【基于STM32的智能货物分拣小车设计9100字】

页第一章绪论1.1课题的背景和意义随着自动化技术的不断普及，机器人已经逐步成为各行各业自动化生产中的重要组成部分，如工业集装箱搬运工作，货物分拣等。机器人具有工作效率高、成本低、误差率较低等特点。因此，机器人代替人工劳动是时代的一大趋势。工厂的产品或物流货物利用人工进行分拣作业，其工作效率低、成本高，实现自动分拣迫在眉睫。智能货物分拣小车是轮式移动机器人的一种，其内容涵盖机械、电子、自动控制、计算机、传感技术等多个学科的知识领域，是目前电子设计的一个热门话题【1】。该智能物料分拣小车集合传感器检测技术，智能控制理论技术，能够准确快速地完成物料的分拣与投放。在基于STM32的智能物料分拣小车的软硬件设计中，分拣小车通过颜色传感器识别物料，实现了对所需分拣物料的精准判断和辨别，实现了对所需分拣物料的锁定和最优路径规划，而且可以根据分拣场所的不同，通过灰度传感器循迹定位，利用机械臂实现对不同物料的夹取和归类投放，最终实现高效率高准确性的智能化自动分拣，具有重要的现实意义【2】。1.2国内外的研究现状在机器人具备的各种功能中，分拣是经常用到的功能之一，货物分拣小车是轮式移动机器人的一种。目前，大多数分拣小车是通过对物料亮度、颜色、尺寸、形状等信息进行采集，将采集到的信息进行判别，进而根据判别结果来控制机器人的动作。其过程快速、准确和具有高重复性，可以提高生产的柔性和自动化程度，广泛应用于工厂生产部门与物流货物分拣等领域。分拣小车的软硬件设计均采用模块化的设计思想，并运用开创性思路，可依据场景的不同，设置不同的工作模式，实现对需要分拣物料的辨别与定位，包括物料颜色及形状的识别，对物料中心坐标的定位以及对投放区的判别，最终实现物料分拣机器人的智能化分拣【3】。极大提高了分拣效率，降低了生产成本。我国自20世纪70年代引进自动分拣技术以来，在立足自主开发的基础上不断吸收国.外先进经验，紧跟世界先进技术，根据需求不断开发新产品，如今我国的自动分拣技术和国外的自动分拣技术比较，我国的自动分拣技术更符合自身的特点【4】。例如：昆船自动化物流工程公司开发出了一种移动式分拣装盘的机器人系统，通过对机器人进行安全、有效的工作调度。广泛应用于烟草、机械等行业的物料分捡、移动、堆码等作业【5】。传统使用人工进行分拣物料时，工人可以通过眼睛识别物料以及物料的位置，然后对其进行分拣和搬运。但是，在分拣机器人的实际应用中，由于种种原因目标的位置并不固定甚至是移动的，所以在抓取的过程中可能存在偏差。目前，国内外各行业虽然已有机器人分拣技术，但仍存在许多不足，如功能单一、出现误分拣等现象。1.3本文主要研究内容根据实际应用场景对于货物分拣与搬运的要求，本文按照货物仓库的位置以及不同种类货物放置区的位置，设计了一张按比例缩小的货物分拣搬运地图并制作了货物分拣小模型，以不同颜色的圆柱形物块代表不同种类的货物。在货物排列分布不同的情况下，通过对小车自身结构与算法程序的设计，使分拣小车能够准确地在该地图上完成货物的分拣与投放，以论证该智能货物分拣小车设计的可行性。具体研究内容如下：1.根据实际应用场景对于货物分拣与搬运的要求，按照分拣搬运场地地图以及用来代替货物的物块形状来确定分拣小车的总体设计方案。2.给出小车的硬件与结构方案设计，包括微控制器选型、单片机拓展板、电压降压模块、电机驱动电路、搬运小车主体结构、小车底盘、物料抓取所用机械臂的设计等，以满足小车的硬件与结构要求。3.给出小车程序设计方案，包括小车的运动控制算法与物料识别算法、自动寻迹算法，设计小车的库函数，给出小车的软件设计概要，对货物分拣与搬运路径规划策略进行研究，以满足不同情况下货物的分拣与投放要求。4.对货物分拣小车进行程序与结构的调试，测试小车在货物排列分布不同的情况下对于货物分拣与投放的完成情况，以此验证小车设计方案的可行性并找到不足之处。第二章分拣小车系统总体设计方案2.1小车功能设计要求图2-1货物分拣场地地图本方案设计的货物分拣场地地图如图2-1所示。用不同颜色的圆柱形物块代表不同的货物：货物A（绿色）、货物B（白色）、货物C（红色）、货物D（黑色）、货物E（蓝色）。方案设计主要求：①若去往货物放置点的路径上有多余货物，先将这些货物搬运至对应的货物放置点②处理完路径上的地货物，再将两个货物仓库中的货物分拣至对应的货物放置点。