智能物流搬運(yùn)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u8693第1章引言 14889第2章搬運(yùn)小車總體方案設(shè)計(jì) 1204702.1總體設(shè)計(jì)方案 1323072.2各模塊的選型 2173952.2.1主控模塊的選型 2175322.2.2電源模塊選型 3173942.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選型 379522.2.4電機(jī)的選型 4110412.2.5循跡模塊 4288942.2.6避障和測(cè)距模塊的選型 4233702.2.7搬運(yùn)模塊 5155692.3本章小結(jié) 531430第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 526793.1控制模塊設(shè)計(jì) 5274273.1.1STM32F103C8T6最小系統(tǒng) 552683.1.2循跡模塊 714953.1.3超聲波避障模塊 8147143.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 9224583.3搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì) 990093.3.1藍(lán)牙模塊 964263.3.2舵機(jī) 1034913.3.3搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì) 11203923.4本章小結(jié) 11879第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 12124274.1程序的編寫與實(shí)現(xiàn) 12281754.1.1主程序設(shè)計(jì) 12195564.1.2避障程序設(shè)計(jì) 12318634.1.3紅外循跡程序設(shè)計(jì) 1371674.1.4搬運(yùn)裝置程序設(shè)計(jì) 14151854.2本章小結(jié) 1531753第5章系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證 16216405.1系統(tǒng)調(diào)試 16222795.2硬件調(diào)試 16224665.3軟件調(diào)試 17308095.3.1電機(jī)調(diào)試 17153415.3.2循跡模塊調(diào)試 1861675.3.3避障模塊調(diào)試 1825845.4.4舵機(jī)控制模塊調(diào)試 19284185.4聯(lián)合測(cè)試 20256445.5本章小結(jié) 2023272結(jié)束語 2028219參考文獻(xiàn) 22

智能物流搬運(yùn)小車摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及社會(huì)活動(dòng)的需要，目前就大多數(shù)物流分揀和大型流水線來說，人工分揀和人工搬運(yùn)會(huì)消耗大量的人力，物力更不能保障人們的安全。而搬運(yùn)小車不知疲倦，節(jié)省了大量的人力，提高了效率并且在搬運(yùn)及分揀當(dāng)中不會(huì)因?yàn)槲锲返倪^大而造成人員的受傷，大大保障了人員的安全，因此搬運(yùn)小車的誕生和發(fā)展逐步成為社會(huì)的主流，就目前來說，搬運(yùn)小車已經(jīng)占據(jù)了工業(yè)搬運(yùn)小車很大一部分，人們可以通過編程來控制搬運(yùn)小車來完成預(yù)期的工作。本設(shè)計(jì)對(duì)搬運(yùn)小車的研究現(xiàn)狀展開調(diào)研，通過查找資料與分析設(shè)計(jì)出了智能物流搬運(yùn)小車模型，該模型主要采用四驅(qū)小車為載體，以STM32單片機(jī)作為控制核心，通過紅外循跡模塊來檢測(cè)小車的行進(jìn)路線，通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障和測(cè)距，并且通過Aiduino和藍(lán)牙模塊調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)向來控制四軸機(jī)械爪抓取貨物，對(duì)各模塊反饋的信息進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而控制小車的四個(gè)直流電機(jī)來控制行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角方向，使搬運(yùn)小車將貨物放到指定位置。最后通過軟件編程使搬運(yùn)小車完成一系列的動(dòng)作及路線。搬運(yùn)小車的出現(xiàn)對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，使人力得到充分利用。在自動(dòng)化綜合領(lǐng)域，減少人力資源和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)節(jié)拍，并且便于有節(jié)奏的加工生產(chǎn)，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)小車；循跡；避障；單片機(jī)第1章引言在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展以及人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的多方面需求影響下，搬運(yùn)小車的誕生是時(shí)代的產(chǎn)物。尤其在物流分揀和大型流水線的場(chǎng)景中，搬運(yùn)小車有望代替人力成為主要的生產(chǎn)手段和模式。