付琳

摘要：本文介紹了一種基于Arduino單片機(jī)的智能快遞小車的設(shè)計(jì)方案。這種小車具有自動(dòng)循跡、自主避障且制作成本低廉的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快遞的智能運(yùn)輸和投取。小車采用了超聲波傳感器與紅外線傳感器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)避障功能，借助黑標(biāo)傳感器來(lái)進(jìn)行路面循跡，將機(jī)械臂與顏色傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)快遞的智能識(shí)別及收取。經(jīng)過(guò)多次路面模擬實(shí)驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)方案在智能投取、運(yùn)輸快遞上具有非常出色的效果。

關(guān)鍵詞：避障;循跡;機(jī)械臂;智能快遞投取

0? 引言

隨著信息技術(shù)等一批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的興起，智能小車已成為智能信息領(lǐng)域的熱門研究對(duì)象。智能小車集道路感知、規(guī)劃以及行為控制和執(zhí)行等多個(gè)功能于一體，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的自我引導(dǎo)移動(dòng)，是一種綜合智能系統(tǒng)[1]。智能小車由于其成本低廉及實(shí)用性高的特點(diǎn)，是現(xiàn)代運(yùn)輸問(wèn)題、科學(xué)探測(cè)的極佳解決方案。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)智能小車進(jìn)行了相關(guān)研究，如陳杰等人的多樣信息采集智能小車的設(shè)計(jì)[2];周磊磊等人的基于STM32的模擬工業(yè)自動(dòng)化智能搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)[3];白歡等人的智能小車無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[4]，都對(duì)智能小車的發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

智能小車包括傳感器、控制器、執(zhí)行器三個(gè)部分。傳感器部分用于接收外界信息，例如路障、光線等，可以看作我們的眼睛、耳朵、皮膚等感知器官;控制器部分用于接收傳感器傳遞的信號(hào)并根據(jù)事先規(guī)定好的工作方式（編寫好的程序）進(jìn)行決策且繼續(xù)傳遞給執(zhí)行器;執(zhí)行器顧名思義就是最終的執(zhí)行者，其作用就是執(zhí)行控制器傳遞的指令，例如輪胎、機(jī)械臂都是屬于執(zhí)行器[5]。本文介紹了一種智能投取快遞小車的設(shè)計(jì)，采用Arduino單片機(jī)作為主控單元，包括循跡模塊、避障模塊、抓取模塊、返航模塊，下文將分模塊介紹智能快遞小車的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1? 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

智能投取快遞小車采用直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，小車的Arduino主控單元發(fā)出PWM調(diào)制信號(hào)，分別控制車載直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。以前驅(qū)小車為例，電機(jī)A控制左前輪，連接的是Arduino主控單元的IN1、IN2端口;電機(jī)B控制右前輪，連接的是Arduino主控單元的IN3、IN4端口。要實(shí)現(xiàn)小車右轉(zhuǎn)只需要將右前輪前向驅(qū)動(dòng)而左前輪不動(dòng)或者左前輪后向驅(qū)動(dòng)而右前輪前向驅(qū)動(dòng)，即給IN1、IN2、IN4端口輸入0、IN3輸入1或者給IN1、IN4輸入0、IN2、IN3輸入1。上述兩種方式都能實(shí)現(xiàn)小車右轉(zhuǎn)，區(qū)別在于前者轉(zhuǎn)速比較慢，后者反應(yīng)比較快。

1.1 循跡模塊設(shè)計(jì)

由于黑線和白色地板對(duì)光反射系數(shù)的不同，采用黑標(biāo)傳感器來(lái)識(shí)別白色地板上的黑線，Arduino主控單元根據(jù)黑標(biāo)傳感器接收的數(shù)據(jù)判斷黑線的位置，實(shí)現(xiàn)小車路線的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)智能循跡。小車根據(jù)多個(gè)黑標(biāo)傳感器的數(shù)據(jù)接收判斷左右走向，無(wú)論是S型彎道亦或者是直角彎道，小車都成功穿過(guò)，成功完成循跡行駛。循跡模塊流程圖由圖1所示。

1.2 避障模塊設(shè)計(jì)

智能投取快遞小車的避障模塊硬件由左右超聲波傳感器和紅外傳感器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)小車對(duì)障礙物的全方位有效避障[6]。具體避障流程圖如圖2所示。

