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论文方法写作-物料搬运小车的设计与实现

2021-03-15 11:39


   随着“智能化”的发展,各国与各国之间的竞争愈发激烈,而我国亦对“智能化”的越来越重视。而我国物流快递业发展迅速,为了提高物流也的速度与效率,越来越多的企业开始使用自动化的搬运小车,而这类小车通常被称作AGV。该类小车大大地提高了物流效率以及人民的生活质量。

 

  本设计主要对基础的物料搬运智能小车的进行了研究以及设计。该种小车用STC89C52单片机作为核心,采用黑白循迹的方式实现对运动线路的引导。循迹部分主要使用红外传感器来实现。该设计利用超声波来检测道路上的障碍物,该部分与其他设计的不同在于,大多数的避障是要求小车绕过障碍物。本设计考虑到有些道路过于狭窄,所以将绕开的方式换成了停车等待。本设计设计了机械手用于物料抓取,利用红外接近传感器以及颜色识别传感器识别物料。此外,该设计还设计了信号灯、声音等部分模块。

 

  1.1研究背景与意义

 

  近年来,我国党中央与政府对“智能化”的发展高度重视,从建设智慧城市到发展智能制造业,从鼓励引进工业机器人提高工业自动化和智能化水平,到国内服务机器人政策频出、技术发展迅速,无一不展现出国家对智能化发展的决心和目光。2014年9月12日,国务院印发《物流业发展中长期规划(2014—2020年)》,将物流行业作为“支撑国民经济发展的基础战略性产业”[1]。2016年3月21日,工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部等三部委联合印发的《机器人产业发展规划(2016-2020年)》为我国机器人产业发展描绘了美好的未来蓝 。该规划中指出,机器人产业的发展应促进重大标志性产品的突破。在工业领域,聚焦了智能物流方面,其中重载AGV(Automated Guided Vehicle,可译为自动引导运输车)被列了入十大标志性工业机器人产品之一[2]。2017年6月13日,工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心(中国软件评测中心)在北京召开了由其主办的“仓储机器人及智能物流产业联盟成立大会”,标志着我国智能物流进入了全新的发展阶段[3]。

 

  AGV是实现智能物流的重要基础设备。中国国家标准《物流术语》中对AGV进行了定义:有自动导引装置,能够沿规定的路径行驶,在车体上具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆。据统计,2019年关于AGV相关领域的融资事件共计13项,虽然相对于2018年的15项有所减少,但融资金融却同比增加了约28.06个百分点,初显“马太效应”。有关数据表明,2019年的AGV销量约29300台,同比增长24.87个百分点。其中制造及仓储领域AGV占比83.62%,同比增长15.20个百分点。据不完全统计,例如GEEK+、快仓、海康等都企业已经在做出口项目了。这也说明了我国的AGV产业系统逐渐开始完善,并开始领先于世界,其中制造与仓储是AGV运用的主要行业,而智能物流中有一个重要的点也是智能仓储。仓储业也是AGV最初运用的行业。最早的AGV于1954年诞生于美国伊利诺伊州,就是用于自动搬运仓储货物,人力成本得到了大量减少。

 

  2020年,受新型冠状病毒疫情的影响,全球化的供应链受到了影响,AGV的零件生产也自然被波及。但随着新型冠状病毒疫情的发展,物流行业起到了至关重要的作用,中国全民抗击疫情的时候,顺丰、圆通等物流公司在运输医疗救援物质等方面起到了带头作用。其中AGV的使用也对物资运输提供了特殊的贡献,发挥了其巨大

 

  的价值。AGV在物流行业的广泛运用,既省去了人力,又在保障物流运输效率的同时,降低了人与人传染的风险。所以,疫情以后,AGV技术的发展只会越来越迅速,创新与质量也会越来越好。如今中国已经是世界第一工业制造大国,如果按照购买力平价计算中国已经超越美国,成为第一经济大国。随之而来的就是人们对生活质量提升的向往,越来越多的人通过网络购物,疫情期间也有许多人通过网络带货帮助电商,同时也可以通过这样的方式帮助卖不出产品的老乡,达到精准扶贫的目标。为了实现这些,AGV在物流行业被应用地会越来越广泛。中国人强大的学习能力使得许多原本属于高端行业的科技产品变得大众化,也就是人们说的“白菜价”,所以AGV物料自动搬运小车将来肯定会被越来越多的企业或个体运用,不仅是顺丰、圆通这些大型的物流企业。研发便利的AGV不仅是要让大型企业获利,更多的是让老百姓体验到AGV给人们生活带来的便利,如今快递的速度愈来愈快,无不和AGV的发展有很大的关系。如今,AGV已经不只运用在物流制造行业,它还遍布服务业,用于码头、机场,甚至一些危险行业。

