自平衡運輸車

邊佳慧 葛付婷 徐宇

摘要：該運輸車主要由主控系統(tǒng)、載貨平臺升降機構、夾持貨物機構、行走機構、檢測模塊等組成。設計采用STM32F103作為主控核心，載貨平臺始終保持與地面平行。通過陀螺儀傳感器讀取角度，GPS定位裝置、圖像傳輸功能以及光電開關，可以自主行走并躲避障礙以及準確定位。該設計有效解決了多地形搬運物品的問題，有效的提高了搬運的效率、貨物的安全以及大大節(jié)省了人力。經(jīng)過實際測試證明該運輸車具有很好的搬運效率，能夠很好的工作模擬。

關鍵詞：陀螺儀;GPS定位裝置;運輸車;多地形

引言

隨著科技的發(fā)展，機器人代替了人進行勞動，從而大大的解放了勞動力，但是在室內外貨物的搬運依舊還是需要大量勞動力。例如：在有很多城市內仍然有沒有安裝電梯的居民樓人們在運輸家電時將浪費大量的勞動力。在果蔬運輸時，一些大型的運輸車無法進入種植場地，只能由人力運輸?shù)酵獠?，再通過運輸車運輸?shù)街付ǖ胤?，加上種植場地道路復雜，在運輸過程中容易出現(xiàn)磕碰造成果蔬的損傷，這樣既浪費了大量的勞動力，又不能保證果蔬質量，工作效率低。在室內外運輸貨物時，搬運人員將會浪費大量勞動力去把貨物運輸?shù)街付ㄎ恢茫俜祷乩^續(xù)搬運貨物，并且在運輸一些貴重物品、易碎物品時不能保重貨物的安全性。若能設計出一種自平衡調節(jié)平臺的運輸車，它完全可以作為人類搬運的替代工具，能夠在狹窄的樓梯、室內外復雜的環(huán)境下完成對家電、藥品、生鮮類和易碎類物品運輸，這樣能夠在運輸?shù)倪^程中，保證貨物的安全性，不會造成需多損失，節(jié)省了大量的勞動力。在機器人這個科技領域中發(fā)展最快最為流行的就是服務機器人，服務機器人的出現(xiàn)解決了人們生活的需要勞動力的場所，服務機器人的產(chǎn)生大大減少了勞動力，提高了工作效率。所以，現(xiàn)在研究出的運輸車能夠適應多種復雜地形和運輸多種貨物并具有的智能化程度高將會是未來運輸車發(fā)展的走向。

1硬件系統(tǒng)設計

本設計包括控制系統(tǒng)、行走機構、夾持機構、自平衡升降機構、圖像傳輸部分、GPS定位、檢測模塊，總體設計框圖見圖1。

1.1設計原理

采用推桿電機與平行四桿機構的配合，系統(tǒng)先判斷是否有角度的產(chǎn)生，當有角度產(chǎn)生時先通過單片機內部PID計算，將得到數(shù)值賦值PWM，驅動推桿電機動作，從而推動連接軸，帶動滑塊運動，當滑塊產(chǎn)生偏移時，四桿機構隨之變化使載貨平臺保持水平。采用推桿電機其推桿電機的自鎖能力和承載能力將會保證載貨平臺在運動過程中保持穩(wěn)定不會發(fā)生滑動。

1.2夾持機構

本設計為解決在運輸過程中夾緊貨物使貨物在平臺穩(wěn)定，故搭載了夾持機構。夾持機構采用滑塊與推桿電機的配合，當單片機得到信號時將會驅動推桿電機動作，這時活動擋板隨之移動，滑塊在軌道上進行移動，與活動擋板同時移動。

2軟件系統(tǒng)設計

通上電時首先進行系統(tǒng)的初始化，當初始化串口、陀螺儀、時鐘、ADC采值、GPS完畢后進入main函數(shù)當中進行變量的初始化。程序開始先檢測壓力傳感器數(shù)值判斷是否有貨物，如果沒有貨物保持不動，否則進行下一步，運輸車開始運行，光電傳感器實時檢測控制電機避障，在運行過程中陀螺儀檢測是否有角度產(chǎn)生，將角度的數(shù)值經(jīng)過處理，通過PID算法控制電機，使載貨平臺保持水平，然后再進行判斷角度，沒有角度產(chǎn)生則繼續(xù)運輸，有角度產(chǎn)生則再進行上一步電機的驅動，GPS在運輸中實時發(fā)送衛(wèi)星位置。具體工作流程如上圖2所示。

2.1夾持貨物流程

本設計采用HX711稱重模塊，當放上貨物時，程序用AD采集數(shù)值，采用均值濾波，設計連續(xù)間隔20us采集，把10次數(shù)值累加之后再除以10得到數(shù)值，連續(xù)得到均值濾波后的數(shù)值進行比較，判斷貨物是否已經(jīng)平穩(wěn)放上，當判斷數(shù)值偏差較小，則推桿電機進行貨物的夾緊，運輸車開始運輸動作;當數(shù)值偏大則運輸車保持不動。夾持貨物流程圖見圖3所示。

2.2載貨平臺自平衡的流程

本設計采用電機與mpu6050陀螺儀的配合，單片機采集到的陀螺儀產(chǎn)生的角度，將采集的數(shù)值先進行冒泡排序和均值濾波，濾波之后的數(shù)值再根據(jù)角度 得到電機需要轉動的方向和角度，并給推桿電機一個PWM信號使其到達平衡點，再采集到達平衡點后的運輸車的實時角度，再將該角度值反饋到單片機進行比較，從而形成閉環(huán)控制。載貨平臺自平衡的流程圖如圖4所示。

3結論

針對無電梯樓層間、室內外中短距離的場所及復雜地形的家電、藥品、生鮮類和易碎類物品運輸，載貨平臺始終保持與地面平行。推桿電機具有自鎖功能，該設計可以自主行走并躲避障礙以及準確定位。行走機構采用履帶式底盤，反應靈敏，耗能較低，電機采用差速方式轉向，在樓梯等復雜地形轉向更加靈活迅速。有效解決了多地形搬運物品的問題，有效的提高了搬運的效率、貨物的安全以及大大節(jié)省了人力。

參考文獻

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該項目由青島黃海學院校級國創(chuàng)項目《自平衡運輸車》（X2020133200 72）支持。

青島黃海學院 山東青島 266427