智能物流车设计

PAGE40PAGE智能物流车摘要在科学技术与经济不断发展的时代，企业对生产资料的需求和产品行销范围日益扩大。物流在社会生产，商品流通和运营管理中也起着越来越重要的作用。在这种背景下，智能物流是工业4.0必不可少的核心组成部分。智能物流作为当前连接供求关系的重要环节，也是未来建设智能工厂和智能生产的基石，立即引发了中国物流业中新的探索之风。本系统以STM32F103RCT6单片机作为主控制芯片，通过TCRT5000红外光电传感器读取轨迹信息，经单片机处理后，通过编码器进行精确调速；利用BTS7960模块控制电机运行，使小车进行循迹。采用了GM65条码扫描模块读取条码，配合舵机控制的机械臂装置来抓取物料。另外设计了与APP相结合的蓝牙无线传输部分，将各部分运行时间与总时间同步上传至智能手机。屏幕可显示小车各运行状态的情况，并通过MP3-TF-16P语音模块进行播报。电动机转速的变化应根据不同的时间跟踪参数编写相应的适当算法。测试数据时，应准确并分析数据变化是线性还是非线性以及确定算法的适用范围和固定值的设置。如果系统受到的干扰很小，需要研究如何使算法自动调整系统，使系统在最短的时间内恢复正常状态。关键词：单片机；循迹；PID；电机驱动器ABSTRACTIntheeraofcontinuousdevelopmentofscienceandtechnologyandeconomy,thedemandformeansofproductionandthescopeofproductmarketingofenterprisesareexpandingdaybyday.Logisticsalsoplaysanincreasinglyimportantroleinsocialproduction,commoditycirculationandoperationmanagement.Underthisbackground,intelligentlogisticsisanindispensablecorecomponentofindustry4.0.Asanimportantlinkconnectingsupplyandconsumptionatpresent,andalsothecornerstoneofbuildingintelligentfactoriesandintelligentproductioninthefuture,intelligentlogisticsimmediatelytriggeredanewexplorationwindinChina'slogisticsindustry.Thissystemusesstm32f103rct6asthemaincontrolchip,readsthetrackinformationthroughtcrt5000infraredphotoelectricsensor,processesitbyMCU,andadjuststhespeedaccuratelybyencoder;usesbts7960moduletocontrolthemotoroperation,sothatthecarcantrace.Gm65barcodescanningmoduleisusedtoreadthebarcode,andthemechanicalarmcontrolledbythesteeringgearisusedtograbthematerial.Inaddition,theBluetoothwirelesstransmissionpartcombinedwithappisdesignedtouploadtherunningtimeandtotaltimeofeachparttothesmartphonesynchronously.Thescreencandisplaytheoperationstatusofthecar,andbroadcastthroughmp3-tf-16pvoicemodule.Thechangeofmotorspeedshouldbebasedondifferenttimetrackingparameters.Whentestingthedata,itisnecessarytoaccuratelyanalyzewhetherthedatachangeislinearornon-linear,anddeterminetheapplicablerangeandfixedvaluesettingofthealgorithm.Iftheinterferenceofthesystemisverysmall,weneedtostudyhowtomakethealgorithmautomaticallyadjustthesystem,sothatthesystemcanreturntonormalstateintheshortesttime.Keywords：Microcontroller;Trace;PID;Motordriver目录摘要 IABSTRACT II目录 III第1章绪论 11.1课题背景及研究的意义 1.1.1课题背景 11.1.2课题研究的意义 11.2课题背景及研究的意义 21.2.1智能物流车在国外的现状 21.2.2智能物流车在国内的现状 41.2.3智能物流的发展 51.3本文完成的主要工作 5第2章系统理论分析及计算 72.1控制算法理论分析 72.2控制算法应用分析 72.2.1位置式PID算法 72.2.2增量式PID算法 82.3本章小结 9第3章物流车控制系统方案 103.1系统总体方案设计 103.2主控板模块的论证与选择 103.3电机驱动模块的论证与选择 113.4循迹模块的选择与论证 113.5显示模块的选择与论证 113.6本章小结 12第4章系统机械结构设计与实现 134.1底板设计 4.2模块布局 4.3机械臂与机械爪 154.4路径设计图 164.5本章小结 17第5章软件及硬件设计 185.1系统程序流程图 185.2TCRT5000循迹子系统设计 195.3电机驱动模块电路及其程序设计 225.4显示屏的电路设计与程序 245.5本章小结 24第6章系统测试数据 256.1数据记录 256.2本章小结 26结论 27参考文献 29致谢 31附录 32第1章绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1课题背景随着控制理论的更新和人们日常生活的需求，从家用电器到航空航天，无处不在的自动控制技术应运而生。本设计是完成对带有受控对象的自动控制系统研究的一部分。控制系统可归类为自动控制系统的研究范围。研究自动控制系统有利于将人们从复杂，危险，繁琐的工作环境中摆脱出来，使控制效率大大提高。自动控制属于工程学分类，它利用反馈原理影响系统的动态变化，从而使输出值接近实际需要的值。如果站在方法论的角度，它是建立在数学的理论基础之上。如今我们研究的自动控制的隶属于控制论。