基于多傳感器的智能物料搬運小車設計

郭 根，過李嶠，周 振，王俊杰，李朋磊

（1.鄭州輕工業大學 工程訓練中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州輕工業大學 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450000）

0 引 言

進入21世紀，物流行業得到快速發展，隨著自動化技術的不斷進步，物流行業也在朝著自動化、集成化、智能化方向發展。為了實現對物料進行智能識別、抓取、搬運、擺放等操作，智能物料搬運小車應運而生。結合發展現狀，我們設計了一款基于多傳感器的智能物料搬運小車，使用紅外傳感器、顏色識別傳感器、加速度傳感器、高精度攝像頭等進行數據采集與識別，單片機將采集后的數據進行算法處理，控制小車進行路徑規劃、物料識別、機械臂抓取、物料搬運等動作，進而實現智能搬運，提高工作效率。

1 系統總體設計

該小車主要由機械結構、硬件控制電路、程序控制系統組成[1]。我們首先設計小車整體機械結構，選用合適的底盤和電機搭建小車框架，預留載物臺和相應傳感器位置。硬件控制電路主要由STM32最小系統、降壓電路、驅動電路、紅外循跡電路、傳感器轉接電路等組成，各傳感器模塊通過預留接口與主電路連接，將采集后的數據傳送給主控制器STM32單片機最小系統，主控制器經過數據處理后，進一步控制各執行機構，實現相應功能。程序控制系統主要由STM32單片機及外圍電路構成，通過單片機進行數據處理和算法控制，進而控制小車完成相應任務。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 機械結構設計

機械手主要用于抓取和握緊物料。由于物料的形狀、尺寸、重量均具有不確定性，所以需要設計能抓取多種類型物料的鉗形手抓。鉗形手抓松開和夾緊物料，是通過指的張開與閉合來實現[2]。傳動機構采用回轉型傳動機構，用其中一個舵機來控制鉗形指的張合，用另外一個舵機控制連桿實現機械手在特定平面內自由運動。

3 硬件電路設計

3.1 主控電路

我們考慮到搬運機器人的工作環境以及功能需求，主控制器選用STM32F103RCT6單片機、CH340下載芯片、MPU6050陀螺儀，采用雙面板設計，減小了PCB板材的體積，集成度高。

3.2 降壓電路

小車采用12 V鋰電池供電，單片機工作電壓為3.3 V，大多數傳感器和機械臂工作電壓為5 V，因此采用LM2596-5降壓芯片，將12 V直流電先降至5 V供傳感器、顯示屏和機械臂使用，再經過AMS1117-3.3降壓芯片將5 V降至3.3 V供給單片機使用。降壓電路如圖2所示。

圖2 LM2596-5降壓電路

3.3 紅外循跡電路

小車在場地內行走和轉向主要靠底部紅外循跡電路，我們選用反射式紅外發射管和接收管，由于紅外光波長比可見光長，因此受可見光的影響比較小[3]。小車最大的創新在于對紅外循跡電路的改動，在實際操作過程中循跡裝置容易受室內燈光和陽光的干擾，我們在循跡裝置下方添加了一個遮光罩，降低外部光線對循跡模塊的干擾。循跡板也將原有的十字型八路紅外改為了十字型二十四路紅外，極大提高了小車行進的精準性，循跡裝置還能通過對黑線的識別與記錄，確定自身所在位置進而確定下一步操作。循跡板與遮光罩之間采用軟連接，在隔絕雜光的同時，又減小了外罩與地面的摩擦，保證了小車的行走精度。紅外循跡傳感器布局如圖3所示。

圖3 紅外循跡傳感器布局

3.4 外圍傳感器電路

小車搭載的傳感器為攝像頭模塊、顏色識別傳感器和超聲波避障傳感器。外圍傳感器接口如圖4所示。

圖4 外圍傳感器接口

（1）領取工作任務：攝像頭掃描二維碼獲取任務信息。我們選用QT660掃描器，該掃描器集成度高，掃碼速度快，識別率高，采用串口通信方便讀取數據。掃描器將采集的二維碼數據通過串口發送給單片機進行數據處理。

（2）區分物料顏色：我們選用APDS-9960顏色傳感器進行顏色識別，APDS-9960是一款集成ALS、紅外LED和光學模塊的環境亮度傳感器，能夠進行環境光顏色測量，得到最終RGB值，通過I2C方式與單片機通信，經程序處理后得出相應顏色。

（3）躲避障礙物：我們選用HC-SR04超聲波模塊，通過串口與單片機通信，可以檢測一定范圍內障礙物的距離，進而有效躲避障礙物。

4 程序設計

小車使用4個直流電機提供驅動力，通過STM32單片機控制電機的正反轉和啟停，實現小車前后左右4個方向的行走以及停車功能[4]。根據光電傳感器在黑色引導線和白色跑道上的反射率不同，采用紅外光電傳感器對路徑進行識別，將檢測信號送給單片機，通過PID控制實現小車速度的閉環控制，實時修正電機的PWM占空比，使小車能夠穩定沿著黑色引導線自主運動。

小車啟動后從發車區自主循跡向前移動，當到達二維碼識別區域后，掃描二維碼領取任務。機械手搭載的顏色識別傳感器識別物料顏色，如果符合任務1，就抓取當前物料，否則根據算法計算出任務1應該抓取的物料。完成任務1后，根據程序分別完成任務2和任務3。小車把物料從原料區先搬運到加工區再搬運到成品區，完成任務后返回出發點[5-8]。系統軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程

5 結 語

本文設計了一款基于多傳感器的智能物料搬運小車，其搭載紅外循跡、顏色識別、超聲波避障、攝像頭等傳感器收集相應數據，經過單片機算法處理后實現小車自主循跡、機械手抓取、數據顯示等功能。小車獲取任務信息，自主完成物料抓取、搬運、擺放、回位等任務，經過多次場地測試，其能夠準確高效的完成設定任務。我相信經過后期的不斷改進和優化，該智能物料搬運小車也能逐步應用到實際的生產生活中，為智能物流、智能倉儲和智能制造的發展貢獻力量[9-10]。