无线通信物料搬运小车系统设计

分类：通信论文发表 时间：2021-06-03 10:11 关注：(1)

　　针对目前物流行业发展迅速，人工成本不断提高，行业自动化水平不断提高，研究了以智能小车为载体的搬运系统。在系统中使用规则的正方形物体，模拟规则的物料包裹。小车主要实现接受来自上位机的通信，开始自主循迹、识别物料进行取货和卸货。

　　系统主要以STC12C5A06S2单片机为控制核心，由直流减速电机驱动以实现差动控制，通过红外传感器检测黑色轨迹，把感应到的信号传送给单片机进行相应的处理使得小车沿固定轨迹行驶。在物料摆放位检测到物体，则用三轴机械臂进行抓取。整个系统的电路结构清晰，可靠性好。人工智能+物联网模式的不断渗透加深了自动化在物流行业的普遍应用。尤其是在物流行业尤为突出，人工劳作将逐渐被智能仓储机器人所替代。物流将会从传统的人工分拣转型升级为智慧物流，智慧物流必将大大提高资源的利用率。智能搬运小车凭借其可控的行驶路径和速度，定位停车精准。加之其高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修等特点大大提高了物料搬运的效率。文章首先介绍智能小车硬件设计方案，其次进行了软件层面的设计。

　　1整体系统设计框架

　　本系统主要采用模块化的设计方法，由单片机、循迹模块、红外探测模块、无线通讯模块、电机驱动模块和抓取模块组成。其中单片机作为核心负责处理采集到的信息从而控制其他模块的工作，总体的硬件设计框图如图1所示。本多功能物料搬运小车的设计任务主要完成接受到上位机的搬运信号时，开始在预定轨道行驶，进行搬运物料的工作。最终硬件方案选定为：采用动力锂电池作为电源、购买标准的亚克力底盘、STC12C5A06S2作为主控核心系统、采用nRF2401无线通信、采用红外传感器循迹和识别物料。

　　2硬件系统设计

　　2.1核心控制板

　　控制板选用STC12C5A06S2，STC12C5A06S2是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代以51为内核的单片机。指令代码与传8051完全兼容，但是速度比传统8051快8-12倍。2路脉宽调制，专门用于电机的控制，适合强干扰场合。

　　2.2电源稳压模块选择

　　7805是一种固定的三端集成稳压器，IC内部电路具有过流保护、过压保护、过热保护等功能。为了能够实现1A以上的输出电流，需要背负足够大的散热片。在温差较大的环境中依旧可以正常工作，适应环境的能力较强。输入最大电压为35V，最小为7V，并且其外围电路组成简单，只需要几个电容和整流二极管即可。稳压电路图如图2所示。

　　2.3电机驱动模块选择

　　普通的直流减速电机的调速性能好，调速方便，调节范围宽，过载能力强。可频繁的快速启动、制动以及正反转。本方案选择直流减速电机作为电机。L298N驱动原理图如图3所示。L298专用驱动芯片由于驱动能力强、价格便宜、抗干扰能力强等特点，在驱动直流电机和步进电机的应用中较为广泛。尤其是在对功率要求不高小型智能车上，由于可以使用单片机IO口输出的逻辑电平控制，使其对于电机的调速非常方便。

　　2.4无线通讯模块

　　本系统采用nRF24L01无线通信模块用于与PC串口通信。nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段。单片机通过无线收发模块nRF24L01实现与PC串口通信。单次传输有效字节数：1-31字节。可实现点对点，点对多的双向通信。

　　2.5红外模块

　　采用红外发射和接受管等分立元器件构成探头，并使用电压比较器获得输出信号。安装循迹红外传感器时，需要注意，中间一路传感器必须保证在轨迹的中间位置，左右两路的传感器需要贴在黑色和白色地砖的边界位置。这样安装可提供循迹识别的灵敏度，减少控制系统调整运行的方向频率。物体识别也采取红外模块，采用抗干扰能力强的红外传感器，根据有无红外线反射回来，判断是否有物体。

　　2.6物料抓取模块选择

　　采用舵机控制的机械臂，通过程序改变输出PWM控制舵机的旋转角度从而控制机械手每个关节的动作，使之精确地抓取目标。设计中使用MG996R数字舵机，最大扭力可达15kg/cm，一共使用3个舵机组成3自由度的机械手。3个舵机只能让机械臂在三个维度上运动，本次制作中一个舵机控制上下移动，一个舵机控制左右移动，一个舵机控制爪子抓放动作。本设计采用脉宽PWM法实现对MG996R舵机转速、转向的精确控制。机械臂的末端夹持器的抓取与松开通过末端舵机的旋转角度来实现，当舵机向右旋转90°时，爪子完全张开。当舵机归中时，爪子便合拢，从而实现夹取和卸载货物的目的。中间舵机的安装是垂直安装，因此当舵机顺时针或逆时针旋转时，机械臂便会向上或向下。

　　3系统软件设计方法

　　3.1主程序设计

　　小车启动后，首先MCU执行各种初始化。初始化以后，小车等待PC的串口指令。收到串口的指令后进入循迹子程序，沿着黑色轨迹行驶。若在循迹的过程中检测到进入搬运区时则PWM调速，降速循迹行驶直到检测到需要搬运的物体，那么便进入搬运子程序。物料被抓取后，小车便继续循迹。最后小车将会实时判断是否到达终点，若到达终点，便停止行驶卸下目标物体，继续等待下一个PC串口开始的指令。主程序设计流程图如图4所示。

　　3.2无线通信程序设计

　　在程序的开始，将串口初始化、设置串口中断。等待PC的串口数据中断指令，当收到串口的指令后小车开始运行。串口指令程序设计流程图如图5所示。

　　3.3循迹子程序设计

　　当小车启动后，便立马进入预定的轨道行驶。从左到右，一共是五路循迹传感器。主要分为主循迹和辅助循迹两类，中间的三路为主循迹，两侧为辅助循迹。在搬运区为设置一个小十字形的黑线作为标记。因此当小车中间三路检测到黑线时，便需要减速行驶进入搬运区。五路循迹若各自检测到黑线，则做出相应的动作。循迹子程序设计流程图如图6所示。小车循迹使用了五路红外传感器，中间三路为主循迹，旁边两路为辅助循迹，在小车速度过快时可防止其跑偏，提高了循迹的准确性。在算法中只规定了五种情况，简单来说分别是最外左路、左路、中路、右路、最外右路，这五种相对应检测到黑线的情况。使用if语句使逻辑顺序更加清楚，防止循迹的逻辑判断混乱。

　　3.4搬运子程序设计

　　开始时，舵机初始化，在随后的运行过程中，红外对管实时检测物料。一旦检测到物料，小车便停止，机械臂开始抓取物料，将物料抓取后继续运行。直到到达终点后，机械臂放下物体。为了防止在终点放下物体时，红外探测管再次被触发，在程序中加了标志位。搬运设计流程图如图7所示。

　　结语：

　　本次设计过程，按照先总体后局部的原则，即先从整体功能上进行理论分析，把握整体的系统架构，逐步再将系统分成各个具体的功能，模块化设计，易于调试和维护，硬件电路由可拆卸模块拼接而成有多余的扩展空间。采用STC12C5A06S2单片机控制智能搬运小车各模块的工作，基本完成系统所定的目标，并在此基础上有所创新，实现了循迹、搬运和通信的整合。

　　作者：徐锋 任春艳 何艳宾