控制论在20世纪中叶出现，基本结论由NorbertWiener和鲁道夫·卡尔曼（RudolphCalman）提出。研究控制理论的人员将控制系统作为研究对象，并希望开发新的控制方法，以应用于航空航天等更多高科技领域。1.1.2课题研究的意义自动化物流系统是指在一定的时间和空间内具有特定功能的有机整体，由几个相互制约的动态要素组成，例如要运输的物料和存储设施，相关设备及其输送工具，人员和其他通讯链接[1]。自动化物流系统可分为自动输送机系统，智能物流车系统（自动导引车），自动化仓库，智能控制系统和计算机管理系统。这将大大降低物流系统的复杂程度，并形成面向不同对象的物流中心。每个中心包括几个缓冲站，智能物流车和为其提供服务的自动立体仓库。每个物流中心的独立运作可以通过上级组织之间的协作与协作来实现完成复杂的物流运输任务的目标[2]。智能物流车（Auto-guidedTransportVehicle）作为能够实现物流仓库自动化的自动化智能搬运工具，在现代物流运输系统和柔性生产系统中起到关键的作用。智能物流车已在中国许多行业得到广泛应用，与传统的仓库和工厂相比，需要大量的劳动力来进行货物的处理，效率低下并且经常犯错误。仓库的货物选择是一个突出的关键问题，这反映在货物的存放地点，影响仓储的货物数量，重量等，这对机器和人员都是一个挑战[3]。运用智能物流车控制系统之后，自动引导车（智能物流车）降低了劳动力成本，提高了效率，还使生产环境和制造企业和物流装卸行业的工作环境更安全并降低了成本。自助式智能物流车依靠障碍识别能力的不断提高来实现智能物流车的正常运行。通过任务分配，车辆管理，交通管理和通信管理，在智能物流车系统中实现了几种智能物流车的现场控制[4]。当前，中国物流系统的发展十分迅速，企业面对未来人工成本不断提高的解决方案是提高生产自动化水平。智能物流车作为一种具有高度灵活性的自动化运输设备，具有巨大的发展潜力。未来的发展潜力和市场需求空间。由于烟草，化工，制药，汽车等行业的物流量大，发展速度快，在生产和运输物流的过程中，需要更高程度的自动化。通过探索智能物流车的导航技术和路径规划，我们可以了解物流自动化立体仓库的有效运行，这对于进一步学习智能物流车系统的任务调度将起到重要的指导作用。各种约束都有一定的不确定性智能物流车辆在实际应用中虽然存在局限性和未知性，但为自动化物流技术的应用提供了足够的动力。智能物流车辆可以看成一种自动移动机器人，属于轮式机器人，具有承重能力，还可以自动处理货物。在地面控制系统的统一调度下，根据给定的出发地和目的地，在没有人工干预的情况下，通过避开障碍物并自动安全地到达指定目标，实现物料自动转移。移动机器人在机器人学中占有重要地位，自主移动机器人作为机器人中的最为智能的一类，将是移动机器人未来的重要发展方向，自主移动机器人具有很高的自计划，自组织和自适应能力，可以有目的地进行移动和移动。无需人工干预，没有任何法规或要求即可完成相应的任务[5]。1.2课题研究现状综述1.2.1智能物流车在国外的现状1913年，福特汽车公司首次在底盘的装配线上用有轨引导的自动车取代了传统的输送机。1950年代，巴雷特电子公司成功开发了世界上第一款智能物流车，作为第二种牵引车系统，英国W.GreyWalter的“ELSIE”智能物流车在1950年代开发。它使用光敏元件作为智能物流车辆的引导传感器。从那时起，许多国家都开发了类似的自主移动机器人，例如法国开发的Hilare，日本筑波大学开发的Yamabiko，美国开发的MELDOG，德国卡尔斯鲁厄大学开发的KAMRO和FMC开发的移动机器人。（加利福尼亚州圣何塞）灵活且具有避障能力。这款智能物流车的广泛应用涵盖了所有行业，尤其​​是欧洲和美国。在欧洲，100000欧元可以购买可以工作的激光制导后叉智能物流车一天24小时的工作时间，相当于普通工人的三班制。换句话说，欧洲国家只需一年就可以购买智能物流工具来收回投资，这也使投资者免于升职，加薪，智能物流车辆应用的目的是控制人工成本的变量，其次是要求企业管理和货物安全，因此欧美国家对智能物流车的需求仍然很大，对于日本来说，欧美智能物流车的发展已经大不相同了。侧重于追求智能物流车更多的自动化，人性化和智能化，强调用车需要很少的人工参与，智能物流车的路径规划和生产过程功能需要改进。该技术是先进的，复杂的且可变的。智能物流车可以采用模块化设计，以达到降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美国家自愿放弃了对智能物流车外观设计的追求，采用集体组装的形式来生产大型零部件。欧美许多国家/地区生产的带导游小车覆盖范围广，使用的产品功能广泛，驾驶方式多样化且差异很大。根据不同行业的不同需求进行调整，负载从50公斤到60吨不等。目前，一些智能物流车可承受150吨的重物，并配备16个驱动轮。最高时速可达5m/s（18km/h）。在欧美国家，第三代智能物流车的开发速度可达到50km/h或更高。日本大部分地区都使用简单的智能物流车技术（也称为AGC自动导引车）在日本开发的智能物流车与日本车一样，追求简单但功能可以满足需求并且相对便宜，这种类型的智能物流车在日本和台湾非常受欢迎。特别发达的基础产业。制造商能够为智能物流车选择几乎不再简化的功能组件，从而使智能物流车的生产成本尽可能低，几乎没有空间。如今，智能物流车技术在中国已得到广泛应用，有些日本的企业也大量使用它。日本的智能物流车通常是单路径，固定过程，结合简单的生产应用程序进行处理，但过分注重自动装卸功能；磁带引导模式成为引导中的关键技术[6]。在中国，越来越多的企业从事智能物流车辆和AGC。许多企业瞄准智能物流车产品市场并挖掘其未来潜力。随着中国各行业对自动化生产，运输和仓储的需求，压力逐渐形成，这将增加对智能物流车系统的需求并形成滚雪球。中国的计划生育始于1979年。自政策实施以来，人口规模发生了显着变化[7-8]。如今“421”结构在城市中如雨后春笋般冒出来。越来越多的家庭结构由2位老人，1对夫妇和1个孩子组成。不可避免的是，越来越多的家庭支柱是年轻夫妇。社会的支柱和培养继任者的压力是可以理解的。结果是家庭和社会的负担似乎沉重。因此，劳动力短缺已经使我们担心未来的劳动力成本。企业转型是提高有效生产率的有效途径。需要通过提高生产自动化程度来节省高昂的人工成本。目前，具有高度灵活性的智能物流车是一种自动化的运输设备，在未来将具有独特的优势。用户对智能物流车的需求是因此，智能物流车和AGC在未来有广阔的发展空间。企业生产管理水平，物流管理能力和工艺路线指导车的发展将更加注重与技术的结合，追求更高的效率和更多的人性化。智能物流车辆混合动力使用更大的承载能力和多样化的指导形式；不限于电驱动形式，例如引擎+液压伺服；供电方式采用CPS，自动电池，车载充电器等，目的是使智能物流车企业对设备进行简单处理，提高对工艺设备和产品质量的要求，实现MES系统适用于企业的整体考虑中[9]。1.2.1智能物流车在国内的现状1976年，北京起重机械研究所研制出了我国第一台智能物流车。