基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 梅，丁 凰，張 媛

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，西安 710018)

0 引言

隨著物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)物流車的研究越來(lái)越多。車是人們生活出行必須要使用到的東西，與日常生活息息相關(guān)，無(wú)人物流車是車輛研發(fā)的新領(lǐng)域之一，在設(shè)計(jì)無(wú)人物流車時(shí)主要考慮的問(wèn)題有環(huán)保、節(jié)能、安全等，除此之外，對(duì)車輛速度也要有精準(zhǔn)地把握。無(wú)人物流車是以交通智能化為前提，以高新技術(shù)為基礎(chǔ)和載體的新型車輛，它能夠同時(shí)完成一項(xiàng)或者多項(xiàng)功能，如環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、智能駕駛，在遇到障礙物時(shí)，無(wú)人物流車可以自主識(shí)別，改變車速和方向，對(duì)這些障礙物進(jìn)行躲避，系統(tǒng)內(nèi)部還設(shè)置了自動(dòng)報(bào)警裝置[1]。

無(wú)人物流車作為一種高新技術(shù)的綜合體，應(yīng)用十分廣泛，在生產(chǎn)線、服務(wù)業(yè)中都可以進(jìn)行工作，減少人工負(fù)擔(dān)。然而目前對(duì)無(wú)人物流車的控制系統(tǒng)研究的很少，控制系統(tǒng)在無(wú)人物流車中扮演著重要的角色，能夠確保無(wú)人物流車保持最佳工作狀態(tài)[2]。綜上所述，本文使用STM32嵌入式微處理器設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)，將keil uvision4 和 JDK設(shè)定為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，電機(jī)模型車設(shè)定為機(jī)械平臺(tái)，利用電機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)設(shè)置控制系統(tǒng)的各個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)控制一體化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)人物流車控制系統(tǒng)的速度控制能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要包括三部分，分別是：電源模塊、核心處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[3]。運(yùn)輸控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

分析圖1可知，無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)選用的核心處理器為STM32F103VE，該處理器的性價(jià)比極高，內(nèi)部配置靈活，且消耗功率較低，利用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使系統(tǒng)能夠通過(guò)PWM方式來(lái)進(jìn)行調(diào)速，選用的電機(jī)為ASLONG JGA25-371，該電機(jī)在高速的運(yùn)行條件下，也可以保持穩(wěn)定[4]。系統(tǒng)內(nèi)部的電源可以始終向驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供12 V的穩(wěn)定電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電壓轉(zhuǎn)換成5 V，提供給核心處理器。以PWM的方式調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的速度，確保無(wú)人物流車能夠進(jìn)行基本的運(yùn)轉(zhuǎn)工作，同時(shí)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的管腳進(jìn)行控制，配合編碼器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行速度測(cè)試[4]。

無(wú)人物流車運(yùn)輸?shù)乃俣容^慢，因此在傳感器模塊中加入了多個(gè)傳感器，例如：超聲波距離傳感器、角位移傳感器、紅外傳感器、霍爾速度傳感器、超聲波距離傳感器、紅外傳感器，這些傳感器通過(guò)共同工作檢測(cè)無(wú)人運(yùn)輸機(jī)所在的位置。當(dāng)無(wú)人物流車進(jìn)行工作時(shí)，超聲波距離傳感器會(huì)發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，通過(guò)時(shí)間差判斷無(wú)人物流車運(yùn)輸系統(tǒng)和障礙物之間的距離，從而滿足車輛對(duì)速度的要求。傳感器模塊中的霍爾速度傳感器能夠檢測(cè)無(wú)人物流車中的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，霍爾傳感器具有較高的響應(yīng)頻率，能夠精確測(cè)量出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)無(wú)人物流車運(yùn)輸軌道出現(xiàn)彎道時(shí)，角位移傳感器能夠測(cè)算出轉(zhuǎn)角的大小，幫助運(yùn)輸車進(jìn)行減速。傳感器組成如圖2所示。