在當(dāng)前的人力資源運(yùn)輸中，不僅要耗費(fèi)大量的人力物力，還要耗費(fèi)大量的人力物力和防護(hù)裝備，而且存在成本高、效率低、安全不能保證、判斷錯(cuò)誤等諸多弊端[1]。相比人力而言，無論在構(gòu)造還是性能上人們都無法與搬運(yùn)小車所比擬，而且搬運(yùn)小車在執(zhí)行作業(yè)時(shí)可以降低上述狀況帶來的損失，而且效率較高。搬運(yùn)小車?yán)糜布蛙浖幊虒?shí)現(xiàn)多種作業(yè)與任務(wù)，在工業(yè)生產(chǎn)中，利用不同的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同零件的加工[2]。本課題的研究目的是設(shè)計(jì)和制造一臺(tái)智能物流搬運(yùn)小車，以替代手工作業(yè)，以節(jié)省人力、安全、節(jié)省人力，并以此為依據(jù)，減少成本。在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)化作業(yè)搬運(yùn)小車已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于科技、生產(chǎn)、加工、服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域。相對(duì)于一般的人力，自動(dòng)化搬運(yùn)小車的綜合性能是人力所不能及的。首先，搬運(yùn)小車在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，從而克服了勞動(dòng)生產(chǎn)率低、安全不保證、生產(chǎn)成本高的問題。其次，自動(dòng)搬運(yùn)小車投入使用后，可以最大程度地降低或避免意外。利用機(jī)械臂取代人工，使加工與制造更有韻律。同時(shí)，自動(dòng)搬運(yùn)小車的工作壽命和工作時(shí)間超過了通常的人工工作時(shí)間，同時(shí)也降低了人工的使用[3]。降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率、嚴(yán)格控制節(jié)拍是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨和必然要求[4]。因此，自動(dòng)搬運(yùn)小車的產(chǎn)生和發(fā)展將是這個(gè)社會(huì)和時(shí)代不能缺少和改變的需求。第2章搬運(yùn)小車總體方案設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)為自動(dòng)搬運(yùn)小車，主要由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、循跡模塊、通訊模塊組成，現(xiàn)確定如下方案：智能物流搬運(yùn)小車從起始點(diǎn)出發(fā)，通過指定路線循跡到貨物位置，智能物流搬運(yùn)小車停止循跡，操作機(jī)械爪抓取貨物，然后調(diào)整搬運(yùn)小車姿態(tài)繼續(xù)循跡，檢測(cè)到貨物放置點(diǎn)時(shí)放置貨物后循跡回到起始點(diǎn)。整個(gè)過程當(dāng)中智能物流搬運(yùn)小車通過超聲波檢測(cè)到與障礙物距離小于10厘米，搬運(yùn)小車將停止循跡，直到障礙物與搬運(yùn)小車距離小于10厘米，繼續(xù)循跡。確定智能物流搬運(yùn)小車主要實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）經(jīng)單片機(jī)處理循跡模塊采集的軌道信號(hào)，從而控制搬運(yùn)小車循跡行走。（2）經(jīng)單片機(jī)處理避障模塊通過超聲波采集的距離信息，對(duì)路線中的障礙物進(jìn)行避障。（3）通過舵機(jī)機(jī)械爪轉(zhuǎn)向角度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪抓取貨物。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2-1所示。圖2-1搬運(yùn)小車總體設(shè)計(jì)框圖2.2各模塊的選型2.2.1主控模塊的選型在主控模塊的選擇中，主要考慮51單片機(jī)和STM32單片機(jī)兩種方案。方案1：51單片機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景，但是它的運(yùn)行速度太慢，部分功能需要擴(kuò)充，對(duì)周邊器件的要求也很高，這將會(huì)加重軟件和硬件的負(fù)擔(dān)。方案2：STM32是意法半導(dǎo)體集團(tuán)開發(fā)的一個(gè)系列的微控制器[15]。STM32單片機(jī)本身就有許多的特點(diǎn)。STM32單片機(jī)包括增強(qiáng)I/O端口和APB總線，其中兩條APB總線與設(shè)備相連，可以很好地控制外部設(shè)備。此外，該處理器還可以依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部特點(diǎn)對(duì)其內(nèi)部功耗進(jìn)行完善，從而與系統(tǒng)要求相適應(yīng)。具有十分豐富的界面和功能模塊，有完整的開發(fā)工具，有較多的開發(fā)材料，具有很好的實(shí)用價(jià)值[16]。結(jié)合上述兩個(gè)方案的對(duì)比，本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6作為微控制器。