随后清华大学、中国科学院沈阳自动化研究所、大连组合机床研究所、国防科技大学和南京理工大学等都在进行着对智能物流车相关技术的针对性研究，并且形成多品种、多类型的智能物流车逐渐投入生产并批量产出。90年代，吉林大学还专门成立了以视觉导向为基础的智能物流车研发中心，对视觉导航智能物流车相关技术进行主要研究[10-11]。近年来，国内涌现出了大量智能物流车厂家发展机器人技术，如深圳佳顺伟业科技有限公司、昆明船舶设备集团有限公司、新松机器人自动化股份有限公司、广州井源机电设备有限公司等。其中作为“机器人国家工程研究中心”是新松机器人自动化股份有限公司、“国家863计划智能机器人主题产业化基地”和科技部命名的“国家高技术研究发展计划成果产业化基地”，智能物流车基础性技术研究早在20世纪70年代末80年代初就启动了，直到1991年才真正走向市场。从2007年开始，新松智能物流车拥有自主产权的系列产品，不断拓展国外市场，为国产机器人的出口开创了先河。新松智能物流车产品使公司的发展已经走上了产业化的道路，成为唯一具有智能物流车自主知识产权的高技术企业，在国内智能物流车市场占据70%以上的份额。主要应用于食品饮品、图书出版、纺织、汽车制造、机械加工、电子、造纸、医药、卷烟等行业[12-13]。1.2.3智能物流的发展与传统物流的单一环节不同，现代物流中的物流管理主要基于对物流信息的获取，处理和跟踪，以实现物流过程的动态控制，并运用了物流系统的思想和方法。通过实施合理有效的计划，组织，协调和控制物流活动的业务水平，信息化可以降低物流成本并改善物流服务。物流管理的目标是追求物流系统​​的整体优化，因此物流管理的过程不仅包括采购，销售，仓储和运输等物流活动的信息管理和信息传递，还包括对物流活动的决策支持。决策活动（例如采购计划，销售计划，供应商选择，客户分析等）。物流信息管理不仅可以通过计算机技术对物流数据进行收集和分析，从而做出最佳的购买，销售和仓储决策，而且可以充分利用企业内部和内部的优势，帮助企业实现这些物流管理目标。外部资源减少成本，提高生产力，增强竞争力等。物流信息化建设虽然存在一些技术和政策问题需要解决，但从物流信息化的未来发展趋势可以看出，物流行业和政府部门逐步加大了对物流信息化投资的比重，积极探索先进物流技术的开发与应用，并相继发布了物流信息化的政策规划。企业应将其业务需求和企业定位与物流信息技术紧密结合起来，并实施到日常运营管理中，及时控制物流信息建设的运作模式和发展方向，采用科学的决策方法选择软件开发商，建立合作和竞争优势。行业组织，以提高企业对物流信息的响应速度和资源的利用水平，确保物流企业的持续稳定发展。1.3本文完成的主要工作本文主要从单一智能物流车辆的运动模型分析，环境图构建，全局路径搜索和路径规划等方面研究了自动化物流运输中的单个智能物流车辆系统。同时，作为路径规划的前提，导航定位和环境建模是研究的关键部分。本文的主要内容和结构如下：第一章：绪论。在阅读大量文献的前提下，介绍了智能物流车辆系统在国内外的发展历史和现状，以及智能物流车辆在自动物流运输中的应用与发展。第二章：控制系统方案。本章介绍了本车使用元器件过程中的论证与选择过程，建立了整体的控制流程图，整理了整车的主要控制方案思路。第三章：程序与算法方案。控制工程的核心算法在于PID的合理应用，本章简要介绍了本文中使用PID算法的思路，为程序部分打下了基础。第四章：机械结构设计。本章介绍了本车在机械设计中的思路，以及整体结构的搭建，为后续的运动学模型的建立铺平了道路，重点介绍了实现智能物流车的关键技术点。第五章：本章为全文的核心章节，在选取了合适的元器件后，如何将软硬件进行合理地结合是实现小车正常运行的关键。首先对主要元器件进行了仿真，研究了各接口的位置，并编写了相应的程序，再将程序合理地串联起来，形成完整的控制路径。第六章：智能物流车辆系统的实际调试与运行。将整个任务流程进行分割，多次测试并进行数据记录，以检测程序上的不合理性并对其加以修正。第2章系统理论分析及计算2.1控制算法理论分析系统采用PID算法控制电动机的旋转速度，当电动机开始工作时，编码器收集当前的摆动状态并将其与先前的状态进行比较以逐渐稳定轿厢运动。增量PID算法由的值组成汽车驱动系统在不同时间，不同条件下的旋转角度，以及比例，积分和差异。电机转角比例P：调整电机转角比例，比例越大调整越快，但不能太大。角度误差积分I：使系统更加精确。增加积分调节会降低系统的稳定性并减慢动态响应。因为风摆系统的要求是更快速，稳定地完成对改造系统的控制因此，对风摆系统进行整体调整的必要性不是那么重要，这是为了确保在不需要时不影响系统。角度微分D：微分作用可以实时反映风速系统摆动位置的变化率，即角速度。由于一定程度的可预测性，预测的偏差变化趋势可以导致先进的控制，因此，可以改善系统的动态性能。微分调节的目的是通过为微分时间选择合适的时间来减少调节时间[16]。对于智能物流车系统，系统误差是给定值与姿态角实时反馈之间的差值。系统通过占空比PWM调速系统计算出的输出可调节直流电机的速度。通过单片机的处理直接作用于被控对象上，最终达到控制效果。此过程中控制质量的关键在于增量PID控制算法中的比例系数，积分时间和微分时间的设定[17]。2.2控制算法应用分析对于本设计我们采用的是PID数字式算法。数字式PID控制算法主要有位置式PID和增量式PID两大类型。2.2.1位置式PID算法用矩形积分时有：(2-1)用差分代替微分：(2-2)PID控制器：(2-3)将上述三式整合即为PID位置算法：(2-4)其中，系统应增加的输出；为比例系数；积分时间；微分时间；第次采样的误差；第次采样的误差；第次采样的误差；上式中的结论是数字PID的非递归形式，其被称为全量算法。该算法导出控制量的全部输出，其是控制量的绝对值。所以这个算法被称为PID位置控制[18]。2.2.2增量式PID算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用到PID增量式算法。由位置算法求出：(2-5)再求出：(2-6)2.3本章小结本章简要介绍了控制算法。不难发现数字PID算法可以满足大多数控制要求，并使风摆系统更快，更稳定地完成相应的轨迹。在本系统中，我使用的数字增量PID算法方便，易懂，快速，具有良好的动态运行效果，对于受控系统来说是非常合理的。物流车控制系统方案3.1系统总体方案设计控制器使用单片机作为整个系统的控制核心，并使用显示模块设置系统功能并观察整个系统的输入和输出值的变化。编码器用于实时检测当前速度，以便系统可以根据当前角度将执行命令发送到功率设备。对于整个功率设备，使用四个直流电动机，这也是系统中的受控对象，系统结构如图3-1所示。图3-1系统结构图3.2主控板模块的论证与选择方案一：STC89C52微控制器。STC89C52具有功耗低、计算速度快、抗干扰能力强等特点。该芯片包含8k空间闪存只读内存、256字节的随机访问数据存储器、32个I/O端口和2个16位程序计时器计数器。