 

   1.1第19届CeMAT ASIA登场的AGV

 

  AGV的发展一般要涉及传感技术、 像采集技术、自动化技术、机械设计技术等多项技术,最常见的引导方式为激光引导,以及磁条引导。本设计主要对物流物料搬运方面的AGV进行研究,即“物料搬运小车的设计与实现”,除了实现AGV小车最基本的自动引导功能,还要实现自动运输物料的功能。本设计主要涉及了单片机、黑白循迹、避障等方面,测试环境为一个有黑色引导线的白色地面。

 

  因为AGV现在的发展呈“马太效应”,在高端领域的运用越来越多,在底层运用的情况基本为零,如果继续发展下去,可能会形成行业垄断,形成了垄断会对社会经济的公平发展带来消极的影响。所以,研究与设计一款适用于大众的、低成本的、技术含量较低的自动物料搬运小车,可以有效地减少人力物力财力的消耗,现实意义重大。

 

  1.2国内外研究现状

 

  1.2.1国外研究现状

 

  最早的AGV于1954年出现在美国伊利诺伊州的巴雷特电子公司(Barrett Electronics Corporation),引导方式为电磁感应,是一辆沿着地板线缆运行的拖车,不过当时的名字不叫AGV,而是被叫做“无人驾驶车”(driverless vehicle)。同年,该车在美国南卡罗莱纳州的水星汽车货运公司(Mercury Motor Freight)仓库中使用,可自动将货物移入或移出仓库。1955年,英国首次在生产线上使用了这种车。1959年,AGV开始出现在美国的自动化仓库中。20世纪80年代,该种车终于有了AGV的名字。1990年,瑞典开发了使用激光引导的AGV控制系统;比利时于2000年推出了激光导引与惯性导航、激光测角与测距相结合的导引控制技术;目前法国正在开发新一代的AGV列车系统,速度可达到350km/h[4]。

 

  2012年,美国电商商务公司亚马逊(Amazon)斥资了7.75亿美元收购了机器人制造商KIVA,并在其自己的10个仓库部署了15000辆AGV,以实现仓储中心自动化,提升物流效率。KIVA的AGV运用差速驱动,引导方式为二维码导航。KIVA AGV的使用促进了亚马逊仓库的无人化管理[5]。2017年,法国开发了一款为名Skypod的工业机器人(AGV),不仅可以在地面上工作,还可以在架子之间攀爬和穿梭。该款AGV能将货物转送给手动安排产品发货的人员,使用了激光扫描仪导航穿越仓库,并实现了精准存取。

 

  在LogiMAT 2019展会上,德国物流研究所(Fraunhofer IML)设计的一款外形与“蚂蚱”很相似的AGV—FLIP。其搬运货物的方式和蚂蚱一样,需要依靠两条“腿”来移动货物。同年,位于荷兰的Eurotec智能物流机器人公司也在该展会上发布了世界上最薄的AGV,名为Lowpad,高度仅为12.5厘米。该AGV具备独立驱动、激光雷达辅助防撞系统、智能相机系统以及WIFI通信系统,能够实现自主移动避障等功能。目前,机器视觉导引技术是国外深入研究AGV的重要方向,AGV的应用领域将得到进一步的拓展。

 

   1.2亚马逊收购的KIVA AGV

 

   1.3世界上最薄的AGV Lowpad

 

  1.2.2国内研究现状

 

  AGV技术在我国起步较晚,但发展迅速。1976年,北京起重运输机械研究所研制出了我国最早的实用型AGV。在20世纪80年代后期,北京机械工业自动化研究所研制出了用于立体仓库中的AGV。20世纪90年代,清华大学计算机技术应用系设计并研制出了基于超声波传感器的AGV,被应用于邮票系统[6]。

 

