周磊磊　余家天一　郭婋赫　周麗蓉　謝光前

摘要：本文研究的智能小車又叫輪式機(jī)器人，模擬工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中自動(dòng)化物流系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程。選用穩(wěn)定的三輪結(jié)構(gòu)車體，通過(guò)差速度，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)各種角度。采用STM32芯片作為嵌入式控制中心的核心，智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)由嵌入式STM32最小系統(tǒng)板結(jié)合穩(wěn)壓電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、灰度傳感器模塊、顏色識(shí)別模塊等組成。

關(guān)鍵詞：智能小車;自動(dòng)化;STM32;顏色識(shí)別;嵌入式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）09-0257-03

1 引言

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)工廠開始轉(zhuǎn)向自動(dòng)化和智能化的方向。工業(yè)4.0是一個(gè)利用信息技術(shù)促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型的時(shí)代，包括從集中控制到分散強(qiáng)化控制的基本模式轉(zhuǎn)變。目的是為個(gè)性化和數(shù)字化產(chǎn)品和服務(wù)創(chuàng)建方便快捷的生產(chǎn)形式。在這種形式下，以前的工業(yè)界限將消散，各類新的模式和合作方式將出現(xiàn)。締造新價(jià)值的過(guò)程正逐漸變化，產(chǎn)業(yè)鏈中的各個(gè)部分將會(huì)重組。工業(yè)4.0是一個(gè)工業(yè)的技術(shù)改造和工業(yè)改造。工業(yè)4.0所講到的智能制造面向商品的整個(gè)生命周期，在無(wú)處不在的傳感條件下完成信息化制造。經(jīng)過(guò)感知、人機(jī)交互、決策、實(shí)行和應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過(guò)程和工廠智能化管理。它是信息技術(shù)與制造業(yè)的深度集成和集成技術(shù)[1-4]。

最近幾年，國(guó)內(nèi)先后出現(xiàn)了一系列機(jī)器人競(jìng)賽，機(jī)器人比賽一方面能夠推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，很多比賽項(xiàng)目都是基于一些實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)中的問(wèn)題，以中國(guó)工程機(jī)器人大賽的搬運(yùn)組比賽而言，比賽的任務(wù)是將不同顏色的物料送到對(duì)應(yīng)顏色的位置，模擬了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中物流運(yùn)輸?，F(xiàn)如今，很多工業(yè)正向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型，提高生產(chǎn)效率。另一方面機(jī)器人比賽促進(jìn)學(xué)校教育，想要設(shè)計(jì)一輛符合比賽要求的輪式小車，需要多方面的知識(shí)，以及一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)參加比賽，將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，增加動(dòng)手能力，邏輯分析能力，進(jìn)一步鞏固學(xué)到知識(shí)。

2 智能小車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]

智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，包含核心系統(tǒng)板、電源模塊、循跡模塊、顏色識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、OLED顯示模塊等部分。在小車搬運(yùn)過(guò)程中，電源模塊給核心板、循跡模塊等各個(gè)模塊供電，循跡模塊和顏色識(shí)別模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM控制器，控制器負(fù)責(zé)多采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且控制舵機(jī)和兩個(gè)電機(jī)，將顏色識(shí)別的結(jié)果顯示在OLED屏上。

2.1 核心板設(shè)計(jì)

微處理器對(duì)于整個(gè)硬件系統(tǒng)而言，是最核心的，影響著其他硬件設(shè)備的選擇。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，微處理器的性能越來(lái)越出色。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)ARM處理器比C51單片機(jī)和Arduino擁有更加豐富的資源，并且ARM處理器的功耗更低，價(jià)格方面也不貴，性價(jià)比很高。ARM擁有了16位的Thumb指令，并且ARM-般都是32位處理器，處理速度很快。ARM還集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，可以利用自身資源而不必增加外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)控制所需求的功能。另外，以ARM作為微處理器，可以移植一些操作系統(tǒng)，使得智能小車更加智能高效，所以本課題選用ARM處理器。如圖2是核心板的實(shí)物圖，選用的ARM芯片是STM32F103RCT6，它是STM32F103系列中高性能、高配置的Cortex-M3內(nèi)核32位處理器。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

此模塊以4個(gè)LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）為主芯片，實(shí)現(xiàn)6V - 12V的降壓，輸出電壓有：VCC、5V、3V3。5V和3V3 -共17組，如果不夠用，還可以使用擴(kuò)展端口增加輸出端口。此模塊集成防反接電路，避免用戶接反輸入電源，損壞模塊。如圖3所示，5V和3V3都有兩個(gè)通道，兩個(gè)通道的額定電流不同，一個(gè)通道是SA，另一個(gè)是IA。當(dāng)使用大電流的設(shè)備時(shí)，就可以選擇接在5A的通道上，更好地驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

由于該電源模塊上引腳比較多，對(duì)于智能小車來(lái)說(shuō)非常合適，智能小車上傳感器都需要供電，并且各類傳感器、電機(jī)和核心板的供電電壓都不同，有了這塊電源板，供電就非常方便，不需要使用多個(gè)單獨(dú)的降壓模塊來(lái)分別供電。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，考慮到對(duì)電源板的保護(hù)，設(shè)計(jì)了防反接保護(hù)、芯片熱保護(hù)、短路保護(hù)等措施。

