多用途智能送貨機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅忠云，李紅霞，朱海霞

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

快遞業(yè)的最后一公里物流實(shí)現(xiàn)的是按時(shí)按需的“門到門”送貨服務(wù)，是快遞配送的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。而智能送貨機(jī)器人通常不需要很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，也不需要與人進(jìn)行復(fù)雜的溝通，用于在小范圍區(qū)域，通過程序設(shè)定的路線，為用戶提供方便的短途物流配送。本文設(shè)計(jì)的智能送貨機(jī)器人就是針對(duì)“最后一公里”問題，利用智能送貨車實(shí)現(xiàn)快遞最后環(huán)節(jié)的配送。

1 硬件電路的設(shè)計(jì)

1.1 智能循跡車部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2為主控芯片，與9 g的塑料齒輪舵機(jī)結(jié)合構(gòu)成系統(tǒng)主體硬件部分。循跡模塊以TR5000紅外光電傳感器為循跡傳感器，用來檢測傳感器下方地面上的運(yùn)行軌道。避障光電傳感器采用E18－D80NK紅外光電傳感器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是L298N，小車兩邊各裝有一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)作為小車的動(dòng)力，可以方便地控制小車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、停止［1－3］。

1.2 顯示與記錄部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用的是LQFP64封裝的STC15W4K48S4。短信GPRS模塊采用安信可A6 GPRS模塊。顯示屏選用的是3.2寸TFT液晶顯示屏，其驅(qū)動(dòng)芯片為ILI9341，因?yàn)閱纹瑱C(jī)本身速度較慢，所以采用16位數(shù)據(jù)線，可提高傳輸速度。觸摸控制器采用XPT2046，XPT2046能通過執(zhí)行兩次A/D轉(zhuǎn)換檢測出觸摸屏幕的位置。SD卡采用一張2 GB的SD卡作為儲(chǔ)存卡，采用SPI方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，SD卡使用3.3 V供電。由于單片機(jī)為5 V的單片機(jī)，所以在SD卡的輸入信號(hào)線上分別串聯(lián)一個(gè)1 K的電阻作為限流電阻，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，單片機(jī)與SD卡能夠進(jìn)行正常通信。OV7670圖像傳感器體積小，功耗低。攝像頭采用12 MHz的有源晶振作為時(shí)鐘。由于攝像頭頻率高，單片機(jī)無法直接采集數(shù)據(jù)，所以在攝像頭與單片機(jī)之間加入一片AL422B FIFO芯片做緩沖。無線傳輸模塊包含兩個(gè)部分，一是74HC57為數(shù)據(jù)選擇器，用來選擇輸入HC－12中的數(shù)據(jù)；二是HC－12 433 MHz無線串口通信數(shù)傳模塊［4］。

上位機(jī)端也采用HC－12數(shù)傳模塊，通過一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G連接到電腦，從而實(shí)現(xiàn)智能送貨機(jī)器人與上位機(jī)之間的通信。NEO－6M為定位模塊的GPS芯片AT24C32為I2C接口的EEPROM，用來記錄GPS的串口波特率、發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容、發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率等設(shè)置信息，可以在重新上電后直接執(zhí)行之前的設(shè)置。

2 軟件的設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

智能送貨機(jī)器人利用LabVIEW上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了送貨、讀取送貨記錄、讀取記錄的照片，同時(shí)也能在地圖上顯示智能送貨機(jī)器人的位置，而且具有顯示經(jīng)緯度、時(shí)間及送貨狀態(tài)等功能。

上位機(jī)對(duì)送貨車的控制通過串口來實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)讀取記錄、讀取照片、送貨3個(gè)功能，主要利用VISA串口函數(shù)來完成相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。讀取照片程序又分為3部分，分別是數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顏色合成。地圖程序用于將接收到的GPS數(shù)據(jù)顯示在地圖上，分為數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分離、數(shù)據(jù)處理、調(diào)用地圖4個(gè)程序。送貨狀態(tài)檢測程序用于顯示目前所在的地址，并且能夠顯示智能送貨機(jī)器人前方遇見障礙物或者貨箱門被意外打開時(shí)的狀態(tài)。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用PWM控制小車左右兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制小車直行、轉(zhuǎn)向、停止的目的［5－6］。