避障系統(tǒng)采用紅外、超聲波結(jié)合的模式，小車車頭中央集成一個(gè)紅外避障傳感器，用于探測(cè)道路前方障礙物，小車兩側(cè)集成左右兩個(gè)超聲波傳感器，用于分別探測(cè)小車左右兩側(cè)的障礙物，實(shí)現(xiàn)了小車行進(jìn)過(guò)程中的全方位避障。Arduino主控單元通過(guò)超聲波或者紅外避障傳感器反饋的信號(hào)判斷障礙物是否存在及大概位置，控制直流電機(jī)做出避障應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)安全行駛。

1.3 機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)

機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)抓取功能的核心。智能投取快遞小車采用五自由度的機(jī)械臂來(lái)實(shí)現(xiàn)不同情況下的快遞抓取，根據(jù)路況、物料大小、物料的不同位置進(jìn)行自主抓取和搬運(yùn)物件。機(jī)械臂硬件結(jié)構(gòu)由五個(gè)舵機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)縱軸和橫軸兩相互垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)同平面內(nèi)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂的底部舵機(jī)、中間舵機(jī)和機(jī)械爪舵機(jī)分別連接到開(kāi)發(fā)板的舵機(jī)口[7]。

機(jī)械臂舵機(jī)與小車的控制板直接相連，以實(shí)現(xiàn)Arduino主控單元對(duì)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制。機(jī)械臂采用程序化自主控制，為靈活應(yīng)用的智能搬運(yùn)需求，也可在藍(lán)牙和無(wú)線WI-FI的輔助控制下通過(guò)手機(jī)APP人工控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精確抓取工作。當(dāng)智能小車到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，主控單元通過(guò)調(diào)節(jié)舵機(jī)角度來(lái)控制機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)和手爪的開(kāi)合，根據(jù)傳感器的反饋進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)投取快遞小車對(duì)快遞物品的精準(zhǔn)抓取[8]。

智能小車采用顏色傳感器對(duì)快遞進(jìn)行抓取分類。到達(dá)指定位置后，顏色傳感器采集物料顏色特征并傳輸給Arduino主控單元，Arduino主控單元驅(qū)動(dòng)舵機(jī)使機(jī)械臂做出抓取動(dòng)作，超聲波傳感器監(jiān)測(cè)小車前方障礙物距離，Arduino主控單元對(duì)反饋數(shù)據(jù)做出判斷，決定是否啟動(dòng)防撞方案，在確認(rèn)安全后，Arduino主控單元持續(xù)識(shí)別紅外傳感器的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)數(shù)據(jù)的不同組合，判斷小車當(dāng)前位置狀態(tài)以及待執(zhí)行的任務(wù)，對(duì)直流電機(jī)輸出相應(yīng)的指令信號(hào)，及時(shí)調(diào)整小車下一步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);若Arduino主控單元接收到終點(diǎn)信號(hào)，則控制小車停止，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂松開(kāi)快遞，進(jìn)行下一次搬運(yùn)，機(jī)械臂抓取流程如圖3所示。

1.4 返航模塊設(shè)計(jì)

智能小車在完成快遞包裹運(yùn)輸后，要實(shí)現(xiàn)小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)返回初始點(diǎn)，通過(guò)在終點(diǎn)路面鋪設(shè)特定顏色，使小車的顏色傳感器采集到指定顏色傳回給系統(tǒng)，系統(tǒng)做出相應(yīng)的指令，使小車能夠有效準(zhǔn)確地返回初始點(diǎn)。小車自動(dòng)返回流程如圖4所示。

2? 結(jié)論

本文提出了一種集避障、循跡于一體的智能快遞運(yùn)輸、投取小車的設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模塊功能的原理及制作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該智能快遞投取小車遵循模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)原則。小車可根據(jù)環(huán)境障礙、光線角度的類型不同調(diào)整運(yùn)行路線，實(shí)現(xiàn)智能避障、循跡行駛，將多類傳感器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)快遞的無(wú)人化投取操作。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的手機(jī)APP調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，調(diào)節(jié)快捷精確。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有成本低廉，搬運(yùn)效率高的特點(diǎn)，適用于現(xiàn)代運(yùn)輸以及科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。今后智能快遞小車還將從全地形適應(yīng)的角度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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