智能避障物料小車的設計及應用

馬炳周

摘 要：為實現搬運物料的自動化，本文以Arduino為控制核心設計了一個避障物料搬運小車，小車根據傳感器檢測周圍環境，在直流電機和舵機的配合下，實現小車從啟動到循跡避障，按規定的且標記為黑色的路線行駛;通過藍牙模塊將攝像頭拍攝到的圖像傳輸到手機APP端，由APP完成二維碼掃描和顏色識別并傳輸回小車，從而獲取物料搬運信息;控制機械臂將特定顏色的物料按照指定順序搬運至指定的目的地，并返回出發地待命。

關鍵詞：智能避障;物料搬運;顏色識別;Arduino

隨著計算機技術、智能技術等科學技術的進步，智能設備不斷涌現，極大地提高了勞動生產效率，解放了更多勞動力，降低生產成本。除了制造領域，在軍事、餐飲、膠卷膠片、礦山、食品、醫藥等領域都具有非常廣闊的應用場景，因此，避障物料搬運小車的設計是具有一定的現實意義的。

1 硬件設計

Arduino開發板為嵌入式應用控制系統提供靈活、有效的解決方案，能夠通過傳感器來檢測感知周圍環境，并通過控制燈光、電機及其他硬件裝置來反饋、影響周圍的環境，因此，采用Arduino開發板作為控制單元。經過分析，該物料搬運小車主要包含上位機手機APP和以下8個硬件模塊。

1.1 主控單元

主控單元由Basra主控板和Bigfish擴展板組成的。主控板以AVRATmega328為處理器，具有14路I/O端口，鋰電池供電，支持紅外、灰度、超聲波等多種傳感器，可與無線、藍牙、OLED等擴展模塊直插連接，與擴展板一起，可以最多支持2個直流電機，10個舵機，10個傳感器。

1.2 循跡避障模塊

循跡避障模塊主要是由超聲波傳感器模塊和光電傳感器兩部分組成，通過擴展板的外圍接口與控制單元。超聲波傳感器利用超聲波信號來探測障礙物，障礙物將發射的聲波部分地反射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到障礙物，最終轉換為數字信號傳遞給控制核心。[3]將小車的行駛軌道設置為黑色，黑標紅外光電傳感器作為小車的循跡傳感模塊，使小車沿著黑色的行駛軌跡前進。

1.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊包含兩個直流電機和一個伺服電機，電機通過擴展板的外圍借口與控制單元。小車地盤裝有一個伺服電機，用來控制小車的轉向，通過編程可以控制伺服電機的轉向角度;小車有四個福來輪作為車輪，兩個直流電機驅動小車水平方向和垂直方向前進，通過編程可以控制小車前進還是后退，以及小車的行駛速度。

1.4 掃碼模塊

掃碼模塊主要由攝像頭和上位機手機APP端組成。當小車停在二維碼區域后，攝像頭拍攝二維碼圖像，并將圖像經藍牙模塊傳輸到APP;APP將二維碼識別結果經藍牙發送給主控單元。

1.5 顏色識別模塊

顏色識別模塊和掃碼模塊的組成相同。當小車行駛到物料區域后，攝像頭拍攝待檢測的物料圖像，并將圖像經藍牙模塊傳輸到APP;APP將顏色識別結果經藍牙傳送到主控單元。

1.6 機械臂模塊

為了實現物料的抓取，機械臂設計成三自由度的機械臂，能夠按照固定程序抓取、搬運物件。機械臂的運動由XY兩個相互垂直方向的直線運動與一個擺動運動組合而成，主要由三個舵機完成，底部舵機、中間舵機和機械爪舵機分別連接到開發板的舵機口。

1.7 藍牙模塊

采用HC-06藍牙串口通信模塊實現藍牙通過。尺寸小可以方便地嵌入到各類應用上，自帶的LED指示燈有助于判斷藍牙狀態。用戶還可以根據實際需要靈活地對主、從工作模式、串口波特率及設備名稱等參數進行設置。

1.8 顯示模塊

顯示模塊主要是由一個OLED顯示組成。OLED顯示屏是一款無需背光源、自發光的顯示模塊，為了節省顯示模塊與控制器的連接線數量，通過Bigfish擴展板的I2C接口與控制單元連接，用來顯示顏色識別結果，以及二維碼的掃描結果。

2 軟件設計

硬件系統設計完成后，最重要的工作就是軟件程序的設計。只有軟硬件相互結合，各個元器件才能夠正確無誤地完成避障循跡物料搬運工作。基于Arduino的控制系統接受傳感器等設備部件傳輸的數據，根據一定的算法進行處理，進而控制相關的硬件設備完成相關的操作。整個軟件設計分為以下兩個部分：

（1）硬件控制部分，采用模塊化的方法來設計，分別完成避障循跡、電機驅動、顯示、機械臂、藍牙通信等模塊的編程、調試工作。

（2）上位機手機APP端，主要完成掃描二維碼和顏色識別。

①利用條形碼工具包Zbar實現二維碼掃描：從相冊中獲取待識別的二維碼圖像;預處理圖像，裁剪條形碼區域、去噪聲和二值化;由Zbar圖像閱讀器，從圖像中識別條形碼數據，并完成格式的轉換。

②利用OpenCV實現顏色識別，主要流程為：從相冊選取待識別的顏色圖像，將圖像的顏色空間由RGB轉換為HSV，圖像去噪聲處理，檢測顏色。

3 結束

按照上述設計思路，完成了Arduino控制的智能物料小車的制作和測試工作。小車能夠正常運行，可以動態調整小車的運行速度，實現了按照指定的搬運順序將物料搬運到指定的目的地。這樣的物料搬運小車的實現還是具有一定的現實意義的。機器人代替人力已成為生產趨勢，與人力相比，小車能高效、準確、靈活地完成物料的搬運，從而顯著地提高生產效率，降低成本，相信這樣的小車必定會在經濟生產中得到廣泛地應用。

參考文獻：

[1]王鶴君，黃建清，等.基于大棚運輸車的智能化小車的設計[J].電子設計工程，2018，26（21）：148-150.

[2]呂博新，岳歡，等.智能視頻巡檢小車的設計與實現[J].科技視界，2017，（20）：99-100.

[3]郭子健.基于單片機的無線遙控智能小車的設計與制作[J].科技風，2014，（13）：68.