基于STM32的智能物料搬运小车系统设计

龙源期刊网的智能物料搬运小车系统设计作者：廖杰谭宁宁刘成鑫巫帮锡彭永康来源：《科技与创新》2019年第08期摘要：根据2018年第五届湖南省大学生工程训练综合能力竞赛的要求，设计制作了基于STM32的智能物料搬运小车。小车由机械结构部分和硬件控制电路部分组成，具有场地目标龙源期刊网位置识别、自主路径规划、自主移动、二维码读取、物料颜色识别或形状识别、物料抓取和搬运等功能。在竞赛过程中，较好地完成了比赛任务，达到了设计要求。关键词：STM32;智能物料搬运;工程训练竞赛;二维码读取中图分类号：TP368.12文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.064全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部举办的全国性赛事，旨在锻炼学生的工程实践能力与应用创新意识。在2018年湖南省大学生工程训练综合能力竞赛中，要求自主设计并制作一台能执行物料搬运任务的智能移动小车，小车能够在规定场地内自主行走，通过扫描阅读二维码领取任务，自主寻找、识别任务指定的物料，按任务要求的顺序将其搬运至指定的存放地点，并按照要求的位置和方向摆放。竞赛场地三维示意图如图1所示。1设计思路通过分析比赛要求，首先对小车进行整体设计，确定各部分主要功能;然后对小车各机械单元与电路控制单元进行设计分析，设计并制作了一台基于STM32的智能物料搬运小车。主控电路采用嵌入式方案，其上面带有电机驱动电路以及任务内容显示装置;智能物料搬运小车尺寸应设计为能够通过A4纸相当大小的门框，且小车可折叠，但通过A4纸门框之后能够自行展开;进行结构优化设计，综合考虑强度，易装配性，可加工性。为了实现便捷移动，采用麦克纳姆轮，抓取灵活采用六自由度机械臂;摄像头获取物料颜色与形状信息;扫码器扫码接收任务信息;激光测距传感器和三轴陀螺仪实现小车定位;单片机进行数据分析与处理。2小车整体结构设计小车整体由机械结构部分和硬件控制电路部分组成。机械结构包括底板、麦克纳姆轮和机械臂。硬件控制电路部分由摄像头、激光测距传感器、三轴陀螺仪、二维码扫码器和STM32单片机组成。小车总体原理框架如图2所示。3小车机械结构设计小车机械部分包含行走机构和抓取机构两部分，行走机构由直流电机驱动的麦克纳姆轮和底板组成，抓取机构由机械臂和机械爪组成。麦克纳姆轮能够实现全方位移动，在需要转向时可以直接反向运动，能够在最短的时间内到达目标位置，底板采用环氧板，具有质量小、强度高的优点;机械臂使用铝制材料制作，可以最大程度地减轻整车质量，而且机械臂设计为可折叠形式，节省空间。龙源期刊网个大功率数字舵机驱动机械臂的每一个关节，使机械臂具有6个自由度，夹取物料灵活快捷，控制精度高而且比较稳定;机械爪采用3D打印制作，内部夹持面设计为深沟状且带有防滑条纹，在夹取时能够更加稳定准确;部分安装零件采用注塑成型制作，减少零件数量，降低装配要求。结构设计采用SOLIDWORKS进行整体仿真以及有限元与力学分析。4小车硬件电路及软件设计4.1硬件电路设计4.1.1颜色识别单元物料颜色识别采用OPENMV摄像头，Python编程，功能完备，能够快速识别物料颜色信息并传输给主控单元。4.1.2任务信息扫码单元采用扫码器模块快速扫码，获取搬运任务信息，并将任务信息传送给单片机处理，从而准确完成指定任务。4.1.3主控单元采用STM32F407VET6芯片为核心的主控制器，处理速度可达168MHz。主控单元上设计有型号为MIC5219-3.3的5V转3.3V的转压芯片、双路直流输出电流平均为1.5A的电机驱动芯片TB6612FNG，和实时显示任务信息的显示屏OLED。4.1.4整车定位控制单元大功率激光进行X轴定位，量程2m以上;小功率激光进行Y，轴定位，量程1m以上。小功率激光的通讯方式为nc通信，其他单元均为串口通信。激光传感器实现小车在竞赛场地的定位;三轴陀螺仪获取小车在运动过程中的速度和加速度等信息，传递给单片机进行反馈调节，使小车保持稳定的运动姿态。4.1.5电源单元选用最大输出电流为3A、转换效率为92%的12V转5V转压模块。由一节12V锂电池分双线输入，一路直接接人电机驱动模块，另一路则通过转压模块将其转为5V，给主控单元和舵机供电，每一部分都会有相应的LED灯指示其供电状态。4.1.6夹持单元龙源期刊网夹持动作的完成采用的是大功率数字舵机，控制精度高而且稳定，控制方式采用的是PWM波脉宽控制[1]。4.1.7底盘运动单元选择常规直流减速电机，结合TB6612电驱芯片和4路脉宽调制信号PWM实现对电机的控制。4.2软件设计在测试与竞赛中首先开启各单元电源，然后主控板进行复位，程序初始化完成，串口中断开启，主控单元实时读取三轴陀螺仪数据、大小激光数据、摄像头数据以及扫码模块数据，机械臂初始化到固定姿态。当按下启动按键，给定扫码区域坐标，主控单元进行PID运算，底盘运动[2]。在此过程中摄像头颜色识别开启，从左到右依次识别各个物料的颜色及对应坐标，以节省竞赛所用时间。小车到达扫码区自动识别二维码信息，主控单元开始进行数据处理与分析，获取抓取物料的颜色、坐标以及相应存放点的坐标，底盘与机械臂相结合依次取放物料，在完成所有任务后，小车返回起点。5结论与讨论结合比赛要求，设计并制作了一台智能物料搬运小车系统。对小车取放物料精度、任务完成时间进行了数据采集及测试，小车达到比赛设计要求，能较准确地取放物料，较快完成比赛任务，比赛用时约21s。在2018年湖南省大学生工程训练综合能力竞赛中排名第二，还被评为省一等奖。参考文献：[1]孫亚星，王景贵，张志强.基于STC12C5A60S2的电控无碳小车控制系统设计[J].计算机与数字工程，2018，46（ll）：2257-2261.[2]陈飞跃，涂亚东，殷华锋，等.新型智能搬运小车系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2018（ll）：71-73.