圖2-2STM32F103C8T6實(shí)物圖2.2.2電源模塊選型在電源的正常供給下各模塊才能正常運(yùn)行，智能物流搬運(yùn)小車才能有效的完成行進(jìn)路線和各動(dòng)作，因此電源模塊是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)保障。對(duì)于本系統(tǒng)供電需求，考慮了兩種供電方案：方案1：選用鋰電池進(jìn)行供電，經(jīng)過穩(wěn)壓后給自動(dòng)搬運(yùn)小車系統(tǒng)供電。對(duì)比干電池來說鋰電池儲(chǔ)電量更大，可以提供更久的續(xù)航時(shí)間，可重復(fù)充電，但成本較高。廣泛用于移動(dòng)電話、手提電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)車、街燈、航燈、小型家電。方案2：選用12V干電池，將12V的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓器降壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他模塊供電。適用于手電筒，半導(dǎo)體收音機(jī)，錄音機(jī)，照相機(jī)，電子鐘，玩具等，并廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，如國防，科研，通訊，航海，航空，醫(yī)學(xué)等。對(duì)本設(shè)計(jì)來說，選用了12V干電池作為電源，由于12V干電池在給主控芯片供電后也足以供給其他模塊，使各模塊能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且成本較低。2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選型為了讓搬運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)，須采用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置。目前市面上使用最多的是L298N和L293D。兩者性能對(duì)比如表2-1所示表2-1L293D、L298N性能對(duì)比表L298NL293D電路結(jié)構(gòu)雙H橋大電壓驅(qū)動(dòng)器單H橋集成電路最高工作電壓46V36V最高輸出電流3A2A額定電流2A1A驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)2臺(tái)直流電機(jī)1臺(tái)直流電機(jī)性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力弱由表中的數(shù)據(jù)可以得出，L298N在各方面性能都比L293D性能強(qiáng)。并且L298N操作簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，也更適用于本設(shè)計(jì)成本以及性能等方面的需要，故選擇了L298N雙H橋直流電機(jī)作為本設(shè)計(jì)主要驅(qū)動(dòng)模塊2.2.4電機(jī)的選型對(duì)于電機(jī)選型主要有兩種方案：方案1：采用直流電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于它具有靈活、寬頻、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等。方案2：采用步進(jìn)電機(jī)簡易操控，精密度比較高，沒有積累誤差。但其運(yùn)行噪音分貝大、高速狀態(tài)扭矩小、啟動(dòng)頻率較低等劣勢(shì)也比較明顯?；谏鲜霰容^，為了便于無級(jí)調(diào)速和節(jié)約成本，故本設(shè)計(jì)選用了直流電機(jī)。2.2.5循跡模塊該方案中的循跡模塊可以使自動(dòng)搬運(yùn)小車沿著黑色膠帶所規(guī)劃的路徑進(jìn)行自行移動(dòng)，在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，一般都是通過紅外探測(cè)來完成。因?yàn)楹谀z與白紙之間的反光系數(shù)有差異，因此可以根據(jù)其特性來設(shè)計(jì)循跡[17]。本設(shè)計(jì)選用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)該功能，其實(shí)物如圖2-3所示。圖2-3紅外對(duì)管實(shí)物圖2.2.6避障和測(cè)距模塊的選型為達(dá)到避障和測(cè)距的目的，本設(shè)計(jì)考慮了常用的兩種傳感器的性能并進(jìn)行了選型。方案1：超聲波傳感器，超聲波傳感器主要通過發(fā)射和反射聲波來完成。將物體放在傳感器前面，當(dāng)聲波與物體接觸后，會(huì)將聲波傳遞給傳感器，傳感器會(huì)根據(jù)聲波的傳播和接收的時(shí)間間隔來進(jìn)行測(cè)量距離[18]。超聲傳感器具有高精度、高分辨率、結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、耗能慢、探測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。方案2：紅外傳感器，紅外傳感器通過發(fā)射紅外光和反射光來完成距離測(cè)量。紅外線照射在目標(biāo)表面，使其反射紅外線。當(dāng)紅外線傳感器再一次收到反射的光線時(shí)，可以用方程式來求出距離。但是紅外線感應(yīng)器易受到其它因素的影響而產(chǎn)生偏移或誤差。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，采用了基于HC-SR04的超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)避障與測(cè)距的功能。