)程中，矯正單元實(shí)時(shí)對(duì)誤差進(jìn)行監(jiān)控并矯正，確保了任務(wù)完成的準(zhǔn)確度，為學(xué)習(xí)自動(dòng)化控制、人工智能以及機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的人群提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但整個(gè)系統(tǒng)的定位方式還有改進(jìn)空間，在升級(jí)硬件和改進(jìn)算法之后，定位精度會(huì)大大提高。