圖2 傳感器組成框圖

STM32F10是無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的核心部分，能夠?qū)λ袀鞲衅鞑杉降男畔⑦M(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模糊推理運(yùn)算。STM32F10構(gòu)成的主控模塊包括DMA(直接存儲(chǔ)器存取)控制器、AD/DA轉(zhuǎn)換器、快速I/O口和多種通信端口，主控模塊中加入了電源管理電路，可以有效降低系統(tǒng)的整體功耗，提高運(yùn)行速度，從而滿足系統(tǒng)軟件人機(jī)交互界面在服務(wù)方面提出的要求。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，STM32F10就會(huì)啟動(dòng)程序，處理系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，下發(fā)信號(hào)控制變頻器，接收到的信號(hào)信息會(huì)快速反饋到上位機(jī)中[5]。

在選擇變頻器時(shí)，必須要綜合考慮負(fù)載類型、使用環(huán)境和額度，由于無(wú)人物流車的控制系統(tǒng)不僅要控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)要控制STM32F10網(wǎng)絡(luò)性能，所以本文選擇的變頻器是目前新研發(fā)的型號(hào)為MM440的變頻器，該變頻器調(diào)試方法簡(jiǎn)單，EMC設(shè)計(jì)結(jié)果可靠性高，變頻器內(nèi)部設(shè)有過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)裝置，可以快速響應(yīng)各種要求，且內(nèi)部的操作界面十分友好，通過(guò)變頻器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的工作電壓和頻率進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)直接無(wú)人物流車的運(yùn)輸速度和運(yùn)輸方向。物流車控制系統(tǒng)編碼器如圖3所示。

圖3 物流車控制系統(tǒng)編碼器

無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)必須要設(shè)定自動(dòng)剎車裝置，確保在緊急狀況下可以快速剎車制動(dòng)，防止事故的發(fā)生。系統(tǒng)中的上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)主要是負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制工作，通過(guò)CAN總線與STM32F10主控模塊連接，完成高速通信，在人機(jī)界面上顯示出無(wú)人物流車的工作狀態(tài)[5]。

為了更好地實(shí)現(xiàn)控制，系統(tǒng)采用的控制器為模糊控制器，當(dāng)傳感器采集到信號(hào)后，就會(huì)輸入到模糊控制器中，由模糊控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行模糊化處理，利用推理規(guī)則庫(kù)針對(duì)3個(gè)部分進(jìn)行清晰化處理。當(dāng)STM32F10完成數(shù)據(jù)處理工作后，會(huì)輸出0～5 V的控制電壓，該輸出量會(huì)作為控制量輸入到變頻器中，由變頻器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM波，從而實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)硬件采用的控制板是由ST公司生產(chǎn)的STM32F103，該控制器是由ST公司生產(chǎn)的32位微控制器，采用嵌入式的方式安裝在ARM Cortex-M 內(nèi)上[6]。STM32F103是由Cortex公司生產(chǎn)的新型產(chǎn)品，如圖4所示。

圖4 STM32F103示意圖

STM32F103芯片具有性能高、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，最高工作頻率可以達(dá)到72 MHz，通過(guò)兩路12位的ADC，多個(gè)定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器來(lái)操控芯片的工作。STM32F103主控器外部還連接了兩個(gè)SPI等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用來(lái)控制硬件的信息接收，配合PID算法計(jì)算出無(wú)人物流車的電阻值[7]。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電阻反饋模塊電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)定的電阻反饋?zhàn)柚翟?～190 Ω的范圍之間，利用電壓測(cè)量結(jié)果測(cè)出電阻值，電阻反饋模塊的電路如圖6所示。

