基于STM32的智能物料搬運小車系統(tǒng)設計

廖杰　譚寧寧　劉成鑫　巫幫錫　彭永康

摘要：根據(jù)2018年第五屆湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽的要求，設計制作了基于STM32的智能物料搬運小車。小車由機械結構部分和硬件控制電路部分組成，具有場地目標位置識別、自主路徑規(guī)劃、自主移動、二維碼讀取、物料顏色識別或形狀識別、物料抓取和搬運等功能。在競賽過程中，較好地完成了比賽任務，達到了設計要求。

關鍵詞：STM32;智能物料搬運;工程訓練競賽;二維碼讀取

中圖分類號：TP368.12

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.08.064

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是教育部舉辦的全國性賽事，旨在鍛煉學生的工程實踐能力與應用創(chuàng)新意識。在2018年湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽中，要求自主設計并制作一臺能執(zhí)行物料搬運任務的智能移動小車，小車能夠在規(guī)定場地內(nèi)自主行走，通過掃描閱讀二維碼領取任務，自主尋找、識別任務指定的物料，按任務要求的順序?qū)⑵浒徇\至指定的存放地點，并按照要求的位置和方向擺放。競賽場地三維示意圖如圖1所示。

1 設計思路

通過分析比賽要求，首先對小車進行整體設計，確定各部分主要功能;然后對小車各機械單元與電路控制單元進行設計分析，設計并制作了一臺基于STM32的智能物料搬運小車。主控電路采用嵌入式方案，其上面帶有電機驅(qū)動電路以及任務內(nèi)容顯示裝置;智能物料搬運小車尺寸應設計為能夠通過A4紙相當大小的門框，且小車可折疊，但通過A4紙門框之后能夠自行展開;進行結構優(yōu)化設計，綜合考慮強度，易裝配性，可加工性。為了實現(xiàn)便捷移動，采用麥克納姆輪，抓取靈活采用六自由度機械臂;攝像頭獲取物料顏色與形狀信息;掃碼器掃碼接收任務信息;激光測距傳感器和三軸陀螺儀實現(xiàn)小車定位;單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理。

2 小車整體結構設計

小車整體由機械結構部分和硬件控制電路部分組成。機械結構包括底板、麥克納姆輪和機械臂。硬件控制電路部分由攝像頭、激光測距傳感器、三軸陀螺儀、二維碼掃碼器和STM32單片機組成。小車總體原理框架如圖2所示。

3 小車機械結構設計

小車機械部分包含行走機構和抓取機構兩部分，行走機構由直流電機驅(qū)動的麥克納姆輪和底板組成，抓取機構由機械臂和機械爪組成。麥克納姆輪能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動，在需要轉向時可以直接反向運動，能夠在最短的時間內(nèi)到達目標位置，底板采用環(huán)氧板，具有質(zhì)量小、強度高的優(yōu)點;機械臂使用鋁制材料制作，可以最大程度地減輕整車質(zhì)量，而且機械臂設計為可折疊形式，節(jié)省空間。

使用6個大功率數(shù)字舵機驅(qū)動機械臂的每一個關節(jié)，使機械臂具有6個自由度，夾取物料靈活快捷，控制精度高而且比較穩(wěn)定;機械爪采用3D打印制作，內(nèi)部夾持面設計為深溝狀且?guī)в蟹阑瑮l紋，在夾取時能夠更加穩(wěn)定準確;部分安裝零件采用注塑成型制作，減少零件數(shù)量，降低裝配要求。結構設計采用SOLIDWORKS進行整體仿真以及有限元與力學分析。

4 小車硬件電路及軟件設計

4.1 硬件電路設計

4.1.1 顏色識別單元

物料顏色識別采用OPENMV攝像頭，Python編程，功能完備，能夠快速識別物料顏色信息并傳輸給主控單元。

4.1.2 任務信息掃碼單元

采用掃碼器模塊快速掃碼，獲取搬運任務信息，并將任務信息傳送給單片機處理，從而準確完成指定任務。

4.1.3 主控單元

采用STM32F407VET6芯片為核心的主控制器，處理速度可達168 MHz。主控單元上設計有型號為MIC5219-3.3的5V轉3.3 V的轉壓芯片、雙路直流輸出電流平均為1.5A的電機驅(qū)動芯片TB6612FNG，和實時顯示任務信息的顯示屏OLED。

4.1.4 整車定位控制單元

大功率激光進行X軸定位，量程2m以上;小功率激光進行Y，軸定位，量程1m以上。小功率激光的通訊方式為nc通信，其他單元均為串口通信。激光傳感器實現(xiàn)小車在競賽場地的定位;三軸陀螺儀獲取小車在運動過程中的速度和加速度等信息，傳遞給單片機進行反饋調(diào)節(jié)，使小車保持穩(wěn)定的運動姿態(tài)。

4.1.5 電源單元

選用最大輸出電流為3A、轉換效率為92%的12V轉5V轉壓模塊。由一節(jié)12V鋰電池分雙線輸入，一路直接接人電機驅(qū)動模塊，另一路則通過轉壓模塊將其轉為5V，給主控單元和舵機供電，每一部分都會有相應的LED燈指示其供電狀態(tài)。

4.1.6 夾持單元

夾持動作的完成采用的是大功率數(shù)字舵機，控制精度高而且穩(wěn)定，控制方式采用的是PWM波脈寬控制[1]。

4.1.7 底盤運動單元

選擇常規(guī)直流減速電機，結合TB6612電驅(qū)芯片和4路脈寬調(diào)制信號PWM實現(xiàn)對電機的控制。

4.2 軟件設計

在測試與競賽中首先開啟各單元電源，然后主控板進行復位，程序初始化完成，串口中斷開啟，主控單元實時讀取三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、大小激光數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)以及掃碼模塊數(shù)據(jù)，機械臂初始化到固定姿態(tài)。當按下啟動按鍵，給定掃碼區(qū)域坐標，主控單元進行PID運算，底盤運動[2]。在此過程中攝像頭顏色識別開啟，從左到右依次識別各個物料的顏色及對應坐標，以節(jié)省競賽所用時間。小車到達掃碼區(qū)自動識別二維碼信息，主控單元開始進行數(shù)據(jù)處理與分析，獲取抓取物料的顏色、坐標以及相應存放點的坐標，底盤與機械臂相結合依次取放物料，在完成所有任務后，小車返回起點。

5 結論與討論

結合比賽要求，設計并制作了一臺智能物料搬運小車系統(tǒng)。對小車取放物料精度、任務完成時間進行了數(shù)據(jù)采集及測試，小車達到比賽設計要求，能較準確地取放物料，較快完成比賽任務，比賽用時約21 s。在2018年湖南省大學生工程訓練綜合能力競賽中排名第二，還被評為省一等獎。

參考文獻：

[1]孫亞星，王景貴，張志強.基于STC12C5A60S2的電控無碳小車控制系統(tǒng)設計[J].計算機與數(shù)字工程，2018， 46（ ll）：2257-2261.

[2]陳飛躍，涂亞東，殷華鋒，等.新型智能搬運小車系統(tǒng)設計[J].組合機床與自動化加工技術，2018（ll）： 71-73.