2.2小车系统结构框图图2-2小车系统结构框图第三章分拣小车硬件设计及各功能模块选型3.1小车硬件系统设计分拣小车由24V电源模块供电，24V电源模块接两个降压模块，降压模块一将电源电压由24V降为12V，供电机驱动模块使用，电机驱动模块连接两个电机，若单片机中有驱动信号输出，经驱动模块模块处理可控制电机的旋转。降压模块二将电源电压由24V降为5V，供STM32单片机使用，单片机的I/O口按照功能的不同引到扩展板上进行归类划分，通过杜邦线连接到灰度传感器，颜色传感器，OLED显示屏，舵机等功能模块来实现对小车的控制。小车硬件系统结构图如下图所示。 图3-1小车硬件系统结构图3.1.1STM32核心板及拓展板设计小车采用型号为STM32F103ZET6的单片机作为主控芯片，STM32F1系列单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。它包括一系列32位产品，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作等特性于一身【6】。同时还以可接受的价格保持了集成度高和易于开发的特点，并具有简单的架构与简便易用的工具。在分拣小车硬件设计中，以STM32F103ZET6芯片为基础，开发设计了一套以核心板与扩展板相互配合的硬件系统，如图所示。图3-2STM32核心板引脚图图3-3核心板与拓展版实物图核心板上主要包含了STM32F103ZET6芯片、复位键等。除了供OLED使用的PB10、PB11，剩余单片机I/O口全部引到拓展板上，按照STM32F103ZET6的芯片数据手册的规定，根据I/O口功能的不同进行布线，划分不同功能区域。在硬件方面，便于不同功能模块与对应I/O的连接以及出现故障时能够迅速地进行排查检测；在软件方面，I/O口功能划分清晰，便编写程序时I/O的对应及I/O的初始化设置。根据一些常用模块与小车可能用到的功能模块，在拓展板上将I/O口划分为按键、蜂鸣器、LED灯，串口通讯，OLED接口，灰度传感器信号输入通道，控制舵机与直流电机所用的定时器PWM输出通道等功能区域，剩余I/O作为备用拓展口供其他模块使用，拓展板I/O口划分如下图所示。图3-4拓展板原理图3.1.2电源选择及降压电路分拣小车采用电池供电。通常采用的干电池是典型的、价格低廉的一次性电池，但是随着放电时间的加长，电流下降很快，因此不宜采用。锂电池具有清洁、方便、储能效率较高、重量轻等优点【7】，本小车采用一块24V的锂电池进行供电。由于24V的电压过高，不能直接作用于单片机及各个功能模块，所以使用降压模块将电源电压降为5V和12V，再对单片机及各个功能模块进行供电。本小车采用LM2596模块进行降压，LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，内含固定频率振荡器（150HZ）和基准稳压器（1.23V），具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可以构成高效稳压电路，输出的驱动电流为3A，其输出具有较好的线性和良好的负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压，可以满足不同的调压需求，小车采用的是带电压显示的可调降压模块。LM2596模块如下图所示。图3-5LM2596调压模块原理图图3-6LM2596调压模块3.1.3电机驱动电路用单片机控制直流电机时，单片机提供的驱动电流较小，无法直接驱动直流电机，为了给直流电机提供足够大的驱动电流，需要加驱动电路用以驱动电机。如果电机所需要的驱动电流比较大，可以直接选用市场上现成的电机专用驱动模块，这些模块接口简单，操作方便，并可为电机提供较大的驱动电流。本文所设计分拣小车需要双电机驱动，采用的是市场上现成的H全桥NMOS管双电机模块来驱动直流电机。双MOS电机驱动模块具有以下性能特点：尺寸较小，便于安放、模块供电电压5V-16V、控制信号3.3V和5V兼容、MOSFET采用大功率耐电流冲击型、双电机全桥驱动控制、双路PWM调制控制电机正反转、HIP4082脉宽调制零活简单、74HC08隔离，驱动功率低有利于单片机保护等。