2.3 循跡模塊設(shè)計(jì)

選擇的灰度傳感器是數(shù)字傳感器，如圖4所示，有一只發(fā)光二極管和一只光敏二極管，安裝在同一面上，一共是8路灰度傳感器。灰度傳感器利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，光敏電阻對(duì)不同檢測(cè)面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測(cè)[6]。在有效的檢測(cè)距離內(nèi)（理論上距離可以無(wú)限遠(yuǎn)，實(shí)際受外界光源的影響，最佳距離為15mm至50mm，如果距離過(guò)高的話，需要進(jìn)行遮光），發(fā)光二極管發(fā)出白光或紅光（這個(gè)主要和場(chǎng)地的反光能力有關(guān)，一般是反光能力強(qiáng)的場(chǎng)地用紅光的，反光能力差的用白光。這個(gè)主要視場(chǎng)地反光而定），照射在檢測(cè)面上，檢測(cè)面反射部分光線，光敏二極管檢測(cè)此光線的強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識(shí)別的信號(hào)。數(shù)字量灰度傳感器的返回值是高低電平（1和0），主要是把模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)LM339或LM393這兩個(gè)電壓比較器把電信號(hào)分為高電平和低電平。而且可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)這個(gè)高低電平的分界線。也就是常說(shuō)的調(diào)節(jié)對(duì)光的靈敏度。

2.4 顏色識(shí)別模塊設(shè)計(jì)[7，8]

TCS3200顏色傳感器是一款全彩的顏色檢測(cè)器，如圖5所示，該模塊包括了一塊TAOS TCS3200RGB感應(yīng)芯片和4個(gè)白光LED燈，TCS3200能在一定的范圍內(nèi)檢測(cè)和測(cè)量幾乎所有的可見光。它適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域。比如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制。SC3200具有很多特點(diǎn)，首先是可將高分辨率光強(qiáng)轉(zhuǎn)換到方波的形式輸出，可編程引腳可以控制多種比例的頻率輸出，可與微處理器直接相連，單獨(dú)供電，具有斷電復(fù)位的功能。并且穩(wěn)定性較好，誤差較小，具有穩(wěn)定的溫度系數(shù)，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)不需A/D轉(zhuǎn)換器，使電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單[8]。

3 智能小車軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面，首先要進(jìn)行開發(fā)平臺(tái)的安裝，安裝芯片對(duì)應(yīng)的庫(kù)，配置好編程所需的開發(fā)環(huán)境，然后是模塊化的編程，按照比賽任務(wù)，完成物塊的搬運(yùn)。圖6是整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程的結(jié)構(gòu)圖，小車在接收到開始指令后，根據(jù)灰度傳感器返回的值，判斷路線，自主循跡，當(dāng)循跡到達(dá)指定位置后，開始識(shí)別物塊的顏色，并且用鉤爪抓取物塊，根據(jù)返回的顏色值，確定物塊的顏色，選擇合適的路線，將物塊送到指定位置。最后判斷物塊是否搬運(yùn)完成，若還有物塊未搬運(yùn)，重復(fù)上面的操作，但是由于物塊的擺放位置不同，所以在抓取下一個(gè)物塊時(shí)，要判斷當(dāng)前的位置，選擇返回的路線，才能完成所有物塊的搬運(yùn)，搬運(yùn)完成或后，返回起點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試，智能小車的各個(gè)模塊運(yùn)行正常，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，小車在場(chǎng)地上循跡正常，OLED屏能夠顯示漢字和數(shù)字等，顏色識(shí)別也沒有問(wèn)題，小車的鉤爪也能抓取物塊。智能搬運(yùn)小車的測(cè)試過(guò)程如圖7，在圖7中（a）和（b）是識(shí)別綠色物塊的過(guò)程，在OLED屏上顯示顏色值和判別的顏色;（c）是小車前往F處去抓取物塊，（d）是小車完成所有搬運(yùn)任務(wù)后，回歸起點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的研究分析，查閱各種傳感器的相關(guān)資料，完成各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，學(xué)到了機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)方面模塊化編程的思想。機(jī)器人設(shè)計(jì)是需要軟硬件很好的配合，才能發(fā)揮更好的性能。團(tuán)隊(duì)成員參加了2019年中國(guó)工程機(jī)器人大賽搬運(yùn)組比賽獲得一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)、優(yōu)勝獎(jiǎng)各一項(xiàng)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)基金（18KJB520004）

作者簡(jiǎn)介：周磊磊（1996-），男，安徽銅陵人，本科，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化方面的學(xué)習(xí)和研究;余家天一（1999-），男，江蘇徐州人，本科，主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程方面的學(xué)習(xí)和研究;郭婋赫（1999-），男，江蘇徐州人，本科，主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程方面的學(xué)習(xí)和研究;周麗蓉（1998-），女，江蘇泰州人，本科，主要從事物聯(lián)網(wǎng)工程方面的學(xué)習(xí)和研究;謝光前（1977-），男，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事無(wú)線傳感網(wǎng)方面的教學(xué)和研究。