民航維修工具智能取送車設計

曾 亮，徐伊可，郭宗龍，張延幸，劉元杭，郭洪巖，2*，馬國利，2

（1.濱州學院 航空工程學院，山東 濱州 256600；2.山東省航空材料與器件工程技術研究中心，山東 濱州 256600）

根據近幾年的交通運輸行業發展統計公報統計數據可以發現，民航飛機出行的靈活性雖然比不上陸地交通工具，但因其速度快、路程時間短，使人們感受到的疲憊感很大程度上的降低，所以每年客機的客流量非常巨大，民航飛機的維修工具還有各種物資的種類和數量也是成倍的增加。目前為止，民航物資的運輸搬運主要依靠人力，而且地勤人員的搬運方式各種各樣，沒有一種簡單便捷的運輸方式。航空物資不僅種類多，而且數量巨大。因此本設計對于物資的分揀系統具有十分重要的意義。況且機場每天的航班出入量也逐漸增加，地勤人員在搬運物資的時候往往會混淆飛機型號，導致出現錯搬錯運的現象，這必然會浪費地勤人員的工作時間，影響效率，也會對航空公司的效益產生影響。

為方便機務人員借用維修工具，特研制了一款民航維修工具智能取送車，采用微信小程序+智能搬運小車的方案實現本設計的功能。

1 硬件組成與核心模塊介紹

本設計主要由智能搬運車和上位機控制程序組成。主體車身底部車輪采用麥克納姆輪[1]，利用直流伺服電機[2]調節電源電壓有調速平滑性好、穩定性好的特點，在狹小且多變的環境通過TB6612FNG 電機驅動模塊的使能引腳輸入PWM 波，改變占空比使小車自由運行，依靠紅外模塊檢測距離，實現精準避障，全方面移動。無線模塊采用ZigBee 無線串口收發模塊，利用無線傳輸技術[3]，進行點對點的實時數據傳送，實現串口的雙向同步收發。ATK-S1216F8-BD 雙定位模塊，該模塊采用S1216F8-BD 模組，體積小、性能優越，實現對小車的精準定位。智能搬運車的主控芯片為STM32F407，該芯片體積小、質量輕及功能強大。檢測模塊采用OpenMV4H7 攝像頭模塊對實景進行數據采集。本設計使用由DS3225MG 舵機所組成的四自由度機械臂，利用16 路舵機控制器直接驅動舵機機構，減少在底層舵機驅動上消耗的時間，優化舵機的控制。系統硬件整體設計如圖1 所示。

圖1 系統硬件整體設計圖

1.1 攝像頭模塊

物體檢測是智能搬運車感知的核心功能，要求對不同的物體設計不同的算法，去準確檢測出所需要的航空物資。物體檢測要求實時準確地完成單幀的物資檢測，并借助傳感器內外參標定轉換矩陣，將檢測結果映射到統一的車身坐標系或世界坐標系中。本設計采用的是OpenMV4H7 攝像頭模塊，如圖2 所示。該模塊具有高靈敏度、高像素及低電壓等優點，適合嵌入式應用開發。且此模塊具有多種自動控制功能，例如：支持自動增益控制、自動白平衡等，能夠在多個不同場所情境下精準實現物體識別任務。其自帶嵌入式微處理器，搭配OpenMV IDE 平臺的開源庫函數和資料包，能夠較容易地開發，很適合機場需要運輸各種種類物資的工作。

圖2 OpenMV4H7 攝像頭模塊

1.2 舵機

DS3225MG 舵機是一種用于對產品進行一定角度定位的驅動馬達，如圖3 所示。不同于一般的DC 馬達，此舵機可以在0～180°的范圍內自由轉動，適合于要求特殊角度的控制系統。這種舵機有著非常簡單的構造，其由直流電機、傳感器、減速齒輪和控制電路組成，是一套自動控制系統裝置，具有結構簡單、效率高和成本低的優勢。對于舵機的位置檢測就是靠輸入傳感器，當舵機的轉動一發生轉變，檢測器的電阻也會發生改變，通過控制電路讀取電阻值的大小，就能自動根據電阻值調整電機的速度和方向，使舵機發生特定角度的旋轉，能夠很好地適用機場物資搬運的任務。DS3225MG 舵機主要參數見表1。