圖6 電阻反饋模塊的電路圖

硬件的電阻反饋模塊利用REF3030穩(wěn)壓電源芯片輸出電壓，輸出的電壓為3.0 V電壓，該電壓為基準(zhǔn)電壓，具有標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定的特點(diǎn)，電壓的精準(zhǔn)度可以保持在0.2%，電壓產(chǎn)生的最大漂移為50 μA，最大電流為25 mA，通過(guò)OPA365運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器連接標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出端，利用標(biāo)準(zhǔn)電壓值將輸入電阻值提高，當(dāng)輸入電阻值達(dá)到無(wú)限大后，就會(huì)發(fā)揮隔離的作用。當(dāng)待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)高精度190Ω電阻串聯(lián)到一起之后，待采集的電壓會(huì)通過(guò)電阻值進(jìn)行分壓，范圍在0～1.5 V之間，電阻反饋模塊中的STM32主控芯片內(nèi)部擁有ADC，通過(guò)ADC可以實(shí)現(xiàn)采集分壓工作，再由計(jì)算機(jī)處理得到對(duì)應(yīng)的電阻值。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊在控制無(wú)人物流車運(yùn)輸航向中發(fā)揮著重要作用，利用大功率MOS管連接驅(qū)動(dòng)模塊，額定的電流可以達(dá)到30A，輸入的寬電壓范圍在12～30 V之間。通過(guò)STM32主控芯片的PB5和PB6引腳，與模塊上的A1、A2引腳連接，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)A1引腳的電平為高電平，當(dāng)A2引腳的電平為低電平，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向方式為正轉(zhuǎn)；當(dāng)A2引腳的電平為低電平，當(dāng)A1引腳的電平為高電平，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向方式為反轉(zhuǎn)，當(dāng)A1、A2引腳都為低電平時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入剎車狀態(tài)。利用PB7主控芯片從定時(shí)器的輸出引腳上引出PWM脈沖，再將PB7引腳與PA引腳連接到一起，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。無(wú)人物流車控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊電池電壓為12 V，主控芯片對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行控制，從而完成方向調(diào)整。

2.3 以太網(wǎng)通信模塊電路設(shè)計(jì)

通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制板和工控機(jī)之間的通信，采用的通信協(xié)議為UDP協(xié)議，該協(xié)議具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，以太網(wǎng)在接口處選用的芯片為W5500芯片，該芯片將全硬件TCP/IP協(xié)議棧集合到一起，在面對(duì)復(fù)雜TCP/IP協(xié)議簇時(shí)，需要引用復(fù)雜的邏輯門電路。由此構(gòu)建的以太網(wǎng)通信模塊電路通信速度快、可靠性高、安全性好。在通信模塊外部加入中斷引腳PAI2，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，提高數(shù)據(jù)的響應(yīng)效率，路由器選用RJ45接口連接，從而實(shí)現(xiàn)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)采用的控制思想是分離控制，對(duì)物流車的航向進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，通過(guò)調(diào)試實(shí)現(xiàn)模塊的各項(xiàng)應(yīng)用功能。

3.1 無(wú)人物流車位置控制功能實(shí)現(xiàn)

利用STM32F103內(nèi)部的ADC對(duì)電阻進(jìn)行采集，通過(guò)分壓計(jì)算位置電阻。無(wú)人物流車位置控制功能實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 無(wú)人物流車位置控制功能實(shí)現(xiàn)流程

觀察圖7可知，首先進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，然后判斷是否需要調(diào)整無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的方向，在確定需要調(diào)整無(wú)人物流車位置后，比較測(cè)得的無(wú)人物流車電動(dòng)機(jī)位置電阻值與設(shè)計(jì)要達(dá)到的電阻值之間的誤差，最后通過(guò)改變引腳的電平來(lái)執(zhí)行電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工作，當(dāng)測(cè)得的電阻值與期望的電阻相差的誤差在±1.5 Ω，則證明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人物流車的位置控制工作。

3.2 無(wú)人物流車行駛方向保持程序?qū)崿F(xiàn)

在外界環(huán)境的干擾下，無(wú)人物流車的行駛的方向很有可能出現(xiàn)偏差，為了確保無(wú)人物流車式中按照規(guī)定方向行駛，設(shè)置了方向保持程序，采用的設(shè)置算法為PID算法，通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)使無(wú)人物流車能夠按照規(guī)定的方向行駛。無(wú)人物流車行駛方向保持程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 無(wú)人物流車行駛方向保持程序?qū)崿F(xiàn)流程

STM32S在系統(tǒng)的主控模板中發(fā)揮著控制作用，利用位置PID算法比較設(shè)計(jì)值和偏差值，從而計(jì)算出輸出值，對(duì)計(jì)算到的輸出值進(jìn)行歸一化處理，將得到的結(jié)果傳給控制程序，從而實(shí)現(xiàn)位置控制。