  沈阳新松(原中国科学院沈阳自动化研究所下设的机器人研究室)是我国机器人行业的龙头企业,长期致力于高端装备制造、物流自动化、AGV等多个领域。2007年,沈阳新松制造的AGV系统通用墨西哥的工厂出口至美国,为通用汽车全球工厂配套,实现了中国的AGV产品走向国际市场,同时也完成了分布式控制器的升级。2018年平昌冬奥会闭幕式上,新松研发的移动AGV在“北京八分钟”里表演亮相,惊艳全球。

 

  2019年,广州技田推出了载重为1至1.5吨的同轴重载叉车AGV,该AGV以射频识别(RFID)+二维码为引导方式,结合了堆垛机及传统叉车的优势,可同时实现数十台甚至数百台的调度,十分适用于工厂成品库搬运。

 

   1.4广州技田推出的同轴重载叉车AGV

 

  近年来,我国的AGV市场发展迅速,已成为世界上主要的AGV生产和使用国家,约占全球市场份额的三分之一。但我国AGV的发展仍然存在以下几点问题:

 

  (1)应用普及率低:据统计,AGV方面的融资开始呈“马太效应”,适用范围主要集中于制造与物流仓储,而我国自主研发的AGV,几乎被都是顺丰、圆通、京东等行业龙头运用。很多小型企业运用得还不算多。

 

  (2)科技含量低:我国的AGV起步晚,而且光条和电磁是主要导引方式,技术难度比较低,属于欧美发达国家上世纪的技术。不过最近今年我国在RFID以及二维码引导方面发展的比较快。

 

  (3)价格成本高:我国普通AGV的价格成本相当于一般叉车的两倍,高端的AGV机器人的成本就更加昂贵。这也是普及率较低的原因之一。而许多小型厂家没有足够的资金来引入AGV,为了降低成本,他们只有自主开发,但开发的机器人安全性也十分欠缺[4]。

 

  在人才培养方面,可见国家教育部的用心。2019年6月,两年一度的第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛在天津举行,其中一项的参赛项目命题就是要设计一个智能物流搬运机器人,要求机器人完成循迹、物料搬运等功能任务,该项目共有4个团队获得特等奖,彰显我国未来物流机器人发展的前途。

 

  1.3本设计主要任务

 

  设计一款电动四轮循迹平板小车,该小车能够通过单片机控制左右轮差速驱动实现前进、后退、转弯等运动方式;能够利用黑白循迹方式实现从设定的起始点的运动,并在目标点停留一段时间自动返回起始点,其中起始点及目标点由垂直于轨迹线的黑色短线标记;能够探测轨迹线前方的障碍物并停车等待,同时以声音信号提示轨迹线上存在障碍物;设计红黄蓝三色信号灯显示小车的工作状态;设计一款由红外接近传感器控制的机械装置用于自动固定或释放平板小车上的物料。

 

  本设计主要涉及循迹、避障、物料搬运等技术,设计要点包括传感器、单片机、驱动电机、搬运设备等各方面。本设计的硬件系统主要包括单片机系统、循迹模块、避障模块、电机驱动模块、物料搬运模块、灯光与声音模块等等。其中循迹、避障以及物料搬运是本设计关注的核心。软件方面利用C语言程序来实现。

 

  2方案设计

 

  2.1总体方案设计

 

  本论文中的物料搬运小车的首要任务是在白色地面上的黑色引导线上实现循迹移动。位于物料小车前部的循迹模块可以感应黑色引导线,感应到以后将信息反馈给单片机,从而实现循迹。其次的任务则是通过传感器感应物料,并运用机械爪将其固定,实现搬运功能;同时,通过传感器感应道路上的障碍物,实现避障功能。最后的任务则是信号灯、声音信号等功能的实现。

 

  于是该设计的基本模块可以确定为:单片机、电机驱动模块、循迹模块、避障模块、物料模块、信号灯模块、声音模块,以及电源。本章节将对各个模块的方案设计作出对比选择确定。

 

   2.1总体系统方案

 

  2.2单片机方案设计

 

  单片机的全称为“单片微型计算机”(single-chip microcomputer),它是一个在一块集成电路芯片上集成了中央处理器(CPU)、存储器、定时/计数器以及各种输入和输出接口的微计算机。其最大的优点是体积小。

 