图3-74NMOS双电机驱动原理图图3-8H全桥NMOS管双电机模块实物图3.2小车各功能模块选型3.2.1直流电机与舵机选型小车采用型号为JGB37-520的微型直流减速电机来驱动小车。直流减速电机也称为齿轮减速电机，具有体积小、扭力大、噪音小、速比全、耗能低等特点。其性能稳定、传动精度高，可实现瞬时转换，节省电能且发热量低，重量轻且安装方便，符合搬运小车的各种需求。电机实物如图3-9所示图2-9JGB37-520微型直流减速电机舵机也称为伺服电机。其特点是结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力、成本较低等。舵机的主要性能取决于最大力矩和工作速度。它是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统。在小车的分拣物块的过程中，舵机控制效果是影响物块分抓放、堆叠的重要因素。分拣小车使用了两种舵机，分别是SG90舵机和MG995舵机，两种舵机各有优劣，混合使用以优化机械手结构。SG90舵机适用于精确的控制，消耗小，控制简单，而MG995舵机则能提供较大的扭力，但是占空间以及电压较大。通过发挥两者特长而相互匹配的机械手结构设计能够使的两者都能发挥长处，更好的实现小车的分拣功能。图2-10SG90舵机与MG995舵机3.2.2小车传感器选型根据功能需要我们应用了两种传感器，一个是SEN1595灰度传感器，另一个则是TCS3200颜色传感器。灰度传感器用于循迹、数线、定位，颜色传感器用于识别物块颜色。灰度传感器是模拟传感器，有一个发光二极管和一个光敏电阻，安装在同一面上。在有效距离内，发光二极管发出白光，不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同，以此进行颜色深浅检测。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转化为单片机可以识别的信号【8】。可以进行简单的地面痕迹，颜色识别，也能通过将多个灰度传感器信号交叉分析来确定机器人处于场地中的位置、方向等，常应用于智能小车的循迹、定位等。SEN1595灰度传感器灵敏度高，抗干扰能力强，普通照明灯基本对其无影响。可以很好地识别黑白色、绿白色等，对其它颜色灰度值相差在一定值以上的也可以识别，其有效的探测距离为10-20mm【9】。传感器上有LED状态指示灯，管子照到灰度值较高的，输出电平由高变低，对应LED亮。其输出方式为数字输出，即1或0输出，可以根据场地、光线等情况调节基准电压。图2-11SEN1595灰度传感器小车的颜色识别模块采用的是TCS3200颜色传感器。这是一款全彩的颜色检测器，包括了一块TAOSTCS3200RGB感应芯片和4个白色LED灯，TCS3200能在一定的范围内检测和测量几乎所有的可见光【10】。TCS3200有大量的光检测器，每个都有红绿蓝和清除4种滤光器内置的振荡器能输出方波，其频率与所选择的光的强度成比例关系。TCS3200颜色识别传感器能够通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤光器，与主控相连将数据传回STM32芯片，便于单片机编程，符合分拣小车功能需求。图2-12TCS3200颜色传感器及其引脚图小车的显示模块采用IICOLEDSSD1306显示屏。该模块采用4线串行SPI接口模式；具有较高分辨率，分辨率为128*64；尺寸较小，显示尺寸为0.96寸，便于安装；且有标准字库，便于程序编写。小车的OLED模块主要用来显示10个灰度传感器的状态以及颜色传感器识别不同颜色物块时返回的RGB三原色基本值，主要用于功能模块的调试，辅助程序的编写。图2-13OLEDSSD1306显示屏第四章分拣小车结构设计4.1小车整体结构设计分拣小车结构上主要由3个部分组成：①用于驱动车辆行行驶以及保持车辆平衡的电力驱动模块；②用于放置万向轮与灰度传感器的小车底盘，使小车能够适应场地，顺利循迹定位，完成360度转向；③用于抓取、分拣、识别、堆叠物块的机械手模块。本方案通过SOLIDWORKS、AutoCAD等软件工具来进行分拣小车的结构设计。