圖3 DS3225MG 舵機

表1 DS3225MG 舵機主要參數

1.3 無線模塊

無線模塊主要應用于遠程控制領域，本設計采用ZigBee 無線串口收發模塊，如圖4 所示。其具有良好的與外界互通信盧的穩定性和性能。采用基于ZigBee 技術的無線傳感器網絡能夠實現智能搬運車上對信盧的實時采集。ZigBee 是一種低速近距離內信盧實時傳輸的無線傳輸技術，相比傳統的藍牙技術具有通信距離遠、傳輸速率快、功耗低、連接設備能力強、安全性高和和組網能力強的特點。也是一種復雜度低、使用更加方便及成本更低的近距離無線網絡遠程控制技術。Zig－Bee 的無線串口傳輸和接收模塊可以通過無線方式將2 個以上的無線串行模塊進行連接。通過驗證，本系統可以實現點對點的數據傳送，并且可以達到0.05%的失信率。此模塊可實現串行不中斷的傳輸，并能實現串口的雙向同步收發，傳輸速度為3 300 KB/s。

圖4 ZigBee 無線模塊

2 系統硬件設計

2.1 串口通信設計

在進行無線功能開發時，通常情況下，都會選用無線通訊模塊，這一模塊的主要功能是設定無線通信接口和無線通信協議。在無線接口配置的時候，首先要確定頻率、速率、帶寬及調制方法等參數。要對無線通信的模塊端口進行時鐘使能然后復位，設置終端的功能模式，并對其參數進行初始化，最終完成端口中斷功能的處理。串口通信過程如圖5 所示（其中RXD 為接收數據的引腳，TXD 為發送數據的引腳）。

圖5 串口通信過程

2.2 驅動系統設計

要想實現對小車的速度、方向控制，就要對TB6612FNG 電機驅動模塊的使能引腳輸入PWM 波，改變占空比的大小便可以調節小車運動狀態。小車驅動系統主要是配置單片機與電機之間的連接，只需要對單片機的特定端口設置推挽輸出模式便可實現相應的功能。要完成小車的運動，需要電機兩端產生高低電平差，這樣電機就能實現運轉。電機驅動流程圖如圖6 所示。

圖6 電機驅動流程圖

2.3 機械臂設計

智能車的機械臂需要由舵機控制器來控制完成，通過串口通信的方式進行控制指令的傳達，機械臂就可根據各個舵機的轉動實現各種動作。舵機控制器通過調整PWM 波的占空比，改變脈寬的時間來控制機械臂上舵機的運轉方向[4]。與此同時要注意的一點是，舵機控制器接收到的指令是由主控芯片所發送的控制信號的PWM波的時間參數，舵機控制器只能接收十六進制的數據格式，所以主控芯片也需要將控制指令數據格式轉為十六進制。機械臂控制設計圖如圖7 所示。

圖7 機械臂控制設計圖

2.4 攝像頭模塊設計

智能搬運車通過STM32F407 單片機+OpenMV H7 攝像頭模塊，上位機通過按鍵控制攝像頭模塊采集照片，并依靠串口將照片發送給上位機。上位機采集照片將圖片數據處理之后，與數據庫相對比，當識別返回數據后，上位機對返回數據進行解析提取，最后將識別結果顯示出來。攝像頭模塊流程圖如圖8 所示。

圖8 攝像頭模塊流程圖

3 上位機軟件設計

HBuilder 是DCloud（數字天堂）推出的一款支持HTML5 編程語言的Web 開發APP 軟件。該軟件輕巧、極速，C++架構，啟動速度、編碼提示響應極快。有強大的語法提示，語法提示精準、全面、細致，轉到定義和重構完善等特點。

通過手機進入軟件后，在主界面顯示物資分類、物資選取及手冊和個人中心。在物資選取界面內能夠選擇所要搬運的物資，然后在個人中心提交命令，指令就會傳遞給搬運小車進行搬運任務。上位機操作流程圖如圖9 所示。

圖9 上位機操作流程圖

4 結束語

本設計結合實際生活現狀，通過翻閱大量相關文獻對當前民航物資搬運工作做出深入分析，發掘出當前機場物資搬運現狀的不足，并設計了一款基于單片機的航空物資智能搬運車系統，充實了當前智能車在機場中的應用，也減少了不必要的人力資源的消耗。本設計分為硬件設計和軟件設計2 部分，把物聯網和互聯網相互結合，具有很高的創新性和實用性[5]。本設計相比較傳統的人力物資運輸，能夠更高效、更精準地完成工作，通過上位機發出指令到智能搬運車，搬運車前往指定地點并通過攝像頭識別所需物資，最后通過導航模塊到達目的地，在完成任務后進入待機狀態。本設計既能提高地勤人員工作效率，減少不必要的勞動力流失，又能提高民航效益，促進民航業的發展。