该指令系统与传统的8051系列单芯片指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度。然而，由于其运行速度慢，I/O端口功能少，不能满足设计要求。方案二：AVR单片机。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。但是指令系统复杂，位操作不方便。方案三：STM32单片机。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex®-M0，M0+，M3,M4和M7内核。拥有最多112个的快速I/O端口，最多11个定时器以及最多13个通信接口，运行速度快，处理能力强，可使用更多的传感器。综合以上三种方案，选择方案三：STM32单片机。3.3电机驱动模块的论证与选择方案一：L298N驱动器芯片。L298N芯片是一种更常用的电机驱动芯片。该芯片具有两个TTL/CMOS兼容的输入电平，具有良好的抗干扰性能，信号可由单芯片I/O端口提供，电路简单，使用方便，稳定，但过载电流小，行驶速度相对较慢。方案二：BTS7960驱动器芯片。H-bridge驱动电路由双BTS7960组成，可在极端条件下达到43A超大电流输出，封装散热能力强，摆摆率高，驱动和制动效果强，过压保护降低故障率。所以基于上述理论分析和实际情况，电机驱动模块选用方案二：BTS7960驱动芯片。3.4循迹模块的选择与论证方案一：TCRT5000模块。TCRT5000红外光电传感器是红外反射光电开关。该传感器由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。输出信号由施密特电路形成，该电路稳定可靠，价格便宜。方案二：RPR-220模块。RPR-220是一种集成的反射光探测器。发射机是一种砷化红外发光二极管，接收器是高灵敏度硅平面光晶体管。内置的可见光滤光片可以减少离散光的影响，但价格较高。由于本题需要使用较多循迹模块，方案一性能已满足要求。综合以上两种方案，选择方案一。3.5显示模块的选择与论证当我们调试和监视控制系统时，显示模块的存在是必不可少的。正确的显示模块将使调试过程特别顺畅，方便，并有利于必要的说明。方案一：使用TFT触摸屏，显示器信息量大，可以处理彩色图像，分辨率高，可以串联和并联使用。但是，由于复杂的程序调试，并行模式下占用更多的模型，更多的资源以及昂贵的串行屏幕，因此这不是最佳解决方案。方案二：使用1602液晶。1602LCD尺寸小且易于插入；但是，它显示的信息量比其他LCD少，并且没有中文字体库。方案三：使用12864液晶。该液晶显示器信息量大，中文字体库，字迹清晰美观；它更适合菜单显示，使我们的控制系统更直观。此外，该显示可以串行模式工作，需要一条时钟线，一条数据线和两条电源线，以节省更多的I/O端口和资源。考虑到上面的讨论和该设计的应用，我将LCD12864显示屏用作显示设备。3.6本章小结在本章中，我们选择了系统中使用的设备。不难发现，单片机，电机驱动器，循迹模块和显示屏可以起到很好的作用。单片机内部资源丰富，可以满足所有要求。编码器具有很高的精度。它可以准确地测量旋转角度。驱动器的电源电压和电流非常大，可以满足主题的要求，这是本设计中选择器件的问题。第4章系统机械结构设计与实现4.1底板设计物流车的底板采用亚克力板材料，这种材料易于加工，并且在保持强度的同时具有良好的韧性。最重要的是使车身尽可能轻，以延长电池寿命。亚克力板材料恰恰符合条件，它的结构均是在激光切割机上切割而成，系统结构示意图如图4-1所示。其中之一是转向齿轮槽，将转向齿轮的齿轮端向上固定。舵体积的2/3可以隐藏在底板下方。在确保稳定性的同时为其他模块节省了空间；2是车轮的凹槽。这种设计允许将两个轮子嵌入底板中，从而最大程度地增大底板的面积。它还在前后结合了一对通用球体，形成了十字形结构，确保了身体的光滑度。也就是说，满功率要求也减轻了车辆的重量；3是M6通孔，其功能是将机械臂的旋转轴固定在物流车辆的底板上;4是方孔，可让引线从下方穿过。避免了故障并改善了车辆的美学外观；5是M3通孔。每个零件都通过螺柱和螺母安装在底板上。图4-1底板设计图4.2模块布局每个模块的布局是否合理直接决定了物流车辆的空间利用率，空间利用率是否合理也直接决定了物料的利用率，从而影响了整车的成本。同时，也提高了物流车辆的外观水平。根据运动，模块的形状和尺寸进行布局。物流车辆前方有4个间距为2cm的循迹传感器。侧面有一个颜色传感器确定后勤车辆的停车位置，底板的左后方保留传感器模块的位置，机械臂的安装位置。因此，它安装在物流车辆的右前方。将主要电源的位置保留在与传感器对称的右后方。固定在物流车辆的底板上，二维码扫描模块放置在专用夹具上，并用控制机械爪固定在转向器上，因此扫描灵活，然后是最重要的控制板，扩展板和两个减压板通过36mm的铜柱组合在一起，形成上下三层，便于调节。由于电池占了重量的很大一部分，因此请在底板下方用专用夹具固定电池。此时，所有主要模块均具有合理的安装位置，并且物流车的尺寸，重量，外观和成本均处于最佳水平。摆放示意图如图4-2，4-3所示。图4-2主控制板示意图图4-3驱动板接线示意图4.3机械臂与机械爪考虑到物流车辆的总体成本和结构的复杂性，物流车辆采用了MK2机械臂的抓持方法。机械臂的整体结构通过螺栓和螺母固定在底座上，旋转轴通过M6螺纹固定在基板上3的位置，两个MG995转向器通过机械臂的两侧固定。螺栓和螺母来控制机械臂的膨胀。MK2机械臂的结构非常简单。当使用3D打印制作机械臂的零件时，组装和调试过程将很容易。机械臂部分是车辆的最大结构。使用ABS塑料进行3D打印可以有效地减轻物流车辆的重量并延长使用寿命。机械爪是独立设计和加工的。首先，应设计一个用于使机械爪张开的转向齿轮槽，并与机械臂紧密连接。转向器和机械臂的槽通过嵌入和螺栓固定。两端留有螺丝孔，用于将转向器固定在转向器槽上。这部分也是通过3D打印制成的，然后是爪的设计，这是一个由铜柱连接的两层结构，考虑了可以通过激光切割直接从板上加工爪子。机械爪摆放示意图如图4-3所示。图4-4机械爪安装图4.4场地路径图仓储作业场地示意图如图4-5所示，其边界2440*2440mm，设置起点、窄桥、上货区、减速带、卸货区、终点、环形轨迹线和引导线等。窄桥（包括上货区）、减速带和卸货区分别处于图4-5左段、下段和右段的直线轨迹线区域。图4-5场地设计图4.5本章小结物流车大体结构是由四个6V电机带动的车轮组成底板，在物流车的后方安装电源，以保证重心的稳定，防止下桥时重心过于靠前导致翻车。然后将所有的模块通过合理的布局固定在底板之上最后将机械爪安装在预留的位置上以实现抓取效果。整车如图4-6所示。图4-6整车示意图第5章软件及硬件设计5.1系统程序流程图启动汽车后，直行，汽车右侧的红外管检测到转弯线，然后向左转弯。在进入转弯线之前，左侧的红外管会检测到内环2CM的黑线，然后向内转弯，如果红外线反射在管上，则往外转弯。