基于STM32的智能物料搬運小車的設計

何宗志 李海華 張 琳 崔志遠 李鵬飛

（河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003）

1 比賽場地、物料尺寸及放置要求

1.1 比賽場地

賽場采用近水平鋪設，尺寸為4 800 mm×2 400 mm的長方形平面區域，如圖1所示。

圖1 比賽場地（單位：mm）

賽場周圍設有擋板（無高度限制，顏色和高度不做任何要求，僅作為場地邊界），由于邊界擋板的不確定性，故不適合用邊界測距的方式確定小車的位置。賽道地面為亞光白色或淺黃色等淺色底色，路線有線寬為20 mm、線中心距為300 mm的黑色方格組成。比賽場地內，設置半成品區、精加工區、原料區、粗加工區、出發區、返回區、庫存區。決賽時拆除擋板。

1.2 比賽所搬運的物料

搬運的物料模型圖由solidworks繪制，利用3d打印機用三種不同顏色（紅、綠、藍）PLA耗材打印出模型。

搬運的物料所放置的原料區和庫存區的尺寸（長×寬×高）為580 mm×145 mm×（80～100）mm雙層貨架，白色啞光，原料區的高度為100 mm，物料采用顏色識別，庫存區貨架高度為80～100 mm，采用條形碼識別物料放置位置。

物料尺寸、原料區和庫存區如圖2、圖3所示。

圖2 物料尺寸（單位：mm）

圖3 原料、庫存區（單位：mm）

1.3 物料放置的要求

依據小車放置的物料接觸的最外一圈色環，通過查表得出分數，如表1所示。

表1 環號及環尺寸

2 系統設計

2.1 主控制器

主控芯片采用STM32F103ZET6，為中等容量增強型，32位基于ARM核心的128 kB字節閃存微控制器USB、CAN，7個定時器、2個ADC、9個通信接口、2個12位模數轉換器，1 μs轉換時間（多達16個輸入通道）；ARM 32位的Cortex?-M3 CPU（最高72 MHz工作頻率），內核為Cortex-M3，該款處理器適合處理大量信息和同時控制多個硬件，能夠較好地處理此次比賽。

Cortex-M3模塊如圖3所示。

圖4 Cortex-M3模塊

2.2 顏色識別與捕捉設計

匹配原裝進口芯片TCS3200的顏色識別傳感器，8引腳SOIC表面貼片式封裝。

芯片集成64個光電二極管，其中16個光電二極管（帶紅色濾波器）、16個光電二極管（綠色濾波器）、16個光電二極管（藍色濾波器）、16個光電二極管（無任何濾波器）。64個二極管可以用于接收全部的光信息。由于光電二極管為交叉排列式，能夠有效保證入射光輻射的均勻性，提高顏色識別的精確性。

2.3 電源模塊設計

采用12 V鋰電池分別為直流減速電機和單片機以及傳感器供電，除了給電機提供12 V電源以外，其余電壓供電方式采用L7812CV三端電源穩壓模塊進行供電。提供正常工作的5 V直流電壓給單片機，提供正常工作的7.2 V直流電壓給數字電機（機械手組件）。

2.4 灰度傳感器巡線設計

采用四路灰度傳感器，X軸和Y軸方向各裝一個，用于循跡和記錄小車所處位置。采用進口聚光高亮LED，前置發光探頭設計，可在一定范圍內抵抗巡線賽；場地燈光和環境光的干擾；配合四路線性可調電阻，靈敏度、穩定性更高。數字信號以1或0輸出，編程控制簡單；根據場地光線等情況調節信號靈敏度。電壓比較器有兩個電壓輸入，一個為接收管的電壓，一個為電位器輸入的基準電壓，根據接收管2種色的電壓值調節基準電壓。

2.5 超聲波避障設計

避障模塊采用超聲波避障模塊HC-SR04，在一定距離內能夠高效地檢測障礙物與小車的距離，并將檢測的距離與程序設定的安全距離進行判定，判斷是否需要啟動自動避障動作。對外界發送40 kHz的工作頻率，可自行設定每秒發射超聲波的次數（過高會加重單片機內核運算負荷，過低會導致距離檢測不及時，無法地避障）。超聲波模塊將反射時間輸入給單片機內核，單片機將時間帶入聲波和距離計算公式，即可計算小車與障礙物的距離，有效躲避障礙物。

3 系統軟件設計

3.1 系統整體軟件設計思路

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

采用配備雙霍爾磁性編碼器775減速直流電機碼盤的直流減速電機。根據比賽賽道建立絕對坐標系和相對坐標系，單片機根據傳感器和電機采集的數據進行計算，得出小車所處位置，讓小車執行相應的指令。執行指令過程中，通過小車自身傳感器配以PI算法產生中斷對指令的執行進行微調，更好地完成任務。執行的任務有采用GM65條形碼/二維碼掃描識別模塊掃描二維碼接受任務和掃描條形碼確定物品；內部算法定位，用配以顏色識別模塊和距離傳感器的機械臂（20 kg數字舵機）抓取物品運送到指定區域；單片機讀取速度并控制速度最終計算出行駛的距離，確定小車自身所處位置，采用兩個四路灰度傳感器循跡并識別路線；執行的任務通過LCD1602字符液晶屏顯示。

3.2 搬運目標顏色識別軟件設計

本設計利用TCS3200D顏色傳感器模塊對搬運目標進行識別。對TCS3200D顏色傳感器模塊進行初始化，即進行白平衡設置；單片機通過傳感器采集搬運物品反射光線的信息；通過程序進行三基色分離，通過RGB中三種顏色設置的參數值范圍識別顏色。軟件程序流程如圖6所示。

圖6 軟件程序流程

4 結語

程序高效地安排了程序運行時間，有效提高了程序運行的速率，編譯的程序能夠快速發現錯誤并修改，滿足了比賽中遇到比賽任務改變的情況。小車在賽道上運行平穩，能夠有效執行任務。軟、硬件均經過多次測試，保障在運行穩定，出現問題時內部檢測系統能夠及時報錯，便于修改。