  本设计考虑了51单片机以及STM32单片机。51单片机考虑使用由宏晶公司制作开发的STC89C52单片机;STM32则考虑使用由意法半导体集团制作开发的STM32F103单片机[7]。

 

  两者都具有低成本、低消耗的特点。但由于对于单片机初学者,51单片机基本是入门单片机都必须学习的单片机,而且市面上的单片机学习版也基本上是使用的51单片机,而且51单片机的价格相对于STM32也更加便宜,于是本设计决定使用STC89C52单片机作为核心控制模块。

 

  2.3传感器方案设计

 

  2.3.1循迹模块选择

 

  方案一:关于循迹模块,传感器有多种选择。有一种就是利用激光传感器实现自主循迹,而激光传感器也在循迹以及避障等方面运用得最广泛的传感器之一。激光传感器可以通过照射面颜色的深浅反馈不同的信号。HLSD-2010B激光传感器的检测距离为1至100厘米,工作电压为直流的4.5至5.5V。当检测到黑线的时候,信号脚输出约5V的电压,为高电平,单片机输出1;当检测到白色区域时,信号脚则输出0V电压,为低电平,单片机输出0[8]。

 

  方案二:选择红外反射式传感器,被运用的最广的就是TCRT5000传感器,该传感器和上述的激光传感器和相似,也是检测到白色则输出低电平,检测到黑线输出高电平,其检测距离为2至60厘米。

 

  经过比较,在检测距离方面HLSD-2010B激光传感器比较由优势,但HLSD-2010B激光传感器难以购得,价格也相对的贵很多(是TCRT5000的10倍)。由于本实验设计的小车体积较小,检测距离两者都能够满足,基于经济以及购买难度的考虑,该设计决定使用TCRT5000传感器。

 

  2.3.2避障模块选择

 

  方案一:避障功能可以通过E18-D80NK-N红外传感器来实现。E18-D80NK-N红外传感器是一种集发射接收于一体的光电传感器,发射的光线经过调制后发出,接收头对反射的光线进行解调输出,可以有效避免可见光的干扰。其最大的测量距离可达80cm[9]。

 

  方案二:超声波传感器测距的原理,是依据超声波在空气中传播的速度,通过计算源声波发送时刻和回波信号接收时刻的时间间隔来获取障碍物的距离信息。表达式如下所示。

 

  (2.1)

 

  公式中,d表示超声波传感器与障碍物之间的距离,v表示超声波在空气中传播的速度,通常为340m/s,t则表示测量时间[9]。

 

  HC-SR04超声波传感器采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号。测距范围为2至400cm。模块自动发送八个40kHz的方波,自动检测信号是否返回。若检测到信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,超声波从发射到返回的时间等于高电平持续的时间,也就是公式(2.1)中的t。

 

  两者都有探测距离长、成本低、操作性简单等特点,但经过比较,HC-SR04比E18-D80NK-N的成本更低,而且测距范围也更广,所以避障模块的传感器选用HC-SR04超声波传感器。

 

  2.3.3搬运模块选择

 

  本设计的任务规定物料抓取搬运模块需要使用红外接近传感器来感应物料。在上一节种,我们介绍的E18-D80NK-N红外传感器可以实现这一功能,所以我们选择E18-D80NK-N为红外接近传感器。

 

  而为了判断是否有物料,本设计决定根据颜色识别的原理来判断物料,于是还需要一个颜色识别传感器。最常见的颜色识别传感器是TCS230颜色传感器,该传感器利用了光电二极管的光伏效应,以及电流控制振荡器原理,将光信号转化为脉冲信号,以输出脉冲信号的频率值表示待测颜色的RGB值,适用于检测物体反射光线的颜色种类。

 

  2.4电机驱动模块方案设计

 

  本设计的单片机负载能力不强,因此不可以直接驱动直流电机,所以要选用合适的电机驱动器。于是本设计决定选择使用L298N电机驱动芯片,L298N是一种双H桥电机驱动芯片,能够用来驱动直流电动机、步进电动机等负载。经过各种产品对比,L298N被选为该设计的电机驱动芯片,既能实现功能,而且操作简单、物美价廉、容易购买[10]。其输入与输出关系如表2.1所示。

 