检测到第一条引导线后，光电测距传感器进行距离检测，判断货物与货箱位置，引导机械臂进行抓取。同时，经过引导线时右边的红外对管检测并计数，当进入到第二条引导线时，右边红外对管检测到黑线的次数为4，检测完3条引导线，计到的次数则为6，此时直走而减速循迹外环返回终点。系统程序流程图如图5-1所示，主程序如下：intmain(void){ Stm32_Clock_Init(9);//=====系统时钟设置 delay_init(72);//=====延时初始化 JTAG_Set(JTAG_SWD_DISABLE);//=====关闭JTAG接口 JTAG_Set(SWD_ENABLE);//=====打开SWD接口可以利用主板的SWD接口调试 LED_Init();//=====初始化与LED连接的硬件接口 KEY_Init();//=====按键初始化 OLED_Init();//=====显示屏初始化 USART_Config(); USART_Config1(); USART_Config2(); //uart_init(72,9600);//=====串口1初始化 //uart2_init(36,9600);//=====串口2初始化//uart4_init(36,9600);//=====串口3初始化 Encoder_Init_TIM2();//=====编码器接口 Encoder_Init_TIM3();//=====编码器接口 Encoder_Init_TIM4();//=====初始化编码器C Encoder_Init_TIM5();//=====初始化编码器D Adc_Init();//=====adc初始化 MiniBalance_PWM_Init(7199,0);//=====初始化PWM10KHZ，用于驱动电机 //if(KEY==0)Flash_Read();//=====读取Flash里面的参数EXTI_Init();//=====MPU60505ms定时中断初始化EXTI_Init1();图5-1系统程序流程图5.2TCRT5000循迹子系统设计黑线检测的原理是红外发射器向道路传输光，而红外光在与地面接触时被反射，接收器接收到反射光，该反射光在经过比较器整形后较低。而当红外光发射后遇到本设计中使用的绝缘黑胶带时，红外光被黑线吸收，接收管无法接收反射光，经比较器整形后输出控制面板通过检测相应I/O的输入状态来识别路径信息。初始化主功能时初始化20Hz硬件定时中断，其中读取DIO_8。DIO_9两种IO引脚状态和DIO_8。向左移动一个位置，然后移至DIO_9。将相位和操作的结果分配给全局变量State。当State=0时，左右两侧均未检测到黑线，并且轿厢执行前进动作。当状态=1时，左侧红外跟踪模块检测到黑线，并且汽车向右旋转，直到状态值更改为止；当状态=2时，与上面相同；在左右两侧都检测到黑线（黑线应为横向引导线），指示汽车通过了引导线，LineCount值加1。TCRT5000传感器的红外发射二极管持续发射红外线。当发射的红外射线没有反射回来或反射回，但强度不够大，红外接收管已处于关闭状态，模块输出端处于低水平，二极管已熄灭；当检测到的物体出现在检测范围内时，红外光线反射回来，强度足够大，红外接收管饱和。此时，模块的输出端较高，表示二极管已亮起。其内部电路如图5-2所示，程序如下：图5-2TCRT5000循迹子系统原理图if((xunjijiance==0)&&(heixian!=11)){ if((heixian==0)||(heixian==5)||(heixian==6)||(heixian==9)){ Target_A=5; Target_B=5; Target_C=5; Target_D=5; } else{ Target_A=20; Target_B=20; Target_C=20; Target_D=20; } } if((xunjijiance==2)&&(heixian!=11)){ Target_A=-5; Target_B=-5; Target_C=5; Target_D=5; } if((xunjijiance==3)&&(heixian!=11)){ Target_A=5; Target_B=5; Target_C=-5; Target_D=-5; } if((xunjijiance==5)&&(heixian!=11)){ if((heixian==0)||(heixian==5)||(heixian==6)||(heixian==9)){ Target_A=5; Target_B=5; Target_C=5; Target_D=5; } else{ Target_A=20; Target_B=20; Target_C=20; Target_D=20; } } if(wukuai==1){ Target_A=0; Target_B=0; Target_C=0; Target_D=0; //if(heixian==5) //{ Uart_SendCMD(0x03,0,0x03); //Delay_Ms(200000);//heixian=6; } //} if(wukuai==3){ Target_A=0; Target_B=0; Target_C=0; Target_D=0; }5.3电机驱动模块电路及其程序设计可提供5V电源输出，开关稳压，SEN端口是整个板子的使能，可同时控制6个半桥，SAIN至SDIN端口分别控制ABCD四个电机，ADC是通过精密电阻分压，让单片机采集供电电压。单片机输出PWM波，每一组PWM波用来控制一个电机的速度，另外二个I/O口可以控制电机的正反转，如图5-3所示。在程序上，采用定时器1和定时器3，分别产生2个10位的快速PWM波形，在分别由OCR1B,OCR3A,OCR3B控制输出的占空比，从而来调节直流电机的速度，驱动器外设电路图如图5-3，程序如下所示：// if(a==1)// {// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x55);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x55);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x05);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x06);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x01);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x01);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x00);// a=2;// } Encoder_A=Read_Encoder(2); //===读取编码器的值 