智能物流車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳越超 程志偉

摘 ? 要：為解決物流在上下貨過程中消耗的大量勞動(dòng)力和時(shí)間。本文結(jié)合傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能物流小車，小車由主控模塊、電源模塊、機(jī)械手控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡模塊、條形碼識(shí)別模塊、藍(lán)牙模塊、語音播報(bào)模塊等組成，使小車能按照預(yù)定軌跡行駛，能正確識(shí)別路徑和避障，能夠智能識(shí)別和搬運(yùn)貨物。工作人員可以通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)任務(wù)下發(fā)和工作狀態(tài)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化 ?條形碼識(shí)別 ?物流車 ?語音播報(bào)

中圖分類號(hào)：U495 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0160-02

目前，隨著“一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國(guó)制造2025”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，整個(gè)工業(yè)的物料搬運(yùn)工作都在向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，在生產(chǎn)制造過程中，智能物流車起到物料流動(dòng)的作用，通過上貨、搬運(yùn)和卸貨將工業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起。因?yàn)橹悄芪锪鬈嚤旧砭哂休^高的自動(dòng)化、智能化、安全性和靈活性，成就了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化。物流車的引入可以減低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

1 ?智能物流小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以三輪小車為載體，前輪為一個(gè)萬向輪，后輪為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，安裝12V直流減速電機(jī)，控制系統(tǒng)以Arduino Mega2560為主控板，系統(tǒng)利用手機(jī)下發(fā)搬運(yùn)貨物編號(hào)，控制器通過藍(lán)牙串口模塊接收命令，小車通過兩個(gè)尋跡模塊自動(dòng)沿黑色軌跡線選擇正確的行進(jìn)路徑，并通過第三個(gè)尋跡模塊判斷小車位置，到達(dá)上貨區(qū)后，通過條形碼識(shí)別模塊掃描貨物上條形碼，選擇正確貨物，利用機(jī)械手進(jìn)行抓取。之后通過減速帶等障礙，到達(dá)卸貨區(qū)。全程通過語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)位置信息及工作狀態(tài)，OLED同步顯示物品信息和語音播報(bào)的內(nèi)容。智能物流小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖，如圖1所示。

2 ?智能物流小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主控模塊選擇Arduino主控板，由于藍(lán)牙串口、條形碼識(shí)別模塊、舵機(jī)控制器和語音模塊都需要串口通信，所以選擇Arduino Mega2560，它具有4路UART，16路模擬輸入端口，54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中，15路可作為PWM輸出端口），另外，還具有256K Flash，8K SRAM和4K EEPROM，可以滿足本設(shè)計(jì)的全部需求。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇11.1V鋰電池供電，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要通過LM2596模塊和AMS1117-5模塊將電壓分別降到7V和5V，其中，11.1V電壓為直流電機(jī)供電，7V電壓為Arduino板和舵機(jī)控制模塊供電，5V為其他各模塊供電。

2.3 機(jī)械手控制模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械手采用五自由度串聯(lián)機(jī)械手，五個(gè)自由度采用舵機(jī)控制，舵機(jī)選用Power HD 1501MG 舵機(jī)，它的最大扭力17kg/cm，反應(yīng)速度0.14s。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)采用SmartRobot 16路舵機(jī)控制器，該控制器具有一個(gè)8位AVR單片機(jī)ATmega168，舵機(jī)控制程序已經(jīng)嵌入到控制器中，主控模塊只需通過串口向控制器發(fā)送控制指令即可完成機(jī)械手的控制。機(jī)械手的5個(gè)自由度分別由控制器的0-4號(hào)引腳控制，每個(gè)舵機(jī)的占空比為500～2500。0號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械手開合，舵機(jī)占空比增加——機(jī)械手張開，舵機(jī)占空比減少——機(jī)械手閉合;1號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)占空比增加——機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)占空比減少——機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn);2號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械手抬頭，舵機(jī)占空比增加——機(jī)械手低頭，舵機(jī)占空比減少——機(jī)械手抬頭;3號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械手前后，舵機(jī)占空比增加——機(jī)械手向后，舵機(jī)占空比減少——機(jī)械手向前;4號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械手水平旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)占空比增加——機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)占空比減少——機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