  通过PWM调速的方式可以让小车实现前进、后退、转弯等运动方式。PWM翻译成中文为“脉冲宽度调制”,为了达到控制电机转速的目的。PWM根据一个固定的频率来开关,并根据需要改变一个周期的开关时间长度,通过改变直流伺服电机电枢电

 

  表2.1 L298N输入输出的关系(使能端都为1时)

 

  In1 In2运转状态

 

  1 0正转

 

  0 1反转

 

  1 1刹停

 

  0 0停止

 

  压的占空比来改变平均电压的大小。利用了大功率晶体管的开关特性调制一个固定电压的直流电源。

 

  2.5灯光声音方案设计

 

  本设计对三色信号灯的设计方案进行了两种考虑。一种是使用LED流水灯,另一种是使用发光二极管。关于信号灯的闪烁方式,本设计参考现实中交通灯进行了设

 

  计,在小车行驶过程中闪烁绿灯(包括无聊抓取),当检测到障碍物时闪烁黄灯,当遇到障碍物停车等待以及到底终点停车时闪烁红灯。

 

  由于LED流水灯在电商平台上的颜色单一,所以选择使用发光二极管作为三色信号灯。

 

  本设计对三色信号灯的设计方案进行了两种考虑。一种是使用LED流水灯,另一种是使用发光二极管。关于信号灯的闪烁方式,本设计参考现实中交通灯进行了设

 

  计,在小车行驶过程中闪烁绿灯(包括物料抓取),当检测到障碍物时闪烁黄灯,当遇到障碍物停车等待以及到底终点停车时闪烁红灯。

 

  由于LED流水灯在电商平台上的颜色单一,所以选择使用发光二极管作为三色信号灯。

 

  在检测到障碍物的时候,发出声音信号,本设计决定使用电磁蜂鸣器作为发出声音的工具。

 

  2.6车身方案设计

 

  最常用的运动方式为履带以及轮式运动,但本设计的要求为四轮运动,所以选择轮式运动。小车底盘选用亚克力板作为材料。亚克力(Acrylic)又被称作“塑料皇后”,耐候性好,表面硬度高,光泽好,耐高温。由甲基烯酸甲酯单体(MMA)聚合而成,是一种特殊处理过的有机玻璃。小车的机械臂也选择使用亚克力材质,由亚克力板与4舵机组成,4自由度。通过单片机控制舵机,从而达到控制机械臂的目的。

 

  2.7方案可行性分析

 

  红外循迹模块通过红外二极管发出红外线,根据红外线在黑白物体上返回的不同信号强弱,判断黑色引导线的位置。本设计中,循迹模块检测到黑线会反馈高电平,进而通过编写的程序控制电机运转。通过分析,该模块能够准确且有效地进行黑白循迹。

 

  超声波避障模块利用自身的测距原理,可以探测小车与障碍物之间的距离,通过

 

   2.2小车底板

 

   2.3机械臂

 

  距离来判断小车是否该让蜂鸣器报警,是否该让小车停下来。通过分析,该模块精准有效。而电机驱动使用的L298N模块也是市场上最常见的电机驱动模块之一。搬运模块使用的红外接触传感器以及颜色识别传感器的可靠性高,机械臂模块虽然可能不太稳固,但可以起到搬运效果。

 

  综上所述,该章节所示的方案具有可行性。

 

  3硬件设计

 

  3.1单片机

 

  STC89C52单片机是由宏晶公司制作开发的功耗低、性能高的CMOS8位微控制器。具有8K字节系统可编程Flash存储器,使用经典的MCS-51内核。Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

 

   3.1 STC89C52单片机

 

  表3.1 STC89C52单片机的性能参数

 

  工作电压(V)5.5-3.8

 

  Flash程序存储器(字节)8K

 

  静态随机存取存储器SRAM(字节)512

 

  电可擦除可编程只读存储器EEPROM(字节)5K

 

  定时器3个

 

  A/D 10位8路-

 

  降低EMI(电磁干扰)√

 

  双倍速√

 

  最多有I/O口39个

 

  支持掉电唤醒外部中断4个

 

  内置复位有

 

  看门狗有

 

  ISP√

 

  IAP√

 

   3.2 STC89C52单片机引脚 

 

  表3.2引脚说明

 

  部分引脚复用功能

 

  P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出

 

  P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)

 

  P1.5 MOSI(在线系统编程用)

 

  P1.6 MISO(在线系统编程用)

 