对于小车结构上的三维部件（例如机械手，电机基座等），先用SOLIDWORKS进行三维建模，再利用3D打印技术将有关部件打印出来；对于小车上的二维部件（例如底盘、传感器放置架等），先用AutoCAD画出二维部件的草图，再利用激光切割技术将亚克力板切割成我们所需要的部件。最终将有关部件进行组装得到分拣小车的主结构。分拣小车的三维模型及实物图如图4-1、4-2所示。图4-1分拣小车三维模型图图4-2分拣小车实物图由小车的主体的结构模型图可知，传感器模块一者位于分拣小车底盘前后，另一者位于桶型机械臂内侧；机械手模块位于车体前方，电机驱动模块位于车体两侧，总控制模块与供电模块是小车的中心主体部分。这种结构设计使得分拣小车在完成任务时太多多余的位置移动，并且能够通过精确地定位快速准确的完成分拣任务。4.2小车机械手结构设计分拣小车的机械手模块主要分为两个部分。一部分是用于抓取、堆叠物块的桶型机械手，另一部分则是用于分拣、移动物块的机械辅助钩。因为本方案用圆柱形物块代表实际分拣过程中的“货物”，为了便于物块的抓取与堆叠，故将机械手设计为桶型。在桶型机械手的一侧装有舵机1，通过改变舵机1的旋转角度，就可以实现机械臂的水平张合，进而实现物块的抓放；桶型机械手桶过滑块与直线导轨相连，通过拉杆与舵机2相连，通过改变舵机2的旋转角度，就可以通过拉杆带动机械手沿着导轨实现垂直升降，进而实现物块的堆叠；桶型机械手内部装有颜色传感器，用以识别所抓取的物块的颜色。机械辅助钩的主要功能是将目标物块分拣出来，并将物块移动到桶型机械臂下，辅助物块的抓取。通过控制舵机3，就能够控制辅助钩的起落；通过改变舵机4的角度，就可以实现辅助钩的水平旋转，进而实现所勾中物块的移动。机械手模块如图4-3所示。图4-3机械手模块结构图4.3小车底盘结构设计分拣小车底盘一共设有10个灰度传感器的放置架。位于小车底盘最前端有两个突出的灰度传感放置架，这两个灰度传感器是用于小车数线、转向、定位等。底盘前端有并排的四路灰度放置架，这四个灰度用于小车前进循迹；底盘后端也有并排的四路灰度放置架，用于小车后退循迹；底盘前端和后端都有灰度架调节槽，能够灵活调节前后四路灰度的位置。这样的设计有利于分拣小车不偏离搬运路线，同时也便于小车的转向定位。分拣小车采用两轮驱动，在小车底盘的的四个对角装有万向轮。相较于四轮驱动的小车，这样的设计能够使分拣小车的转向更加灵活，便于小车实现360度旋转。小车的两个电机基座设置于小车底盘中间靠外侧的位置，不仅有利于保持小车平衡，也能使小车的驱动更加平稳。分拣小车的底盘结构如图4-4所示底盘反面底盘正面图4-4小车底盘结构图第五章分拣小车程序设计5.1小车功能模块程序设计小车的子程序包括：各个功能模块的初始化设置、小车驱动控制程序、灰度传感器循迹、数线、定位程序、机械手控制程序、颜色识别程序、OLED显示程序等，所有程序的编写是在Keil5环境中完成的。5.1.1小车驱动控制程序图5-1电机控制逻辑图小车在程序设计上采用定时器一来驱动两个电机，可以通过程序改变定时器四个通道（对应PE9~PE14）输出的PWM波的占空比来控制两个电机的正反转速。使通道2和4输出的PWM占空比为0，调节通道1和3输出的PWM，可以控制两个电机正转，驱动小车前进。反之，可以控制两个电机反转，驱动小车后退【11】。只令通道1或通道3中的一个有PWM输出，其余通道输出的PWM占空比都为0，可以控制小车左转或右转。令四个通道输出的PWM占空比都为0，可以实现停车。小车驱动控制逻辑图如图5-1所示。5.1.2机械手控制程序图5-2机械手模块控制逻辑图小车在程序设计上采用定时器四来控制四个舵机，定时器的四个通道（对应PD12~PD15）分别连接四个舵机的控制线。舵机的控制采用脉冲编码调制，舵机旋转的角度取决于控制信号脉冲的持续时间。舵机的控制一般需要一个周期为20ms左右的脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围，脉冲高电平部分的宽度将决定舵机旋转的角度【12】（例如：高电平部分宽度为1.5ms,旋转90度）。通过程序可以改变四个通道输出的PWM占空比，改变输出脉冲高电平部分的宽度来改变舵机的旋转角度，进而实现机械手和辅助钩的工作控制。机械手模块控制逻辑图如图5-2所示。5.1.3灰度循迹、数线、定位程序小车使用的SEN1595灰度传感器，其采用的输出方式为数字输出。当灰度传感器照射到白色场地时，其返回值为0；当灰度传感器照射在黑色循迹线时，其返回值为1【13】。