基于模块化控制的多功能智能搬运小车的设计

范淇元，覃羡烘，黄文妹

（1.华南理工大学 广州学院，广州 510800；2.广东理工学院 工业自动化系，肇庆 526100）

随着科学技术的发展，自动化、智能化是我国当前不可推卸的首要任务。智能化是现代设备的象征。智能小车的运用领域非常广泛，它不仅可以运用于无人车间，更可以运用于军事、通信、导航，甚至于家庭[1]。它所涉及的知识也是十分丰富，涵盖了机械、电子、计算机、传感器等。

智能小车不仅可以减少繁重的体力劳动，同时可以提高企业的生产率和降低劳动成本。现今，企业的生产技术不断提高，对自动化技术要求不断加深的环境下，智能小车以及在此基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性化生产组织等系统的关键设备[2]。特别在一些高危生产线上，工人们冒着生命危险干活，而采用智能小车搬运，就不用担心出现这种问题。再者智能小车的芯片能装载的信息非常庞大，且价格低廉。因此具有非常广阔的前景。

1 智能小车硬件设备原理及安装

1.1 智能小车控制主板

所选用的Openduino是中科欧鹏公司的智能搬运码垛控制主板。它可以驱动多种电路模块，比如电机模块、超声波模块、QTI（quick track infrared）传感器模块、颜色传感器模块[3]。Openduino在驱动舵机时，可以直接输入脉冲的大小来控制舵机的转速，从而达到舵机调速效果。在各种驱动中，如直流、伺服、步进电机均适用Openduino，而且电机的驱动电源是独立的。控制板有16路数字舵机接口，可以灵活地配置不同端口的模块，同时也支持多种环境。设计中采用了C语言编程软件Eclipse。

1.2 智能小车控制芯片

控制主板Openduino的主控芯片为ATmega328p。ATmega328p是一款主流Atmel AVR的芯片，具有很强的I/O驱动能力、高速运行处理能力且低功耗，晶振为16 MHz[4]；有32个针脚数、23个可编程的I/O口、32 kB的程序存储器容量，被广泛应用于微小型机器人的系统开发。

1.3 循线功能QTI传感器

智能小车循线功能通过QTI传感器实现。QTI传感器是一种小功率集成管，由红外发射器和红外接收器2部分组成；有3个引脚，分别是电源（Vcc-5 V）引脚、地（GND）引脚和信号输出（SIG）引脚[5]。QTI传感器在循线功能应用广泛，普遍用于智能小车。QTI传感器最佳探测距离为10～12 mm。

1.4 角度伺服舵机

机械手控制主要采用4个自由度的角度舵机来实现，驱动角度伺服舵机的芯片是74HC595。该机械手运作非常平稳，控制也非常方便。因为是双臂用双电机驱动，启动的力矩非常大。又因为是小型样机，所以机械手的最大展开长度为300 mm（从大臂关节中心到手爪顶端），最大的夹持重量仅为150 g，但相对于五自由度机械手，具有4个转动关节和1个夹持关节。机械手臂部分从角度舵机1到角度舵机5依次接到控制板上标识为SVO1—SVO5接口，角度舵机的控制范围通常为0～180°[6]。在此，采用的角度舵机控制脉冲宽度范围为 1000～5000 μs，编程时定义 1000 μs对应角度为 0°，5000μs对应角度为 180°。

1.5 硬件分布实物

QTI传感器的硬件分布如图1所示。

图1 QTI传感器分布实物图Fig.1 QTI sensor distribution physical diagram

智能小车前进循线所用到的QTI有QTI1—QTI4：QTI1用于左转角，QTI4用于右转角，QTI2和QTI3用于控制前进。QTI5和QTI6主要用于智能小车停止位置的定位；QTI7—QTI9除用于后退循线外，还具有抓物料及放物料的定位功能。角度舵机分布实物图如图2所示。

图2 角度舵机分布实物图Fig.2 Angle servo distribution physical map

2 智能小车软件系统设计及调试分析

2.1 搬运物料路径图及编程设计思路

通过路径的规划，使智能小车能经过程序运算后，将物块搬运到指定位置并进行堆垛。搬运物料路径如图3所示。

图3 搬运物料路径Fig.3 Handling material path map

采用编程软件Eclipse进行编程。编程设计思路如下：①转角程序设计 智能小车前方左右两边QTI传感器对黑道扫描方法转角；②前进循线设计 智能小车前方4个QTI传感器循线；③后退循线设计 智能小车后方3个QTI传感器循线；④定位放物料设计 智能小车后方3个QTI传感器定位；⑤机械手动作顺序 舵机5→舵机4→舵机3→舵机1和2。