Position_A+=Encoder_A; //===积分得到速度 Encoder_B=Read_Encoder(3); //===读取编码器的值 Position_B+=Encoder_B; //===积分得到速度 Encoder_C=-Read_Encoder(4); //===读取编码器的值 Position_C+=Encoder_C; //===积分得到速度 Encoder_D=-Read_Encoder(5); //===读取编码器的值 Position_D+=Encoder_D; //===积分得到速度 Led_Flash(100); //===LED闪烁;常规模式1s改变一次指示灯的状态 //Voltage_All+=Get_battery_volt(); //多次采样累积 //if(++Voltage_Count==100)Voltage=Voltage_All/100,Voltage_All=0,Voltage_Count=0;//求平均值获取电池电压 //f(CAN_ON_Flag==1||Usart_ON_Flag==1)CAN_N_Usart_Control();//接到串口或者CAN遥控解锁指令之后，使能CAN和串口控制输入 if(RC_Velocity>0&&RC_Velocity<15)RC_Velocity=15; //避免电机进入低速非线性区 jiance();图5-3驱动器外设电路5.4显示屏的电路设计与程序在智能物流车控制系统中所用到的显示屏为LCD12864，接线方式为串口方式，并且用到两个，一个为系统的监测屏，另外一个为编码器的检测，两块显示屏接线时分别将数据端口与时钟端口接到单片机的任意两个IO端口，图5-4所示为显示屏的接线，程序如下所示。图5-4显示屏接线5.5本章小结在本章节中，所有内容要求均通过程序得到了很好的控制，编码器可以精确读取电机的转速，电机驱动可在接线之后顺利驱动小车的运行，液晶显示可以显示相应数据，车辆可以沿着轨迹线正常循迹，算法程序也有了很好的应用。系统测试数据6.1数据记录物流车辆从起点引导线出发，通过语音播报"离开起点"，沿着黑色线循迹直到引导线。测试结果如表6-1所示。表6-1物流车启动至引导线测试时间（s）语音播报偏差距离（cm）第一次测试8正常0第二次测试10正常1第三次测试7正常0物流车到达第一条引导线后，开始上桥，并播报“开始上桥”。测试结果如表6-2所示。表6-2物流车上桥测试时间（s）语音播报偏差距离（cm）第一次测试3正常2第二次测试3正常-2第三次测试4正常1物流车到达第二条引导线，到达桥面完成上桥动作。此时开始缓慢前进，条码扫描模块对货物条形码进行扫描。当检测到目标条形码时，停止前进，机械爪抓取货物。测试结果如表6-3所示。表6-3物流车扫码与装货测试时间（s）条码扫描偏差距离（cm）第一次测试6成功失败第二次测试7成功成功第三次测试8成功成功货物抓取结束后，语音播报“装载成功”，并缓慢前进，此举是防止速度过快导致重心不稳，引发翻车。测试结果如表6-4所示。表6-4物流车下桥测试时间（s）语音播报偏差距离（cm）第一次测试6正常3第二次测试8正常0第三次测试5正常1物流车到达减速带前的引导线，语音播报“驶入减速带”，保持直行姿态通过无循迹线的减速带。通过减速带之后适当提速，继续沿着循迹线前进。测试结果如表6-5所示。表6-5减速带通过测试时间（s）语音播报偏差距离（cm）第一次测试7正常3第二次测试10正常2第三次测试9正常4物流车到达卸货区引导线后，开始减速，将物料释放到指定区域。物料释放完成后，语音播报“卸货成功”并回到终点，准备进行下一轮分拣。测试结果如表6-6所示。表6-6卸货测试时间（s）语音播报物料释放偏差距离（cm）第一次测试12正常失败4第二次测试15正常成功2第三次测试13正常成功26.2本章小结在本章中，我们对系统的功能进行了测试，可以看出小车能够较好的完成较复杂条件下的各项任务，循迹正常，无较大距离偏差，且完成任务的时间较快，同时保持了比较好的稳定性，达到本设计的任务要求。结论经过调试过程中的多次测试，在规定允许的小范围误差内，本智能物流车系统基本完成了所需要的控制任务。在测试中，该系统展现了良好的线性变化规律与惯性运动，使各项功能得到完善。由测试数据可以得到，在每一项数据中都会有相应的误差难以消除。分析主要有四个原因：一是参数设置不够好，这是最基本的；二是机械结构不够稳定，造成系统在运动过程中振动，这种干扰在系统中难以消除；三是控制器通信存在时滞，难以消除；第四点是测量中可能存在一定的误差。不过，上述中的误差都是不可避免的，我们在实际调试中可大多忽略。在设计智能物流车系统时，要明确智能车系统属于自动控制中的一个典型代表，所以若要完成智能车系统的控制，就必须明确自动控制原理的部分内容，如正反馈，负反馈，串并级调节，开环与闭环控制的部分内容。接下来便是算法的原理及使用，本系统中的算法，采用PID算法。PID分别代表比例积分微分三个变量，通过改变三个变量来实现对输出速度的控制，进而实现被控对象的稳定性，准确性，快速性。通过本次设计的结果我们不难发现，PID参数在整定好的情况下，对于控制系统的输出有着非常好的效果。在控制器方面，我所选用的是STM32芯片，该控制器稳定性高，输出引脚多，内部资源丰富，降低了系统开发的困难。主要用到的资源有IO口的配置，中断，定时器，I2C通讯，AD转换等程序的写法，并应用在智能车控制系统中。例如，使用定时器输出pwm波形，控制电机的启停与转速，使用AD转换与I2C通讯来控制姿态角的输出数值。经过实际的验证以上配置均可由程序写出，并且比较合适的完成本次设计的要求。在使用的器材方面，显示装置LCD12864和电机驱动BTS7960驱动器，此驱动器采用了双H桥电路原理，并且可以完成任务中要求的功能。道路循迹上，使用TCRT5000，可以在试运行期间调整红外发光管负极和GND的电阻（范围为100~550欧姆）和光晶体管发射体与GND（范围5~20K）之间的电阻值，使测试性能达到最后期限。对于我所使用的TCRT5000，设置200欧姆和10K更合适。在智能物流车辆系统的设计中，所采用的原理问题，如跟踪控制，PID控制等，起到了很好的作用。当汽车在行驶时，对应于每个不同位置的跟踪参数是不同的。根据跟踪参数的不同，可以实时调节四个直流电动机的启动，停止，速度等参数。在调试过程中，必须准确测试运动轨迹两个方向的参数，例如幅度，频率和相位。通过获得的参数，建立了两个方向上的运动方程。最后，我们可以根据运动方程合成的图来获得所需的轨迹。最后，调整PID算法。确定数字增量算法后，调整三个参数。PID的三个参数代表了系统的速度，准确性和稳定性。但是，可以发现这三个指标是矛盾的。如果它们太快，则可能导致不稳定。如果它们太稳定，则可能导致不适。因此，有必要根据项目本身的实际需要合理调整参数值。在此设计中，我使用试错法。该方法简单易行，效果迅速，节省时间，控制系统方便。