基于ARM及蓝牙技术的智能搬运机器人

杨华++吴敏

摘要：设计制作一个智能搬运机器人，可类人站立，选择双轮自平衡方案，由于两轮共轴、独立驱动、车身重心位于车轮轴上方，通过运动保持平衡，可以直立运动，对于地形的变化也有很强的适应能力，有着良好的运动性能，因此选择用来做搬运机器人的主要结构最合适，而且便与收纳并支持蓝牙控制。

关键词：机器人；蓝牙；自平衡

中圖分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0004-02

1 引言

现实生活中，搬运机器人节省我们人类劳动力是个远大的理想，采用双电机驱动自平衡巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并将自身重力转换成动能，便于移动，具有环保的特点。另外搬运机器人小巧，转弯灵活，可以在狭窄、大转角的工作场合作业，也可以在陆地上快速移动并进行物品的搬运，我们可以通过手机APP进行操作控制，指引机器人向目的地前进，可以在工厂、学校、餐厅、家庭中广泛使用。另外搬运机器人有个显著的特点在于，单个搬运数量并不多，但是当机器人数量越多则搬运货物体积越大，数量也越多，比如搬运集装箱，底下可以放置很多个机器人一起行动。这类体积小巧的机器人便于收纳，完全弥补生产产线需要设计高成本产线设备的缺点，随时可以取出应用。

2 整体功能

本设计的控制驱动电路板是整个搬运机器人组成的核心，根据查阅资料搜索双轮自平衡的功能特点，选择MPU-6050这款6轴运动处理传感器采集车体的状态信息；选择TB6612这款直流电机驱动芯片进行双电机驱动；选择光电编码器采集车体速度信息；选择370金属齿轮直流减速电机；控制器采用STM32单片机完成数据采集与处理、车体状态信息判断、直流减速电机控制及蓝牙与手机APP通讯控制等功能。具体结构框图如图1所示。

3 控制系统硬件设计

3.1 系统主控芯片

选用意法半导体公司的STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片集成的I2C总线模块对于传感器MPU-6050的控制较为方便。对传感器MPU-6050输出的加速度信号和陀螺仪信号进行采集；对加速度信号和陀螺仪信号进行数据融合，计算出车体即时的倾斜角度；对于两个车轮上安装的光栅编码器，由于其输出两路AB相信号，进行采集之后得到小车运动速度及方向信息；利用数字PID算法得出PWM信号来控制电机驱动模块，对小车行进中倾斜角进行调整，从而实现小车的自平衡控制。

3.2 6轴运动传感器

MPU-6050是6轴运动传感器，拥有3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计和一个可扩展的运动数字处理器（DPM），其内部对陀螺仪和加速度计分别使用3个16位ADC，检测输出的16位数字量，通过I2C总线接口输出，能精确跟踪快速和慢速运动，还能设定陀螺仪和加速度传感器的测量范围。

3.3 直流电机驱动电路

TB6612FNG是电机驱动芯片，能独立控制2个直流电机，具有集成度高、输出驱动能力强等特点，每通道输出最高1.2A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2A，有正转/反转/制动/停止4种电机控制模式，PWM支持频率高达100kHz，在集成化、小型化的电机控制系统中，是一种理想的电机驱动器件。

3.4 电机及编码器模块

选用370电机，该电机自带编码器，由于编码器采用集电极开路输出，输出波形为矩形波，因此编码器外围电路较简单。使用时在信号输出端需要接入一个上拉电阻，即可将信号提供给单片机进行采集数据。我们设PULSE引脚为编码器A相，接单片机的脉冲计数口，通过单片机的PACNT模块对输入脉冲进行计数从而获取电机转速。DIR为编码器B相输出，接单片机I/O口，通过A、B相位差进行软件鉴相，从而判断电机转动方向。

3.5 蓝牙控制模块

系统采用无线（蓝牙）模块，实现双向通讯传输，拥有2.4G无线通信接口，与手机进行通信，并通过手机来进行控制，蓝牙模块是现成的蓝牙串口模块，开发方便，具有强抗干扰能力，发射功率微小。完全符合辐射和距离要求。蓝牙模块是自动连接的，可用手机蓝牙控制。

3.6 供电电路

本设计使用3节18650锂电池供电，供电电压约12V，供电电路将电源电压转换成3.3V供主控芯片和传感器电路使用。由于电机的功耗较大，起制动时会引起电源电压的波动，所以电路设计滤波电路稳定电压输出。

4 控制系统软件设计

程序设计是作品设计的核心部分，系统采用C语言编写，采用模块化的程序设计方法，主要包括6轴运动传感器MPU-6050、TB6612FNG直流电机驱动、蓝牙模块、卡尔曼滤波器控制等主控程序，手机APP控制两大部分。程序主要包含有无线蓝牙数据接收、加速、减速、平衡数据处理等。为了保证系统的可靠性及安全性还需对电路过流、发送/接收地址数据不匹配等进行相应的处理。现画出系统主程序流程图（见图2）和角度、角速度处理函数流程图（见图3）。

5 结语

企业工厂在产品流水线最后一道关卡，当产品制作完成需要进行运输包装时，常见的无非是人工搬运、大型生产自动线的传送，对于人工搬运，生产效率会降低，若专门请人搬运，又占用一个工作岗位；对于大型生产线的使用，又需要考虑设备成本及人工操作，而且设备必然占用地方空间，因此，体积小巧的搬运机器人应运而生，在地面上灵活机动、成本低廉、可以批量使用，类似蚂蚁搬运，一个搬运机器人的力量是渺小的，一群搬运机器人的力量是强大的，使用完后搬运机器人还能随时进行收纳以备下次继续使用，不占用场地空间。

不仅仅在工厂中使用，在学校、餐厅、家庭中均可以被广泛使用，在学校可以作为搬运快递机器人使用，在餐厅可以作为传菜员使用，家庭中同样可以传递物品，最重要的是小朋友喜欢。

由于市面上除了见到机器人餐厅，使用的是巡线机器人托盘运动，其他工厂企业、学校并不看见这类搬运机器人，因此市场前景较为可观。

参考文献

[1]肖成.基于S3C2440的嵌入式智能小车控制系统设计[J].软件开发与设计，2011（5）.