智能避障物料小车的设计及应用
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摘 要：为实现搬运物料的自动化，本文以Arduino为控制核心设计了一个避障物料搬运小车，小车根据传感器检测周围环境，在直流电机和舵机的配合下，实现小车从启动到循迹避障，按规定的且标记为黑色的路线行驶;通过蓝牙模块将摄像头拍摄到的图像传输到手机APP端，由APP完成二维码扫描和颜色识别并传输回小车，从而获取物料搬运信息;控制机械臂将特定颜色的物料按照指定顺序搬运至指定的目的地，并返回出发地待命。
关键词：智能避障;物料搬运;颜色识别;Arduino
随着计算机技术、智能技术等科学技术的进步，智能设备不断涌现，极大地提高了劳动生产效率，解放了更多劳动力，降低生产成本。除了制造领域，在军事、餐饮、胶卷胶片、矿山、食品、医药等领域都具有非常广阔的应用场景，因此，避障物料搬运小车的设计是具有一定的现实意义的。
1 硬件设计
Arduino开发板为嵌入式应用控制系统提供灵活、有效的解决方案，能够通过传感器来检测感知周围环境，并通过控制灯光、电机及其他硬件装置来反馈、影响周围的环境，因此，采用Arduino开发板作为控制单元。经过分析，该物料搬运小车主要包含上位机手机APP和以下8个硬件模块。
1.1 主控單元
主控单元由Basra主控板和Bigfish扩展板组成的。主控板以AVRATmega328为处理器，具有14路I/O端口，锂电池供电，支持红外、灰度、超声波等多种传感器，可与无线、蓝牙、OLED等扩展模块直插连接，与扩展板一起，可以最多支持2个直流电机，10个舵机，10个传感器。
1.2 循迹避障模块
循迹避障模块主要是由超声波传感器模块和光电传感器两部分组成，通过扩展板的外围接口与控制单元。超声波传感器利用超声波信号来探测障碍物，障碍物将发射的声波部分地反射回传感器的接收器，从而使传感器检测到障碍物，最终转换为数字信号传递给控制核心。[3]将小车的行驶轨道设置为黑色，黑标红外光电传感器作为小车的循迹传感模块，使小车沿着黑色的行驶轨迹前进。
1.3 电机驱动模块
电机驱动模块包含两个直流电机和一个伺服电机，电机通过扩展板的外围借口与控制单元。小车地盘装有一个伺服电机，用来控制小车的转向，通过编程可以控制伺服电机的转向角度;小车有四个福来轮作为车轮，两个直流电机驱动小车水平方向和垂直方向前进，通过编程可以控制小车前进还是后退，以及小车的行驶速度。
1.4 扫码模块
扫码模块主要由摄像头和上位机手机APP端组成。当小车停在二维码区域后，摄像头拍摄二维码图像，并将图像经蓝牙模块传输到APP;APP将二维码识别结果经蓝牙发送给主控单元。
1.5 颜色识别模块
颜色识别模块和扫码模块的组成相同。当小车行驶到物料区域后，摄像头拍摄待检测的物料图像，并将图像经蓝牙模块传输到APP;APP将颜色识别结果经蓝牙传送到主控单元。
1.6 机械臂模块
为了实现物料的抓取，机械臂设计成三自由度的机械臂，能够按照固定程序抓取、搬运物件。机械臂的运动由XY两个相互垂直方向的直线运动与一个摆动运动组合而成，主要由三个舵机完成，底部舵机、中间舵机和机械爪舵机分别连接到开发板的舵机口。
1.7 蓝牙模块
采用HC-06蓝牙串口通信模块实现蓝牙通过。尺寸小可以方便地嵌入到各类应用上，自带的LED指示灯有助于判断蓝牙状态。用户还可以根据实际需要灵活地对主、从工作模式、串口波特率及设备名称等参数进行设置。
1.8 显示模块
显示模块主要是由一个OLED显示组成。OLED显示屏是一款无需背光源、自发光的显示模块，为了节省显示模块与控制器的连接线数量，通过Bigfish扩展板的I2C接口与控制单元连接，用来显示颜色识别结果，以及二维码的扫描结果。
2 软件设计
硬件系统设计完成后，最重要的工作就是软件程序的设计。只有软硬件相互结合，各个元器件才能够正确无误地完成避障循迹物料搬运工作。基于Arduino的控制系统接受传感器等设备部件传输的数据，根据一定的算法进行处理，进而控制相关的硬件设备完成相关的操作。整个软件设计分为以下两个部分：
（1）硬件控制部分，采用模块化的方法来设计，分别完成避障循迹、电机驱动、显示、机械臂、蓝牙通信等模块的编程、调试工作。
（2）上位机手机APP端，主要完成扫描二维码和颜色识别。
①利用条形码工具包Zbar实现二维码扫描：从相册中获取待识别的二维码图像;预处理图像，裁剪条形码区域、去噪声和二值化;由Zbar图像阅读器，从图像中识别条形码数据，并完成格式的转换。
②利用OpenCV实现颜色识别，主要流程为：从相册选取待识别的颜色图像，将图像的颜色空间由RGB转换为HSV，图像去噪声处理，检测颜色。
3 结束
按照上述设计思路，完成了Arduino控制的智能物料小车的制作和测试工作。小车能够正常运行，可以动态调整小车的运行速度，实现了按照指定的搬运顺序将物料搬运到指定的目的地。这样的物料搬运小车的实现还是具有一定的现实意义的。机器人代替人力已成为生产趋势，与人力相比，小车能高效、准确、灵活地完成物料的搬运，从而显著地提高生产效率，降低成本，相信这样的小车必定会在经济生产中得到广泛地应用。
参考文献：
[1]王鹤君，黄建清，等.基于大棚运输车的智能化小车的设计[J].电子设计工程，2018，26（21）：148-150.
[2]吕博新，岳欢，等.智能视频巡检小车的设计与实现[J].科技视界，2017，（20）：99-100.
[3]郭子健.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作[J].科技风，2014，（13）：68.
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