基于sm32的智能物料搬運小車設(shè)計

全國學(xué)生工程教育綜合技能比賽是教育部組織的全國活動，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐技能和應(yīng)用創(chuàng)新意識。在2018年湖南省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽中,要求自主設(shè)計并制作一臺能執(zhí)行物料搬運任務(wù)的智能移動小車,小車能夠在規(guī)定場地內(nèi)自主行走,通過掃描閱讀二維碼領(lǐng)取任務(wù),自主尋找、識別任務(wù)指定的物料,按任務(wù)要求的順序?qū)⑵浒徇\至指定的存放地點,并按照要求的位置和方向擺放。競賽場地三維示意圖如圖1所示。1智能物料分揀利用通過分析比賽要求,首先對小車進行整體設(shè)計,確定各部分主要功能;然后對小車各機械單元與電路控制單元進行設(shè)計分析,設(shè)計并制作了一臺基于STM32的智能物料搬運小車。主控電路采用嵌入式方案,其上面帶有電機驅(qū)動電路以及任務(wù)內(nèi)容顯示裝置;智能物料搬運小車尺寸應(yīng)設(shè)計為能夠通過A4紙相當(dāng)大小的門框,且小車可折疊,但通過A4紙門框之后能夠自行展開;進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,綜合考慮強度,易裝配性,可加工性。為了實現(xiàn)便捷移動,采用麥克納姆輪,抓取靈活采用六自由度機械臂;攝像頭獲取物料顏色與形狀信息;掃碼器掃碼接收任務(wù)信息;激光測距傳感器和三軸陀螺儀實現(xiàn)小車定位;單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理。2機械臂式機械裝置小車整體由機械結(jié)構(gòu)部分和硬件控制電路部分組成。機械結(jié)構(gòu)包括底板、麥克納姆輪和機械臂。硬件控制電路部分由攝像頭、激光測距傳感器、三軸陀螺儀、二維碼掃碼器和STM32單片機組成。小車總體原理框架如圖2所示。3反向運動技術(shù)小車機械部分包含行走機構(gòu)和抓取機構(gòu)兩部分,行走機構(gòu)由直流電機驅(qū)動的麥克納姆輪和底板組成,抓取機構(gòu)由機械臂和機械爪組成。麥克納姆輪能夠?qū)崿F(xiàn)全方位移動,在需要轉(zhuǎn)向時可以直接反向運動,能夠在最短的時間內(nèi)到達目標(biāo)位置,底板采用環(huán)氧板,具有質(zhì)量小、強度高的優(yōu)點;機械臂使用鋁制材料制作,可以最大程度地減輕整車質(zhì)量,而且機械臂設(shè)計為可折疊形式,節(jié)省空間。使用6個大功率數(shù)字舵機驅(qū)動機械臂的每一個關(guān)節(jié),使機械臂具有6個自由度,夾取物料靈活快捷,控制精度高而且比較穩(wěn)定;機械爪采用3D打印制作,內(nèi)部夾持面設(shè)計為深溝狀且?guī)в蟹阑瑮l紋,在夾取時能夠更加穩(wěn)定準(zhǔn)確;部分安裝零件采用注塑成型制作,減少零件數(shù)量,降低裝配要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用SOLIDWORKS進行整體仿真以及有限元與力學(xué)分析。4硬件電路和軟件設(shè)計4.1硬件電路設(shè)計4.1.1顏色識別單元物料顏色識別采用OPENMV攝像頭,Python編程,功能完備,能夠快速識別物料顏色信息并傳輸給主控單元。4.1.2掃描任務(wù)信息的單元采用掃碼器模塊快速掃碼,獲取搬運任務(wù)信息,并將任務(wù)信息傳送給單片機處理,從而準(zhǔn)確完成指定任務(wù)。4.1.3國第133z采用STM32F407VET6芯片為核心的主控制器,處理速度可達168MHz。主控單元上設(shè)計有型號為MIC5219-3.3的5V轉(zhuǎn)3.3V的轉(zhuǎn)壓芯片、雙路直流輸出電流平均為1.5A的電機驅(qū)動芯片TB6612FNG,和實時顯示任務(wù)信息的顯示屏OLED。4.1.4小功率激光的通訊大功率激光進行X軸定位,量程2m以上;小功率激光進行Y軸定位,量程1m以上。小功率激光的通訊方式為IIC通信,其他單元均為串口通信。激光傳感器實現(xiàn)小車在競賽場地的定位;三軸陀螺儀獲取小車在運動過程中的速度和加速度等信息,傳遞給單片機進行反饋調(diào)節(jié),使小車保持穩(wěn)定的運動姿態(tài)。4.1.5v轉(zhuǎn)壓模塊選用最大輸出電流為3A、轉(zhuǎn)換效率為92%的12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓模塊。由一節(jié)12V鋰電池分雙線輸入,一路直接接入電機驅(qū)動模塊,另一路則通過轉(zhuǎn)壓模塊將其轉(zhuǎn)為5V,給主控單元和舵機供電,每一部分都會有相應(yīng)的LED燈指示其供電狀態(tài)。4.1.6組合裝置夾持動作的完成采用的是大功率數(shù)字舵機,控制精度高而且穩(wěn)定,控制方式采用的是PWM波脈寬控制4.1.7鞋底運動單元選擇常規(guī)直流減速電機,結(jié)合TB6612電驅(qū)芯片和4路脈寬調(diào)制信號PWM實現(xiàn)對電機的控制。4.2機械臂的控制在測試與競賽中首先開啟各單元電源,然后主控板進行復(fù)位,程序初始化完成,串口中斷開啟,主控單元實時讀取三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、大小激光數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)以及掃碼模塊數(shù)據(jù),機械臂初始化到固定姿態(tài)。當(dāng)按下啟動按鍵,給定掃碼區(qū)域坐標(biāo),主控單元進行PID運算,底盤運動5數(shù)據(jù)采集及測試結(jié)合比賽要求,設(shè)計并制作了一臺智能物料搬運小車系統(tǒng)。對小車取放物料精度、任