當(dāng)搬運(yùn)小車與前面的障礙之間的距離低于預(yù)定的10公分時(shí)，自動(dòng)搬運(yùn)小車停止移動(dòng)。圖2-4HC-SR04實(shí)物圖2.2.7搬運(yùn)模塊本設(shè)計(jì)中，配合操舵控制器的角度轉(zhuǎn)換，利用機(jī)械手機(jī)構(gòu)來搬運(yùn)和卸貨，以完成物品的搬運(yùn)和卸載。本方案選用了SG90型舵機(jī)，其控制方式簡單，便于與單片機(jī)接口，并可調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度。舵機(jī)實(shí)物如圖2-5所示。圖2-5舵機(jī)實(shí)物圖2.3本章小結(jié)本章首先介紹了搬運(yùn)小車的設(shè)計(jì)思路和搬運(yùn)小車的主要模塊構(gòu)成，然后通過各模塊的選型對(duì)比，確定了各模塊的選型，方便下一步對(duì)搬運(yùn)小車的硬件及軟件部分的設(shè)計(jì)。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、測(cè)距避障模塊、搬運(yùn)模塊。3.1控制模塊設(shè)計(jì)該部分主要包括循跡、避障、主控等模塊。3.1.1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)單片機(jī)最小化系統(tǒng)是一個(gè)最簡單的工作環(huán)境，它可以使單片機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi)完成程序。搬運(yùn)小車的處理器需要具備與外界的通信聯(lián)系，控制小車的馬達(dá)，以滿足要求調(diào)速，集成和處理各個(gè)模塊的信號(hào)等功能[19]。本設(shè)計(jì)中選用了體積小但功能靈活、便于接口的STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)板來實(shí)現(xiàn)以上功能。該系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。圖3-1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括以下電路模塊：1、電源電路，電源電路為主控系統(tǒng)和各模塊提供正常工作的驅(qū)動(dòng)。由于各模塊的額定電壓值是不一樣的，所以在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊的降壓后，要把原來的12V的電壓轉(zhuǎn)換為每個(gè)組件所需的額定電壓。2、晶振電路，又叫時(shí)鐘電路。該系統(tǒng)能為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，為CPU和其它模塊的正常工作奠定基礎(chǔ)。晶振電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2晶振電路原理圖3、復(fù)位電路，復(fù)位電路作為輔助電路?？梢詮耐獠恐匦聠?dòng)單片機(jī)，一般作用于上電階段或調(diào)試過程。其原理圖如圖3-3所示。圖3-3復(fù)位電路原理圖STM32F103C8T6最小系統(tǒng)版，其結(jié)構(gòu)主要是以Cortex-M3為核心，并與整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成。該系統(tǒng)不僅功耗低，性能高，成本低，而且系統(tǒng)的集成度得到了極大的提高，開發(fā)難度也得到了降低。3.1.2循跡模塊本設(shè)計(jì)采用了五個(gè)紅外對(duì)管作為主要硬件，該模塊并對(duì)周圍的光照有很好的適應(yīng)性。每個(gè)紅外線對(duì)管包括一根紅外線發(fā)射管和一根感光管。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4紅外對(duì)管原理圖紅外發(fā)射管實(shí)質(zhì)上是由紅外輻射效率高的材料制成PN結(jié)，也就是可以單向?qū)щ姷亩O管。這種結(jié)構(gòu)通過將電流注入到PN結(jié)而激勵(lì)紅外光。光敏接收管是一種具有感光性能的PN結(jié)，它的結(jié)構(gòu)特征決定了它的單向?qū)щ娦?。無光照時(shí)，光敏管不導(dǎo)通。有光照時(shí)，則形成光電流。顏色不同反射能力也不同，黑色的反光能力較弱，白色有著較強(qiáng)的反光性。根據(jù)該原理，用黑膠帶在白色紙板上貼出小車循跡的路線。紅外線發(fā)射管持續(xù)地發(fā)出紅外線，打在黑色膠帶上，會(huì)產(chǎn)生很小的反射，從而使接收管無法接通；在紅外線照射在白板上時(shí)，感應(yīng)器會(huì)收到更多的光，從而使接收管導(dǎo)通。3.1.3超聲波避障模塊本設(shè)計(jì)中由HC-SR04超聲波模塊來完成自動(dòng)搬運(yùn)小車的避障和測(cè)距，其原理圖如圖3-5所示。圖3-5超聲波模塊原理圖HC-SR04超聲波傳感器的原理如下：首先，I/O口輸出一個(gè)高電平，超聲波模塊會(huì)立刻發(fā)射超聲波，同時(shí)打開定時(shí)器檢測(cè)與ECHO相連的I/O口電位。當(dāng)收到返回的聲波時(shí)，ECHO輸出高電平，定時(shí)器關(guān)閉，此時(shí)定時(shí)器所讀取的時(shí)間就是超聲波傳感器從發(fā)出信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間[20]。由此，根據(jù)式(3-1)可計(jì)算出自動(dòng)搬運(yùn)小車與障礙物的距離。