以上则是我在本次设计中得出的结论。 参考文献[1] 曾应昆,向刚.自动化物流系统技术创新的综合效益评价[J].昆明理工大学学报,2001,26(3):47-51.[2] 吴伟涛.物流搬运AGV的总体方案及其关键技术研究[D].沈阳理工大学,2013.[3] 赵臣,王刚.我国工业机器人产业[J]机器人技术与应用,2009,(02):8-13.[4] 朱明华.自动化仓储系统AGV路径规划算法的研究与仿真[D].江苏大学,2006.[5] 孙奇.AGV系统路径规划技术研究[D].浙江大学,2012.[6] 贺丽娜.AGV系统运行路径优化技术研究[D].南京航空航天大学,2011.[7] 苏霞,李伟光.FMS中自动导引车路径规划[J].机械设计与制造,2015,(01):201-203[8] 丁寅.基于遗传和蚁群的自适应路径规划算法研究[D].华中科技大学,2012.[9] 自动化立体仓库中单AGV的路径规划的分析和实现,/html/2015/1229/32194233.shtm[10] 史太露.自动化立体仓库中单AGV的路径规划与实现[D].安徽理工大学,2015.[11]陈怡静.医疗病区智能AGV垃圾车造型设计分析研究[D].江苏:南京航空航天大学,2018.[12]华成英，童诗白．模拟电子技术基础(第四版)[M]．北京：清华大学出版社，2006．[13]求是科技．单片机典型模块设计实例导航[M]．北京：人民邮电出版社，2004．[14]谭浩强．C程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1991．[15]郭天祥．新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发[M]．北京：电子工业出版社，2009．[16]RaoAnand,NihalVishnuVantagodi,KartikAShanbhag,etal.AutomatedGuidedVehiclesbyPermanentMagnetSynchronousMotor:FutureofIn-houseLogistics[J].PowerElectronicsandDrives,2019,4(1):151-159.DOI:10.2478/pead-2019-0006.[17]A.P.Vancea,I.Orha.Asurveyinthedesignandcontrolofautomatedguidedvehiclesystems[J].CarpathianJournalofElectronicandComputerEngineering,2019,12(2):41-49.DOI:10.2478/cjece-2019-0016.[18]MReyad，MArafa，EASallamAnoptimalPIDcontrollerforaqaudrotorsystembasedonDEalgorithm[C].InternationalConferenceonComputerEngineering&Systems(ICCES).2016,(11)：444-451.致谢我从设计这个项目中受益匪浅。我了解了更多有关单片机编程和各种设备的实际应用的知识，例如电机的调整，驱动器的应用，各种传感器的应用，驱动显示屏的显示方法，LCD的调整和应用，算法等。对于本毕业设计，这里将作简要介绍。首先，因为毕业设计已经选择了控制方向，所以我感谢老师的指导，这使我能够进行实践发展。理论与实践之间的联系以及理论的实践指导不再具有更深刻的理解。我所学到的只是在纸上交谈，通过毕业设计中的数据了解原理，然后对其进行仿真。在物理对象的生产中，我的老师还为我提供了空间和各种设备，并指导我如何选择设备如何设计所需的电路模型，结合每个电路的优势，组装自己的电路，最后调试和焊接面板。现在在我的老师的指导下，我可以努力完成MCU和任务。我们应该真正运用我们所学到的知识并加以利用。其次，我要感谢东北电力大学的创新中心，在那里我结识了很多老师和学生，老师们通常会给我或多或少的细心指导，这对我的学习过程非常有帮助。经常在没有老师的情况下讨论专业问题，每个主题都给我提供了新的视角和经验。重新学习过程中遇到的问题可以从我自己的角度来看，无论它们是否改变。对我的未来成长非常有帮助。附录u8Flag_Left,Flag_Right,Flag_Direction=0;//蓝牙遥控相关的变量u8Flag_Stop=1,Flag_Show=0;//停止标志位和显示标志位默认停止显示打开intEncoder_A,Encoder_B,Encoder_C,Encoder_D;//编码器的脉冲计数//floatVoltage_Count,Voltage_All; //电压采样相关变量longintPosition_A,Position_B,Position_C,Position_D,Rate_A,Rate_B,Rate_C,Rate_D;//PID控制相关变量intEncoder_A_EXTI;//通过外部中断读取的编码器数据longintMotor_A,Motor_B,Motor_C,Motor_D;//电机PWM变量longintTarget_A,Target_B,Target_C,Target_D;//电机目标值intVoltage;//电池电压采样相关的变量charShow_Data_Mb;//全局显示变量，用于显示需要查看的数据u8delay_50,delay_flag;//延时相关变量u8Run_Flag=0; //蓝牙遥控相关变量和运行状态标志位u8CAN_ON_Flag=0,Usart_ON_Flag=0,Usart_Flag,PID_Send,Flash_Send;//CAN和串口控制相关变量charrxbuf[10],Urxbuf[10];u8txbuf[8],txbuf2[8],Turn_Flag;//CAN发送相关变量floatPitch,Roll,Yaw,Move_X,Move_Y,Move_Z;//三轴角度和XYZ轴目标速度u16PID_Parameter[10],Flash_Parameter[10];//Flash相关数组float