循跡程序通過5個(gè)紅外光電傳感器檢測到信號(hào)，再通過改變左右兩邊小車車輪驅(qū)動(dòng)的占空比控制小輪轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到循跡的目的。避障部分利用紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)，如果檢測到避障紅外光電傳感器輸出高電平，則說明前方?jīng)]有障礙物，可以繼續(xù)運(yùn)行；如果檢測到傳感器輸出低電平，則說明前方有障礙物，循跡車停車并使用LED和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，提示前方有障礙物，等到障礙物移除后，循跡車又開始繼續(xù)運(yùn)行。貨箱門檢測也是用一個(gè)紅外光電傳感器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)貨箱門關(guān)上的時(shí)候，門能夠反射回紅外光電傳感器發(fā)出的紅外光到紅外接收管，紅外光電傳感器輸出低電平；當(dāng)紅外光電傳感器的紅外接收管接收不到紅外光時(shí)，說明貨箱門已經(jīng)打開，紅外光電傳感器輸出高電平。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，能夠讓舵機(jī)把貨箱門鎖上的高電平數(shù)值為5，即高電平時(shí)間0.2 ms×5＝1 ms。貨箱門解鎖的高電平數(shù)值為7，即高電平時(shí)間為0.2 ms×7＝1.4 ms。貨箱門是在送貨時(shí)和返回時(shí)上鎖，在到達(dá)指定地址但是還沒有輸入正確密碼時(shí)也是上鎖的，貨箱門在起點(diǎn)時(shí)和輸入正確密碼后是解鎖狀態(tài)。

短信模塊通過單片機(jī)發(fā)送的AT命令進(jìn)行控制，短信模塊采用A6模塊，用于在送貨車到達(dá)指定地址后向收貨人手機(jī)發(fā)送貨箱密碼，通知收件人來取貨。觸摸部分采用XPT2046，該芯片為12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過SPI與單片機(jī)通信。無線傳輸模塊使用HC－12數(shù)傳模塊，內(nèi)部參數(shù)已經(jīng)提前設(shè)定好，使用時(shí)只需要向該模塊用串口發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。GPS模塊使用的是UBLOX 6M GPS，事先已經(jīng)通過上位機(jī)軟件u-center進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)設(shè)定，并保存在EEPROM中，上電后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行設(shè)置的參數(shù)，串口波特率為了方便通過HC－12傳輸設(shè)置為57 600，每5 s發(fā)送一次定位信息。無線傳輸與GPS模塊軟件流程如圖1所示。

圖1 無線傳輸與GPS模塊軟件流程

3 功能實(shí)現(xiàn)

在LabVIEW前面板首頁點(diǎn)擊送貨功能后，進(jìn)入送貨頁面，輸入收件人手機(jī)、貨箱密碼以及地址。選擇好串口號(hào)后，在右上方的送貨信息處填寫收件人手機(jī)號(hào)、密碼、地址，點(diǎn)擊開始送貨。如果在運(yùn)行中出現(xiàn)問題，需要停止上位機(jī)程序時(shí)，可以點(diǎn)擊串口號(hào)選擇右邊的停止按鈕，此時(shí)上位機(jī)停止運(yùn)行，并且“運(yùn)行狀態(tài)”變?yōu)榧t色并顯示已停止，表示上位機(jī)已經(jīng)被停止運(yùn)行。在上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為“等待操作”，并且循跡車在起始地點(diǎn)待命時(shí)，可以執(zhí)行照片記錄命令。

在讀取照片左邊的“序號(hào)”輸入框輸入想要讀取第幾張照片，輸入0表示讀取最后一張記錄的照片，讀取的序號(hào)應(yīng)該根據(jù)左邊的記錄表格中的記錄來填寫，如果填寫的序號(hào)大于已有記錄的照片數(shù)量，將接收不到照片。最終LabVIEW前面板顯示效果如圖2所示。

圖2 LabVIEW前面板最終顯示效果

4 結(jié)語

智能送貨機(jī)器人采用智能化模塊與LabVIEW上位機(jī)軟件相結(jié)合的方式，兼顧了讀取記錄、讀取照片、進(jìn)行送貨和送貨狀態(tài)監(jiān)測的功能，具有較好的用戶體驗(yàn)，可以單獨(dú)使用，也可通過上位機(jī)控制。系統(tǒng)控制簡單、適用性強(qiáng)、成本低、交互性強(qiáng)，但仍存在一些不足，有待提高和完善。未來，智能送貨將為用戶帶來更多的便捷。