式(3-1)式中，c為超聲波直線傳播的速度，為傳感器測(cè)量的時(shí)間總和，n為測(cè)量次數(shù)，測(cè)量次數(shù)越多，得出的結(jié)果精度越精確，由三個(gè)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)公式，即可計(jì)算出d，也就是自動(dòng)搬運(yùn)小車與障礙物之間的距離[21]。該模塊采用了多次連續(xù)測(cè)量法，以減少測(cè)量誤差。當(dāng)d的數(shù)值比程序設(shè)置的數(shù)值低時(shí)，自動(dòng)搬運(yùn)小車停止。3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)在單片機(jī)接上L298N驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的控制引腳，即可通過單片機(jī)控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)以及速度大小。其原理圖如圖3-6所示。圖3-6L298N芯片原理圖該驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行。該搬運(yùn)小車包括四臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，在搬運(yùn)小車的左右兩側(cè)分別裝有兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，通過相同的控制信號(hào)連接兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)。采用ENA、ENB兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的有效控制，實(shí)現(xiàn)了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自由滑行和停止四種操作方式。3.3搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì)搬運(yùn)模塊主要由藍(lán)牙模塊、舵機(jī)，機(jī)械爪構(gòu)成。3.3.1藍(lán)牙模塊本設(shè)計(jì)選用HC-05藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和機(jī)械爪完成貨物的抓取。其原理圖如圖3-7所示。圖3-7HC-05藍(lán)牙模塊原理圖HC-05是CSR的主流藍(lán)牙芯片，功能齊全，功耗低，價(jià)格便宜，是一種以藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)V2.0為基礎(chǔ)的數(shù)字傳輸模塊，具有3.3V的工作電壓，可設(shè)定的波特率在4800-1382bit/s之間，藍(lán)牙的工作頻率為2.4GHz，可以達(dá)到10米的距離，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)根據(jù)場(chǎng)地不同而變化[22，23]。HC-05模塊通過藍(lán)牙遙測(cè)控制器與主控芯片相連，是藍(lán)牙APP與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通訊橋梁，既能接收數(shù)據(jù)，又能傳輸數(shù)據(jù)。在接收端，負(fù)責(zé)接收由APP發(fā)出的用戶指示；在發(fā)送端，負(fù)責(zé)向APP反饋搬運(yùn)設(shè)備的各項(xiàng)狀態(tài)。HC-05模塊在與主控芯片的對(duì)接中，其主要功能是將HC-05模塊的串口發(fā)射、接收端與單片機(jī)的串口接收、發(fā)射端進(jìn)行通信。3.3.2舵機(jī)結(jié)合本設(shè)計(jì)搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)需求，選擇了SG90舵機(jī)作為該部分的核心硬件。其原理圖如圖3-8所示。圖3-8SG90舵機(jī)原理圖主要結(jié)構(gòu)包括：減速齒輪組、電機(jī)、電位器和控制電路。通過接收端將控制信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)制晶片中，并將其轉(zhuǎn)換成直流偏壓。通過對(duì)直流偏壓和電位計(jì)的電壓進(jìn)行比較，得到差值，然后將其輸出。最后，將差壓輸出至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)晶片，以控制馬達(dá)的正反方向。在電動(dòng)機(jī)的速度不變的情況下，由串聯(lián)的減速器驅(qū)動(dòng)電位計(jì)，使電位計(jì)的差值變?yōu)?，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，舵機(jī)的控制要求在20毫秒內(nèi)完成，以180度角伺服系統(tǒng)為例，其脈沖幅值與馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角的相應(yīng)控制關(guān)系如下表3-1所示：表3-1脈沖幅值與馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角的相應(yīng)控制關(guān)系表0.5ms0度1.0ms45度1.5ms90度2.0ms135度2.5ms180度在本設(shè)計(jì)中，在所有的控制算法都已完成之后，由單片機(jī)將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，并將其輸入至操舵系統(tǒng)。