小車采用雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，兩個(gè)電機(jī)安裝在小車后部，通過控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制小車前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)彎方向等，電機(jī)選用12V直流減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N是一種雙H橋高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最高工作電壓可達(dá)46V，最大持續(xù)工作電流為2A。OUT1和OUT2控制左電機(jī)，OUT3和OUT4控制右電機(jī)，使能端ENA和ENB接到5V，兩個(gè)電機(jī)始終處于使能狀態(tài)，Arduino Mega2560 的42-45數(shù)字端口分別接到IN1-IN4引腳，IN1和IN2控制左電機(jī)，IN3和IN4控制右電機(jī)，主控模塊通過輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.5 尋跡模塊設(shè)計(jì)

小車路徑是沿著地面的黑色軌跡線運(yùn)行，到達(dá)指定位置會(huì)有黑色的引導(dǎo)線進(jìn)行指示，小車的尋跡和位置識(shí)別功能通過三個(gè)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)尋跡功能，一個(gè)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)位置識(shí)別功能。紅外對(duì)管的發(fā)射二極管發(fā)射出紅外線，經(jīng)地面反射后被接收管接收。當(dāng)發(fā)射管紅外線照射到白色地面時(shí)，紅外光大部分被反射，接收管的集電極與發(fā)射極之間的電阻較大，輸出電壓較高，經(jīng)比較后輸出為高電平。當(dāng)發(fā)射管紅外線照射到黑色軌跡線或引導(dǎo)線時(shí)，紅外光大部分被吸收，反射光減弱，接收管的集電極與發(fā)射極之間的電阻減小，輸出電壓較小，經(jīng)比較后輸出為低電平。

2.6 條形碼識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

條形碼識(shí)別模塊是物流車可以正確根據(jù)用戶發(fā)送的指令，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)貨物的關(guān)鍵所在，為了加快物流車運(yùn)行的速度，要求該模塊必須具備快速且準(zhǔn)確的識(shí)別目標(biāo)條形碼信息。因此本文設(shè)計(jì)選用了MJ-2060嵌入式掃描模組，且該模塊的體積小巧、識(shí)別距離遠(yuǎn)，在完全不會(huì)對(duì)物流車造型造成太大的影響外還可以加快識(shí)別的速度，提高物流車的整體效率，因此該模塊符合本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2.7 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊選用HC-05主從一體藍(lán)牙模塊，用來接收手機(jī)發(fā)出的需要抓取貨物編號(hào)，并向手機(jī)發(fā)送小車工作狀態(tài)信息。

2.8 語音播報(bào)模塊設(shè)計(jì)

物流車全程是自動(dòng)判定運(yùn)行的，這個(gè)時(shí)候我們就需要一個(gè)模塊來報(bào)告小車的運(yùn)行狀態(tài)，包括物流車工作位置及工作狀態(tài)等。本文設(shè)計(jì)選用了SYN6288中文語音合成模塊，它可以根據(jù)編程中的文字來進(jìn)行語音合成且內(nèi)部集成大量提示音，這方便了物流車的個(gè)性化，制作不一樣的提示音;其次它具有休眠模式，功耗低，極大地減少了對(duì)物流車本身電池的消耗。

3 ?智能物流小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖2所示。

3.2 尋跡程序設(shè)計(jì)

尋跡程序是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本部分。我們把兩個(gè)尋跡模塊放置在小車前萬向輪兩側(cè)，通過尋跡模塊把信號(hào)傳給單片機(jī)并做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，實(shí)測(cè)表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺，但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿軌跡線行駛。

4 ?結(jié)語

本文簡(jiǎn)述了智能物流車的總體設(shè)計(jì)方案，主要研究了物流車控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括主控模塊、機(jī)械手控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、條形碼掃描模塊、語音播報(bào)模塊和藍(lán)牙模塊等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，智能物流車結(jié)構(gòu)合理，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，可以有效完成貨物識(shí)別和搬運(yùn)工作，減低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

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