基于STM32单片机的物料搬运小车
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摘 要：本设计以STM32单片机最小系统作为主控板，采用模块化设计方案，包含红外循迹传感器模块、超声波测距模块、二维码识别模块、显示模块、颜色识别模块、机械臂模块、电源模块组成。本设计以普通四轮小车为载体。底部循迹传感器用于检测路面铺设的循迹线;超声波模块测量小车距离围墙的距离用于辅助定位;二维码识别模块通过扫描二维码领取搬运任务;显示模块显示任务信息;红外传感器用于检测物料位置;颜色识别模块检测物料顏色;机械臂模块执行抓取或放置动作;电源模块为小车提供动力源;主控板根据各模块的反馈信息控制小车自主搬运物料。
关键词：循迹;物料搬运;红外传感器;机械臂
1 系统方案
1.1 系统原理
小车底部前后各装有一个“5路”红外传感器即可保证小车前进沿循迹线行驶又可使小车在不调头的情况下实现倒车循迹提高搬运效率。正常运行状态中，小车循迹，行至任务点扫描二维并将信息显示在TFT彩屏上，读取搬运任务后，直接倒车行至物料提取区寻找物料。物料位置采用外部中断触发方式进行检测，当侧部红外传感器检测到物料即产生一个下降沿信号触发中断，单片机调用中断服务函数通过颜色识别模块检测当前物料颜色是否与任务一致，如果一致则抓取，否则继续循迹寻找物料。当抓取到物料后小车即通过超声波测距模块测量一次距离，根据测得的数据判断当前小车在场地的具体位置，然后自主规划行至物料存放区的路径，当行至物料存放区后放置物料并判断是否全部搬运完成，如果完成则返回，否则行至提取区寻找物料。
1.2 系统论证
1.2.1硬件系统
（1）主控板。主控板上以STM32F103RCT6为主控芯片，包含最小系统电路、按键电路、TFT液晶屏接口电路、电机驱动电路。使用Altium Designer15绘制而成。（2）传感器模块。本装置使用两组（10个）红外传感器模块用于循迹分别安装在小车底部的前后端，用于检测路面信息，使小车沿着既定黑线自主行驶;超声波测距模块型号为RCWL-1601;漫反射式光电开关安装于侧部用于检测物料位置;二维码识别采用GM65扫描设备模块，支持TTL232和USB接口;颜色识别采用GY-33传感器模块。（3）机械臂模块。机械臂由16路舵机控制板、4个MG96R舵机、机械爪、舵机支架构成，采用串口与主控板进行通信。（4）电源模块。因机械臂与小车电机功率很大，且使用电池供电，如果使用普通电池则会发生当机械臂与小车电机同时工作时，因供电不足导致单片机掉电重启，导致任务失败。因此采用可输出较大功率的12V航模电池此电池最大输出电流可达10A足以满足小车供电要求。因单片机与舵机工作电压为3.3V和6V所以供通过两个降压模块分别给单片机与机械臂供电，小车电机直接由12V电源供电。
1.2.2 软件系统
（1）循迹部分。小车使用两组4个直流电机提供驱动力左侧2个电机为一组，右侧2个电机为一组。单片机通过L298N驱动芯片可直接控制两组电机正反转与停止。进而实现小车前进、转向及停车的功能，在前进过程中，单片机只读取车头一组传感器状态，后退过程只读取车尾传感器状态，通过分析传感器返回的信号，控制小车沿着规定路线行驶。（2）主从机通信部分。本装置使用一主多从模式构建;其中16 路舵机控制板（驱动机械臂）、二维码识别模块、颜色识别模块，均内嵌MCU，作为为从机;主机为主控板上的STM32单片机。因IIC通信需构建通信电路，且主控板串口资源丰富为方便起见主机与从机之间的通信通过3个串口实现。
2 系统测试
2.1 循迹测试
测试过程：赛道地面为整张广告喷绘布铺成，基色为浅蓝（RGB值为200，225，255）;地面施划有间隔为300mm的黑色方格线，经线为线宽20mm的单线，纬线线宽为15+10（间隔）+15mm的双线。测试结果：小车可良好兼容经线与纬线差异自主寻迹。
2.2 超声波测距测试
测试过程：将超声波模块单独接在主控板上循环触发模块进行距离测量。测试结果：超声波模块测量数据准确，精度在1cm，能满足定位要求。
2.3 机械臂测试
测试过程：将小车停放在物料提取区，单片机发送动作命令给舵机控制板，观察机械臂是否可以顺利完成指定动作。测试结果：机械臂可以牢固抓取与平稳放置物料。
2.4 二维码识别测试
测试过程：单独接上二维码识别模块，在距离二维码20cm处进行扫描识别。测试结果：该模块可正确识别二维码信息。
2.5 颜色识别测试
测试过程：单独接上颜色识别模块，在距离物料1cm处进行颜色识别。测试结果：当物块偏离颜色传感器时该模块出现一定概率的识别错误，为增强其正确率，在传感器旁增加了补光灯，并进行多次测量稳定测量结果，经改良后可正确识别颜色信息。
2.6 综合测试
测试过程：模拟第六届工程训练比赛场地，观测小车是否可以完成比赛要求。测试结果：小车可沿黑线正确循迹，并在抓取物料后自主规划路径行至存放区。
参考文献：
[1]张洋，刘军.原子教你玩STM32（库函数版）.2015（11）.
[2]邹赫.影响电子通讯设备可靠性的因素及设备可靠性对策分析[J].信息与电脑（理论版），2014（07）.
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