  P1.7 SCK(在线系统编程用)

 

  P3.0 RXD(串行输入口)

 

  P3.1 TXD(串行输出口)

 

  P3.2 INT0(外部中断0)

 

  P3.3 INT1(外部中断1)

 

  P3.4 T0(定时器0的外部输入)

 

  P3.5 T1(定时器1的外部输入)

 

  P3.6 WR(外部数据存储器写选通)

 

  P3.7 RD(外部数据存储器读选通)

 

  引脚 中,VCC表示电源电压的引脚,VSS表示接地的引脚。P1~P4口表示可编程输入或输出的引脚,各8根,共32根。XTAL1、2表示外接晶振的引脚。其余几个为控制引脚,其中RST为复位引脚。此外,P1以及P3的部分引脚还有复用功能。

 

  3.2电源模块

 

  由于该设计的小车是智能行走,所走路线具有不确定性,所以不能通过220V稳压降压以后为小车供电。18650锂电池具有容量大、寿命长、安全性能高、电压高、内阻小等特点,可串联或者并联组合成18650锂电池组,适用范围广。本设计将三节18650锂电池串联后作为电源为该小车提供电压。

 

   3.3 18650锂电池组

 

  3.3电机驱动模块

 

  本设计采用了L298N直流电机驱动芯片作为电机驱动电路的核心。L298N是SGS公司的产品,是一种双H桥的电机驱动芯片,每个H桥可以提供2A电流,功率部分的供电电压范围为2.5V至46V,逻辑部分5V供电,接受5V TTL电平。L298N有四个逻辑驱动电路通道,可以同时控制两个不同的直流单机。

 

  L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压。4脚VS接电源电压,电压范围VIH为+2.5~46V。输出电流可达2A,可驱动电感性负载。INPUT1、INPUT2和INPUT3、INPUT4接受和控制OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的输出,在OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接电机,电机驱动。

 

  输出A、B分别接到马达上通过,使能端A、B来控制电机正常工作(接高电平为正常工作)。单片机分别控制I/O口P1~P4输出,即IN1~IN4,控制马达正反转,接单片机引脚,通过在程序中给引脚高低电平实现正转反转,输入输出关系如表2.4所示。“12V输入”与电池盒正极相连。“5V输入”与单片机的VCC脚相连接,给单片机供电。“GND”则把电池盒负极和单片机的VSS一起接入。

 

   3.4 L298N芯片

 

   3.5 L298N引脚 

 

   3.6电机驱动模块实物示意 

 

   3.7原理 

 

  3.4循迹模块

 

  本设计的红外循迹模块是由四对TCRT5000红外传感器组成,通过检测接收到的反射光强,判断黑色或白色。该传感器模块具有一对红外线发射与接收管,红外线可以由发射管以一定的频率发射,有较强的对环境光线的适应能力。

 

  当模块检测到黑线时,OUT端口将持续输出高电平信号,如果未检测到黑线,则OUT端口输出低电平。该模块检测距离为2~60cm,检测角度35°,检测距离可以通过电位器进行调节。

 

  该模块由红外对管和电压比较器两部分组成,红外对管输出的模拟电压经电压比较器转换成数字电平输出到单片机。电压比较器使用的运算放大器LM393,其内部包含两个独立的精密电压比较器。循迹模块四个传感器从左自右分别和单片机的I/O口相连。

 

   3.8四路红外循迹模块

 

   3.9循迹模块电路 

 

  表3.3红外循迹模块的相关参数

 

  工作电压(V)DC 3.3~3.5

 

  工作电流(A)尽量选择1以上

 

  工作稳定(℃)-10~+50

 

  安装孔径M3螺丝

 

  检测距离(cm)2~60可调

 

  尺寸大小(mm)(长*宽*高)中控板:42*38*12

 

  小板向前:25*12*12

 

  输出接口6线制

 

  输出信号TTL电平

 

  表3.4接线方式

 

  DO1 1路TTL电平输出DO4 4路TTL电平输出

 

  DO2 2路TTL电平输出VCC接电源正极

 

  DO3 3路TTL电平输出GND接电源负极(接地)

 

  3.5避障模块

 