2.2 搬运物料的流程

智能小车搬运物料的流程如图4所示。

图4 智能小车搬运物料步骤流程Fig.4 Intelligent car handling materials flow chart

2.3 搬运调试过程及结果

搬运程序主要是调试智能小车，使其按照事先拟好的路线进行搬运、堆叠，且智能小车在搬运第2个货物时还能整齐地叠放在第1个货物的上面。调试时，先进行分段程序调试，再做程序总体调试。对机械手和QTI的调试稍后再进行，此时调试好搬运路径即可。智能小车能自动进行分料，这些程序都在调试时拟好。

智能小车在搬运过程中，基本可以按照要求完成上下搬料的动作，但有可能在抓物料、放下物料时出现些许误差，比如堆放不整齐、夹取时把下层的物块弄倒。这些细微误差都将在调试过程中一一解决。

2.4 QTI传感器循线调试

2.4.1 调试过程

循线调试共使用9个QTI传感器。从智能小车后方向前方看去，前方中间有4个QTI，它们主要用于智能小车前进循线和调整精度循线；轮子左右附近有2个QTI，主要用于辅助循线以及转角度循线；“尾巴”中间有3个QTI，主要用于转角度循线和后退循线。

QTI传感器读取信号为1时表示处于黑道，为0时表示处于白道。

控制程序编译成功后下载至智能小车控制器中并运行，运行过程得到调试结果。由图3可见，小车先利用前面的QTI进行直线行走，到十字路口之后要实现向左转或者向右转90°的功能，主要是利用扫描的方法转角。如向左转至白点时，智能小车中间的QTI会感应到白点，产生低电平，小车停止前进。除向左、向右转90°之外，还可以实现180°的转角。

2.4.2 调试结果

QTI传感器的循线调试结果见表1。

表1 QTI循线状态Tab.1 QTI line status

多功能智能小车在循线时，直线行走时非常稳定，但在转角时不够稳定，会出现转角幅度偏大的情况，为此需要使用扫描的方法来进行转角。故在编程时，增加了智能小车转过90°时再做一次角度的修正，以达到后续行走过程中能够循着直线行走。

2.5 机械手工作调试

2.5.1 调试过程

为使智能小车的机械手能准确地抓放物料，调试时采用了单一变量法，在保持其他2个机械手参数不变的情况下，对机械手的每个参数进行调整。因受多种因素影响，所以在调试过程中需要耐心反复调试。最终通过调试，得到了比较理想的舵机参数。理想的机械手动作参数见表2。

表2 机械手动作参数 （°）Tab.2 Manipulator parameters

2.5.2 调试结果

机械手经过调试后，智能小车在运行过程中，机械手基本能按照要求完成各个动作，可以实现抓取、放下物料的功能。然而，由于实际结果与设定的参数存在误差，尤其在抓取和堆垛的位置上，不能每次都精准实现，会出现位置的微小偏移。这主要是由于受电量外在因素的影响，电机运转会受到电量的制约。

2.6 智能小车硬件设备及软件系统的改进

之所以不能准确抓放物料，除了受智能小车硬件设备的影响外，还与软件系统有关。在小车搬运物料时，由于电量不足，导致机械手无法正常工作，直接影响搬运结果；有时QTI传感器无法正常工作，影响循线的准确度；机械手参数并非最佳范围，导致无法把物料搬到最佳位置；地图有些地方太黑，直接影响QTI传感器的读取功能；等。因此有必要对智能小车硬件设备及软件系统做进一步改进。

硬件设备的改进如下：①地图的质量不能影响QTI传感器读取功能；②电量应充足，如果经济条件允许可以考虑更换新的电池；③QTI传感器的安装位置必须根据智能小车的工作需要，不得随意安装；④搬运物料前，须全面检测硬件设备，以保证智能小车码垛能正常进行。

软件系统的改进如下：①烧录程序之前，须对程序进行全面检查，确保程序无误后才能烧录。②程序的语法可以考虑switch语句，以达到程序精简效果。③程序应模块化，以便于程序错误的检查。④for，while，do while均为循环体结构，三者可以互换使用。 ⑤void T （int LeftSpeed，int RightSpeed，int time），timed值不宜过大，太大则小车可能冲出黑道，time值最好为2～5。⑥机械手动作的顺序是：舵机5→舵机4→舵机3→舵机1和2。其目的是防止碰到物料，提高搬运物料效率，提高放物料精度。