由于單片單片機(jī)僅依靠硬件的計(jì)數(shù)就能完成對(duì)控制信號(hào)的變化，所以它不會(huì)受到外界的干擾，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。3.3.3搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)搬運(yùn)裝置是由一個(gè)四軸機(jī)械爪通過Arduino和藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)貨物的抓取和放置。Arduino原理圖如圖3-9所示。圖3-9Arduino原理圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹了智能物流搬運(yùn)小車部分硬件模塊與其工作原理，對(duì)各端執(zhí)行器進(jìn)行研究分析，確定了搬運(yùn)小車主要由自動(dòng)避障循跡小車和搬運(yùn)裝置兩部分組成。為下一步的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試部分奠定了基礎(chǔ)。

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是將智能物流搬運(yùn)小車的硬件系統(tǒng)進(jìn)行整合，并用軟件編程實(shí)現(xiàn)了硬件驅(qū)動(dòng)的設(shè)想。軟件的設(shè)計(jì)主要由主程序和其它子程序兩部分組成，其中，紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器、舵機(jī)等模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)軟件編程部分使用CubeMX軟件，采用HAL驅(qū)動(dòng)庫，為方便實(shí)現(xiàn)移植，在KeiluVision5開發(fā)[24]。4.1程序的編寫與實(shí)現(xiàn)4.1.1主程序設(shè)計(jì)智能物流搬運(yùn)小車整體運(yùn)行是通過紅外光線、超聲波等信息的反饋分別通過紅外循跡模塊、避障模塊、接收并產(chǎn)生各種信號(hào)，然后來控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)小車行駛方向和速度的調(diào)節(jié)。再加上通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP連接接受指令，通過APP發(fā)送指令來控制機(jī)械爪去抓取貨物?？傮w設(shè)計(jì)圖如圖4-1所示。圖4-1智能物流搬運(yùn)小車主程序4.1.2避障程序設(shè)計(jì)本部分超聲波傳感器通過對(duì)搬運(yùn)小車周圍環(huán)境的探測(cè)，可以探測(cè)到其附近是否有無障礙物對(duì)搬運(yùn)小車的移動(dòng)產(chǎn)生影響，并對(duì)其與障礙物的距離進(jìn)行測(cè)量。在整個(gè)跟蹤過程中，都會(huì)觸發(fā)障礙物和測(cè)距的功能，通過超聲波傳感器將超聲波反射到障礙物上，再通過超聲波傳感器將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，將其進(jìn)行整形反饋給單片機(jī)，使其按照反饋的信息工作。通過設(shè)定好的程序，在超聲波模塊探測(cè)到移動(dòng)搬運(yùn)小車與障礙物的間距超過10公分時(shí)，搬運(yùn)小車會(huì)繼續(xù)沿著軌跡移動(dòng)，在距離障礙10公分以內(nèi)時(shí)停止移動(dòng)。超聲波避障流程如圖4-2所示。圖4-2避障流程圖4.1.3紅外循跡程序設(shè)計(jì)該部分通過智能物流搬運(yùn)小車前端底部的紅外線對(duì)管來檢測(cè)循跡路線，紅外發(fā)射對(duì)管發(fā)出紅外光線，從而根據(jù)接收到的不同光線轉(zhuǎn)換成不同的電阻信號(hào)，電阻信號(hào)通過外接電路轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)并輸出到單片機(jī)的I/O口。通過檢測(cè)到白色或黑色路面時(shí)紅外探頭相對(duì)應(yīng)的端口分別輸出低電平和高電平。通過傳感器的反饋單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行逆向調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)搬運(yùn)小車的運(yùn)行狀態(tài)，通過中間三個(gè)紅外對(duì)管的反饋，從而調(diào)整智能物流搬運(yùn)小車在預(yù)定的路線上自動(dòng)循跡。自動(dòng)搬運(yùn)小車紅外循跡流程如圖4-3所示。圖4-3循跡流程圖4.1.4搬運(yùn)裝置程序設(shè)計(jì)該部分當(dāng)智能物流搬運(yùn)小車到達(dá)搬運(yùn)位置后，搬運(yùn)小車停止。通過人機(jī)交互界面給舵機(jī)和機(jī)械爪下達(dá)命令，調(diào)節(jié)舵機(jī)角度和機(jī)械爪狀態(tài)，使抓手合并抓取貨物。搬運(yùn)裝置流程圖，如圖4-4所示。圖4-4搬運(yùn)裝置流程圖4.2本章小結(jié)本章主要介紹了搬運(yùn)小車的各模塊的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行分析，然后準(zhǔn)確的畫出模塊實(shí)現(xiàn)的流程圖，通過流程圖更加清晰直觀的表達(dá)了搬運(yùn)小車各模塊處理信息，便于下一步實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)小車的總設(shè)計(jì)。