  本设计小车具有被动避障功能,即能检测到障碍物,但不会绕开,而是停下,等待障碍物的移除。避障中的检测功能由HC-SR04超声波传感器来实现。HC-SR04有VCC(电源端,供电5V)、GND(接地)、TRIG(触发控制信号的输入端)、ECHO(回响信号的输出端)四个子端。TRIG、ECHO两个端口分别和单片机的I/O相连。

 

   3.10 HC-SR04超声波传感器

 

  其测距详情如下:

 

  1、单片机向TRIG发一个高脉冲,高脉冲的保持时间要大于等于10微秒;

 

  2、HC-SR04产生8个40赫兹的超声波信号,向外发射;

 

  3、HC-SR04实时检测有没有超声波反射;

 

  4、接收到反射信号后,通过IO口ECHO端输出一个高电平,超声波传输的时间就等于高电平持续时间;

 

  5、根据公式(2.1)计算出探测距离;

 

  超声波测距时,被测物体的面积不能小于0.5平方米,且平面尽量要平整,否则影响测量的结果。

 

   3.11超声波时序 

 

  表3.5 HC-SR04的电气参数

 

  工作电压(V)DC 5

 

  工作电流(mA)15

 

  工作频率(Hz)40

 

  射程范围(cm)2~400

 

  测量角度(°)15

 

  输入触发信号10μs的TLL脉冲

 

  输出回响信号TLL电平信号,与射程成正

 

  3.6搬运模块

 

  该模块总体分为三大部分:红外接近传感器、颜色识别传感器以及机械臂。机械臂在2.6章节已经有过介绍,该章节着重对红外接近传感器和颜色识别传感器进行设计介绍。

 

  红外接近传感器选用的是E18-D80NK-N,该传感器是E18-D80NK的升级版,集发射和接收功能于一体。该传感器的最大测量距离为80cm。由于红外光的特性,能探测的最大距离随物体颜色的不同而改变,其中探测距离最远的是白色物体,而最近的则是黑色物体。在正常状态下,输出高电平;当检测到目标物体时,输出低电平。当检测到物体并输出低电平时,将触发颜色识别传感器。

 

   3.12 E18-D80NK-N实物 

 

   3.13内部原理 

 

  表3.6 E18-D80NK-N的电气参数

 

  工作电压(V)DC 5驱动电流(mA)100

 

  工作电流(mA)10-15感应距离(cm)3~80

 

  颜色识别传感器选用TCS230颜色识别传感器。TCS230颜色识别传感器是美国TAOS公司生产的可编程彩色光到频率传感器。拥有三原色红(R)绿(G)蓝(B)3中滤波器。测量的白光通过3种滤波器后的反射光能够对颜色进行识别。在接收到反射光时,会输出一定的脉冲数,在进行白平衡后得到R、G、B的基准值。识别过程中让白光依次通过滤波器,将得到的脉冲数对基准值进行换算,分别得到被识别颜色的RGB值[12]。

 

  应用中该注意:(1)颜色识别时要避免外界光线干扰;(2)光源发出的光应该尽量地集中;(3)第一次使用TCS230,要进行白平衡调整。

 

   3.14 TCS230实物 

 

  引脚连接方面,TCS230的OE、S0~S1、OUT端口分别于单片机的I/O口相连。GND连接电源端,VCC接地。如 3.15所示。

 

   3.15 TCS230引脚 

 

  表3.7 TCS230各引脚介绍

 

  引脚功能

 

  S0、S1选择输出比例因子或电源关断模式

 

  S2、S3选择滤波器类型

 

  OE频率输出使能引脚,可以控制输出状态。

 

  OUT频率输出引脚

 

  VCC提供工作电压

 

  GND接地

 

  表3.8 S0、S1及S2、S3的组合选项(L即低电平,H即高电平)

 

  S0 S1输出频率定标S2 S3滤波器类型

 

  L L关断电源L L红(R)

 

  L H 2 3.15引脚 

 

  %L H蓝(B)

 

  H L 20%H L无

 

  H H 100%H H绿(G)

 

  由于机械臂需要单片机控制四个舵机继续货物的搬运和抓取,所以单片机的I/O需要与四个信号端口相连。想要控制舵机,需要一个周期T为20毫秒,高电平小t位于0.5至2.5毫秒之间的一个方波。t与舵机转动角度的关系如表3.9所示。

 

  表3.9 t与舵机转动角度的关系

 

  t值(ms)舵机转动角度(°)