Position_KP=40,Position_KI=0,Position_KD=40;//位置控制PID参数floatVelocity_KP=10,Velocity_KI=10; //速度控制PID参数intRC_Velocity=45,RC_Position=10000,Z_Position=36000;//设置遥控的速度和位置值staticintSend_buf[10]={0};inta,b,aa,bb,cc;voidDelay_Ms(intz){intx=0,y=0;for(x=110;x>0;x--)for(y=z;y>0;y--);}voidSendCmd(intlen){inti=0;Usart_SendByte(DEBUG_USARTx,0x7E); for(i=0;i<len;i++)//?? {Usart_SendByte(DEBUG_USARTx,Send_buf[i]);} Usart_SendByte(DEBUG_USARTx,0xEF);//?? }voidDoSum(int*Str,intlen){intxorsum=0;inti;for(i=0;i<len;i++){xorsum=xorsum+Str[i];}xorsum=0-xorsum;*(Str+i)=(int)(xorsum>>8); *(Str+i+1)=(int)(xorsum&0x00ff);}voidUart_SendCMD(intCMD,intfeedback,intdat){Send_buf[0]=0xff;//????Send_buf[1]=0x06;//?? Send_buf[2]=CMD;//???? Send_buf[3]=feedback;//?????? Send_buf[4]=(int)(dat>>8);//datah Send_buf[5]=(int)(dat);//datal DoSum(&Send_buf[0],6);//?? SendCmd(8);//?????? }intmain(void){ Stm32_Clock_Init(9);//=====系统时钟设置 delay_init(72);//=====延时初始化 JTAG_Set(JTAG_SWD_DISABLE);//=====关闭JTAG接口 JTAG_Set(SWD_ENABLE);//=====打开SWD接口可以利用主板的SWD接口调试 LED_Init();//=====初始化与LED连接的硬件接口 KEY_Init();//=====按键初始化 OLED_Init();//=====OLED初始化 USART_Config(); USART_Config1(); USART_Config2(); //uart_init(72,9600);//=====串口1初始化 //uart2_init(36,9600);//=====串口2初始化//uart4_init(36,9600);//=====串口3初始化 Encoder_Init_TIM2();//=====编码器接口 Encoder_Init_TIM3();//=====编码器接口 Encoder_Init_TIM4();//=====初始化编码器C Encoder_Init_TIM5();//=====初始化编码器D Adc_Init();//=====adc初始化 MiniBalance_PWM_Init(7199,0);//=====初始化PWM10KHZ，用于驱动电机 //if(KEY==0)Flash_Read();//=====读取Flash里面的参数EXTI_Init();//=====MPU60505ms定时中断初始化EXTI_Init1();//rx_queue_init(); a=1; //usart3_send(0x55);////usart3_send(0x55);//usart3_send(0x05);//usart3_send(0x06);//usart3_send(0x01);//usart3_send(0x01);//usart3_send(0x00); while(1) { oled_show();// if(a==1)// {// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x55);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x55);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x05);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x06);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x01);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x01);// Usart_SendByte(DEBUG_USARTx1,0x00);// a=2;// } Encoder_A=Read_Encoder(2); //===读取编码器的值 Position_A+=Encoder_A; //===积分得到速度 Encoder_B=Read_Encoder(3); //===读取编码器的值 Position_B+=Encoder_B; //===积分得到速度 Encoder_C=-Read_Encoder(4); //===读取编码器的值 Position_C+=Encoder_C; //===积分得到速度 Encoder_D=-Read_Encoder(5); //===读取编码器的值 Position_D+=Encoder_D; //===积分得到速度 Led_Flash(100); //===LED闪烁;常规模式1s改变一次指示灯的状态 //Voltage_All+=Get_battery_volt(); //多次采样累积 //if(++Voltage_Count==100)Voltage=Voltage_All/100,Voltage_All=0,Voltage_Count=0;//求平均值获取电池电压 //f(CAN_ON_Flag==1||Usart_ON_Flag==1)CAN_N_Usart_Control();//接到串口或者CAN遥控解锁指令之后，使能CAN和串口控制输入 if(RC_Velocity>0&&RC_Velocity<15)RC_Velocity=15; //避免电机进入低速非线性区 jiance(); if((xunjijiance==0)&&(heixian!=11)){ if((heixian==0)||(heixian==5)||(heixian==6)||(heixian==9)){ Target_A=5; Target_B=5; Target_C=5; Target_D=5; } else{ Target_A=20; Target_B=20; Target_C=20; Target_D=20; } } if((xunjijiance==2)&&(heixian!=11)){ Target_A=-5; Target_B=-5; Target_C=5; Target_D=5; } if((xunjijiance==3)&&(heixian!=11)){ Target_A=5; Target_B=5; Target_C=-5; Target_D=-5; } if((xunjijiance==5)&&(heixian!=11)){ if((heixian==0)||(heixian==5)||(heixian==6)||(heixian==9)){ T