李永浩 鄭丹丹 曹如月 張盈 楊瑩瑩

摘 要： 按照第五屆河北省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的要求，設(shè)計(jì)并制作了一輛基于STM32單片機(jī)的物料搬運(yùn)小車。通過(guò)對(duì)小車硬件電路、控制模塊、循跡算法等方面的設(shè)計(jì)分析，得出最優(yōu)的制作方案，完成規(guī)定任務(wù)，為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展提供了幫助。

關(guān)鍵詞： 物料搬運(yùn);單片機(jī);循跡

由于自動(dòng)化生產(chǎn)水平的不斷提高，物料搬運(yùn)設(shè)備的需求持續(xù)上升。全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中，要求設(shè)計(jì)的執(zhí)行物料搬運(yùn)工作的小車正是出于發(fā)展設(shè)備制造業(yè)的需要所命題的。物料搬運(yùn)設(shè)備的持續(xù)發(fā)展，將會(huì)持續(xù)影響到生產(chǎn)效率的提高。

1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)任務(wù)對(duì)小車進(jìn)行系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)的原則，確定實(shí)現(xiàn)小車各部分功能的具體方案，再對(duì)物料搬運(yùn)小車的控制系統(tǒng)具體算法部分設(shè)計(jì)分析，制作一輛基于單片機(jī)的物料搬運(yùn)小車。根據(jù)要求，物料搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)為A4的正方體大小;運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行算法的處理與分析;搬運(yùn)過(guò)程中精度要求較高，若因地圖不平整或舵機(jī)動(dòng)作不當(dāng)容易導(dǎo)致誤差，所以底板采用弧形設(shè)計(jì)，出現(xiàn)偏差可自行調(diào)整;采用可進(jìn)行全方位移動(dòng)，在不平表面性能更好的麥克納姆輪;使用激光傳感器進(jìn)行定位;攝像頭獲取物料信息、六自由度機(jī)械臂進(jìn)行物料抓取。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

（1）主控板。采用STM32F407VET6作為控制芯片，包括FNSC液晶接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、按鍵系統(tǒng)電路。（2）傳感器。此物料搬運(yùn)小車使用4個(gè)未來(lái)機(jī)器人漫反射反射激光傳感器用來(lái)檢測(cè)路面信息，判斷線停。采用GY-31 TCS230 TCS3200 顏色傳感器識(shí)別物料顏色。（3）機(jī)械臂模塊。機(jī)械臂由9個(gè)EMAX ES08A模擬舵機(jī)、1個(gè)MG99620KG舵機(jī)、機(jī)械爪、支架組成。

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 循跡部分

循跡模塊進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其返回值極為重要，基于更高的精度要求，循跡模塊利用八個(gè)燈。循跡傳感器是一種模擬量，接在主板上A0-A8模擬量接口中的四個(gè)。多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，處于黑線和白色區(qū)域時(shí)返回值分別低于1100和大于3000。

3.1.1 讀取灰度傳感器數(shù)值

取val4、val5為前進(jìn)方向的4、5號(hào)信號(hào)燈的讀數(shù)，val6、val7為后退方向4、5信號(hào)燈的讀數(shù)。依據(jù)其原理，返回到小車的光線強(qiáng)度決定了光敏探頭確定顏色深淺的標(biāo)準(zhǔn)，因此其準(zhǔn)確度和檢測(cè)距離、光線強(qiáng)弱密切相關(guān)，物料搬運(yùn)小車執(zhí)行任務(wù)時(shí)的晃動(dòng)和四周環(huán)境可能會(huì)影響其測(cè)量精度。所以算法中采用讀取四次的方式減少偶然誤差，對(duì)此算法的調(diào)用，其誤差是小車左右輪速變化的要點(diǎn)所在。

3.1.2 前進(jìn)后退算法

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上控制的每個(gè)車輪，分別對(duì)應(yīng)MAp1、MAp2、MApwm。p1和p2代表傳輸?shù)臄?shù)字量，低高為后退信號(hào)、高低為行進(jìn)信號(hào)，pwm的值控制速度的大小。

3.1.3 循跡算法

void yanxianzou（int a，int b）{

flag = 1;

getABCD（）;

calc_pid（）;

if（val4<1000 && val5<900）//在黑線

goStraight（a，b）;

else if（val4<1000 && val5>900）//偏右

goStraight（a+PID_value，b-PID_value）;

else if（val4 >1000&& val5<900）//偏左

goStraight（a-PID_value，b +PID_value）;

else

goStraight（a，b）;

}

void yanxiantui（int a，int b）{

flag = 0;

getABCD（）;

calc_pid（）;

if（val6<800 && val7<1400）//在黑線

retreat（a，b）;

else if（val6>800 && val7<1400）//偏左

retreat（a-PID_value，b+PID_value）;

else if（val6 <800 && val7>1400）//偏右

retreat（a+PID_value，b-PID_value）;

else

retreat（a，b）;

}

由局部程序代碼可以看出，將PID獨(dú)立化，簡(jiǎn)化了算法，完成了用一個(gè)函數(shù)調(diào)用不同的Kl、Km、Kn的命令。走直線時(shí)，Km對(duì)小車動(dòng)作幅度影響很小，當(dāng)走圓弧時(shí)，燈在白色區(qū)域的停留使Km的作用逐漸體現(xiàn)出來(lái)，更加穩(wěn)定。

3.2 編碼器

在物料搬運(yùn)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，左右輪輪速的不同會(huì)影響轉(zhuǎn)彎半徑，利用編碼器的轉(zhuǎn)化功能來(lái)控制角位移，實(shí)現(xiàn)左右輪轉(zhuǎn)速相同。

4 結(jié)語(yǔ)

物料搬運(yùn)小車在完成比賽任務(wù)的同時(shí)，對(duì)于制造業(yè)的發(fā)展也有著借鑒意義。隨著信息化和工業(yè)化發(fā)展的向前邁進(jìn)，物料搬運(yùn)設(shè)備未來(lái)的發(fā)展將會(huì)有更多的機(jī)遇和空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鑫，趙文鑫，衛(wèi)國(guó)唯，李建航.基于STM32單片機(jī)的物料搬運(yùn)小車[J].科技風(fēng)，2019（19）：9.

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