根据黑色循迹线的宽度设计的灰度放置架，使得小车沿线直线行驶时，四个灰度返回单片机的值为0000，因此可以根据灰度传感器返回值的变化来对应调整小车左右轮电机的转速，以此实现小车的直线循迹【14】。小车循迹程序逻辑图如图5-3所示。图5-3灰度循迹循迹程序逻辑图小车在场地中的定位主要是是靠小车最前前面的两个数线灰度实现的，数线灰度每经过一条黑线，返回单片机的值为1，每返回一次1，数线变量加1，以此实现小车在场地中的定位。配合一定时间的延时程序，为灰度消抖，防止误数线。在场地中央有黑线交叉的地方，也能通过将多个灰度传感器信号交叉分析来确定机器人处于场地中的位置。5.1.4颜色识别模块程序根据三原色原理可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的，特定颜色的值就是红绿蓝三种颜色标准值的线性组合。对于TCS3200来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色光可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理。选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个光强值，就可以分析反射到TCS3200传感器上的光的颜色【15】。TCS3200颜色传感器有红绿蓝和清除4种滤光器，可以通过其引脚S2和S3的高低电平来选择滤波模式。滤波模式图及颜色识别程序逻辑框图如图5-4、5-5所示。图5-4滤波模式图图5-5颜色识别程序逻辑框图颜色识别模块使用的定时器是定时器2，颜色识别过程主要是在定时器中断里进行的，通过设置S2、S3引脚的高低电平来选择不同的滤波模式，得到R、G、B三原色值，根据三原值之间的逻辑关系就可以判断出物块的具体颜色。5.1.5OLED显示模块程序小车的OLED模块主要用来显示10个灰度传感器的状态以及颜色传感器识别不同颜色物块时返回的RGB三原色基本值，主要用于功能模块的调试。OLED模块显示程序逻辑框图如下图所爱。图5-6OLED显示程序逻辑框图颜色传感器识别不同颜色返回到单片机的R、G、B三原色值可以显示在OLED显示屏上，如图5-6所示，可根据三原色的值来编写程序中的各种颜色判断条件。红色绿色黑色图5-7各颜色RGB值OLED显示5.2小车主程序设计货物A（绿色物块）、货物B（白色物块）、货物C（红色物块）、货物D（黑色物块）、货物E（蓝色物块），场地地图如下图所示。图5-8货物分拣场地地图根据设计要求，任务一为清理搬运路径上剩余的货物，将其送到指定的货物放置点，若假设A、C、E三点有货物存在，则任务一程序的逻辑框图如图5-9所示。图5-9任务1程序逻辑框图将A、C、E三点障碍物块的颜色在程序上分别标记为标记为Color1、Color2、Color3，完成任务一后，开始任务二。将货物仓库一二的货物分拣到对应的货物放置点，并进行堆叠。仓库一、二与任务二程序逻辑框图如5-10、5-11所示。图5-10货物仓库地图图5-10任务二程序逻辑框图5.3分拣小车实验测试结果经过多次实验测试，在货物分布排列不同的情况下，小车能够比较准确地在地图上完成货物的分拣与投放。以下给出三种货物排列分布不同时，小车的分拣完成情况。图5-11情况一图5-11情况二图5-11情况二总结与展望在物块分布不同的情况下，通过对小车自身结构与算法程序的设计以及多次的实验测试，本方案设计的货物分拣小车模型能够比较准确地在地图上完成物块的分拣与投放，实现了较高的分拣准确度与分拣效率，基本验证了分拣小车设计方案的可行性。但是在多次实验检测中也发现了一些不足之处，诸如小车在地图中的定位有时会存在偏差、货物分拣有时会出现误分拣的情况等，分拣小车的性能稳定性还有待进一步提高。由于条件与场地的限制，本设计方案没有应用于实际的货物分拣场景，对于分拣小车在实际场景的应用，考虑到分拣场地的实际分布、场地的大小、货物的数量与实际大小以及其它的一些不确定因素，分拣小车自身结构与算法程序的设计还需进一步改进。参考文献[1]林健全,刘浩捷,孙伟卿.基于STM32的智能物料搬运小车[J].软件,2020,41(07):27-30.[2]李欣蔓,张永明.基于LabVIEW与FP