第5章系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證5.1系統(tǒng)調(diào)試首先確認(rèn)電路是否正常，燒入程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，表示電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)無故障。然后燒入避障程序，在正常運(yùn)行的小車前面放上障礙物，小車在接近障礙物時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，拿走障礙物后小車?yán)^續(xù)行走，說明避障模塊可以正常使用，然后通過手機(jī)APP連接藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械爪的操控，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)并且機(jī)械爪也可以正常操控。從以上調(diào)試可以看出搬運(yùn)小車的電路、電機(jī)、STM32主控、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、藍(lán)牙模塊等均可以正常使用。因此搬運(yùn)小車整體系統(tǒng)調(diào)試沒發(fā)現(xiàn)問題。搬運(yùn)小車整體圖片如圖5-1所示。圖5-1搬運(yùn)小車整體圖5.2硬件調(diào)試對(duì)各個(gè)硬件按照智能物流搬運(yùn)小車功能要求連接好每個(gè)器件的電源線，并且確保電源正負(fù)極不會(huì)接反，再將信號(hào)線連接到單片機(jī)上并且檢查每個(gè)引腳是否接對(duì)。安裝電池打開電源仔細(xì)檢查各路線是否有短路或者發(fā)熱現(xiàn)象。硬件組裝成品如圖5-2所示。圖5-2硬件設(shè)計(jì)圖5.3軟件調(diào)試5.3.1電機(jī)調(diào)試?yán)酶呻姵貫橹绷麟姍C(jī)提供12V的電壓，可以看到電機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將正負(fù)極反接，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，則證明直流電機(jī)正常。然后在L298N驅(qū)動(dòng)模塊的兩路輸出口連接上準(zhǔn)備好的兩個(gè)直流電機(jī)，將單片機(jī)I/O口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使能腳相連。當(dāng)外接電源給L298N驅(qū)動(dòng)模塊供電時(shí)，單片機(jī)發(fā)送給該模塊電平信號(hào)，根據(jù)電平的高低控制電機(jī)正常正反轉(zhuǎn)。接著連續(xù)改變ENA、ENB使能腳的PWM信號(hào)，這時(shí)會(huì)觀察到兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，則測(cè)試無誤。最后，調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度，防止小車速度過快在循跡過程中產(chǎn)生較大偏差，最后調(diào)至合適速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)小車的理想的正常驅(qū)動(dòng)。如圖5-3所示為電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖5-3電機(jī)結(jié)構(gòu)圖5.3.2循跡模塊調(diào)試啟動(dòng)電源后，自動(dòng)搬運(yùn)小車沿著預(yù)定的路線行進(jìn)，起初因?yàn)樗俣忍?，很容易出現(xiàn)偏差，調(diào)整了速度后，搬運(yùn)小車的軌跡循跡精度就會(huì)提高。但是，由于用于追蹤的紅外對(duì)管位置比較高，有時(shí)會(huì)受到光線的干擾，經(jīng)過調(diào)整后，將紅外對(duì)管置于小車的底部，通過調(diào)整電位器，提高了循跡的靈敏度，自動(dòng)搬運(yùn)小車的循跡結(jié)果準(zhǔn)確率大幅度提升。圖5-4為自動(dòng)搬運(yùn)小車準(zhǔn)確循跡的實(shí)拍圖。圖5-4循跡實(shí)拍圖5.3.3避障模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)要求自動(dòng)搬運(yùn)小車在循跡過程中遇到障礙時(shí)，通過超聲波模塊持續(xù)地發(fā)出超聲波來進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)搬運(yùn)小車與障礙物的間距小于10厘米時(shí)，搬運(yùn)小車將停止工作，超過10厘米時(shí)，搬運(yùn)小車將繼續(xù)前進(jìn)。實(shí)驗(yàn)中，通過人工遮擋和設(shè)置障礙物等手段對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，并取得了良好的效果。圖5-5為自動(dòng)搬運(yùn)小車避障時(shí)的實(shí)拍圖。圖5-5搬運(yùn)小車避障實(shí)拍圖5.4.4舵機(jī)控制模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的作用主要是通過Arduino主板和藍(lán)牙模塊控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度使搬運(yùn)小車前方用來搬運(yùn)的機(jī)械爪能順利搬放起物塊，在測(cè)試中機(jī)械爪容易出現(xiàn)失誤抓不到東西，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)是由于物塊太輕或者太小不太容易被抓起，在搬起時(shí)容易出現(xiàn)失誤。