3 模块与仿真

3.1 金属模块的检测

金属检测主要利用超声波来控制。设计中，金属检测功能并未附在智能小车搬运的场地图中，而采用了单独的形式，其原理非常简单。在车的头部安装1条小管道，再安装1块电磁铁，在小车行驶过程中通电。当小车行驶到有金属的位置时，电磁铁的位置发生变化，超声波感应到电磁铁位置的变化，则认为感应到金属。金属检测实物设计如图5所示。

图5 金属检测实物设计Fig.5 Metal detection physical design

3.2 避障模块

避障使用红外避障法，而不是超声波避障法。相对而言，后者的运用更广泛，而且反应灵敏。在此设定避障的距离为30 cm。如果利用超声波避障，由于距离和空间小而产生前后传感器信号干扰[7]，因而无法判断出现障碍物的位置而发生程序紊乱，最终达不到要求。采用红外传感器来避障便可解决这些问题。

然而，当障碍物距离小车非常近的时候，红外传感器发出的信号容易遭受自然光的干扰。当检测到障碍物的时，发射回来的红外光被红外光敏二极管接收，产生低电平，该信号被放大交由单片机分析之后做出动作，该左转、右转或者后退。

3.3 小车测距模块

测距主要利用霍尔传感器获得信号来实现。在转轴上粘一些磁钢，使霍尔开关接近磁钢，就可以产生信号[8]。当转轴在不停转动时，就会不断地产生脉冲信号输出。当在转轴上的磁钢达到可以让转轴转一周时，就可产生多个脉冲。

在粘这些磁钢时应注意，霍尔传感器对磁场方向非常敏感。如果粘上的磁钢靠近霍尔传感器时没有脉冲输出，则应更换方向再做测试。

由于该传感器可运用在重油污或有灰尘的环境中，因此在工业中被广泛使用。在此测试中，小车的轴半径r=3 cm，则小车转n周的路程为S=2×3.14×3n。

3.4 循迹原理

多功能智能小车按照白色地图上的黑线行驶。通常采用红外探测法。主要利用不同颜色的物块会产生不一样的反射强度原理。在小车循迹行驶过程中，不断地向地面反射红外光，当小车行驶到白色区域时产生漫反射，则被小车接收管接收，小车停止前进；如果是黑线，则被红外光吸收，不产生漫反射，故接受管接受不到信息，小车继续前进。小车在循迹过程中主要依据该原理来判断黑线或者白线。

3.5 驱动电机原理

电机驱动电路是主芯片发出信号控制电机从而控制小车运动，并通过控制OUT来控制小车电机的正、反转，即控制小车的左、右转向，同时也控制小车的前进、后退和停止。

在此使用Proteus对电路图进行绘制和仿真。仿真均依据多功能小车运行的原理进行绘制，分别有循迹、驱动电机、金属检测、测距、避障等。在原理图绘制中，未采用AVR的芯片，是因为在POTELS软件中很难找到该芯片，采用的是日常单片机中最常用的芯片ATM89c52。型号不同，但演示的结果相同。

4 智能小车的搬运码垛试验

完成编程后对智能小车进行了搬运码垛试验。转角主要依靠小车前面两边QTI传感器扫黑道的方法进行，其好处是能保证转角度到位，不受电量的影响。因为需要中转物料，所以主要使用后面QTI传感器扫描黑道的方法进行转角。小车能准确停在线上放物料，主要靠后面3个QTI传感器对白点进行定位停车。后退主要依靠后面的QTI传感器循线。智能码垛搬运物料时也是按照顺时针扫描搬运物料，当物料与放终点位置一致时，机械手直接抓起物料前进到一定位置放下物料；当其他线被物料挡住时，则机械手抓起物料转角到该线上，待前进到一定位置放下物料；其他情况则中转到其他归划好的储物区。搬运码垛试验中的智能小车如图6所示。

编程主要利用数组作为编程的核心，将已知的物料颜色给数组赋值，智能小车就会将物料准确无误地搬运到相应的位置。

5 结语

先对智能搬运小车的硬件进行甄选，然后进行软件编程并反复调试；对电路进行了绘制和仿真，模拟了在生产线上多功能小车依靠机械手完成上下料、物料储存、摆放等一些物流活动；解决了智能小车在生产上遇到的比较常见的循迹、驱动电机、金属检测、测距、避障困难等问题；在制作和设计过程中较容易实现，且具有高度的人性化、智能化。目前该多功能小车已经投入使用，为企业创造了比较好的效益。

图6 智能小车的搬运码垛试验Fig.6 Handling and palletizing test of intelligent trolley