3.3 無(wú)人物流車跟蹤功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)GPS得到無(wú)人物流車的所在位置的經(jīng)度和緯度，利用漸進(jìn)直線跟蹤法跟蹤無(wú)人物流車的航行軌跡，提取軌跡中的關(guān)鍵經(jīng)度值和緯度值，根據(jù)提取見(jiàn)過(guò)構(gòu)建路徑數(shù)組，跟蹤路徑不同，路徑數(shù)組也不同，在Visual C++軟件上編寫跟蹤程序，通過(guò)控制軟件得到固定的跟蹤結(jié)果。

在監(jiān)控軟件中得到無(wú)人物流車的實(shí)際位置和跟蹤路徑的終點(diǎn)位置，通過(guò)計(jì)算判斷是否完成跟蹤工作，計(jì)算方式為周期性計(jì)算，由于在跟蹤過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生誤差，所以本文設(shè)計(jì)的跟蹤程序?qū)⒆畲笳`差設(shè)定為20 m。在跟蹤直線路徑時(shí)，采用的跟蹤方法為直線擬合法，在跟蹤曲線路徑時(shí)，采取的跟蹤方法為曲線擬合法，需要特別指出的是，所選擇的跟蹤點(diǎn)距離不能過(guò)短，不然得到的結(jié)果并非精準(zhǔn)結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，與傳統(tǒng)運(yùn)輸控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文控制系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)界面

4.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)選用傳統(tǒng)的運(yùn)輸控制系統(tǒng)以及本文研究的基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人物流車的速度進(jìn)行控制，對(duì)比控制效果，分析系統(tǒng)性能。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

根據(jù)上述控制誤差結(jié)果，得到圖11。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，數(shù)據(jù)測(cè)的誤差越大，無(wú)人物流車的控制效果越差。對(duì)比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和本文研究的控制系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，控制時(shí)間在0～0.2 s時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的相對(duì)誤差在12%下降到5%，本文方法由10%下降到0.5%。在后續(xù)的0.2～0.7 s，傳統(tǒng)系統(tǒng)的相對(duì)誤差保持在2.5%，本文系統(tǒng)的相對(duì)誤差保持在不到0.1%，本文系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)相對(duì)誤差低2.4%誤差控制能力高出25倍。本文研究的控制系統(tǒng)控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制面板過(guò)于繁瑣，所以各個(gè)部件難以靈活工作，互相之間配合并不協(xié)調(diào)。本文研究的基于STM32嵌入式系統(tǒng)的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)速度，由于采用了旋轉(zhuǎn)編碼器，所以控制系統(tǒng)在工作時(shí)，編碼器就會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生變化時(shí)，碼盤也會(huì)不斷變化，輸出一系列的脈沖信號(hào)，根據(jù)輸出的脈沖信號(hào)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)的速度和方向。碼盤上方有多個(gè)光柵，所以測(cè)試精度極高。STM32單片機(jī)具有很強(qiáng)的控制能力，能夠很好地確保各個(gè)零件正常工作。

圖11 控制誤差對(duì)比圖

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：將STM32嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到無(wú)人物流車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，能夠大大提高控制系統(tǒng)的控制能力，相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，本文研究的無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)能夠更好地控制各個(gè)部件的工作，提高各個(gè)部件的速度，使零件能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成工作。基于STM32系列單片機(jī)無(wú)人物流車運(yùn)輸控制系統(tǒng)不僅能夠提高控制速度，同時(shí)能夠加強(qiáng)控制精度，減少控制誤差，具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)撃堋?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于STM32系列單片機(jī)針對(duì)無(wú)人物流車設(shè)計(jì)了一種控制運(yùn)輸系統(tǒng)，將常見(jiàn)的電機(jī)模型設(shè)定為機(jī)械平臺(tái)，根據(jù)控制系統(tǒng)體術(shù)的細(xì)化要求加入各種傳感器，結(jié)合PID算法和PWM調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)控和速度檢測(cè)等工作。本文的研究開(kāi)創(chuàng)了智能控制的新領(lǐng)域，但是仍然存在很多問(wèn)題，如控制過(guò)程穩(wěn)定性、避障能力、循跡能力等，未來(lái)需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。