 

  0.5 0

 

  1.0 45

 

  1.5 90

 

  2.0 135

 

  2.5 180

 

  4软件设计

 

  该设计的软件编写使用的是C语言,编写环境为Keil uVision4。C语言是单片机编程最常用的语言,而Keil系列软件也是最常用的51单片机编程软件环境。对于单片机初学者来说,Keil uVision4搭配C语言编程也是最好的学习方法之一。本章节主要由主程序、循迹程序、避障程序、搬运程序等流程 组成。

 

  4.1主程序

 

  小车运行的时候首先检测是物料,若检测到物料则停车,并判断颜色,抓取物料,即启动搬运程序。若没有检测到,则开始检测黑线,若检测到黑线,则进入循迹程序。在运行的过程中,对障碍物进行检测,若检测到障碍物,则进入避障程序,停车直至移开障碍物。到终点后停车,下料,过一段时间后则启动循迹程序原路返回。其程序 如 4.1所示。

 

  在引脚定义方面,单片机的P1端口主要是定义L298N电机驱动的引脚;P2端口则定义了红外循迹模块以及超声波避障模块的引脚;P3定义了搬运模块,即颜色识别传感器以及红外接近传感器的引脚;P0引脚则是对舵机、发光二极管以及蜂鸣器的定义

 

  程序中事先编写了前进(forward)、左转(lrft)、右转(right)、后退(backward)(用不上)以及停止(stop)的函数。以下子程序根据调用上述几个函数可控制小车的运动状态。

 

  4.2循迹子程序

 

  若左边的循迹模块位高电平,则小车左转,启动左转(left)函数;右边的循迹模块为高电平,则小车(right)右转;若两者都为高电平,则小车直线前进(forward)。循迹子程序的流程 如 4.2所示。

 

  4.3避障子程序

 

  避障程序的流程 如 4.3所示,先利用超声波检测是否有障碍物,如有障碍物则继续判断与障碍物之间的距离,若距离小于等于设定值,则停车(stop);反之则继续行驶。

 

  4.6搬运子程序

 

  搬运程序的流程 如4.4所示,先用红外接近传感器检测是否有物料,若检测到物料则小车停止,启动颜色识别传感器来判断该区域是应该抓取物料,还是释放物料;若判断为应该抓取物料,则通过舵机控制机械臂抓取。该流程结束后继续行驶。

 

   4.1主程序的流程 

 

   4.2循迹子程序的流程 

 

   4.3避障子程序的流程 

 

   4.4避障程序流程 

 

  5系统调试

 

  5.1电路调试

 

  首先利用小程序控制一个电机正反转,发现正反转以及停止功能都处于正常状态,说明电机驱动电路情况正常,没有问题。其次加入避障子程序,检测超声波检测是否能够达到理想效果。然后再加入简单的循迹程序,检测模块的灵敏度。

 

  5.2循迹模块调试

 

  先用万能表测试红外对管是否发亮,如果不发亮则检测其是否短路或烧坏。输入程序,在一个简易的黑白跑道上进行简单的循迹测试。

 

   5.1循迹测试跑道

 

  5.3避障模块调试

 

  避障模块使用的是HC-SR04超声波传感器,工作电压为5V,工作电流为15mA,工作频率为40Hz,测量角度为15°。调试过程中,用一张纸作为障碍物,挡在小车前方5cm处,如果小车没有运动,则超声波模块正常。把纸张放在小车前往6cm处,再测试小车是否运动。

 

  按照此方法,调节软件程序,直至小车动起来,最后把探测距离确定在提前设定好的范围内。

 

  5.4搬运模块调试

 

  E18-D80NK-N传感器的测试方法与上一节类似,先将物块放在小车前5cm的位置,然后观察小车是否运动,如果没有运动,则该模块正常。之后再把物块放在小车前6cm的位置,再测试小车是否运动,依此类推。调节软件程序,把探测距离调节在设定范围。

 

  将物块放置小车前,测试颜色识别模块是否会有反应。最后,调节软件程序,在规定的距离内看能否完成抓取物块的功能。

 

  5.5测试结果

 

  测试结果表明,该小车基本上能够实现避障、循迹、搬运等功能。但因受实验条件以及经济条件的约束,小车固定不稳固、跑到不平整等问题有待改进。



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