基于STM32單片機(jī)的物料搬運(yùn)小車

王鑫 趙文鑫 衛(wèi)國唯 李建航

摘 要：本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控板，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，包含紅外循跡傳感器模塊、超聲波測距模塊、二維碼識別模塊、顯示模塊、顏色識別模塊、機(jī)械臂模塊、電源模塊組成。本設(shè)計(jì)以普通四輪小車為載體。底部循跡傳感器用于檢測路面鋪設(shè)的循跡線;超聲波模塊測量小車距離圍墻的距離用于輔助定位;二維碼識別模塊通過掃描二維碼領(lǐng)取搬運(yùn)任務(wù);顯示模塊顯示任務(wù)信息;紅外傳感器用于檢測物料位置;顏色識別模塊檢測物料顏色;機(jī)械臂模塊執(zhí)行抓取或放置動作;電源模塊為小車提供動力源;主控板根據(jù)各模塊的反饋信息控制小車自主搬運(yùn)物料。

關(guān)鍵詞：循跡;物料搬運(yùn);紅外傳感器;機(jī)械臂

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)原理

小車底部前后各裝有一個(gè)“5路”紅外傳感器即可保證小車前進(jìn)沿循跡線行駛又可使小車在不調(diào)頭的情況下實(shí)現(xiàn)倒車循跡提高搬運(yùn)效率。正常運(yùn)行狀態(tài)中，小車循跡，行至任務(wù)點(diǎn)掃描二維并將信息顯示在TFT彩屏上，讀取搬運(yùn)任務(wù)后，直接倒車行至物料提取區(qū)尋找物料。物料位置采用外部中斷觸發(fā)方式進(jìn)行檢測，當(dāng)側(cè)部紅外傳感器檢測到物料即產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號觸發(fā)中斷，單片機(jī)調(diào)用中斷服務(wù)函數(shù)通過顏色識別模塊檢測當(dāng)前物料顏色是否與任務(wù)一致，如果一致則抓取，否則繼續(xù)循跡尋找物料。當(dāng)抓取到物料后小車即通過超聲波測距模塊測量一次距離，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前小車在場地的具體位置，然后自主規(guī)劃行至物料存放區(qū)的路徑，當(dāng)行至物料存放區(qū)后放置物料并判斷是否全部搬運(yùn)完成，如果完成則返回，否則行至提取區(qū)尋找物料。

1.2 系統(tǒng)論證

1.2.1硬件系統(tǒng)

（1）主控板。主控板上以STM32F103RCT6為主控芯片，包含最小系統(tǒng)電路、按鍵電路、TFT液晶屏接口電路、電機(jī)驅(qū)動電路。使用Altium Designer15繪制而成。（2）傳感器模塊。本裝置使用兩組（10個(gè)）紅外傳感器模塊用于循跡分別安裝在小車底部的前后端，用于檢測路面信息，使小車沿著既定黑線自主行駛;超聲波測距模塊型號為RCWL-1601;漫反射式光電開關(guān)安裝于側(cè)部用于檢測物料位置;二維碼識別采用GM65掃描設(shè)備模塊，支持TTL232和USB接口;顏色識別采用GY-33傳感器模塊。（3）機(jī)械臂模塊。機(jī)械臂由16路舵機(jī)控制板、4個(gè)MG96R舵機(jī)、機(jī)械爪、舵機(jī)支架構(gòu)成，采用串口與主控板進(jìn)行通信。（4）電源模塊。因機(jī)械臂與小車電機(jī)功率很大，且使用電池供電，如果使用普通電池則會發(fā)生當(dāng)機(jī)械臂與小車電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，因供電不足導(dǎo)致單片機(jī)掉電重啟，導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此采用可輸出較大功率的12V航模電池此電池最大輸出電流可達(dá)10A足以滿足小車供電要求。因單片機(jī)與舵機(jī)工作電壓為3.3V和6V所以供通過兩個(gè)降壓模塊分別給單片機(jī)與機(jī)械臂供電，小車電機(jī)直接由12V電源供電。

1.2.2 軟件系統(tǒng)

（1）循跡部分。小車使用兩組4個(gè)直流電機(jī)提供驅(qū)動力左側(cè)2個(gè)電機(jī)為一組，右側(cè)2個(gè)電機(jī)為一組。單片機(jī)通過L298N驅(qū)動芯片可直接控制兩組電機(jī)正反轉(zhuǎn)與停止。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、轉(zhuǎn)向及停車的功能，在前進(jìn)過程中，單片機(jī)只讀取車頭一組傳感器狀態(tài)，后退過程只讀取車尾傳感器狀態(tài)，通過分析傳感器返回的信號，控制小車沿著規(guī)定路線行駛。（2）主從機(jī)通信部分。本裝置使用一主多從模式構(gòu)建;其中16 路舵機(jī)控制板（驅(qū)動機(jī)械臂）、二維碼識別模塊、顏色識別模塊，均內(nèi)嵌MCU，作為為從機(jī);主機(jī)為主控板上的STM32單片機(jī)。因IIC通信需構(gòu)建通信電路，且主控板串口資源豐富為方便起見主機(jī)與從機(jī)之間的通信通過3個(gè)串口實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)測試

2.1 循跡測試

測試過程：賽道地面為整張廣告噴繪布鋪成，基色為淺藍(lán)（RGB值為200，225，255）;地面施劃有間隔為300mm的黑色方格線，經(jīng)線為線寬20mm的單線，緯線線寬為15+10（間隔）+15mm的雙線。測試結(jié)果：小車可良好兼容經(jīng)線與緯線差異自主尋跡。

2.2 超聲波測距測試

測試過程：將超聲波模塊單獨(dú)接在主控板上循環(huán)觸發(fā)模塊進(jìn)行距離測量。測試結(jié)果：超聲波模塊測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度在1cm，能滿足定位要求。

2.3 機(jī)械臂測試

測試過程：將小車停放在物料提取區(qū)，單片機(jī)發(fā)送動作命令給舵機(jī)控制板，觀察機(jī)械臂是否可以順利完成指定動作。測試結(jié)果：機(jī)械臂可以牢固抓取與平穩(wěn)放置物料。

2.4 二維碼識別測試

測試過程：單獨(dú)接上二維碼識別模塊，在距離二維碼20cm處進(jìn)行掃描識別。測試結(jié)果：該模塊可正確識別二維碼信息。

2.5 顏色識別測試

測試過程：單獨(dú)接上顏色識別模塊，在距離物料1cm處進(jìn)行顏色識別。測試結(jié)果：當(dāng)物塊偏離顏色傳感器時(shí)該模塊出現(xiàn)一定概率的識別錯誤，為增強(qiáng)其正確率，在傳感器旁增加了補(bǔ)光燈，并進(jìn)行多次測量穩(wěn)定測量結(jié)果，經(jīng)改良后可正確識別顏色信息。

2.6 綜合測試

測試過程：模擬第六屆工程訓(xùn)練比賽場地，觀測小車是否可以完成比賽要求。測試結(jié)果：小車可沿黑線正確循跡，并在抓取物料后自主規(guī)劃路徑行至存放區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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