圖5-6為自動(dòng)搬運(yùn)小車搬運(yùn)貨物時(shí)的實(shí)拍圖。圖5-6搬運(yùn)小車搬運(yùn)貨物實(shí)拍圖5.4聯(lián)合測(cè)試硬軟件調(diào)試后，智能物流搬運(yùn)小車可以完成單程的搬運(yùn)作業(yè)。開關(guān)啟動(dòng)后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)搬運(yùn)小車行走和轉(zhuǎn)向，紅外對(duì)管發(fā)射管發(fā)射紅外光線到地面，反射后由接收管接收，并傳給單片機(jī)，進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)小車循黑線行走。超聲波模塊會(huì)通過不斷發(fā)射超聲波，接收反射聲波來完成檢測(cè)距離，由于本設(shè)計(jì)的程序設(shè)定的測(cè)距值為10厘米，一旦自動(dòng)搬運(yùn)小車前方存在障礙物且距離小于10厘米，自動(dòng)搬運(yùn)小車停止行進(jìn)。當(dāng)搬運(yùn)小車左右兩側(cè)的紅外對(duì)管檢測(cè)到黑點(diǎn)時(shí)，搬運(yùn)小車停止。由藍(lán)牙控制舵機(jī)調(diào)整搬運(yùn)機(jī)械裝置的角度以搬運(yùn)起物塊，然后搬運(yùn)小車在合適的停頓時(shí)間后，搬運(yùn)小車?yán)^續(xù)行駛。當(dāng)搬運(yùn)小車左右兩側(cè)的紅外對(duì)管再次檢測(cè)到黑點(diǎn)時(shí)此時(shí)，搬運(yùn)小車停止，通過藍(lán)牙控制把貨物卸下，然后搬運(yùn)小車在合適的停頓時(shí)間后，小車?yán)^續(xù)循跡支起始位置，然后接著下一輪的搬運(yùn)。5.5本章小結(jié)本章首先對(duì)系統(tǒng)和硬件各模塊進(jìn)行調(diào)試，然后對(duì)搬運(yùn)小車避障、抓取和放置整個(gè)過程進(jìn)行動(dòng)作分析，然后結(jié)合搬運(yùn)小車的程序和控制系統(tǒng)，搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程平臺(tái)，利用平臺(tái)對(duì)避障、抓取和放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出問題，并且通過分析解決問題，使搬運(yùn)效率大大提高。結(jié)束語在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的情況下，制造業(yè)的崛起應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)各領(lǐng)域正在向智能化方面發(fā)展。在此背景下我們需要一款智能物流搬運(yùn)小車代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹦诶壑貜?fù)的工作。本設(shè)計(jì)經(jīng)過整體設(shè)計(jì)、硬件選型及選型，軟件設(shè)計(jì)、硬件組裝、硬軟件調(diào)試等工作后，能實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的基本功能并將誤差和失誤減小到一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)-避障-搬運(yùn)功能。有希望解決傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器臂只能固定在定點(diǎn)進(jìn)行搬運(yùn)的弊端。以下為本次設(shè)計(jì)完成的主要工作。（1）依據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，通過查閱資料分析搬運(yùn)背景和搬運(yùn)小車的國內(nèi)外現(xiàn)狀并明確了研究意義，從而引出智能物流搬運(yùn)小車的總體設(shè)計(jì)。（2）搬運(yùn)小車的移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由12V干電池作為電源，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N模塊控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)小車在地面的自由移動(dòng)。（3）搬運(yùn)小車的循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)為五個(gè)紅外對(duì)管組成，中間兩個(gè)為檢測(cè)循跡路線，兩邊各一個(gè)是為了檢測(cè)地點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)在規(guī)定路線內(nèi)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。（4）搬運(yùn)小車的避障系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距避障，可精確判斷障礙物距離并且及時(shí)做出動(dòng)作。同時(shí)超聲波避障相比于紅外傳感器來講，超聲波避障不受光照影響，因此更適用于相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下。（5）搬運(yùn)小車的搬運(yùn)模塊是由四個(gè)Mg90s舵機(jī)和Ardu